璃窯爐過程控制系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

1、    璃窯爐過程控制系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)日期: 2009-8-15 19:38:48瀏覽: 8來源: 學海網(wǎng)收集整理作者: 佚名摘要：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 燃燒等方面詳細介紹了控制方案的實現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：玻璃窯爐；DCS；EPKS；控制算法 The design and realization of a process control system for a gl ass furnace LIANG Enquan,JU Lincang,YANG Qi

2、ngyu,OU Wei (Xian Jiaotong University,Shaanxi Xian 710049,China) Abstract：On the basis of analyzing the dynami c characteristics of a glass furnace,the paper presents a strategy on how to con figure a DCS.According to the key problems,such as the way to control a glass le vel and to conduct the reve

3、rse control in the furnace,the paper describes the ap proach to the control realization. Key words：glass furnace;DCS;EPKS;control algorithm 0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 間進行左右燃燒的切換)來說，除具有以上特點外，在換向期間，由于燃料和助燃風的突然 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

4、 ，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200 t容量玻璃窯爐的爐體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 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、化學和物理化學反應(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 后用以壓制電視機熒屏的后部錐體)，是一個復雜的工藝過程。 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 熔化池及工作池的溫度、助燃風流量、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

5、個檢測和控制點， 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Honeywell公司于2003年新推出的EP KS(Experion Process Knowledge System )系統(tǒng)，該產(chǎn)品在石化領(lǐng)域的控制技術(shù)更趨完善，使得整個項目的運作開發(fā)、現(xiàn)場調(diào)試安裝 和投運后的維護都變得相對簡單，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)、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過程控制難點剖析及算法實現(xiàn) 3.1窯爐溫度控制 窯爐溫度控制是熔化池溫

6、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 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。 由于在實際生產(chǎn)過程中需要加工不同規(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，而且當設(shè)定值迅速變化時，在PID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

7、態(tài)品質(zhì)。故這一部分采用了微分先行PID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PID與傳統(tǒng)PID的主要不同之處是，只對被調(diào)量進行微分處理，而不對控制偏差進行 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。 3.2玻璃液位控制 因為經(jīng)投料機投入的玻璃原料在熔化池內(nèi)要經(jīng)過充分的熔化、反應(yīng)等過程才進入工 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。這也致使在利用常規(guī)PID調(diào)節(jié)時，容易出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，引起系

8、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PID算法。 變速積分PID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)fE(k)，它是偏差E(k)的函數(shù)，當E(k)增大時，f減小，反之增大。每次采樣后用fE(k)乘以E(k)，再進行累加，即 其中f與E(k)的關(guān)系如下(A、B為根據(jù)實際生產(chǎn)過程確定的兩個參數(shù)) 就實現(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

9、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PID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： 液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。 3.3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2030 min進行一次左右燃燒切 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)改變助燃風流量，又將引起 窯壓的波動，進而引起液面波動；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

10、藝要求的熔化溫度，由于溫度過程的反映滯 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)場實驗所測數(shù)據(jù)提出了換向擾動抑制算法。其主要思想是對換向預備、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、助燃風和煙道抽力等關(guān)系到穩(wěn)定熔 窯熱工制度的因素，進行協(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 的進行。換向擾動抑制算法在換向期間協(xié)調(diào)助燃風、天然氣和爐壓調(diào)節(jié)器的輸出值，控制3

11、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?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。 按圖5所示控制框圖進行換向擾動抑制控制系統(tǒng)的現(xiàn)場投運，在非換向期間，選擇器輸出O POP1，也即PID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PID調(diào)節(jié)器當前的輸出值OP1，此時乘法器的輸出OP2a* OP1；當換向信號到來后(信號已完成跳變，

12、為高電平信號1)，此時PID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OPOP2，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PID調(diào)節(jié)器的自動調(diào)節(jié)功能。 3.4換向過程邏輯順序控制 每隔2030 min要進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關(guān)左助燃風開右助燃風煙道閘板換向關(guān)右冷卻風 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 作就不準執(zhí)行，否則將嚴重影響生產(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)，以確認相應(yīng)閥門機構(gòu)確實到達指定位置，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。 4結(jié)語 以玻璃窯爐為研究對象，詳細討論了DCS配置策略，同時結(jié)合實際過程控制中所遇到的關(guān)鍵問題，在分析各自被控對象特性的