高鋁硅酸鹽玻璃的投料控制系統(tǒng)

孫 雪，劉 敏

(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司，上海 200063)

在現(xiàn)代社會，人們的日常生活中需要大量使用玻璃制品。玻璃性質(zhì)穩(wěn)定，耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿，并且堅(jiān)硬耐用，是大部分重要設(shè)備所需的原材料之一。電子信息顯示行業(yè)是我國重要的支柱性產(chǎn)業(yè)之一，隨著智能顯示行業(yè)的擴(kuò)大，特別是智能手機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電子玻璃得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。由于玻璃的外觀精美、工藝成熟、性能優(yōu)異、成本低等優(yōu)勢[1]，目前已經(jīng)成為電子顯示行業(yè)不可缺少的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。高鋁超薄電子玻璃就是其中的一種，具有不可替代的作用。

高鋁玻璃取材于純度為99.5%的硅酸鋁玻璃，所產(chǎn)各規(guī)格耐超高壓玻璃既有耐高壓之特性，同時(shí)還兼?zhèn)淠透邷刂卣鳎€普遍具有耐劃傷、耐摩擦、易于加工的優(yōu)秀性能。高鋁玻璃隸屬無堿鋁硅酸鹽玻璃系列，產(chǎn)品通透性良好，利于人眼觀測；玻璃軟化點(diǎn)溫度較高，適合高低溫工作場合，并能像普通玻璃一樣進(jìn)行鋼化熱處理，增加玻璃外表面的抗壓能力。

1 高鋁硅酸鹽玻璃

高鋁硅酸鹽玻璃作為高端電子蓋板玻璃，具有高強(qiáng)、耐劃傷、化學(xué)穩(wěn)定性好、透光性高等優(yōu)良的物理化學(xué)性能。由于其生產(chǎn)技術(shù)難度和復(fù)雜程度以及產(chǎn)品性能指標(biāo)要求高，生產(chǎn)核心技術(shù)一直被國外公司所壟斷。高鋁硅酸鹽玻璃熔化難、成形難、要求控制水平高[2]，而且由于其屬于超薄玻璃，生產(chǎn)難度更為加大。

在玻璃生產(chǎn)中，將配合料加入熔窯是很重要的工藝環(huán)節(jié)。投料系統(tǒng)對玻璃熔化過程非常關(guān)鍵，直接影響了熔化速度、熔化質(zhì)量和熔窯的使用壽命等，為玻璃生產(chǎn)的穩(wěn)定與玻璃質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)保證。

應(yīng)用于高鋁硅酸鹽玻璃生產(chǎn)線上的投料控制系統(tǒng)，通過監(jiān)控追蹤窯內(nèi)玻璃液面高度來精確調(diào)節(jié)窯爐投料系統(tǒng)的頻率，最終使窯內(nèi)玻璃液面保持穩(wěn)定，達(dá)到良好的生產(chǎn)環(huán)境，為生產(chǎn)合格的高鋁硅酸鹽玻璃創(chuàng)造條件。

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

高鋁硅酸鹽玻璃投料控制系統(tǒng)滿足了現(xiàn)有高鋁硅酸鹽玻璃生產(chǎn)線對窯內(nèi)玻璃液面穩(wěn)定控制的生產(chǎn)要求，具有以下設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

在硬件架構(gòu)上，采用了西門子S7-400可編程控制器，具有高度的可靠性、穩(wěn)定性，極高的處理速度以及強(qiáng)大的通訊功能。CPU采用冗余系統(tǒng)，容量充足，可靠耐用，人機(jī)操作界面友好性強(qiáng)；采用分布式I/O系統(tǒng)ET200，其具有多功能、模塊化、高度靈活性的特點(diǎn)，可以充分滿足控制要求；通訊總線系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP總線，傳輸速度快，傳輸效率高。

在投料系統(tǒng)控制上，整體采用PID控制方式，將液面高度數(shù)據(jù)信息采集后，通過低通濾波器，將低于截止頻率的信號平滑的輸出，將高頻信號干擾過濾，同時(shí)做到無衰減，將過濾后的液位信號傳輸至PID控制器上。PID控制器可以進(jìn)行連續(xù)動作輸入，也可以連續(xù)對輸入功能的執(zhí)行器進(jìn)行輸出，可高效地進(jìn)行連續(xù)控制，以達(dá)到良好的控制效果。此控制器適合高鋁硅玻璃生產(chǎn)線窯內(nèi)投料系統(tǒng)控制上的連續(xù)高速控制模式，輸出端為投料機(jī)頻率的控制，實(shí)現(xiàn)了窯內(nèi)玻璃液面與投料機(jī)控制頻率之間的持續(xù)聯(lián)動控制，使窯內(nèi)玻璃液面能夠精確的快速穩(wěn)定在設(shè)定值誤差范圍內(nèi)，具有控制精度高、響應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)。

控制系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)對高鋁硅玻璃窯爐內(nèi)的實(shí)時(shí)液面高度進(jìn)行檢測，并根據(jù)生產(chǎn)需要設(shè)定值與實(shí)時(shí)測量值之間的偏差對投料機(jī)投料頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而快速準(zhǔn)確地將窯爐內(nèi)液面高度穩(wěn)定在設(shè)定的生產(chǎn)要求值，以保證窯爐內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境的穩(wěn)定。另外可根據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)置液面上下限報(bào)警值，并進(jìn)行故障報(bào)警等。

圖1為高鋁硅玻璃窯內(nèi)投料控制系統(tǒng)的PID控制流程圖，當(dāng)控制程序開始執(zhí)行時(shí)，會通過采集板卡實(shí)時(shí)檢測獲取當(dāng)前窯爐內(nèi)的液面高度值，根據(jù)目標(biāo)設(shè)定值對投料機(jī)投料頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，在程序運(yùn)行中對控制系統(tǒng)中的PID參數(shù)包括比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間、死區(qū)等進(jìn)行整定，整定結(jié)束后最終玻璃液面可穩(wěn)定控制在設(shè)定值±0.1 mm左右，精度高，響應(yīng)快，滿足生產(chǎn)工藝要求。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

該控制系統(tǒng)在DCS組態(tài)系統(tǒng)中運(yùn)行，需要提前滿足硬件和軟件條件。通常硬件包括機(jī)架、電源模塊、中央控制單元(CPU)、輸入輸出模塊以及通信選件等。DCS系統(tǒng)采用二層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，一層網(wǎng)絡(luò)為控制層，二層網(wǎng)絡(luò)為操作層。DCS采用冗余系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)通過光纖進(jìn)行通訊，主從CPU無切換時(shí)間，切換時(shí)所有狀態(tài)保持，過程無擾動，可減少因故障或錯誤而導(dǎo)致的生產(chǎn)損失，保障正常生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)置操作員站、工程師站等，操作員站、工程師站以及過程控制站之間采用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通訊，工業(yè)交換機(jī)之間通過光纖連成環(huán)網(wǎng)，這樣通訊出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過另一方向進(jìn)行通訊，從而保證了通訊的高速性和可靠性[3]。采用優(yōu)秀的上位機(jī)軟件winCC作為操作和監(jiān)控的人機(jī)界面，色彩豐富，使用便捷。通訊系統(tǒng)采用開放的PROFIBUS現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息采集。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

滿足硬件出廠測試后，應(yīng)進(jìn)行硬件組態(tài)工作，實(shí)現(xiàn)硬件和控制軟件之間的聯(lián)系。

控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)如圖3所示，通過PROFIBUS總線連接到系統(tǒng)CPU上，組成冗余DP主站。PROFIBUS-DP主站建立網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)初始化啟動DP從站，主站將參數(shù)賦值信息和I/O配置寫入到從站，然后從從站讀取信息，驗(yàn)證后主站開始與從站交換I/O數(shù)據(jù)。如有問題，主站可從從站讀取診斷信息。

軟件設(shè)計(jì)采用PID控制系統(tǒng)，液面信號通過液面計(jì)系統(tǒng)采集傳輸?shù)紻CS系統(tǒng)后，通過低通濾波器，減少干擾，并且在無衰減的情況下將過濾后的液位信號接入PID控制模塊。通過PID不同參數(shù)的設(shè)置調(diào)整，依據(jù)液面高度對投料機(jī)的投料頻率進(jìn)行科學(xué)配置。投料控制系統(tǒng)可以使熔窯玻璃液面的穩(wěn)定度和快速性都優(yōu)于人工配置，控制精度高，盡量做到無擾動的快速穩(wěn)定，從而為玻璃生產(chǎn)的穩(wěn)定度和精確度打下良好的基礎(chǔ)。

4 控制效果

WinCC組態(tài)軟件運(yùn)行于計(jì)算機(jī)環(huán)境，主要由控制中心、系統(tǒng)控制器、數(shù)據(jù)管理器和功能編輯器等構(gòu)成。它可以與多種自動化設(shè)備及控制軟件集成，具有豐富的項(xiàng)目設(shè)置、可視窗口和菜單選項(xiàng)，使用方便，功能眾多。在界面下進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成實(shí)時(shí)操作畫面、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)趨勢曲線、歷史趨勢曲線以及報(bào)表整理等[4]。該軟件不僅提供了直觀方便的操作環(huán)境，提高了工作效率，而且可以與各種軟件程序相互組合，靈活友好，滿足實(shí)際需求。

通過WinCC系統(tǒng)的PID控制面板可對目標(biāo)液位進(jìn)行設(shè)定，在畫面中可顯示當(dāng)前實(shí)際測量值以及過程值，能夠清晰地看見調(diào)整的過程狀態(tài)。通過PID參數(shù)(比例P，積分I和微分D)的調(diào)節(jié)設(shè)定，使液位可快速響應(yīng)的同時(shí)，并不會發(fā)散開來，反而進(jìn)一步減少震蕩，進(jìn)行控制以達(dá)到最優(yōu)調(diào)節(jié)效果。

進(jìn)入生產(chǎn)狀態(tài)后，進(jìn)一步調(diào)整好數(shù)據(jù)參數(shù)，通過PID控制方式對投料機(jī)投料頻率作出良好調(diào)整，從而保持液面高度波動在要求的區(qū)間范圍內(nèi)，使玻璃液面液位保持穩(wěn)定，從而使玻璃生產(chǎn)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。趨勢頁面如圖4所示。

從圖4可以看出，在投料控制的初始階段，液面波動較大，窯內(nèi)環(huán)境不穩(wěn)定，是不理想的生產(chǎn)環(huán)境。通過進(jìn)一步對參數(shù)的調(diào)整，對投料系統(tǒng)的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤反饋，快速跟隨液位變化，進(jìn)行不斷地調(diào)整優(yōu)化，液面進(jìn)一步趨于穩(wěn)定，從而達(dá)到玻璃液面在正負(fù)0.1 mm范圍內(nèi)波動，保障生產(chǎn)環(huán)境的穩(wěn)定性。

控制系統(tǒng)還可對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄監(jiān)測，形成報(bào)表文件，方便隨時(shí)調(diào)取查閱。不需要人工進(jìn)行數(shù)據(jù)登記，減少了人工勞動量。并且后續(xù)可以通過歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以便于更加優(yōu)化投料控制系統(tǒng)。通過這些功能實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的追蹤管理、數(shù)據(jù)分析等功能，改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，穩(wěn)定生產(chǎn)管理，為批量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高鋁玻璃增加了優(yōu)勢。另外如果出現(xiàn)了意外情況造成液位波動過大，投料控制系統(tǒng)也可以進(jìn)行報(bào)警提示，以便于提醒工作人員突發(fā)情況的產(chǎn)生，可以快速地處理意外情況，減少生產(chǎn)損失，避免更大風(fēng)險(xiǎn)。

另外從曲線里可看出還是有些小擾動在其中，可以根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行后續(xù)調(diào)整，以使液面曲線更為平穩(wěn)，在原有的基礎(chǔ)上精益求精。目前DCS系統(tǒng)的控制考慮的仍是通用形式，但針對于各控制系統(tǒng)屬性的不同、需求的不同，可進(jìn)行更為精確地控制。通過摸索和總結(jié)，將投料控制系統(tǒng)里面的干擾因素、相關(guān)因素進(jìn)行收集，結(jié)合人工的豐富處理經(jīng)驗(yàn)，形成完整的專家控制規(guī)則，再加上計(jì)算機(jī)本身對數(shù)據(jù)的強(qiáng)大處理能力，進(jìn)行合作協(xié)調(diào)。后續(xù)在生產(chǎn)過程中，進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以成為更為高效的控制系統(tǒng)[5]。

5 結(jié) 語

國內(nèi)電子蓋板玻璃行業(yè)還處于快速發(fā)展階段。經(jīng)過近些年來，國內(nèi)高鋁硅酸鹽玻璃產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展和玻璃行業(yè)人員的不懈努力，與國外企業(yè)的差距進(jìn)一步縮小。通過對投料控制系統(tǒng)的優(yōu)化，既實(shí)現(xiàn)了液位控制的快速響應(yīng)，又保障了生產(chǎn)的穩(wěn)定性。后續(xù)可以進(jìn)行一些新型控制理論的嘗試，比如模糊規(guī)則控制、規(guī)則-PID協(xié)調(diào)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，還可以形成成熟的專業(yè)控制軟件包，更加方便高效。只有通過不斷地優(yōu)化、摸索，提高國內(nèi)的高鋁玻璃的生產(chǎn)技術(shù)，才能打破技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定批量生產(chǎn)，使電子蓋板玻璃事業(yè)更上一步。