超薄浮法熔窑在线油改气工程控制系统的提升改造

汤晓旭 吴惊涛

洛玻集团洛阳龙海电子玻璃有限公司（471943）

超薄浮法熔窑在线油改气工程控制系统的提升改造

汤晓旭 吴惊涛

洛玻集团洛阳龙海电子玻璃有限公司（471943）

超薄浮法窑油改气工程是在生产状态下进行的，控制系统的提升改造是其中的重要环节。在实施过程中，熔窑原有重油的换向系统及燃烧控制系统要保留，同时要新增燃气换向及燃烧控制系统。需要对熔窑换向等电气、控制系统提升改造及DCS系统进行重新编程，更新硬件，并进行各子系统的调试、整套系统的联机调试，完成新旧两套系统的对接、整合，并将原用于重油燃烧引进国外的ESⅢ专家系统通过自主研发改造使之适用于天然气的燃烧，取得了预期效果。

超薄浮法窑;油改气;控制系统;提升;改造

0 引言

当前，作为玻璃工业燃料用的重油价格居高不下，同时随着国内炼油工业技术水平的提高，适合于电子工业玻璃熔炉使用的优质重油品质越来越难以得到充分保证。由于电子工业用超薄浮法玻璃附加值高,燃料质量好坏直接影响企业产品质量、经济效益。我公司在熔窑运行将近7年时，顺利完成了清洁燃料管道天然替代重油的改造，其中控制系统的提升改造在油改气工程是一个非常重要的环节。

1 油改气工程中控制系统提升改造的主要内容

本次改造是在不停产的状态下进行的，熔窑原有重油的换向系统及燃烧控制系统要保留，同时要新增燃气换向及燃烧控制系统。也就是说，天然气与重油换向同步，天然气控制与重油控制同时都在正常运行中，以确保一旦出问题可以从容地进行重油替代天然气，维持生产的正常进行。这中间存在一个对接过程，此对接过程不能对生产造成不利影响。

需要对熔窑换向等电气、控制系统提升改造及DCS进行重新编程、调试，主要涉及新增控制模块、天然气参数的监控、调节。

原用于重油燃烧引进国外的ESⅢ专家系统通过自主研发改造使之适用于天然气的燃烧。ESⅢ专家系统的控制参数是在当初购进该系统时外国专家现场测试并调试的，我们根据几年来的使用经验，在深入理解其控制理念的基础上，改气后经过一段时间的摸索，修改了其内部控制参数，使这一系统成功的应用于燃气的控制上。

2 熔窑原有控制系统简介

原有的控制系统采用的是Siemens公司DCS系统PCS7，投产后又新增了一套引进国外的ESⅢ专家系统。

2.1 DCS系统的构成

DCS系统的构成是:工程师站、操作员站(OS)、网络、现场控制站。在我公司热端DCS控制系统中，按照工艺的划分，我们把OS大致分为三个对应工段：熔窑、锡槽、退火窑，每个OS各监控一个工段，同时与其他两个OS互为备用。对于操作员来说，通常所能看到和操作的是OS上的工艺状况画面和各种实时的数据，只有具有工程师权限的人员才具有查看和修改组态过的控制策略、工艺状况画面和网络的实时监测等功能。

原有DCS系统大致有21幅画面，分为熔窑、锡槽、退火窑三个部分。其中熔窑部分的画面有助燃风、窑压液位、窑底烟道、碹顶温度、重油流量、热负荷分配、水温、换向、风机、电流监控、熔窑参数表等；锡槽部分的画面有锡槽压力、氮氢监控、电加热、锡液温度监控、槽底监控、电流监控、锡槽参数表等；退火窑部分的画面有风机，A、B、C区温度监控，红外监控，退火总图等。

2.2 系统硬件介绍

此控制系统中OS为一个层次，网络为一个层次，控制站为一个层次。在OS站上安装有WindowsXP操作系统、PCS7软件和经过二次开发的软件，通过PCS7软件，可以对系统结构、网络、控制站进行组态、设置、调试和诊断，通过OS可以模拟显示生产工艺状况，并由操作员输入控制参数或命令，对现场设备进行控制和调节。网络层采用Siemens工业用100M交换机，交换机之间通过光纤连为环网，当一个方向的通讯线缆出现故障时，通讯还可以从另一个方向进行，从而保证了通讯的高速和可靠性。ES、OS和控制站等设备上面都安装有网卡，它们可通过交换机进行实时数据交换。控制站采用两套性能良好的AS414H控制系统，每套的CPU、电源和通讯都是冗余的，既保证了控制的安全性、可靠性，又保证了控制反映速度。每套AS414H上面配置有不同数量的ET200M子站，它们与控制系统通过Profibus总线连接起来，在各个ET200M子站上插有冗余的通讯板卡和各种I/O模板。I/O模板与现场设备如压力变送器、温度变送器、流量变送器等进行数据交换，达到采集数据和控制执行设备的功能。

2.3 系统组态分为硬件和软件两个方面

硬件组态是一种图形化的组态方式，对某一过程站而言，实际带有若干ET200远程I/O，在组态画面中，只要在该过程站后的PROFIBUS-DP网络线上拖放几个IM153模块就形成几个ET200远程I/O接点。硬件组态中的所有模块，都可以从PCS7提供的元件库中找到相应型号、定货号的模块，只要将其拖放至与实际安装相对应的位置即可。硬件组态配置完成后，下载到相应的过程控制站。这样就使得实际硬件安装模件和硬件组态相一致，I/O模块上的每一点的地址就得以确定。

软件的通常组态简单明了，采用图形画的编辑界面，PCS7将许多逻辑、运算功能形成了功能块,在进行程序组态时，如需用到某种逻辑、运算功能，就可在PCS7的功能块库中找到与之相应的功能块，将其直接拖放至CFC组态画面即可，各个功能块的参数通过大量的管脚来表示，并且可以通过连线来表明功能块之间数据的传递方向和相互关系，从而生成相应的控制策略。用户还可利用PCS7提供的一种类似PASICAL语言的SCL程序结构化控制语言自定义特殊功能块，并存在功能块库中，随意调用。

在工程师站上完成所有程序组态，编译无误后，将程序下载至过程控制器，这样过程控制器中就有了经过编译后的用户程序；再将含有用户程序的用户项目传送到操作站,用户程序就传给了WINCC人机界面，在程序组态时，已被定义具有了WINCC属性的各模块的标签值就能在WINCC中被找到，再通过WINCC画面组态，就可完成人机对话、参数的画面显示等，从而完成PCS7和WINCC（内核与显示）的结合。WINCC功能十分强大，而使用起来又非常方便，在编制各种画面、报警归档等功能时，都可应用其标准的功能来完成。

2.4 ESⅢ专家系统简介

众所周知，玻璃熔窑是大惯量、纯滞后和多分布参数的非线性控制系统，很难实现控制参数的精确控制。当前，国内浮法线熔窑各参数一般采用单回路的PID控制，也曾先后引进后BTR熔窑控制系统（加权数值平均）和λ控制系统（以废气中的含氧量来作为调整依据），但实际应用效果都不理想。ESⅢ作为先进熔窑控制系统，采用了多变量预估控制器内带有优化器的MPC（Multivariable Predictive Control）和IRC（中间控制）。利用CFD（计算流体动力学模型）与先进的控制系统相结合，来解决玻璃熔窑复杂的工况控制，在提出的装置修改以后，CFD模型能够发现替在的生产问题，并且能够预测工艺过程。它能根据热工计算的结果，找出熔窑多个碹顶温度控制点之间，以及他们与热点温度之间的相互关系；窑内玻璃液流变化所引起的碹顶温度变化与熔窑池底温度变化的关系；拉引量、投料机变频系数、玻璃液面之间的关系；冷却部窑压、拉引量、玻璃液面、冷却部微调风之间的相互关系，运用自身强大的功能进行数据处理，对熔窑工况作出判断、调整。

在ESⅢ先进控制中最有代表性的技术是“多变量预估控制”，它与常规控制不同之处在于:首先它是对被控对象进行多变量控制，而不是像PID那样的单回路控制,并且被控对象从传统上的玻璃液面、温度等参数转变为产品质量指标和设备负荷，从而大大提高了整个控制系统的平稳性，为浮法成型的卡边操作创造了良好条件；其次，对于过程复杂的系统，要想建立精确的数学模型是非常困难的，而应用预估控制技术则降低了对数学模型精度的要求。

2.5 DCS与ESⅢ的对比

DCS控制是采用单个PID回路控制，每个独立的PID回路自成一体，某个PID回路的输出会影响到其他的PID回路的输入，根据之前的误差反馈来调整执行机构，但是当误差出现之时，所进行的调节已不能控制当前之变化趋势，使得被控对象状态不稳定。PID回路不能预测工艺过程的状态，由于在DCS控制系统中在各个控制回路之间没有内在的输入输出联系，而玻璃熔窑的各参数之间却具有一定程度上的相关性，DCS控制系统缺乏一个对参数变化趋势的预测与研判，具有一定程度的滞后性,虽然当前DCS广泛应用于玻璃熔窑的控制中，但其工艺参数稳定程度对于生产高质量电子工业用基板的超薄浮法线不是十分理想。

ESⅢ先进熔化控制系统（简称专家系统），该系统采用了先进的CFD（计算流体动力学），但ES专家系统中的MPC能够计算出未来的工艺过程的状态，可以将碹顶温度控制点、各小炉助燃风支风、玻璃液面、流道温度几个重要控制性参数同时控制调整。ESⅢ系统采用的是多点预估控制技术，所有与过程相关的输入输出数据、过程扰动同步进行连续辩别、考虑并进行处理，做出相应调整，减少了因人为因素导致的对参数变化趋势判断的不准确与连续性，持续有效地对玻璃熔窑工况参数进行监控调整。在生产运行中，当根据工艺需要设定好温度控制指标后，熔窑被要求控制的多个关键节点温度会根据设定指标自动调节控制，热负荷由该系统自动进行分配调整，总燃料用量由该系统自行增加或减少。ESⅢ在原理上优于DCS控制中使用的PID参数调节控制，同时实际生产中也证明了ESⅢ对熔化工况的控制优于单纯使用DCS的效果，使得各受控重要参数更加精确稳定，保证了熔化工序的稳定。

3 油改气工程中的控制系统提升改造具体内容

3.1 新上燃气换向室一座

天然气换向的实现，在新增燃气换向室内有天然气换向控制盘，南北换向各有两个装有防爆线圈的二位四通电磁阀（一用一备）给出换向信号，该换向信号驱动装在各小炉南北支管上的双作用气动切断阀实现各小炉的天然气换向。燃气换向室内所有电信号线路露出穿线管部分均加装有防爆保护套。另外换向室内还设有燃气泄露报警器，并在侧窗顶部安装有两台防爆轴流风机。所有新增控制线路均提前敷设到工程师站控制柜前，并做好标记。换向控制系统不能实现天然气的换向需要进行改造。原有换向系统是针对燃油的，因新上天然气系统与原燃油系统同时并存，必然需要增加一套换向系统。原有的换向程序是（以北换南为例）:预铃→开回油→开北吹扫→关北侧油→关北侧雾化气→废气和助燃风换向→开南侧雾化气→关北吹扫→开南油→关回油。根据工程总体安排，这套换向系统预以保留。

新增的燃气系统中总管道上有一安全切断阀，该安全切断阀的作用是当熔窑燃烧系统出现问题用于紧急切断的，如当发生突然停助燃风时，就需要把总管的天然气供应紧急切断，安全切断阀的控制信号不与计算机相连，在中控室换火控制柜上与快速回油共用一个开关，当出现问题需要切断天然气时，在换火控制柜上手动将安全切断阀关闭。燃气系统中的喷枪保护气换向与重油系统中的雾化气换向共用一路信号，每对小炉的天然气换向采用的是双作用气动切断阀（分南北管路）让燃气换向与重油换向共用一路信号，从而达到节约费用的目的。

天然气换向程序为（以北换南为例）：预铃→关北天然气→关北侧雾化气→废气和助燃风换向→开南侧雾化气→开南天然气。此处沿用了燃重油时的叫法，雾化气参与燃烧同时兼有喷枪保护气的作用。

3.2 新增的燃天然气系统装置控制

新增的燃天然气系统中，在总管路上安装有压力自动调节阀，且每个小炉均安装了压力测量和流量自动控制装置。原有的DCS系统中没有南北总气量设定、总管压力调节、各小炉分支天然气压力监控与流量调节等重要控制参数，故需要新增燃天然气控制画面，导致原有工程师站的信道不够用，因此需要增加新模块，从而增加信道。所以需要对DCS进行重新组态编程，以增加新控制画面。

为使新增控制画面能够投入到生产中使用以及新增模块的安装，我们根据生产作业计划，安排专门的时间段来进行此顶工作。在此期间，熔窑所有原来使用DCS、ESⅢ控制的内容，如各小炉支油、支风、液面、流道温度包括换向系统，全部由自动状态退出到全手动、定位状态以保证模块安装，新增线路接进DCS系统控制柜中，进而对所有新增线路、控制单元进行全面的检查、调试，保证信号反映正确，控制调整执行机构运行正确，使得控制系统的安装调试在总体置换计划开始前全部完成。

3.3 油改气工程置换过程的控制系统运行

置换过程中,换向与检测随转换过程同步启用，流量、压力调节本着先手动，再自动的原则依次进行，最后再将ESⅢ投入使用。原ESⅢ的参数是针对烧重油的而且是在当初购进时由老外安装调试的，能不能应用到燃天然气我们一直都很担心,改气后，我们根据多年来的ESⅢ使用经验，在深入理解其控制理念的基础上,改气后经过一段时间的摸索，修改了其内部控制参数，使这一系统成功的应用于燃气的控制上。新增的各小炉天然气分支流量计采用的是涡街流量计，它的计量与燃气的压力大小有关系，我们及时修正了燃气压力。

4 结语

本公司超薄浮法窑炉在生产运行状态中成功地实施了油改气工程，并对熔窑的控制系统进行了在线提升改造，通过完善设计方案，精心编组态程序，施工中精益求精，圆满完成了新增控制系统线路的敷设，新旧控制系统的对接、整合，使得燃油与燃气控制系统能够同时由DCS上控制，并将原有的应用于重油燃烧引进国外的ESⅢ专家系统通过自主研发改造使之适用于天然气的燃烧控制，取得了预期效果，为公司降低燃料成本和生产安全、稳定运行创造了良好条件。

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