窯爐玻璃液面控制研究

董劍飛

（彩虹新能源有限公司，陜西咸陽 716000）

在生產CRT玻殼窯爐上使用的是移動鉑金探針式液面計，它的傳感器為一鉑金探針，其原理就是利用該探針與玻璃液位接觸形成回路時滑線電阻阻值的差異，來判斷上下往復運動的探針接觸液面瞬間的位置，再通過9050探測器和9058控制器檢測出液面的高低。它的精度和可靠性在很大程度上取決于玻璃液面干凈程度、探針尖端形狀及侵蝕情況，以及電機齒輪齒條的嚙合和磨損情況。因此其檢測精度較低，有時探針會黏結熔融的玻璃液而產生拉絲現象和機械故障使其日常維護工作量很大。

1 成像玻璃液位控制系統

目前，我公司光伏玻璃全氧窯爐使用成像玻璃液位控制系統，該系統專門用于測量玻璃液位處熔爐的位置，并控制分配器的速度。與鉑探針液位計相比，無線集成光電器件具有安裝方便、運行穩定可靠、日常技術工作量少等優點。控制系統有兩個輸出：流體控制的輸出信號可直接連接到驅動發動機；第二個液位輸出信號連接至DCS系統。

1.1 檢測原理

檢測原理如圖1所示。觀察孔應在熔爐橫向通道箱壁的一側打開，另一側應打開標記孔。由于玻璃液面反射鏡的作用，標記孔處于玻璃表面是A1的反射。改變液位后，距A1的距離2H也成比例變化。圖像通過CCD攝像機記錄和傳輸，視頻信號被發送到計算機。計算機執行功能提取和圖像處理，以獲得反映玻璃液位變化的值2H。此外，通過從固定點移除反射，也可以反映玻璃高度的變化。調整相機時，將圖像中孔的底邊設置為參考點（相對零），然后可以獲得相對于零參考點的實際液位測量值（液位測量值）。

圖1 檢測原理示意圖

1.2 系統主要構成

系統主要構成部分如圖2所示。

（1）圖像處理計算機主要完成以下任務：在信號輸入端對圖像進行處理，生成圖像數據并發送測量結果進行顯示；接受命令并設置鍵盤輸入的參數；輸出兩個模擬4~20mA動力操作信號，一個信號送至變頻器的發動機控制液體位置控制，另一路信號輸出到中控室集散控制系統（DCS），可顯示玻璃液面實時測量值信號；當玻璃液面位置發生突變超出上下限時，可輸出報警驅動信號到報警環節。

（2）鍵盤：向計算機發送命令、設置參數和輸入密碼。

（3）顯示：顯示測量結果、輸出百分比和輸入相機圖像。

（4）攝像機：它用于捕獲測量范圍的圖像，并將輸出的視頻信號發送給圖像處理程序。

（5）鏡頭：采用藍寶石高溫針孔手動變焦/聚焦鏡頭，使攝像機得到合適的視場，可耐溫150℃，能夠滿足窯爐現場周邊高溫環境要求。

（6）水冷防護罩：安裝在窯外，用于現場的熱防護和防塵，保護其內部的攝像機和鏡頭。其進水、回水管路通過不銹鋼金屬編織軟管連接現場提供的循環冷卻水管道。

（7）支撐：支撐水冷保護蓋，調整攝像機的傾斜角度和旋轉角度，以獲得合適的視野。

（8）玻璃片：用于衰減窯內高亮光線，隔離窯爐內揮發物。

（9）氣幕罩：應安裝在爐膛觀察孔外，以防止觀察孔內出現湍流，并防止干擾測量。進氣用不銹鋼金屬染料管道與現場高壓管道連接。

1.3 系統主要功能和技術指標

系統主要功能和技術指標（圖3）：

圖3 技術指標標示圖

（1）實時顯示液位的測量值、偏差值和測量表面圖像。

（2）輸出投料機控制信號和液面測量值信號。

（3）測量分辨率：0.1mm。

（4）閉環控制精度：±0.1mm。

2 系統工作原理

2.1 系統工作狀

整個系統啟動后進入工作狀態，此時顯示器顯示正常工作畫面如圖4所示。

圖4 正常工作畫面

（1）控制窗口：液面視頻控制系統停止、開始運行。

（2）通過液位測量的區域的圖像窗口：上部為標稱孔的圖像，下部為其反射，垂直線為測量線。通過設置相機光圈和對焦該距離會導致圖像的中等對比度，以及名稱空間框架的黑色圖像的邊緣及其清晰的反射；通過調節攝像機的支架和左右擺角可使標志孔和倒影圖像位于此窗口內。

（3）液位信息窗口：顯示液面設定值、液面實際測量值和偏差值。

（4）輸出信息窗口：顯示當前液位控制輸出的百分值。

（5）時間窗口：顯示當前時間。

（6）液位曲線窗口：顯示液位曲線。按正常工作屏幕上的pagup和pagdown鍵（無參數設置狀態）（時間按小時移動）或8592攝氏度；關閉位置是查看液位歷史值的關鍵（移動時間為1min）。按ESC鍵返回正常屏幕并顯示當前液位曲線。

（7）報警窗口：如果測量的液體標稱值大于報警上限，則應顯示高液位報警；如果測量的液體標稱值低于報警下限，應顯示低液位警報；攝像機圖像信號錯誤，不符合圖像處理要求（如測量線與測量范圍不同，攝像機被遮擋）。如果圖像信號過低，應顯示攝像機位置報警；如果內部計算機出現故障，將顯示系統錯誤警告。

在正常工作屏幕上，按Alt+space進入參數設置菜單的常規屏幕，出現如圖5所示的屏幕。進入此屏幕后，可以按←、→，選擇所需的選項要更改參數（選定參數的顏色變暗），請按選項↑、↓鍵修改參數值，但在更改參數之前，請輸入授權密碼。按鍵一次可將參數值更改為數字1，按鍵2s可將參數值更改為10位。輸入值后，按Enter鍵更改設置，按ESC鍵或在10s內不要單擊，系統將返回正常屏幕。

圖5 參數畫面

2.2 系統菜單數據顯示和液位圖像測量區域的圖像

一般參數設置菜單中各參數意義如下：

（1）報警上限：當液位測量值大于液位與該值之和及給定值時，出現報警窗口，出現高液位源，參數范圍寬，參數范圍：-10~50。

（2）報警下限：當液位測量值大于液位給定值與該值之差時，出現報警窗口，出現低液位源，參數范圍 ：-10~50。

（3）高級參數切換：參數激活后，進入展開的參數設置菜單；如果禁用此參數，則無法進入展開的參數設置菜單。

正常運行時，液位圖像測量區域的圖像窗口如圖6所示。

圖6 玻璃液面被測區域圖像窗口

在實際使用過程中經常出現的報警是報警窗口顯示攝像機位置報警，可能出現下列情況：

（1）電腦屏幕是黑色的，沒有圖像。這可能是由于以下原因：相機鏡頭被遮擋；電動攝像機連接（視頻線、燈、網線）接觸不良、斷路；相機電源故障或12V；用于中間轉換的光端發送機和接收機的故障；電腦顯示器故障。

（2）圖像搖晃得厲害。在此期間，實際液位穩定，但液位測量值變化很大。檢查氣幕的壓縮空氣壓力，查看現場是否有較大振動源，穩固攝像機安裝支架等可消除此現象。

（3）圖像位置不合適。通過調整攝像機安裝支架、鏡頭焦距使得畫面中出現清晰的標志孔及其倒影圖像。

（4）圖像模糊，圖像質量差，因此在圖紙中顯示圖像。

（5）無法獲得。有幾個因素會影響圖像：①對比度、亮度源調整不當。②窯爐的影響。窯爐長期運行，爐內的揮發物和結焦物堆積在標志孔的上下沿，影響采樣點的形狀。在長期操作過程中，觀察孔收集了許多揮發性物質，玻璃表面上標記孔的清晰反射不應可見。玻璃液位過低，無法收集玻璃液位標記孔產生的反射圖像。玻璃片積灰太多，影響攝像機采集到的圖像畫面效果。③攝像機的影響。鏡頭的焦距、光圈調整不當。

3 對策解決方法

1）調整對比度、亮度源，反復調整此值，人眼將在屏幕上看到更好的圖像。

2）手動觀察安裝攝像頭的爐內情況，定期清理玻璃片上的揮發物。

3）通過視頻信號將攝像頭輸出信號直接連接至監視器，以監控圖像質量。如果質量差，則應校正焦距和透鏡光圈。

4 結語

窯爐玻璃液位的檢測及控制系統對整個窯爐來說有著舉足輕重的作用，它不僅關系到窯爐的熔解工藝、爐壓及排煙等多方面，還關系到窯爐的安全和使用壽命，是玻璃制造企業一個核心關鍵點。