超薄浮法熔窯在線油改氣工程控制系統的提升改造

湯曉旭 吳驚濤

洛玻集團洛陽龍海電子玻璃有限公司（471943）

超薄浮法熔窯在線油改氣工程控制系統的提升改造

湯曉旭 吳驚濤

洛玻集團洛陽龍海電子玻璃有限公司（471943）

超薄浮法窯油改氣工程是在生產狀態下進行的，控制系統的提升改造是其中的重要環節。在實施過程中，熔窯原有重油的換向系統及燃燒控制系統要保留，同時要新增燃氣換向及燃燒控制系統。需要對熔窯換向等電氣、控制系統提升改造及DCS系統進行重新編程，更新硬件，并進行各子系統的調試、整套系統的聯機調試，完成新舊兩套系統的對接、整合，并將原用于重油燃燒引進國外的ESⅢ專家系統通過自主研發改造使之適用于天然氣的燃燒，取得了預期效果。

超薄浮法窯;油改氣;控制系統;提升;改造

0 引言

當前，作為玻璃工業燃料用的重油價格居高不下，同時隨著國內煉油工業技術水平的提高，適合于電子工業玻璃熔爐使用的優質重油品質越來越難以得到充分保證。由于電子工業用超薄浮法玻璃附加值高,燃料質量好壞直接影響企業產品質量、經濟效益。我公司在熔窯運行將近7年時，順利完成了清潔燃料管道天然替代重油的改造，其中控制系統的提升改造在油改氣工程是一個非常重要的環節。

1 油改氣工程中控制系統提升改造的主要內容

本次改造是在不停產的狀態下進行的，熔窯原有重油的換向系統及燃燒控制系統要保留，同時要新增燃氣換向及燃燒控制系統。也就是說，天然氣與重油換向同步，天然氣控制與重油控制同時都在正常運行中，以確保一旦出問題可以從容地進行重油替代天然氣，維持生產的正常進行。這中間存在一個對接過程，此對接過程不能對生產造成不利影響。

需要對熔窯換向等電氣、控制系統提升改造及DCS進行重新編程、調試，主要涉及新增控制模塊、天然氣參數的監控、調節。

原用于重油燃燒引進國外的ESⅢ專家系統通過自主研發改造使之適用于天然氣的燃燒。ESⅢ專家系統的控制參數是在當初購進該系統時外國專家現場測試并調試的，我們根據幾年來的使用經驗，在深入理解其控制理念的基礎上，改氣后經過一段時間的摸索，修改了其內部控制參數，使這一系統成功的應用于燃氣的控制上。

2 熔窯原有控制系統簡介

原有的控制系統采用的是Siemens公司DCS系統PCS7，投產后又新增了一套引進國外的ESⅢ專家系統。

2.1 DCS系統的構成

DCS系統的構成是:工程師站、操作員站(OS)、網絡、現場控制站。在我公司熱端DCS控制系統中，按照工藝的劃分，我們把OS大致分為三個對應工段：熔窯、錫槽、退火窯，每個OS各監控一個工段，同時與其他兩個OS互為備用。對于操作員來說，通常所能看到和操作的是OS上的工藝狀況畫面和各種實時的數據，只有具有工程師權限的人員才具有查看和修改組態過的控制策略、工藝狀況畫面和網絡的實時監測等功能。

原有DCS系統大致有21幅畫面，分為熔窯、錫槽、退火窯三個部分。其中熔窯部分的畫面有助燃風、窯壓液位、窯底煙道、碹頂溫度、重油流量、熱負荷分配、水溫、換向、風機、電流監控、熔窯參數表等；錫槽部分的畫面有錫槽壓力、氮氫監控、電加熱、錫液溫度監控、槽底監控、電流監控、錫槽參數表等；退火窯部分的畫面有風機，A、B、C區溫度監控，紅外監控，退火總圖等。

2.2 系統硬件介紹

此控制系統中OS為一個層次，網絡為一個層次，控制站為一個層次。在OS站上安裝有WindowsXP操作系統、PCS7軟件和經過二次開發的軟件，通過PCS7軟件，可以對系統結構、網絡、控制站進行組態、設置、調試和診斷，通過OS可以模擬顯示生產工藝狀況，并由操作員輸入控制參數或命令，對現場設備進行控制和調節。網絡層采用Siemens工業用100M交換機，交換機之間通過光纖連為環網，當一個方向的通訊線纜出現故障時，通訊還可以從另一個方向進行，從而保證了通訊的高速和可靠性。ES、OS和控制站等設備上面都安裝有網卡，它們可通過交換機進行實時數據交換。控制站采用兩套性能良好的AS414H控制系統，每套的CPU、電源和通訊都是冗余的，既保證了控制的安全性、可靠性，又保證了控制反映速度。每套AS414H上面配置有不同數量的ET200M子站，它們與控制系統通過Profibus總線連接起來，在各個ET200M子站上插有冗余的通訊板卡和各種I/O模板。I/O模板與現場設備如壓力變送器、溫度變送器、流量變送器等進行數據交換，達到采集數據和控制執行設備的功能。

2.3 系統組態分為硬件和軟件兩個方面

硬件組態是一種圖形化的組態方式，對某一過程站而言，實際帶有若干ET200遠程I/O，在組態畫面中，只要在該過程站后的PROFIBUS-DP網絡線上拖放幾個IM153模塊就形成幾個ET200遠程I/O接點。硬件組態中的所有模塊，都可以從PCS7提供的元件庫中找到相應型號、定貨號的模塊，只要將其拖放至與實際安裝相對應的位置即可。硬件組態配置完成后，下載到相應的過程控制站。這樣就使得實際硬件安裝模件和硬件組態相一致，I/O模塊上的每一點的地址就得以確定。

軟件的通常組態簡單明了，采用圖形畫的編輯界面，PCS7將許多邏輯、運算功能形成了功能塊,在進行程序組態時，如需用到某種邏輯、運算功能，就可在PCS7的功能塊庫中找到與之相應的功能塊，將其直接拖放至CFC組態畫面即可，各個功能塊的參數通過大量的管腳來表示，并且可以通過連線來表明功能塊之間數據的傳遞方向和相互關系，從而生成相應的控制策略。用戶還可利用PCS7提供的一種類似PASICAL語言的SCL程序結構化控制語言自定義特殊功能塊，并存在功能塊庫中，隨意調用。

在工程師站上完成所有程序組態，編譯無誤后，將程序下載至過程控制器，這樣過程控制器中就有了經過編譯后的用戶程序；再將含有用戶程序的用戶項目傳送到操作站,用戶程序就傳給了WINCC人機界面，在程序組態時，已被定義具有了WINCC屬性的各模塊的標簽值就能在WINCC中被找到，再通過WINCC畫面組態，就可完成人機對話、參數的畫面顯示等，從而完成PCS7和WINCC（內核與顯示）的結合。WINCC功能十分強大，而使用起來又非常方便，在編制各種畫面、報警歸檔等功能時，都可應用其標準的功能來完成。

2.4 ESⅢ專家系統簡介

眾所周知，玻璃熔窯是大慣量、純滯后和多分布參數的非線性控制系統，很難實現控制參數的精確控制。當前，國內浮法線熔窯各參數一般采用單回路的PID控制，也曾先后引進后BTR熔窯控制系統（加權數值平均）和λ控制系統（以廢氣中的含氧量來作為調整依據），但實際應用效果都不理想。ESⅢ作為先進熔窯控制系統，采用了多變量預估控制器內帶有優化器的MPC（Multivariable Predictive Control）和IRC（中間控制）。利用CFD（計算流體動力學模型）與先進的控制系統相結合，來解決玻璃熔窯復雜的工況控制，在提出的裝置修改以后，CFD模型能夠發現替在的生產問題，并且能夠預測工藝過程。它能根據熱工計算的結果，找出熔窯多個碹頂溫度控制點之間，以及他們與熱點溫度之間的相互關系；窯內玻璃液流變化所引起的碹頂溫度變化與熔窯池底溫度變化的關系；拉引量、投料機變頻系數、玻璃液面之間的關系；冷卻部窯壓、拉引量、玻璃液面、冷卻部微調風之間的相互關系，運用自身強大的功能進行數據處理，對熔窯工況作出判斷、調整。

在ESⅢ先進控制中最有代表性的技術是“多變量預估控制”，它與常規控制不同之處在于:首先它是對被控對象進行多變量控制，而不是像PID那樣的單回路控制,并且被控對象從傳統上的玻璃液面、溫度等參數轉變為產品質量指標和設備負荷，從而大大提高了整個控制系統的平穩性，為浮法成型的卡邊操作創造了良好條件；其次，對于過程復雜的系統，要想建立精確的數學模型是非常困難的，而應用預估控制技術則降低了對數學模型精度的要求。

2.5 DCS與ESⅢ的對比

DCS控制是采用單個PID回路控制，每個獨立的PID回路自成一體，某個PID回路的輸出會影響到其他的PID回路的輸入，根據之前的誤差反饋來調整執行機構，但是當誤差出現之時，所進行的調節已不能控制當前之變化趨勢，使得被控對象狀態不穩定。PID回路不能預測工藝過程的狀態，由于在DCS控制系統中在各個控制回路之間沒有內在的輸入輸出聯系，而玻璃熔窯的各參數之間卻具有一定程度上的相關性，DCS控制系統缺乏一個對參數變化趨勢的預測與研判，具有一定程度的滯后性,雖然當前DCS廣泛應用于玻璃熔窯的控制中，但其工藝參數穩定程度對于生產高質量電子工業用基板的超薄浮法線不是十分理想。

ESⅢ先進熔化控制系統（簡稱專家系統），該系統采用了先進的CFD（計算流體動力學），但ES專家系統中的MPC能夠計算出未來的工藝過程的狀態，可以將碹頂溫度控制點、各小爐助燃風支風、玻璃液面、流道溫度幾個重要控制性參數同時控制調整。ESⅢ系統采用的是多點預估控制技術，所有與過程相關的輸入輸出數據、過程擾動同步進行連續辯別、考慮并進行處理，做出相應調整，減少了因人為因素導致的對參數變化趨勢判斷的不準確與連續性，持續有效地對玻璃熔窯工況參數進行監控調整。在生產運行中，當根據工藝需要設定好溫度控制指標后，熔窯被要求控制的多個關鍵節點溫度會根據設定指標自動調節控制，熱負荷由該系統自動進行分配調整，總燃料用量由該系統自行增加或減少。ESⅢ在原理上優于DCS控制中使用的PID參數調節控制，同時實際生產中也證明了ESⅢ對熔化工況的控制優于單純使用DCS的效果，使得各受控重要參數更加精確穩定，保證了熔化工序的穩定。

3 油改氣工程中的控制系統提升改造具體內容

3.1 新上燃氣換向室一座

天然氣換向的實現，在新增燃氣換向室內有天然氣換向控制盤，南北換向各有兩個裝有防爆線圈的二位四通電磁閥（一用一備）給出換向信號，該換向信號驅動裝在各小爐南北支管上的雙作用氣動切斷閥實現各小爐的天然氣換向。燃氣換向室內所有電信號線路露出穿線管部分均加裝有防爆保護套。另外換向室內還設有燃氣泄露報警器，并在側窗頂部安裝有兩臺防爆軸流風機。所有新增控制線路均提前敷設到工程師站控制柜前，并做好標記。換向控制系統不能實現天然氣的換向需要進行改造。原有換向系統是針對燃油的，因新上天然氣系統與原燃油系統同時并存，必然需要增加一套換向系統。原有的換向程序是（以北換南為例）:預鈴→開回油→開北吹掃→關北側油→關北側霧化氣→廢氣和助燃風換向→開南側霧化氣→關北吹掃→開南油→關回油。根據工程總體安排，這套換向系統預以保留。

新增的燃氣系統中總管道上有一安全切斷閥，該安全切斷閥的作用是當熔窯燃燒系統出現問題用于緊急切斷的，如當發生突然停助燃風時，就需要把總管的天然氣供應緊急切斷，安全切斷閥的控制信號不與計算機相連，在中控室換火控制柜上與快速回油共用一個開關，當出現問題需要切斷天然氣時，在換火控制柜上手動將安全切斷閥關閉。燃氣系統中的噴槍保護氣換向與重油系統中的霧化氣換向共用一路信號，每對小爐的天然氣換向采用的是雙作用氣動切斷閥（分南北管路）讓燃氣換向與重油換向共用一路信號，從而達到節約費用的目的。

天然氣換向程序為（以北換南為例）：預鈴→關北天然氣→關北側霧化氣→廢氣和助燃風換向→開南側霧化氣→開南天然氣。此處沿用了燃重油時的叫法，霧化氣參與燃燒同時兼有噴槍保護氣的作用。

3.2 新增的燃天然氣系統裝置控制

新增的燃天然氣系統中，在總管路上安裝有壓力自動調節閥，且每個小爐均安裝了壓力測量和流量自動控制裝置。原有的DCS系統中沒有南北總氣量設定、總管壓力調節、各小爐分支天然氣壓力監控與流量調節等重要控制參數，故需要新增燃天然氣控制畫面，導致原有工程師站的信道不夠用，因此需要增加新模塊，從而增加信道。所以需要對DCS進行重新組態編程，以增加新控制畫面。

為使新增控制畫面能夠投入到生產中使用以及新增模塊的安裝，我們根據生產作業計劃，安排專門的時間段來進行此頂工作。在此期間，熔窯所有原來使用DCS、ESⅢ控制的內容，如各小爐支油、支風、液面、流道溫度包括換向系統，全部由自動狀態退出到全手動、定位狀態以保證模塊安裝，新增線路接進DCS系統控制柜中，進而對所有新增線路、控制單元進行全面的檢查、調試，保證信號反映正確，控制調整執行機構運行正確，使得控制系統的安裝調試在總體置換計劃開始前全部完成。

3.3 油改氣工程置換過程的控制系統運行

置換過程中,換向與檢測隨轉換過程同步啟用，流量、壓力調節本著先手動，再自動的原則依次進行，最后再將ESⅢ投入使用。原ESⅢ的參數是針對燒重油的而且是在當初購進時由老外安裝調試的，能不能應用到燃天然氣我們一直都很擔心,改氣后，我們根據多年來的ESⅢ使用經驗，在深入理解其控制理念的基礎上,改氣后經過一段時間的摸索，修改了其內部控制參數，使這一系統成功的應用于燃氣的控制上。新增的各小爐天然氣分支流量計采用的是渦街流量計，它的計量與燃氣的壓力大小有關系，我們及時修正了燃氣壓力。

4 結語

本公司超薄浮法窯爐在生產運行狀態中成功地實施了油改氣工程，并對熔窯的控制系統進行了在線提升改造，通過完善設計方案，精心編組態程序，施工中精益求精，圓滿完成了新增控制系統線路的敷設，新舊控制系統的對接、整合，使得燃油與燃氣控制系統能夠同時由DCS上控制，并將原有的應用于重油燃燒引進國外的ESⅢ專家系統通過自主研發改造使之適用于天然氣的燃燒控制，取得了預期效果，為公司降低燃料成本和生產安全、穩定運行創造了良好條件。

[1]劉志剛,趙玉軍,劉海濱,王劍,吳驚濤,孫煒正,王珂,璩建光.管道天然氣在線替代重油在超薄浮法窯上的應用[J].中國建材科技,2013(8):33-35.

[2]倪植森,汪俊濤,劉志剛,王劍,徐建安.ESⅢ專家系統在超薄浮法玻璃熔窯上的應用[J].玻璃,2009(1):37-40.

[3]張宇干,曹華,薛之光,謝軍.多變量預估控制在浮法玻璃熔窯運行中的應用研究[J].建材世界,2009(2):104-108.

[4]單杰編譯.先進的玻璃熔窯控制[J].建材世界,2009(4):18-19.

[5]程宗慧.DCS系統在國際先進浮法玻璃生產線中的應用[J].機電工程技術,2009(5):72-76.