玻璃窑炉过程控制系统设计及实现课程设计

玻璃窑炉过程控制系统设计及实现
0 引言
玻璃窑炉作为玻璃工业主要的热工设备，是一个多变量、多回路、高阶、时变的非线性系统，许多参数之间相互关联、相互耦合。

而对于换向玻璃窑炉（每隔一定时间进行左右燃烧的切换）来说，除具有以上特点外，在换向期间，由于燃料和助燃风的突然关闭和开启，窑炉内温度大幅度下降、窑压大幅度波动以及由此引起的玻璃液位波动等问题，大大地破坏了窑内的热工平衡。

所有这些对象特性都大大增加了对玻璃窑炉自动控制的难度。

1 工艺过程及控制要求
某厂200t 容量玻璃窑炉的炉体结构如图1所示。

从投料到原料在窑炉内熔化、澄清、均化和冷却，经过一系列的物理、化学和物理$ 化学反应，最终形成均匀、无气泡、符合成型温度要求的熔融玻璃液（从通道流出后用以压制电视机荧屏的后部锥体），是一个复杂的工艺过程。

整个过程要求玻璃液的温度、液位必须满足工艺要求，以保证产品质量。

主要控制内容包括熔化池及工作池的温度、助燃风流量、天然气流量、玻璃液位、窑炉压力的自动调节以及通道温度的自动调节、燃烧系统的定时交换控制等。

整个被控对象共有44! 个检测和控制点，需要4! 个模拟量调节回路及较多逻辑顺序控制。

2 DOS配置策略
根据工艺过程的特性及控制要求，选择了HEUHOO 公司于2003年新推出的EPKS系统，该产品在石化领域的控制技术更趋完善，使得整个项目的运作开发、现场调试安装和投运后的维护都变得相对简单，充分体现了分散控制、集中管理的工作模式。

整个系统分别由1台工程师站、2台操作站（互为冗余热备）、3台监视站和2台过程控制站（互为冗余热备）构成。

控制系统总体结构如图2 所示。

3 过程控制难点剖析及算法实现
3.1 窑炉温度控制
窑炉温度控制是熔化池温度控制、工作池温度控制和通道温度控制的统称，其控制效果的好坏直接关系到成品玻璃液质量的优劣，因此说窑炉温度的稳定极为重要。

由于测温电偶与燃烧喷枪喷火口在同一截面上，测温点与燃烧火头的距离很近，因此通道燃料的改变能迅速引起测温点的温度变化，使得通道温度对象惯性较小，几乎没有滞后，用单回路控制系统即可。

由于在实际生产过程中需要加工不同规格的产品，此时相应的工艺要求也随之改变，因此需要在上位机不断更改温度的设定值。

在这种情况下，以往的控制系统对设定值如此频繁变化的场合就显得调整周期过长，而且当设定值迅速变化时，在PID算式中会引起控制输出变量过大增长，对系统造成冲击，影响窑炉系统的动态品质。

故这一部分采用了微分先行PID 控制器。

这样得到如图! 所示的窑炉温度单回路控制系统方框图。

微分先行PID 与传统PID的主要不同之处是，
只对被调量进行微分处理，而不对控制偏差进行微分，可以克服设定值突变引起系统输出大幅度变化，从而对整个系统的稳定性和快速性有利。

3.2玻璃液位控制
因为经投料机投入的玻璃原料在熔化池内要经过充分的熔化、反应等过程才进入工作池这个过程需要很长时间，加之通道末端每次提供给压机的料滴是定量的，并不随投料量的多少及玻璃液位的高低而改变，所以说玻璃液位系统具有大惯性、滞后以及无自平衡能力等特点。

这也致使在利用常规PID调节时，容易出现积分饱和现象，引起系统超调甚至振荡。

为了克服这一控制难题，在控制方案设计上引入了变速积分PID 算法。

变速积分PID算法的设计思想就是根据系统偏差大小改变积分的速度，使其与偏差大小相对应。

当偏差较大时，使积分累加速度减慢，反之则使积分累加速度加快。

为此，设置一系数f［E（k）］，它是偏差E（k）的函数，当|E（k）|增大时，f 减小，反之增大。

每次采样后用f|E（k）|乘以E（k），再进行累加，即
P’i（k）为变速积分项的输出值其中f 与|E（k）|的关系如下（A、B为根据实际生产过程确定的两个参数）就实现了用比例作用消除较大的液位偏差，用积分作用消除较小的液位偏差，从而完全消除积分饱和现象，使系统更趋稳定，改善了调节品质。

另外，液位控制系统并不要求液位完全没有余差，而要求被控量在允许的误差范围内变化，为此采用带有死区的PID控制算法，以消除由于频繁动作引起的振荡。

设死区宽度为-C~+C,则当偏差在所设死区范围内时，调节器不作任何调整，
此时的控制算式如下：
液位控制系统结构如图4所示。

3.3 换向期间燃烧系统控制
彩虹玻璃厂20# 锥炉作为换向玻璃窑炉要求每20~30min 进行一次左右燃烧切换，在换向期间，由于燃料切断后，窑内温度和窑压大幅度下降，烟道抽力如果不相对减少，将进一步打破窑内的热平衡，而减少烟道抽力后，如果不相应改变助燃风流量，又将引起窑压的波动，进而引起液面波动；换向结束后，由于窑内温度下降较多，需大量增加燃料量，以维持工艺要求的熔化温度，由于温度过程的反映滞后和热容惯性，从而易带来窑内温度和窑压的再次波动；同时，窑内工况的大幅度变化，又不能给换向结束后的稳定控制创造良好的条件，也不利于熔窑的经济性燃烧。

针对被控对象的上述特性，综合考虑换向过程中的扰动因素，在此采用了协调控制策略，并根据现场实验所测数据提出了换向扰动抑制算法。

其主要思想是对换向预备、换向开始、换向期间、换向结束及换向结束后整个过程中，天然气、助燃风和烟道抽力等关系到稳定熔窑热工制度的因素，进行协调控制，并给出一系列调节阀位相应动作曲线，以配合换向过程的进行。

换向扰动抑制算法在换向期间协调助燃风、天然气和炉压调节器的输出值，控制3者的调节器输出改变的时序和改变的幅度。

也就是以非换向时间稳定燃烧时调节器的输出为基础，在换向期间将以上3个调节器的输出分别乘以一个适当的系数（称为控制系数，以a表示），作为新的调节器的
输出值，后通过软手操输出来控制现场调节阀位开度。

通过一系列严格的时间位置变化动作，保证换向期间窑内工况尽可能稳定。

按图5 所示控制框图进行换向扰动抑制控制系统的现场投运，在非换向期间，选择器输出OP=OP1,也即PID 调节器的计算输出；在换向刚刚开始瞬间，先由换向信号上升沿（由0到1 跳变过程）触发寄存器保存PID 调节器当前的输出值OP1，此时乘法器的输出OP2=a*OP1；当换向信号到来后（信号已完成跳变，为高电平信号1），此时PID调节器被锁定，同时该换向信号作用于选择器，使其输出OP=OP2，保证各阀门开度按照一定的曲线变化，如加大燃料量，从而减小了换向过程对窑内温度和压力的冲击，从根本上保证了自动控制的精度和稳定性；当换向结束后（此时换向信号为低电平0），按照一定的解锁顺序解锁，恢复#() 调节器的自动调节功能。

3.4 换向过程逻辑顺序控制
每隔20~30min要进行一次左右燃烧切换，其工作过程（以左燃烧切换为右燃烧为例）为：关左天然气→开左冷却风→关左助燃风→开右助燃风→烟道闸板换向→关右冷却风→开右天然气。

这一过程要求每一步控制动作必须正确执行，若前一步未能执行则后一步动作就不准执行，否则将严重影响生产的安全性。

为此，软件设置了状态信息反馈程序，如图6所示。

即在换向顺讯控制上，在通过DO通道送出控制信号后，接下来不是立即执行下一步控制动作，而是通过DI通道采集被控对象的状态，以确认相应阀门机构确实到达指定位置，否则下一步控制动作不予执行。

由于阀门的开（或关）这一机械动作需要时间，加之阀门在打开或关闭瞬间容易引入电磁干扰，此时采集的电信号会出现振荡，从而可能会对DCS系统造成强脉冲冲击，因此在中间加入延时操作，等开关量设备状态稳定后再检测。

4 结语
以玻璃窑炉为研究对象，详细讨论了DCS配置策略，同时结合实际过程控制中所遇到的关键问题，在分析各自被控对象特性的基础上，提出了相应的控制算法。

该系统于2004年2月成功投入运行，实现了全线的监测及控制，产品的合格率在90%以上，取得了预期的控制效果，同时也提高了生产的安全性与管理水平。