高铝硅酸盐玻璃的投料控制系统

孙 雪，刘 敏

(中国建材国际工程集团有限公司，上海 200063)

在现代社会，人们的日常生活中需要大量使用玻璃制品。玻璃性质稳定，耐强酸强碱，并且坚硬耐用，是大部分重要设备所需的原材料之一。电子信息显示行业是我国重要的支柱性产业之一，随着智能显示行业的扩大，特别是智能手机技术的不断进步，电子玻璃得到突飞猛进的发展。由于玻璃的外观精美、工艺成熟、性能优异、成本低等优势[1]，目前已经成为电子显示行业不可缺少的关键基础材料。高铝超薄电子玻璃就是其中的一种，具有不可替代的作用。

高铝玻璃取材于纯度为99.5%的硅酸铝玻璃，所产各规格耐超高压玻璃既有耐高压之特性，同时还兼备耐高温之特征，还普遍具有耐划伤、耐摩擦、易于加工的优秀性能。高铝玻璃隶属无碱铝硅酸盐玻璃系列，产品通透性良好，利于人眼观测；玻璃软化点温度较高，适合高低温工作场合，并能像普通玻璃一样进行钢化热处理，增加玻璃外表面的抗压能力。

1 高铝硅酸盐玻璃

高铝硅酸盐玻璃作为高端电子盖板玻璃，具有高强、耐划伤、化学稳定性好、透光性高等优良的物理化学性能。由于其生产技术难度和复杂程度以及产品性能指标要求高，生产核心技术一直被国外公司所垄断。高铝硅酸盐玻璃熔化难、成形难、要求控制水平高[2]，而且由于其属于超薄玻璃，生产难度更为加大。

在玻璃生产中，将配合料加入熔窑是很重要的工艺环节。投料系统对玻璃熔化过程非常关键，直接影响了熔化速度、熔化质量和熔窑的使用寿命等，为玻璃生产的稳定与玻璃质量奠定了基础保证。

应用于高铝硅酸盐玻璃生产线上的投料控制系统，通过监控追踪窑内玻璃液面高度来精确调节窑炉投料系统的频率，最终使窑内玻璃液面保持稳定，达到良好的生产环境，为生产合格的高铝硅酸盐玻璃创造条件。

2 系统特点

高铝硅酸盐玻璃投料控制系统满足了现有高铝硅酸盐玻璃生产线对窑内玻璃液面稳定控制的生产要求，具有以下设计特点。

在硬件架构上，采用了西门子S7-400可编程控制器，具有高度的可靠性、稳定性，极高的处理速度以及强大的通讯功能。CPU采用冗余系统，容量充足，可靠耐用，人机操作界面友好性强；采用分布式I/O系统ET200，其具有多功能、模块化、高度灵活性的特点，可以充分满足控制要求；通讯总线系统采用PROFIBUS-DP总线，传输速度快，传输效率高。

在投料系统控制上，整体采用PID控制方式，将液面高度数据信息采集后，通过低通滤波器，将低于截止频率的信号平滑的输出，将高频信号干扰过滤，同时做到无衰减，将过滤后的液位信号传输至PID控制器上。PID控制器可以进行连续动作输入，也可以连续对输入功能的执行器进行输出，可高效地进行连续控制，以达到良好的控制效果。此控制器适合高铝硅玻璃生产线窑内投料系统控制上的连续高速控制模式，输出端为投料机频率的控制，实现了窑内玻璃液面与投料机控制频率之间的持续联动控制，使窑内玻璃液面能够精确的快速稳定在设定值误差范围内，具有控制精度高、响应时间短的特点。

控制系统应能够实时对高铝硅玻璃窑炉内的实时液面高度进行检测，并根据生产需要设定值与实时测量值之间的偏差对投料机投料频率进行实时调节，从而快速准确地将窑炉内液面高度稳定在设定的生产要求值，以保证窑炉内生产环境的稳定。另外可根据生产需求设置液面上下限报警值，并进行故障报警等。

图1为高铝硅玻璃窑内投料控制系统的PID控制流程图，当控制程序开始执行时，会通过采集板卡实时检测获取当前窑炉内的液面高度值，根据目标设定值对投料机投料频率进行调节，在程序运行中对控制系统中的PID参数包括比例系数、积分时间、微分时间、死区等进行整定，整定结束后最终玻璃液面可稳定控制在设定值±0.1 mm左右，精度高，响应快，满足生产工艺要求。

3 系统架构

该控制系统在DCS组态系统中运行，需要提前满足硬件和软件条件。通常硬件包括机架、电源模块、中央控制单元(CPU)、输入输出模块以及通信选件等。DCS系统采用二层网络进行数据交互，一层网络为控制层，二层网络为操作层。DCS采用冗余系统，两套系统通过光纤进行通讯，主从CPU无切换时间，切换时所有状态保持，过程无扰动，可减少因故障或错误而导致的生产损失，保障正常生产过程的稳定。上位机系统设置操作员站、工程师站等，操作员站、工程师站以及过程控制站之间采用工业以太网实现通讯，工业交换机之间通过光纤连成环网，这样通讯出现故障时，可以通过另一方向进行通讯，从而保证了通讯的高速性和可靠性[3]。采用优秀的上位机软件winCC作为操作和监控的人机界面，色彩丰富，使用便捷。通讯系统采用开放的PROFIBUS现场总线实现现场信息采集。系统架构图如图2所示。

满足硬件出厂测试后，应进行硬件组态工作，实现硬件和控制软件之间的联系。

控制系统的硬件组态如图3所示，通过PROFIBUS总线连接到系统CPU上，组成冗余DP主站。PROFIBUS-DP主站建立网络，经初始化启动DP从站，主站将参数赋值信息和I/O配置写入到从站，然后从从站读取信息，验证后主站开始与从站交换I/O数据。如有问题，主站可从从站读取诊断信息。

软件设计采用PID控制系统，液面信号通过液面计系统采集传输到DCS系统后，通过低通滤波器，减少干扰，并且在无衰减的情况下将过滤后的液位信号接入PID控制模块。通过PID不同参数的设置调整，依据液面高度对投料机的投料频率进行科学配置。投料控制系统可以使熔窑玻璃液面的稳定度和快速性都优于人工配置，控制精度高，尽量做到无扰动的快速稳定，从而为玻璃生产的稳定度和精确度打下良好的基础。

4 控制效果

WinCC组态软件运行于计算机环境，主要由控制中心、系统控制器、数据管理器和功能编辑器等构成。它可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的项目设置、可视窗口和菜单选项，使用方便，功能众多。在界面下进行组态、编程和数据管理，可形成实时操作画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线以及报表整理等[4]。该软件不仅提供了直观方便的操作环境，提高了工作效率，而且可以与各种软件程序相互组合，灵活友好，满足实际需求。

通过WinCC系统的PID控制面板可对目标液位进行设定，在画面中可显示当前实际测量值以及过程值，能够清晰地看见调整的过程状态。通过PID参数(比例P，积分I和微分D)的调节设定，使液位可快速响应的同时，并不会发散开来，反而进一步减少震荡，进行控制以达到最优调节效果。

进入生产状态后，进一步调整好数据参数，通过PID控制方式对投料机投料频率作出良好调整，从而保持液面高度波动在要求的区间范围内，使玻璃液面液位保持稳定，从而使玻璃生产达到最优状态。趋势页面如图4所示。

从图4可以看出，在投料控制的初始阶段，液面波动较大，窑内环境不稳定，是不理想的生产环境。通过进一步对参数的调整，对投料系统的频率进行实时跟踪反馈，快速跟随液位变化，进行不断地调整优化，液面进一步趋于稳定，从而达到玻璃液面在正负0.1 mm范围内波动，保障生产环境的稳定性。

控制系统还可对数据进行记录监测，形成报表文件，方便随时调取查阅。不需要人工进行数据登记，减少了人工劳动量。并且后续可以通过历史数据进行数据分析，以便于更加优化投料控制系统。通过这些功能实现了生产数据的追踪管理、数据分析等功能，改进生产技术，稳定生产管理，为批量生产优质高铝玻璃增加了优势。另外如果出现了意外情况造成液位波动过大，投料控制系统也可以进行报警提示，以便于提醒工作人员突发情况的产生，可以快速地处理意外情况，减少生产损失，避免更大风险。

另外从曲线里可看出还是有些小扰动在其中，可以根据实际情况，进行后续调整，以使液面曲线更为平稳，在原有的基础上精益求精。目前DCS系统的控制考虑的仍是通用形式，但针对于各控制系统属性的不同、需求的不同，可进行更为精确地控制。通过摸索和总结，将投料控制系统里面的干扰因素、相关因素进行收集，结合人工的丰富处理经验，形成完整的专家控制规则，再加上计算机本身对数据的强大处理能力，进行合作协调。后续在生产过程中，进行动态调整，以成为更为高效的控制系统[5]。

5 结 语

国内电子盖板玻璃行业还处于快速发展阶段。经过近些年来，国内高铝硅酸盐玻璃产业的不断发展和玻璃行业人员的不懈努力，与国外企业的差距进一步缩小。通过对投料控制系统的优化，既实现了液位控制的快速响应，又保障了生产的稳定性。后续可以进行一些新型控制理论的尝试，比如模糊规则控制、规则-PID协调控制、神经网络控制等，还可以形成成熟的专业控制软件包，更加方便高效。只有通过不断地优化、摸索，提高国内的高铝玻璃的生产技术，才能打破技术壁垒，实现稳定批量生产，使电子盖板玻璃事业更上一步。