玻璃窯爐過程控制系統(tǒng)設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

1、收稿日期:2004-04-20作者簡介:梁恩泉(1979-,男,山東人,碩士生,研究方向?yàn)闊峁み^程自動化。玻璃窯爐過程控制系統(tǒng)設(shè)計及實(shí)現(xiàn)梁恩泉,巨林倉,楊清宇,歐偉(西安交通大學(xué),陜西西安710049摘要:在分析了玻璃窯爐動態(tài)特性的基礎(chǔ)上,給出了DCS 配置策略,同時結(jié)合實(shí)際過程控制中所遇到的關(guān)鍵問題,特別是在玻璃窯爐液位調(diào)節(jié)和窯爐換向燃燒等方面詳細(xì)介紹了控制方案的實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞:玻璃窯爐;DCS ;EPK S ;控制算法中圖分類號:TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:100020682(2005022*The design and realization of a process contro

2、l system for a glass furnaceLI ANG En 2quan ,JU Lin 2cang ,Y ANG Qing 2yu ,OU Wei(Xi an Jiaotong Univer sity ,Shaanxi Xi an 710049,China Abstract :On the basis of analyzing the dynamic characteristics of a glass furnace ,the paper presents a strategy on how to configure a DCS.According to the key pr

3、oblems ,such as the way to control a glass level and to conduct the reverse control in the furnace ,the paper describes the approach to the control realization.K ey w ords :glass furnace ;DCS ;EPK S ;control alg orithm0引言玻璃窯爐作為玻璃工業(yè)主要的熱工設(shè)備,是一個多變量、多回路、高階、時變的非線性系統(tǒng),許多參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)、相互耦合。而對于換向玻璃窯爐(每隔一定時間進(jìn)行左右燃燒

4、的切換來說,除具有以上特點(diǎn)外,在換向期間,由于燃料和助燃風(fēng)的突然關(guān)閉和開啟,窯爐內(nèi)溫度大幅度下降、窯壓大幅度波動以及由此引起的玻璃液位波動等問題,大大地破壞了窯內(nèi)的熱工平衡。所有這些對象特性都大大增加了對玻璃窯爐自動控制的難度。1工藝過程及控制要求某廠200t 容量玻璃窯爐的爐體結(jié)構(gòu)如圖1所示 。圖1玻璃窯爐爐體結(jié)構(gòu)圖從投料到原料在窯爐內(nèi)熔化、澄清、均化和冷卻,經(jīng)過一系列的物理、化學(xué)和物理-化學(xué)反應(yīng),最終形成均勻、無氣泡、符合成型溫度要求的熔融玻璃液(從通道流出后用以壓制電視機(jī)熒屏的后部錐體,是一個復(fù)雜的工藝過程。整個過程要求玻璃液的溫度、液位必須滿足工藝要求,以保證產(chǎn)品質(zhì)量。主要控制內(nèi)容包括

5、熔化池及工作池的溫度、助燃風(fēng)流量、天然氣流量、玻璃液位、窯爐壓力的自動調(diào)節(jié)以及通道溫度的自動調(diào)節(jié)、燃燒系統(tǒng)的定時交換控制等。整個被控對象共有552個檢測和控制點(diǎn),需要52個模擬量調(diào)節(jié)回路及較多邏輯順序控制。2DCS 配置策略根據(jù)工藝過程的特性及控制要求,選擇了H on 2eywell 公司于2003年新推出的EPK S (Experion Pro 2cess K nowledge System 系統(tǒng),該產(chǎn)品在石化領(lǐng)域的控制技術(shù)更趨完善,使得整個項(xiàng)目的運(yùn)作開發(fā)、現(xiàn)場調(diào)試安裝和投運(yùn)后的維護(hù)都變得相對簡單,充分體現(xiàn)了分散控制、集中管理的工作模式。整個系統(tǒng)分別由1臺工程師站、2臺操作站(互為冗余熱備、

6、3臺監(jiān)視站和2臺過程控制站(互為冗余熱備構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。3過程控制難點(diǎn)剖析及算法實(shí)現(xiàn)311窯爐溫度控制窯爐溫度控制是熔化池溫度控制、工作池溫度控制和通道溫度控制的統(tǒng)稱,其控制效果的好壞直132005年第2期工業(yè)儀表與自動化裝置 圖3微分先行PI D 算法組成的窯爐溫度控制回路方框圖圖220#錐爐DCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖接關(guān)系到成品玻璃液質(zhì)量的優(yōu)劣,因此說窯爐溫度的穩(wěn)定極為重要。由于測溫電偶與燃燒噴槍噴火口在同一截面上,測溫點(diǎn)與燃燒火頭的距離很近,因此通道燃料的改變能迅速引起測溫點(diǎn)的溫度變化,使得通道溫度對象慣性較小,幾乎沒有滯后,用單回路控制系統(tǒng)即可。由于在實(shí)際生產(chǎn)過程中需要加工不

7、同規(guī)格的產(chǎn)品,此時相應(yīng)的工藝要求也隨之改變,因此需要在上位機(jī)不斷更改溫度的設(shè)定值。在這種情況下,以往的控制系統(tǒng)對設(shè)定值如此頻繁變化的場合就顯得調(diào)整周期過長,而且當(dāng)設(shè)定值迅速變化時,在PI D 算式中會引起控制輸出變量過大增長,對系統(tǒng)造成沖擊,影響窯爐系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。故這一部分采用了微分先行PI D 控制器。這樣得到如圖3所示的窯爐溫度單回路控制系統(tǒng)方框圖。微分先行PI D 與傳統(tǒng)PI D 的主要不同之處是,只對被調(diào)量進(jìn)行微分處理,而不對控制偏差進(jìn)行微分,可以克服設(shè)定值突變引起系統(tǒng)輸出大幅度變化,從而對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性有利。312玻璃液位控制因?yàn)榻?jīng)投料機(jī)投入的玻璃原料在熔化池內(nèi)要經(jīng)過充分

8、的熔化、反應(yīng)等過程才進(jìn)入工作池這個過程需要很長時間,加之通道末端每次提供給壓機(jī)的料滴是定量的,并不隨投料量的多少及玻璃液位的高低而改變,所以說玻璃液位系統(tǒng)具有大慣性、滯后以及無自平衡能力等特點(diǎn)。這也致使在利用常規(guī)PI D 調(diào)節(jié)時,容易出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象,引起系統(tǒng)超調(diào)甚至振蕩。為了克服這一控制難題,在控制方案設(shè)計上引入了變速積分PI D 算法。變速積分PI D 算法的設(shè)計思想就是根據(jù)系統(tǒng)偏差大小改變積分的速度,使其與偏差大小相對應(yīng)。當(dāng)偏差較大時,使積分累加速度減慢,反之則使積分累加速度加快。為此,設(shè)置一系數(shù)f E (k ,它是偏差E (k 的函數(shù),當(dāng)| E (k |增大時,f 減小,反之增大。每次

9、采樣后用f |E (k |乘以E (k ,再進(jìn)行累加,即P i (k =K i k -1j =0E (j +f E (k E (k P i (k 為變速積分項(xiàng)的輸出值其中f 與|E (k |的關(guān)系如下(A 、B 為根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過程確定的兩個參數(shù)f E (k =1|E (k |B(累加速度達(dá)到最大值1A -|E (k |+BAB <|E (k |A +B (f 隨偏差減小而增大,累加速度加快|E (k |>A +B(不再進(jìn)行累加此時得到的PI D 算式為P (k =K p E (k +K i k -1j =0E (j +f E (k E (k +K d E (k -E (k -1就實(shí)

10、現(xiàn)了用比例作用消除較大的液位偏差,用積分作用消除較小的液位偏差,從而完全消除積分飽和現(xiàn)象,使系統(tǒng)更趨穩(wěn)定,改善了調(diào)節(jié)品質(zhì)。另外,液位控制系統(tǒng)并不要求液位完全沒有余差,而要求被控量在允許的誤差范圍內(nèi)變化,為此采用帶有死區(qū)的PI D 控制算法,以消除由于頻繁動作引起的振蕩。設(shè)死區(qū)寬度為-C +C ,則當(dāng)偏差在所設(shè)死區(qū)范圍內(nèi)時,調(diào)節(jié)器不作任何調(diào)整,此時的控制算式如下:P (k =0|E (k |C (調(diào)節(jié)器不作任何調(diào)整P (k |E (k |>C (此時采用變速積分PID 調(diào)節(jié)4所示。圖4玻璃液位控制回路方框圖313換向期間燃燒系統(tǒng)控制彩虹玻璃廠20#錐爐作為換向玻璃窯爐要求每2030min

11、進(jìn)行一次左右燃燒切換,在換向期間,由于燃料切斷后,窯內(nèi)溫度和窯壓大幅度下降,煙道抽力如果不相對減少,將進(jìn)一步打破窯內(nèi)的熱平衡,而減少煙道抽力后,如果不相應(yīng)改變助燃風(fēng)流量,又將引起窯壓的波動,進(jìn)而引起液面波動;換向結(jié)束后,由于窯內(nèi)溫度下降較多,需大量增加燃料量,以維持工藝要求的熔化溫度,由于溫度過程的反映滯23工業(yè)儀表與自動化裝置2005年第2期后和熱容慣性,從而易帶來窯內(nèi)溫度和窯壓的再次波動;同時,窯內(nèi)工況的大幅度變化,又不能給換向結(jié)束后的穩(wěn)定控制創(chuàng)造良好的條件,也不利于熔窯的經(jīng)濟(jì)性燃燒。針對被控對象的上述特性,綜合考慮換向過程中的擾動因素,在此采用了協(xié)調(diào)控制策略,并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)所測數(shù)據(jù)提出了

12、換向擾動抑制算法。其主要思想是對換向預(yù)備、換向開始、換向期間、換向結(jié)束及換向結(jié)束后整個過程中,天然氣、助燃風(fēng)和煙道抽力等關(guān)系到穩(wěn)定熔窯熱工制度的因素,進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,并給出一系列調(diào)節(jié)閥位相應(yīng)動作曲線,以配合換向過程的進(jìn)行。換向擾動抑制算法在換向期間協(xié)調(diào)助燃風(fēng)、天然氣和爐壓調(diào)節(jié)器的輸出值,控制3者的調(diào)節(jié)器輸出改變的時序和改變的幅度。也就是以非換向時間穩(wěn)定燃燒時調(diào)節(jié)器的輸出為基礎(chǔ),在換向期間將以上3個調(diào)節(jié)器的輸出分別乘以一個適當(dāng)?shù)南禂?shù)(稱為控制系數(shù),以表示,作為新的調(diào)節(jié)器的輸出值,后通過軟手操輸出來控制現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥位開度。通過一系列嚴(yán)格的時間位置變化動作,保證換向期間窯內(nèi)工況盡可能穩(wěn)定。注:被控參數(shù)分

13、為助燃風(fēng)流量、天然氣流量和窯內(nèi)壓力3種情況換向期間選擇器輸出:OP=OP2非換向期間選擇器輸出:OP=OP1圖5加入換向擾動抑制算法后的控制方框圖按圖5所示控制框圖進(jìn)行換向擾動抑制控制系統(tǒng)的現(xiàn)場投運(yùn),在非換向期間,選擇器輸出OP= OP1,也即PI D調(diào)節(jié)器的計算輸出;在換向剛剛開始瞬間,先由換向信號上升沿(由0到1跳變過程觸發(fā)寄存器保存PI D調(diào)節(jié)器當(dāng)前的輸出值OP1,此時乘法器的輸出OP2=a3OP1;當(dāng)換向信號到來后(信號已完成跳變,為高電平信號1,此時PI D調(diào)節(jié)器被鎖定,同時該換向信號作用于選擇器,使其輸出OP=OP2,保證各閥門開度按照一定的曲線變化,如加大燃料量,從而減小了換向過

14、程對窯內(nèi)溫度和壓力的沖擊,從根本上保證了自動控制的精度和穩(wěn)定性;當(dāng)換向結(jié)束后(此時換向信號為低電平0,按照一定的解鎖順序解鎖,恢復(fù)PI D調(diào)節(jié)器的自動調(diào)節(jié)功能。314換向過程邏輯順序控制每隔2030min要進(jìn)行一次左右燃燒切換,其工作過程(以左燃燒切換為右燃燒為例為:關(guān)左天然氣開左冷卻風(fēng)關(guān)左助燃風(fēng)開右助燃風(fēng)煙道閘板換向關(guān)右冷卻風(fēng)開右天然氣。這一過程要求每一步控制動作必須正確執(zhí)行,若前一步未能執(zhí)行則后一步動作就不準(zhǔn)執(zhí)行,否則將嚴(yán)重影響生產(chǎn)的安全性。為此,軟件設(shè)置了狀態(tài)信息反饋程序,如圖6所示。即在換向順訊控制上,在通過DO通道送出控制信號后,接下來不是立即執(zhí)行下一步控制動作,而是通過DI通道采集被控對象的狀態(tài),以確認(rèn)相應(yīng)閥門機(jī)構(gòu)確實(shí)到達(dá)指定位置,否則下一步控制動作不予執(zhí)行。由于閥門的開(或關(guān)這一機(jī)械動作需要時間,加之閥門在打開或關(guān)閉瞬間容易引入電磁干擾,此時采集的電信號會出現(xiàn)振蕩,從而可能會對DCS 系統(tǒng)造成強(qiáng)脈沖沖擊,因此在中間加入延時操作,等開關(guān)量設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定后再檢測 。圖6換向過程狀態(tài)信息反饋流程圖4結(jié)語以玻璃窯爐為研究對象,詳細(xì)討論了DCS配置策略,同時結(jié)合實(shí)際過程控制中所遇到的關(guān)鍵問題,在分