玻璃窑炉过程控制系统设计及实现

1、收稿日期:2004-04-20作者简介:梁恩泉(1979-,男,山东人,硕士生,研究方向为热工过程自动化。玻璃窑炉过程控制系统设计及实现梁恩泉,巨林仓,杨清宇,欧伟(西安交通大学,陕西西安710049摘要:在分析了玻璃窑炉动态特性的基础上,给出了DCS 配置策略,同时结合实际过程控制中所遇到的关键问题,特别是在玻璃窑炉液位调节和窑炉换向燃烧等方面详细介绍了控制方案的实现。关键词:玻璃窑炉;DCS ;EPK S ;控制算法中图分类号:TP273文献标识码:B 文章编号: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引言玻璃窑炉作为玻璃工业主要的热工设备,是一个多变量、多回路、高阶、时变的非线性系统,许多参数之间相互关联、相互耦合。而对于换向玻璃窑炉(每隔一定时间进行左右燃烧

4、的切换来说,除具有以上特点外,在换向期间,由于燃料和助燃风的突然关闭和开启,窑炉内温度大幅度下降、窑压大幅度波动以及由此引起的玻璃液位波动等问题,大大地破坏了窑内的热工平衡。所有这些对象特性都大大增加了对玻璃窑炉自动控制的难度。1工艺过程及控制要求某厂200t 容量玻璃窑炉的炉体结构如图1所示 。图1玻璃窑炉炉体结构图从投料到原料在窑炉内熔化、澄清、均化和冷却,经过一系列的物理、化学和物理-化学反应,最终形成均匀、无气泡、符合成型温度要求的熔融玻璃液(从通道流出后用以压制电视机荧屏的后部锥体,是一个复杂的工艺过程。整个过程要求玻璃液的温度、液位必须满足工艺要求,以保证产品质量。主要控制内容包括

5、熔化池及工作池的温度、助燃风流量、天然气流量、玻璃液位、窑炉压力的自动调节以及通道温度的自动调节、燃烧系统的定时交换控制等。整个被控对象共有552个检测和控制点,需要52个模拟量调节回路及较多逻辑顺序控制。2DCS 配置策略根据工艺过程的特性及控制要求,选择了H on 2eywell 公司于2003年新推出的EPK S (Experion Pro 2cess K nowledge System 系统,该产品在石化领域的控制技术更趋完善,使得整个项目的运作开发、现场调试安装和投运后的维护都变得相对简单,充分体现了分散控制、集中管理的工作模式。整个系统分别由1台工程师站、2台操作站(互为冗余热备、

6、3台监视站和2台过程控制站(互为冗余热备构成。控制系统总体结构如图2所示。3过程控制难点剖析及算法实现311窑炉温度控制窑炉温度控制是熔化池温度控制、工作池温度控制和通道温度控制的统称,其控制效果的好坏直132005年第2期工业仪表与自动化装置 图3微分先行PI D 算法组成的窑炉温度控制回路方框图图220#锥炉DCS 系统结构图接关系到成品玻璃液质量的优劣,因此说窑炉温度的稳定极为重要。由于测温电偶与燃烧喷枪喷火口在同一截面上,测温点与燃烧火头的距离很近,因此通道燃料的改变能迅速引起测温点的温度变化,使得通道温度对象惯性较小,几乎没有滞后,用单回路控制系统即可。由于在实际生产过程中需要加工不

7、同规格的产品,此时相应的工艺要求也随之改变,因此需要在上位机不断更改温度的设定值。在这种情况下,以往的控制系统对设定值如此频繁变化的场合就显得调整周期过长,而且当设定值迅速变化时,在PI D 算式中会引起控制输出变量过大增长,对系统造成冲击,影响窑炉系统的动态品质。故这一部分采用了微分先行PI D 控制器。这样得到如图3所示的窑炉温度单回路控制系统方框图。微分先行PI D 与传统PI D 的主要不同之处是,只对被调量进行微分处理,而不对控制偏差进行微分,可以克服设定值突变引起系统输出大幅度变化,从而对整个系统的稳定性和快速性有利。312玻璃液位控制因为经投料机投入的玻璃原料在熔化池内要经过充分

8、的熔化、反应等过程才进入工作池这个过程需要很长时间,加之通道末端每次提供给压机的料滴是定量的,并不随投料量的多少及玻璃液位的高低而改变,所以说玻璃液位系统具有大惯性、滞后以及无自平衡能力等特点。这也致使在利用常规PI D 调节时,容易出现积分饱和现象,引起系统超调甚至振荡。为了克服这一控制难题,在控制方案设计上引入了变速积分PI D 算法。变速积分PI D 算法的设计思想就是根据系统偏差大小改变积分的速度,使其与偏差大小相对应。当偏差较大时,使积分累加速度减慢,反之则使积分累加速度加快。为此,设置一系数f E (k ,它是偏差E (k 的函数,当| E (k |增大时,f 减小,反之增大。每次

9、采样后用f |E (k |乘以E (k ,再进行累加,即P i (k =K i k -1j =0E (j +f E (k E (k P i (k 为变速积分项的输出值其中f 与|E (k |的关系如下(A 、B 为根据实际生产过程确定的两个参数f E (k =1|E (k |B(累加速度达到最大值1A -|E (k |+BAB <|E (k |A +B (f 随偏差减小而增大,累加速度加快|E (k |>A +B(不再进行累加此时得到的PI D 算式为P (k =K p E (k +K i k -1j =0E (j +f E (k E (k +K d E (k -E (k -1就实

10、现了用比例作用消除较大的液位偏差,用积分作用消除较小的液位偏差,从而完全消除积分饱和现象,使系统更趋稳定,改善了调节品质。另外,液位控制系统并不要求液位完全没有余差,而要求被控量在允许的误差范围内变化,为此采用带有死区的PI D 控制算法,以消除由于频繁动作引起的振荡。设死区宽度为-C +C ,则当偏差在所设死区范围内时,调节器不作任何调整,此时的控制算式如下:P (k =0|E (k |C (调节器不作任何调整P (k |E (k |>C (此时采用变速积分PID 调节4所示。图4玻璃液位控制回路方框图313换向期间燃烧系统控制彩虹玻璃厂20#锥炉作为换向玻璃窑炉要求每2030min

11、进行一次左右燃烧切换,在换向期间,由于燃料切断后,窑内温度和窑压大幅度下降,烟道抽力如果不相对减少,将进一步打破窑内的热平衡,而减少烟道抽力后,如果不相应改变助燃风流量,又将引起窑压的波动,进而引起液面波动;换向结束后,由于窑内温度下降较多,需大量增加燃料量,以维持工艺要求的熔化温度,由于温度过程的反映滞23工业仪表与自动化装置2005年第2期后和热容惯性,从而易带来窑内温度和窑压的再次波动;同时,窑内工况的大幅度变化,又不能给换向结束后的稳定控制创造良好的条件,也不利于熔窑的经济性燃烧。针对被控对象的上述特性,综合考虑换向过程中的扰动因素,在此采用了协调控制策略,并根据现场实验所测数据提出了

12、换向扰动抑制算法。其主要思想是对换向预备、换向开始、换向期间、换向结束及换向结束后整个过程中,天然气、助燃风和烟道抽力等关系到稳定熔窑热工制度的因素,进行协调控制,并给出一系列调节阀位相应动作曲线,以配合换向过程的进行。换向扰动抑制算法在换向期间协调助燃风、天然气和炉压调节器的输出值,控制3者的调节器输出改变的时序和改变的幅度。也就是以非换向时间稳定燃烧时调节器的输出为基础,在换向期间将以上3个调节器的输出分别乘以一个适当的系数(称为控制系数,以表示,作为新的调节器的输出值,后通过软手操输出来控制现场调节阀位开度。通过一系列严格的时间位置变化动作,保证换向期间窑内工况尽可能稳定。注:被控参数分

13、为助燃风流量、天然气流量和窑内压力3种情况换向期间选择器输出:OP=OP2非换向期间选择器输出:OP=OP1图5加入换向扰动抑制算法后的控制方框图按图5所示控制框图进行换向扰动抑制控制系统的现场投运,在非换向期间,选择器输出OP= OP1,也即PI D调节器的计算输出;在换向刚刚开始瞬间,先由换向信号上升沿(由0到1跳变过程触发寄存器保存PI D调节器当前的输出值OP1,此时乘法器的输出OP2=a3OP1;当换向信号到来后(信号已完成跳变,为高电平信号1,此时PI D调节器被锁定,同时该换向信号作用于选择器,使其输出OP=OP2,保证各阀门开度按照一定的曲线变化,如加大燃料量,从而减小了换向过

14、程对窑内温度和压力的冲击,从根本上保证了自动控制的精度和稳定性;当换向结束后(此时换向信号为低电平0,按照一定的解锁顺序解锁,恢复PI D调节器的自动调节功能。314换向过程逻辑顺序控制每隔2030min要进行一次左右燃烧切换,其工作过程(以左燃烧切换为右燃烧为例为:关左天然气开左冷却风关左助燃风开右助燃风烟道闸板换向关右冷却风开右天然气。这一过程要求每一步控制动作必须正确执行,若前一步未能执行则后一步动作就不准执行,否则将严重影响生产的安全性。为此,软件设置了状态信息反馈程序,如图6所示。即在换向顺讯控制上,在通过DO通道送出控制信号后,接下来不是立即执行下一步控制动作,而是通过DI通道采集被控对象的状态,以确认相应阀门机构确实到达指定位置,否则下一步控制动作不予执行。由于阀门的开(或关这一机械动作需要时间,加之阀门在打开或关闭瞬间容易引入电磁干扰,此时采集的电信号会出现振荡,从而可能会对DCS 系统造成强脉冲冲击,因此在中间加入延时操作,等开关量设备状态稳定后再检测 。图6换向过程状态信息反馈流程图4结语以玻璃窑炉为研究对象,详细讨论了DCS配置策略,同时结合实际过程控制中所遇到的关键问题,在分