陳華,侯振

(1.科立視材料科技有限公司，福建 福州 350015; 2.北京科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

鉑金通道作為TFT玻璃或者蓋板玻璃生產(chǎn)過程中重要的工藝環(huán)節(jié)，承載著玻璃澄清、均化和料位控制的重要功能。在鉑金通道中，鉑金作為與玻璃接觸的加熱載體，通過對(duì)鉑金通道施加大電流使鉑金通道本體產(chǎn)生大量的熱能，完成玻璃液在不同的工藝條件下的加工過程。本文針對(duì)鉑金通道電加熱系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與控制分析，上位系統(tǒng)使用西門子的PCS7 DCS(Distributed Control System)系統(tǒng)，功率器件使用德國AE公司的Thyro-P帶VSC(Voltage Sequence Control)調(diào)節(jié)功能的調(diào)功器，通過對(duì)回路的調(diào)試，使系統(tǒng)滿足工藝控制的要求。

1 系統(tǒng)硬件組成

圖1 系統(tǒng)硬件組成圖

如圖1所示，在主回路上：鉑金通道作為加熱體，通過兩端的法蘭受電，法蘭通過銅排與變壓器連接共同作為調(diào)功器的負(fù)載，為便于對(duì)鉑金通道進(jìn)行加熱控制和負(fù)荷分配，一般取單相電源作為調(diào)功器控制調(diào)節(jié)電源；控制回路上，在鉑金通道上焊接鉑金熱電偶作為溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制，熱電偶信號(hào)通過溫度變送器變送成4 mA～20 mA信號(hào)進(jìn)入DCS系統(tǒng)，功率、電流、溫度等設(shè)定通過Profibus DP總線進(jìn)行設(shè)定。在本地控制可以通過電位器給定實(shí)現(xiàn)，這樣增加了系統(tǒng)操作的便利性和安全性[1]。

2 電加熱參數(shù)選型

針對(duì)每一段的鉑金通道，直接加熱所需要的電壓與電流決定了系統(tǒng)的加熱能力，根據(jù)能量守恒，電加熱功率需要考慮到系統(tǒng)散熱熱量損失、法蘭冷卻帶走的熱量以及玻璃液按設(shè)定溫度吸收或帶走的熱量。在理想狀態(tài)下，玻璃液升溫和運(yùn)行時(shí)所需要的功率按以下公式計(jì)算：

(1)

(2)

式(1)、式(2)中:P1為升溫期間所需要的功率,kW；P2為運(yùn)行期間所需要的功率, kW；c1為鉑金通道的比熱，J/(kg·K)；m1為鉑金通道的質(zhì)量，kg；α為保溫材料占通道比重，為常數(shù)；c2為保溫材料的比熱，J/(kg·K)；m2為保溫材料的質(zhì)量，kg；c3為玻璃液的比熱，J/(kg·K)；m3為每小時(shí)玻璃液的流量，kg/h；ΔT為每小時(shí)上升的溫度，℃；Q散熱為運(yùn)行時(shí)每小時(shí)的散熱量，kW/h。

對(duì)于鉑金通道的散熱可以從通道表面散熱Qs和法蘭冷卻水散熱Qw兩方面來考慮，鉑金通道表熱散，可以依式(3)、式(4)計(jì)算:

Qs=[ΔT×λ÷δ×S]×1 000

(3)

(4)

式中:λ為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；δ為保溫材料的厚度，m；S為系統(tǒng)的散熱面積，m2;c4為冷卻水的比熱，J/(kg·K)；m4為每小時(shí)冷卻水的流量，kg/h；ΔT為冷卻水的進(jìn)出水溫差。

3 調(diào)功器的控制分析

3.1 調(diào)功器的觸發(fā)方式選擇

鉑金通道溫度控制精度直接影響玻璃的質(zhì)量，而玻璃的流動(dòng)對(duì)溫度響應(yīng)的快慢又提出了更高的要求，對(duì)于這種溫度遲滯而系統(tǒng)響應(yīng)又要快的系統(tǒng)，調(diào)功器的控制方式選擇至關(guān)重要。對(duì)于變壓器負(fù)載，首先要保證調(diào)功器的輸出要有快速響應(yīng)性能，其次不能頻繁對(duì)變壓器形成沖擊，因此移相角的觸發(fā)控制方式是鉑金通道調(diào)功器電加熱控制的首選方式[2]。

如圖2所示，在移相角觸發(fā)方式下，通過對(duì)觸發(fā)角的改變，能夠精確控制給定電流，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，不像周波方式那樣對(duì)變壓器構(gòu)成沖擊。

圖2 移相角觸發(fā)輸出電壓波形圖

3.2 諧波和功率因素的改善

由于移相角的觸發(fā)方式，不可避免地會(huì)使基波電流發(fā)生畸變形成諧波，根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)展開，諧波中的直流成分又會(huì)對(duì)玻璃質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，因此對(duì)諧波的消除和治理提出了新的要求；同時(shí)在額定功率未完全使用的情況下，普遍存在功率因素低的情況。綜合以上兩種情況，調(diào)功器控制的電加熱鉑金通道回路必須從根本上解決諧波和功率因數(shù)低的問題，才能真正滿足質(zhì)量要求和能耗要求。

如圖3所示,使用帶有VSC功能的調(diào)功器可以解決以上問題，使用多繞組變壓器，V1為低壓輸出繞組，V2為高壓輸出繞組，使用兩組相模塊分別對(duì)這兩個(gè)繞組進(jìn)行控制。通過建立數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析(如圖4所示)：以低壓側(cè)輸出10.4 V電壓為例，當(dāng)負(fù)載需求為10.4 V電壓時(shí)，不使用VSC功能的調(diào)功器輸出開度為47.48%，輸出波形斷續(xù)，諧波高達(dá)67.13%，功率因素只有0.691；

圖3 VSC功能示意圖

圖4 輸出波形對(duì)比圖

使用VSC控制的變壓器為兩段輸出變壓器，原邊調(diào)壓，低壓繞組額定輸出為10 V，高壓繞組額定輸出為15 V，使用VSC控制時(shí)，SCR1控制V1繞組額定輸出，功率因素接近1，SCR2控制V2繞組小開度疊加輸出，調(diào)功器綜合輸出開度為48.08%，輸出波形接近正弦波，諧波只有10.12%，功率因素高達(dá)0.961。使用VSC控制功能時(shí)，雖然初期硬件成本較高，但是長(zhǎng)期使用中帶來功率因素和諧波的改善，對(duì)玻璃質(zhì)量和節(jié)能降耗有著積極的作用。

4 PCS7控制下的調(diào)功器聯(lián)調(diào)

4.1 建立調(diào)功器PROFIBUS通信

調(diào)功器通過PROFIBUS DPV1 通信接口卡與西門子PLC建立通信，通過PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)的連接，所有的調(diào)功器均可與PLC進(jìn)行雙向通信，前提是每個(gè)調(diào)功器必須設(shè)置一個(gè)不可重復(fù)的通信地址。PROFIBUS DPV1卡能夠與西門子PLC進(jìn)行周期和非周期的數(shù)據(jù)通信，組態(tài)周期通信進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出數(shù)據(jù)的交換，組態(tài)非周期通信可以進(jìn)行調(diào)功器的參數(shù)化，對(duì)調(diào)功器進(jìn)行模式和參數(shù)等選項(xiàng)內(nèi)容的設(shè)置[3]。

如圖5所示，把需要進(jìn)行通信和設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行GSD化后，通過首地址的組態(tài)識(shí)別，PLC就可以與調(diào)功器進(jìn)行通信連接。THYRO-P通信功能塊HW管腳連接調(diào)功器硬件首地址IW1280，DIAG管腳連接調(diào)功器硬件診斷緩沖區(qū)，通過對(duì)管腳SP_Ext 的設(shè)定可以對(duì)調(diào)功器進(jìn)行功率/電壓/電流等參數(shù)的給定[4]。

圖5 調(diào)功器CFC連接圖

4.2 通過PCS7進(jìn)行模式切換和給定

在溫度PID自動(dòng)調(diào)節(jié)模式下，對(duì)于鉑金通道溫度的控制，最終體現(xiàn)在調(diào)功器電流的控制精度上，因此調(diào)功器控制模式優(yōu)選電流模式，但在某些情況下，需要功率維持恒定來保持工藝調(diào)整需求，電流或功率模式會(huì)頻繁應(yīng)用于鉑金通道的溫度控制當(dāng)中，PCS7程序設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)控制條件的不同進(jìn)行模式手自動(dòng)切換，控制流程如圖6所示，在溫度閉環(huán)控制的前提下，模式可以通過PCS7畫面進(jìn)行選擇，模式確定后，溫度PID自動(dòng)選擇控制范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過對(duì)PID參數(shù)的整定，可以實(shí)現(xiàn)精確控制鉑金通道溫度的目的[5]；如果系統(tǒng)在閉環(huán)控制下，溫度突變或者有故障信號(hào)時(shí)，通過對(duì)系統(tǒng)的診斷和故障捕捉，PCS7可以實(shí)現(xiàn)維持調(diào)功器在溫度跳變或者故障信號(hào)之前的最后的合理給定；當(dāng)選擇本地控制或者溫度開環(huán)控制情況，調(diào)功器按照預(yù)設(shè)模式進(jìn)行調(diào)整，例如在功率模式下，通過面板給定或者PCS7畫面給定開度，可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)功率的目的。

圖6 控制流程圖

通過PCS7對(duì)鉑金通道回路進(jìn)行溫度給定，需要進(jìn)行PID參數(shù)的不斷優(yōu)化，以尋求最適合鉑金通道溫度控制特性的參數(shù)，對(duì)于PLC程序控制型的PID，在整定中還是遵循臨界比例的方法，觀察到曲線震蕩很頻繁，需把比例帶增大以減少震蕩；當(dāng)曲線最大偏差大且趨于非周期過程時(shí)，需把比例帶減少；當(dāng)曲線波動(dòng)較大時(shí)，應(yīng)增大積分時(shí)間；曲線偏離給定值后，長(zhǎng)時(shí)間回不來，則需減小積分時(shí)間，以加快消除誤差。比例帶過小，積分時(shí)間過小或微分時(shí)間過大，都會(huì)產(chǎn)生周期性的激烈震蕩[6]。優(yōu)化參數(shù)后，可以達(dá)到較好的控制效果。

5 結(jié)束語

本文闡述了應(yīng)用在鉑金通道溫度控制中的調(diào)功器控制回路的選型和設(shè)計(jì)，通過調(diào)試滿足了設(shè)備的可靠性和智能化需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化工藝控制，提高系統(tǒng)抗干擾能力和控制精度。