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料道内玻璃液的均化


料道内玻璃液的均化
介绍了料道内玻璃液温度差的形成及对产品性能的影响。 通过在料道两侧进行加热可降低 玻璃液的温度差, 但料道底部的温度仍然较低, 而侧墙电加热是解决料道两侧温差较好的途 径。

1 料道玻璃液均化原理
料道是一个由耐火材料构成 的槽, 通过它熔化的玻璃液从熔 窑工作池流向成型机, 从熔窑流 来的玻璃液要有控制的冷却, 这

样从料盆出来的玻璃液料滴从 上到下, 两侧与中部之间都要达 到温度的一致性。 此过程我们称 为玻璃的均化。 但是玻璃液在料道槽砖流动时,玻璃液接触到耐火砖的两侧,其温度必然要降低,流动也 随之慢下来。而中部的玻璃液流动快,温度也高于两侧,从而在料道两侧产生回流、漩涡、 滞料。这就形成了所谓的料道“中心流”现象。从而产生了水平方向的温度差(见图 1)。

2 均化措施及影响因素
我们采用了中部进行冷却,料道两侧进行煤气加热的措施(见图 2)。 在后冷却端区域上改变料道温度占 50%~ 60%,在前冷端区域占 20%~30%,在均衡端 区域占 0%一 15%, 在料盆区域处只用火焰进行 保温, 只能有很少温度调整。 使料道的温度趋于 一致,尽量使其玻璃液整体流动(见图 3)。 在料盆入口处, 由图 2 我们可见三角形区域代 表了料滴的形成, 产品底部及整个产品的直接形 成见图 4。 虽然我们采用了中部冷却以及保持料道两侧 的正压燃烧, 使玻璃液温度均匀性有所改善, 但 是由于料道底部的玻璃液流动比上层慢, 煤气加 热的辐射热不能达到玻璃液内部(特别是深色玻 璃),加热的辐射对料道底部温度作用不大,因 此它存在着垂直方向的温度差。 根据以上情况我们可知,料道内两侧的底部区域的玻璃液温度最低,根据图 3 所示,必须 要提高该区域的温度。根据经验,一般两侧底部的温度要低于中间上部 15℃左右,这对高 速形成、轻量化、薄壁制品以及细颈制品压吹等都是十分不利的。我们必须要设法提高料道 两侧的底部温度。 要完全清除中心和两侧,特别是料道两侧底部之间的温度差,建议采用侧部电加热(见图 5)。

侧墙加热采用两个变压器,在均 衡段的两侧各用 1 只, 每侧各连接 6 根电极,通过电极产生电流,加热 这个区域的玻璃液,这就是所谓的 侧部到侧部的电加热方式。 用这种方式可以加热最靠近侧墙 底部的玻璃液,该区域的温度由侧 面热电偶下端一点测出,以该点温 度值作为控制点,可使料道两侧的底 部温度上升,甚至可以超过料道的中 心温度,这样可以大大提高玻璃液的 均化,使料道里的玻璃液温度均匀, 进入料盆后,可以形成十分均匀的玻 璃液,供料滴成型。 当然影响玻璃液均化的因素很多, 当遇到问题时,要确认是否是下列因 素造成的,并对玻璃液的以下状况进 行核对: (1)玻璃液颜色(转料否), (2)出料量的变化(换品种否), (3)玻璃液面的稳定, (4)工作池出口温度(料道入口温度), (5)料道的尺寸、布置、转角等, (6)料道内的压力, (7)耐火材料和保温材料的情况, (8)冷却风系统, (9)温度热电偶测量及控制系统, (10)侧墙电加热情况, (11)料盆火焰保暖情况。

3 结论
熔窑的料道主要进行的是玻璃均化过程, 玻璃均化好坏将导致玻璃缺陷是否产生。 通过在 料道两侧增设加热装置, 能较好地解决料道内玻璃的温度差, 而料道电加热更有利于玻璃液 的均化。 璃产品的成型, 对玻璃液温度的稳定要求, 也有很大的差异, 理应给以不同的对待。 又如采用全电熔技术的玻璃熔窑, 它的熔化部、 澄清部和供料道内的玻璃液温度也有不同的 控温精度要求;同时,以上三个区域中的玻璃液是互通的,玻璃液温度的控制也是互相影响 和关联的,为此,在设计窑内各个区域的温度控制系统时,必须综合考虑不同的控温精度要 求和关联作用。

3.4 通过必要的玻璃熔窑热平衡或电平衡测定来发现问题,寻求解决方案
许多生产和研究单位采用检测和显示仪表, 对运行中的玻璃熔窑定期进行热平衡测定, 可 以评定熔窑的热效率,发现设计、材料选用、运行控制等方面的缺陷或问题。同样,对运行 中的电加热熔窑进行电平衡测定, 可以评定熔窑的电热效率, 并及时发现供电或电加热元件 的故障。

3.5 通过热能数字化控制系统来降低能源消耗
目前, 由于能源供应的多样化和多渠道, 使得能源的品种和品质的稳定性受到了比较大的 影响。为此,企业对每一批燃料(如煤炭、重油或天然气等)必须进行化学成分、含水量和热 值的测定。如果在热能数字化控制系统中,使用热值仪来实时监控,可以减少由于燃料热值 波动,引起的热能供应情况变化。又如,在燃油玻璃熔窑上,采用燃料油调节泵或定量泵, 进行热能数字化控制。 由于大中型玻璃熔窑通常具有比较大的热容量, 窑内温度控制的滞后性很大, 所以在加热 功率相对稳定时,可以采用稳定热能(包括燃料和电能)供给的控制方案,即通过热能数字化 控制系统来间接控制窑内温度,降低能源消耗。

3.6 通过计算机数值模拟和物理模拟来研究玻璃熔窑的热工过程
虽然现阶段建立关于玻璃熔窑热工过程的完整数学模型仍具有一定的困难,但是,通过大 量的现场的各种数据采集、分析和处理,还是可以建立一定的数学模型,进而开展计算机数 值模拟和物理模拟工作, 开展对玻璃熔窑热工过程和材料性能的研究, 为现有熔窑的改进或 新型熔窑的开发提供数据和依据。

3.7 通过计算机的玻璃熔窑辅助设计来提高熔窑的热工特性和热效率
传统的熔窑设计是通过热平衡计算和流体力学计算, 粗定各部分的几何尺寸, 再用经验指 标和参数细定熔窑各部分的结构尺寸,得到熔窑的外形和荷重、砖柱与基础的尺寸和位置。 再经过复算和校核等步骤?。 传统方法的计算和绘图的工作量很大,效率也难以提高。如今,采用计算机和熔窑设计软 件,并依靠数值模拟,通过内热传递计算,估计热负荷特性等优化设计手段,实现熔窑设计 的数字化和现代化。使用计算机来绘制熔窑设计图和利用数字存储技术,具有快速、高效、 读取、存储、交流、打印和修改方便的特点。通过计算机的玻璃熔窑辅助设计,可以提高熔 窑的热工特性和热效率,实现优化的节能设计目标。

4、温度控制器
过程控制仪表种类非常多,按控制装置用能源分有电动、气动、液动及混合式,按信号类 型分有模拟、数字调节仪表,按结构型式分有基地式、单元组合式、组装式和总体分散等控 制装置。 本文仅就供料道温度控制中常用的几种作简要说明。 由于重点是讨论控制器的选用 及赢用中的一些问题也就没有必要对控制器的结构和原理作太多的叙述。 供料道温度控制系统经历了使用动圈式调节仪表、 自动显示记录调节仪表特别是电子自动 平衡——气动式词节记录仪表、电动单元组合仪表、总体分散控制装置等的发展过程,它与 电子、 仪表工业的发展息息相关。 但不论选用何种控制器均应考虑能否满足工艺提出的控制 要求、经济性、使用方便与灵活以及控制装置本身的发展趋势等因素。前已提到,料道控制 方案主要应根据工艺生产要求进行选择并不是在任何情况下都要考虑复杂的控制系统。 有时 恰恰相反,用简单的单回路控制能得到更好的效果。同样,控制系统方案确定后,也不提倡 一味追求高级的调节仪表。 须知一个常规仪表使用经验较少的工厂, 对复杂的计算机控制系 统,无论是管理、维护或操作使用,都难以很快适应。当然,有的仪表功能较多,使用灵活, 工厂在选用时,完全可以(也应该)根据本厂在控制方面的发展规划,选用有发展前途的、功 能多样、便于扩展的、能与计算机兼容、操作简便的控制装置。 4.1、自动平衡显示记录调节仪表 电子自动电位差计是最常见的温度显示记录仪表它直接接收热电偶或辐射高温计的测温 毫伏信号,该信号与测量桥路所产生的毫伏信号比较,其差值进放大器放大,去驱动伺服电 机(可逆电机)。伺服电机带动测量桥路上滑线电阻上滑动触点改变了电桥桥臂电阻的分配关

系从而使测量桥路产生的毫伏信号作相应变化。当桥路产生的毫伏信号与测量信号相等时, 输送到放大器的信号即为零,伺服电机即停止转动,仪表达到新的平衡点。此时与 滑动触点联动的指针及记录笔就指示和记录了被测温度。记录形式有长图、圆图和条型等, 记录纸是由同步电机驱动的。(见图 28)

如果通过某种机械或电气联系, 让伺服电机在改变测量值的指示和记录指针的同时改变附加 的一个调节器的输入, 即相当于调节器也接收到了变化的测量值信号。 这样就可以由调节器 来承担控制的任务。图 28 表示这种内部附加了调节器的电子自动电位整计的结构。 附加调节器一般常用气动式和电动式调节器。由于气动薄膜调节阀结构简单/动作平稳可 靠,使电子自动平衡记录——气动调节仪长期受到玻璃厂的青睐在供料道温度控制系统上, Honoywoll 公司专门设计的记录调节仪到七十年代后期还在不少玻璃厂使用。 电子自动平衡记录——气动调节仪的原理示意见图 29。 仪器的自动显示记录部分同图 28, 这里只画了它的伺服电机。 伺服电机一方面带动显示记录指针另一方面经过适当的机板连杆 带动气动调节器的喷嘴档板机构中的挡板。 档板与喷嘴之间距离改变引起喷嘴背压变化, 经 过气动放大器,比例积分微分等运算机构,最后输出 0.2~1.0kgf/om~的气压控制号操纵调 节阎动作。

带电动调节器的自动平衡仪表原理见图 30。这里记录仪表伺服电机带动的是位于另一个 比较电桥电阻盘上的指针。电桥上另有一个定值信号,由操作人员设定。当象征测量值的指 针被伺服电机带动左右移动时, 电桥即输送相应的偏差信号给附加的电动词节器。 这样在一 台仪表内自动完成温度的显示、 记录和调节的全部功能。 仪器输出信号直接驱动电机执行机 构,或经过电一气转换器转化为气动控制信号去驱动薄膜调节阀。 自动平衡显示、记录、调节仪表构成的系统最简单工作可靠功能价格比好。但它的灵活性 较差,在大量数字仪表、计算机进入市场后它们的优势可能逐渐失去。 对于高控制精度要求的供料道必须对仪表的量程(刻度范围)进行压缩例如 1000~1200℃或

更窄。这样当仪表精度为 0.5%时,控制器的精度可以达到士 1~C。(当然,包括下面还要提 到的“精度”都指相对精度。因为系统中的热电偶本身在全测量范围中的最大可能误差就不 止 1℃,但热电偶的复现性较好,其测量是相对稳定的。此外,欲达到±1℃的招对稳定系 统中各个仪表的选择、安装接线、调试使用都有严格的要求,不光是用了一台高精度的诃节 器就能解决问题)但是,必须指出,仪表测量范围的压缩是有限制的,它取决于仪表本身的 设计和制造精度,例如放大器的漂移等指标。过多地压缩刻度看起来表面上的分度更“细” 了, 但实际上读出的数据可能是不准确的 LN~f~时仪表的精度比原来降低了对于铂铑铂热电 偶,在 1000~200~C 的测量范围内温度变化 1200℃,热电势改变 11~12 微伏面目产电子电 位差计放大器的漂移是 5 微伏,不灵敏度为 2O 微伏再加上其他器件、部件的误差(元件噪 声、机械问隙等)要做到 100~200。G 的 4 度压缩范围是有一定困难的。 4.2 电动单元组合仪表 随着电子技术的发展电动调节仪表的可靠性和安全性等已得到很大提高。 加上电动扳表功 能丰富较容易解决信号的显示、输送和运算,特别是易与电子计算机联系实现高级、复杂的 控制。因此电动仪表已逐渐取代气动仪表,在玻璃工厂得到越来越广泛的应用。 单元组合仪表是根据自动控制系统中各个环节的功能要求设计具有独立作胡的单元, 各单 元之间用标准统一的信号互相联系。 与基地式仪表不同的是, 按功能设置的单元可以灵活方 便地组合以构成不同的控制系统。例如上面介绍的自动平衡显示记录调节仪表具有综合功 能,但它只适用于一定测温仪表(如配铂铑铕热电偶,辐射高温计等都有专门的桥路和刻崖 标尺不能通用 j。如改用单元组台仪表则就必须用温度变送器、罚节器、操作器、以及配套 的显示仪、记录仪等几台仪器才能完全取代一台自动显示记录调节仪表。显然,构成调节系 统就比较繁复。但是各单元的使用组合十分灵活。如调节器不仅可用于温度还可用于压力、 流量等控制不仅适合于单参数词节。也适用于串级、比值以及多参数的控制;一个温度诃节 系统如果需要变换测温元件, 不必更换或改动仪表只须对变送器重新做次滴整就行。 对整个 工厂而言因为相同的单元可以互换可以太大减少仪表的备件。 电动单元组合 II 型仪表(DDZ-H)是目前玻璃厂使用最广泛的单元组合仪表。 它是基于晶体 管电路的仪表使用时间长(已达二十年)因此技术上成熟,便于掌握维护;同时考虑到上面已 谈到的因素一般情况下是适合大部分玻璃工厂控制要求的, 特别是在玻璃窑炉的自动控制方 面。 当 DDZ 一Ⅱ型调节仪表用于供料遭控制时,必须同时考虑温度变送器和调节器的精度问 题。 型温度坐送器如将量程压缩到 1 毫伏(大致相当于铂铑铂热电偶 100。 的测温范围例 II G 如 LB 一 3 从 1050~1150。G 的热电势差是 11.317-10.136~1.181 毫伏 j 其精度将下降到 1.6 珏,也就是说它的测温误差差不多是 1.5~0。要提高控翩精度,可以考虑温差变送器 在 1 毫伏测量范围内其漂移可控制在 2 微伏,仪表精度 0.5%。II 型调节器的给定值稳定度 为±0.25%,抗横向干扰和抗纵向干扰折算到输入端均为±0.5 为。采用 II 型调节仪表组成 温度控制系统的结构见图 31

电动单元组合 III 型(DDZ-III)调节仪表采用国际标准信号制和新型的集成电路,提高了仪表 的精度与可靠性;另一重要特点是安全防爆。对玻璃厂来说感兴趣的是仪表精度的提高。在 料道温图 31DDZ-U 型仪表组成料道亟鏖控制系统框图度控制系统中 III 型仪表能够体现它 的优越性。 由于采用了集成运算放大器减少了放大器的漂移。 同时在线路设计上也考虑了许 多抗漂移的措施对元器件挑选更加严格等等。 III 型调节器给定信号稳定度为士 0.1℅茄比 II 型提高 1.25 倍其闭环控制精度可以达到土 0.5℅在控制要求较高的场合采用 III 型仪表是可取的。 但是[II 型仪表安全防爆等特点对玻璃厂来说并不突出另外全套仪表的价格比 II 型贵很多。 在功能上它与先进的数字调节器或工业控制机又有一定差距在国外已基本停止生产。 4.3TA 调节仪表 TA 系列电子温度调节仪表是一种较为简单然而又具有一定特色的控制仪表十几年来在玻 璃工厂也得到了广泛应用。 TA 电子温度调节器的原理框图见图 32 这里仅以 TA-091 配铂铑~铂热电偶的品种为侧说 明。TA 仪表可以归入基地式仪表一类,因为它也集变送、调节、显示等功能于一体。同自 动平衡显示记录调节仪表一样热电偶或其他测量仪表的毫伏信号直接进入调节器无须经过 变送器。在比较桥路中,测量信号与定值信号比较并将偏差信号输入微伏放大器。放大器输 出信号用偏差指示表显示被控温度与给定值之间的偏差,同时经 PID 调节器运算后最终输 出 0N10 毫安的调节信号到电动执行器(或电气转换器)。

TA 仪表的一个特点是采用了数字毫伏定值器,通过面板上的拨盘开关操作者可直观准确 地送入给定值(以毫伏表示)。数字定值器采用了较稳定的直流电源、精密的网络电阻,大大 提高了定值的精度与稳定度。 直流微伏放大器对输入信号进行多级滤波通过场效应管斩波器调制四级放大后再经输出 变压器输进到解调器。微伏放大器的灵敏度为土 5 微伏初始漂移微伏,温漂(每 10。a1 和时 漂(24 小时)都是 10 微伏,抗干扰能力折算到输入端为 10 微伏。可见,放大器的技术指标对 高精度要求的温度控制是不够的。 , PID 调节器采用了集成运算放大器与分立元件相结台的设计,其温移和零漂是 l0 微伏。 TA 型仪表在使用上还存在一些不够方便之处,主要是设计上要考虑仪表的简单而带来的 例如手自动不能无扰动切换、无上下限幅等等。但在玻璃熔炉、退火炉以及控制要求不是非 常高(如 l~2℃)的供料道等场台使用简单、价廉的 TA 型仪表还是可行的。 4.4 总体分散型(集散型)控制装置 从模拟式调节仪表控制走向数字式计算机控制, 也是玻璃工业自动控制的发展趋势。 早在 1965 年美国 Owens 一]1]~nO/S 公司就在玻璃窑炉的控制上用上了 IBM 计算机控制。但是 经过一段时问以后人们发现采用大型计算机对垒厂或全车间的生产过程进行直接数字控制

(DDC),并不是一种最好的办法,一味追求高度集中并不策略。园为控制范围越大,一旦计 算机系统出现故障给生产造成的危害也越太甚至可能使整条生产线处于瘫痪。 这样, 必须考 虑备用计算机或一整套常规调节仪表,系统的投资势必很大。另一方面,控制过于集中操作 显示盘面增加,监视将产生困难。控制装置到现场距离太远,安装费用增加,又容易引进干 扰等等。 因此一种建立在集中数据处理一分散过程控制的新型系统即总体分散控制系统就产 生了, 它使过程控制又开始向分散化发展。 微处理器技术的迅速发展为集散型控制装置的开 发提供了极为有利的条件。 1975 年美国 HoneyweH 公司首先研制成 TI)C~2000 集散系统到 1979 年就销售 5 万套可见 其生命力。现在美、日等国推出的各种系统其回路调节器分散单位从 8 个到 64 个都有通常 以 8 回路较多见。就是说一个分散的控制 器只同时控制 8 个调节回路,当这个控制 器发生故障最多影响 8 个回路其他的生产 过程正常进行。为了进一步分散危险,以 后又生产了 4 回路、单回路调节器供用户 任意组合。 图 33 表示一种最简单的集散系统, 一线 控制器可以使用 8 回路、4 回路、单回路 调节器,由用户根据自己的情况来设计选 配。回路调节器可以和变送器、执行器一 起构成不同控制系统,它们能够独立工作 但与常规调节器不同它们可以和上级控制 站或上位计算机通讯,向上级计算机输送控 制数据,或供 CRT 与制表机进行显示打印; 同时也能接受上一级控制站的指令如修改 定值等等。这样,集散型系统完全具有原来 计算机控制装置的一切功能同时又幽 30 最 简单的总体分散控制系统比它们灵活、安全 得多。由于回路调节器实际上是微机化了的 仪表,它们本身已有一系列常规仪表无法具 有的一些功能(下面还要介绍),从某种意义 上来说它已是一台小的计算机控图 4KMM 型单回路调节器正视图 j 一~报警灯:L 一通讯指示灯;IR 一联锁 括示殛复位按钮;IAL 一异常指示灯;sPB 一设定舞钮:cBL 一串缎方式敲钮及指示 灯;ABL 一自动方式按钮髓指示灯;MBL 一手动按钮硬指示灯;SPP--~值指舒:PVP 一测量 i 针:MP 一记忆指针:oP 一输出指 示;DB、I-输出控制按钮 iNP 一名牌制器。 而从使用上来看设计者已成功地使它完全 仪表化操作人员完全可按他们已经习惯了 的、常规仪表的操作方法进行控制。因此, 集散型控制装置是最能体现现代控制策略 一一分级控制有效工具

8 回路、4 回路和单回路调节器从原理、功能上太体相似,只是控制的范围有所不同。当 然,包含回路多其功能,价格比也高,但危险性也就大,在选用时要综台权衡确定。下面以 单回路调节器为例作简单介绍。 简单回路调节器(国内已引进组装并仿造)的表面见圈 34。显然,从外观上与常规调节器并 没有什么不同。 仪表内部右侧设有数据设定器用来设置或改变调节器参数, 读出运算操作的 中间结果显示自诊断结果等等。 在控制器后部有备用手动操作单元当控制器发生故障时, 可 以用它进行临时操作。 KMM 仪表又称可编程序调节器, 它的内部有 3o 个可执行各种处理功能的运算单元 45 种 运算方式通过编程,把所要求的运算方式例如加、减、乘、除、开方、PID 调节、高限、低 限、超前滞后、定时、折线等等,根据系统组合的婀序关系输入运算单元可以灵活构成各种 诃节系统。 KMM 的功能主要可以归纳为输入处理、运算处理、输出处理三类,每一种功能都由仪表 内已事先编制好的、 存储在存储器内的相应子程序来实现。 微处理器的作用在这里得到了充 分体现这是常规模拟仪表根本无法做到的。 KMM 可以接受 5 个模拟量输入信号,根据系统需要首先进行输入处理,倒如可对热电偶 测量信号进行非线性校正、 对流量测量的差压信号进行开方以及温度和压力补偿、 对加在各 种输入信号中的干扰(噪声)进行滤波等等。 运算类功能包括各种算术运算、逻辑运算、信号发生、变化率、PID 高低限判别等等, KMM 最多可选择两个 PID 运算单元, 因此用一台调节器即可构成一个串级或前馈等复杂调 节系统。 由于运算功能齐全利用 KMM 来组成其他一些复杂系统例如常用的交叉限幅燃烧控 制系统格外有利。 KMM 有三个模拟输出信号和三个数字输出信号根据内部信号的分配选择输出端,得到 4—2OmA 电流信号或 1—6V 电压信号以及晶体管触点输出信号。 KMM 的操作方式有手动、自动、串级和跟踪等 4 种模式,可按其中一种方式工作。此外 仪表还有两种事故方式可供选择即联锁手动方式和备用方式。 联锁手动方式是在模拟输入寄 存的溢出、运算操作溢出、或自捡功能判断调节器溢出,以及外部联锁信号作用来到时仪表 自动地转换到这种方式。 此时仪表呈现的功能与手动状态时一样, 由面板上的手动控制按纽 (ZB、DB)来进行控制。备用方式是自诊断功能检出异常情况,仪表被切换到这种方式,此 时可以使用备用手动单元进行手动操作输出。 可编程调节器的调节类型有 4 种 0 型调节仪表中只有一个 PID 运算单元 ID 运算式占用 3O 个运算单元中的一个)按本机设 定方式工作无串级模式。 1 型调节这种形式仪表中只有一个 PID 单元但它可以用开关选择是作为内定值使用还是串 级方式使用。 2 型调节仪表有两个 PID 运算单元(PID 运算式占用 3O 个运算单元中的两个)。第一个单 元按本机设定、第二个单元按远方定值方式工作。 3 型调节也有两个 PID 单元第二个单元可以用本机设定或外部远方设定。 具有串级方式的 功能。 在使用中也是由用户确定究竟选用哪种方式并在仪表调整组悉时加以规定。 此外仪表还具有自动平衡功能可以进行无扰动的方式转换。仪表的自诊断功能在每 一个采样周期检查电路,如果发现工作异常数据设定器就会显示诊断码,如输入异常(输入 超量程)、运算溢出和运算量过裁。检出以上任何一种异常状况时仪表就会自动切换到联 锁手动方式。在另外一些异常如 ROM 异常、RAM 异常采样时间异常、MD 转换异常及 输出反馈异常时,仪表停止工作,转入备用方式。

在仪表使用前,要根据设计的系统对仪表进行组态,即使用附加的程序装入器将 KTM 执 行的控制操作内容及初始数据写入 EPRoM 存储器,再:侉 EPR0M 摘入仪表相应印刷板上 即可投入使用。在装入器键盘上填写代码和数据就可将程序数据写入 EPROM,这里 不需要专门的程序设计知识,一般的管理和控制人员也能从事这项工作。

利用单回路可编程调节器特别适用于料遭控温的复杂系统。 35 和图 36 是两个应用例子。 图 从图 35 可见,用单回路可编程调节器可以代替 两台主副调节器,Tl 和 T2、不但调节器的功能大 大加强,系统也得以简化。变进器 B1B2 和调节阀 F 两种方案仍然相同。 图 36 表示料道某段温度前馈一串级控制方案。 前段玻端湿度 tB2 作为主参数, 经温度变送器}1 进 入主词节器(pm,前段空间温度?经变送器鼠进入 副调节器(PI),后段玻璃温度经变送器进行超前或 滞后补偿后进入加法器,与主调节器的输出相加 后控制剐橱节器。可见如果用常规调节仪表,至 少要四台才能满足取代可编翟调节器 T 的作用。 以上伽子可以看出,即使采用了先进的单回路 (或四回路)调节器如不设法提高温度变送器的精 度仍难以得到高精度的控温结果。这一点同以前 介绍其他桶节仪表时所强词的一样是系统设计者要特别注意的。 总体分散型控制装置中的操作站或上位机(图 33),在控制系统中并不直接参与过程的 控制它的主要任务是进行管理。这一级可以采用不同类型的计算机或操作终端。一般至 少对 8 个或 l6 个回路进行监控和管理。 监控级设有 CRT 显示,可以作全貌显示、趋势显示、参数修改显示和模拟调节画面。能 完成以下功能:过程监视、过程参数设定及修正操作、联锁及紧急处理、数据采集处理和综 合管理、集中打印制表等等。 一旦监控计算机或操作终端发生故障而退出工作,也不会影响第一线的正常控制,因为 后者本身就是一个独立的功能齐全的控制系统。只是在一段时间内影响数据的处理而已 并不构成对生产的威胁。 目前,集散控制装置已开始在玻璃工厂包括供料道控制系统中得到应用,即使是仅仅使 用单回路词节器组成第一线控制,也是微机控制的一种形式。笔者认为采用集中分散型控 制系统是符合玻璃工业自动控制发展方向的它比直接数字控制(DDG)的计算机系统更安 全,更可靠、因而也更有生命力。

5、温度控制系统的整定
自动控制系统控制质量取决于对象特性、 控制方案、 干扰形式与幅值以及调节器参数接定。 当一个控制系统组成安装以后调节仪表、 控制对象, 干扰形式等也都基本周定下来过时控制 质量主要取决于调蕈器参数的设置。 所谓整定,就是配合被控对象特性,合理地选择调节器各项参数以获得最好的控制效果。 在自动控制中, 调节器参数的整定是很重要的工作。 有的工厂化了很多力气装完了所有的仪 表,但因缺乏自动控制专业知识,不知道整定的意义,致使调节系统工作不好,还误认为是 某台仪表不好,等等。当然,整定也不是万能的,如果系统设计不台理,对象特性不好或仪 表安装不当,想通过调节器的整定来获得好的控厦量,也是不大可能的。 各种不同类型的调节器,不管 是气动的、电动的,尽管它们的 结构型式不同同样控制规律的调 节器,都有相同的整定参数和改 变这些参数的机构,整定方法也 是相同的。 到现在为止,调节器参数整定 方法已有几十种之多,但现场常 用的只有数种。本文只简单介绍 几种实用的方法。

5.1 控制过程的质量指标
在控制系统中, 被控参数不随时间而变化的平衡状态为静态或稳态, 而被控参数不平衡时的 状态称为动态。我们最感兴趣的是动态过程,也即控翩过程,它们反映了在干扰或给定值变 化时,控制系统如何从一个平衡状态到另一个新的平衡状态。一个系统在受到干扰后.被控 参数经过控制达到稳定的过程可用图 37 所示典型曲线表示。一般的控制系统从稳定性理论 出发,主要采用衰减比、最大偏差、控制时间和余差等四项指标来衡量其控制质量。 1. 衰减比 衰减比 n 表示衰减的程度,它表示被控参数逐次减少偏差的程度.习惯上用 n:1 来表示。从图上曲线相邻两个波峰 B1 和 B2 来定义衰减比一般控制过程以 4:1 到 10:1 的 衰减比较为可取’ 2 .最大偏差(也称动态偏差) 最大偏差是被控参数偏离给定值的最大动态偏差。显然,希望 最大偏差越小越好,特别是不能超出正常生产允许的安全范围。图上以 A 表示最大偏差。 3 .控制时间(也称回复时间) 控制系统受到干扰、经过控制使系统从原来的平衡达到新的平 衡(一般以达到稳态值。偏差不超过 6 届,即近似进入平衡)所需的时间“就是控制时间。 4.余差(也称静差或残余偏差) 余差就是过程终了时被控参数新的稳态值与给定值之差, 图中 用 C 表示。 其他控制系统中还有一些指标,如计算机控制系统中的积分准则,最优控制中的目标函 数等,这里不再介绍了。

5.2 被控制对象的动态特性
被控对象的动态特性对实现过程自动控制十分重要, 它不仅是自动控制系统设计的主要依 据,也是调节器整定时的依据之一。由于对象特性涉及内容很多,我们仅能以料道玻璃 温度为主作一简单说明,以利于进一步讨论调节器整定问题。 图 39 是典型的温度对象特性响应曲线。设χ 是对象的输入(如各种干扰、燃料变化等)y 是

输出(温度)。在输入阶跃变化(如燃料突然加大,这是考虑到最坏的情况)Δ χ 出时,在没有 控制作用时,温度(y)随时间变化的情况如图所示。由于对象有自平衡能力,y 最终会稳 定在一个新的值 y(∝)(在此过程中,设其他干扰不存在)。图示 T、τ 、K 是对象的特性参 数,分别称为时间常数、滞后时间和放大系数。对象的数学表达形式以传递函数表示。

这是用高阶等容环节近似的,η 为阶次,一般对象简化到η =3,其精度已可满足要 求。 图 39 表示在燃料变化出时@其他干扰不存在,如进口玻璃温度和散热条件不变等), 料遭温度(上、中、下层玻璃温度分别用 1,2,3 曲线表示)变化情况。很明显,上层的温度 (曲线 1)反映干扰较快,下层温度(曲线 3)反映最慢。因此,它们的特性不同,就决定了控制 系统的设计及调节器参数整定的不同。例如上层温度控制用单回路可能已满足要求,下层

温度则可能要采用复杂的串级或前馈控制才能得到理想的结果。在参数整定时,对象的,等 参数不同,调节器整定的结果也就不一样。由此可见,了解对象特性是十分重要的.一般来 说,料遭温度的动态特性比较复杂,如用微分方程来表达通常是高阶的非线性方程,而且要 通过料遭的结构、工艺过程用解析法求得,这样的结果往往是十分困难的。工业上常用试验 的方法求取对象特性, 而且大多是考虑调节通道的特性。 有可能的话对其他主要干扰的动态 特性也可进行测试。 前面讨论了在阶跃干扰作用下对象的反应实践中我们常有意地将输入量(如燃料闽开度) 突然增加一定数值(10~15 石为)记录输出量(温度等)的变化,则可得到如图所示的动态特性 曲线。但有时因为温度变化较慢,人为干扰长期保持告对被控温度产生过份影响,使偏差超 出正常生产允许范围,试验也常常无法继续下去。为此,可引入一种矩形脉冲扰动试验法。 首先在对象上加一阶跃扰动,维持适当时间后立即撤消此扰动,使闽位回到起始值,记录温 度变化全过程直到稳定为止。图 40 表示矩形脉冲扰动试验结果。y· t)是记录曲线。 ( 实际上,我们可以将矩形脉冲分解成两个方向相反、大小相同、但在时间上相差古 0 的阶 跃扰动,反应曲线 y· t)实际上可看作是这两个阶跃扰动的作用结果之和。从这个原理出 ( 发,可以根据 y(t)用作图方法求得阶跃干扰作用下的曲线 y(t) 。 在 O~tο 段 y(t)即等于旷 y·(t); 在 to~2to,段 y2 等于 y· 2to)加上 y1 [即 y· ( (to)]; 依此类推,y3=y2+y· 3to) y=y3+y· 4to)等等,最后可得出 y(t) ( , ( 。图中虚线表示反

阶跃扰动(在 to 开始)的反应曲线 y(t-to) ,形状上与 y(t)相同。 应该强调的是,在现场用试验法求取对象动态特性时,要保持其他的因素,如后段玻璃 温度、出料量、散热条件燃料和空气压力等均不变,这样获得的曲线才能较准确地反映温度 对于调节阍开度(流量)变化的特性。现场往往不容易得到这种保证,因而试验可能要进行 多次,并要有足够的细致和耐心。有时可能根率无法满足其他条件不变的要求,就不能用试 验法来准确得到对象的特性了。 由试验得到对象反应曲线,可用各种方法对试验结果进行处理,如近似法、切线法、图 解法、两点法和面积法等,得到对象的传递函数(s)。我们仅举两点法为侧加以说明。 假设对象近似用高阶等容惯性环节表示:

可选用最接近的一整数值计算 T。误差约为±2℅。求得 n 和 t,则 G(g)可得出。

此外, 也常用频率法和统计相关法来测定对象的动态特性。 特别是统计相关法使用了伪随机 信号求取对象脉冲响应函数,可以缩短澳 l 试时间、提高测试精度、窑易利用电子计算 机作数据处理,这为对象的在线辨识及计算机控制打下了良好基础。

5.3 单回路控制系统的整定
单回路控制系统的整定,是所有控制系统中最简单、最基本、最重要的。其他复杂的控 制系统,如串级、分程、比值等控制系统最终都可转化为单回路控制系统来整定。所以熟练 地掌握了单回路控制系统的整定方法,复杂系统的整定也就不难解决了。

1. 理论计算整定法比较简单、 而且对象传递函数已知的控制系统可以用理论计算的办法 来整定。但一般对象(包括供料道)的特性比较复杂,计算比较麻烦,也不一定很准确,所以

此法在工程上很少使用。 2.经验法这是根据大量现场实践总结出来的方法,在不少场合得到应用。具体做法是先 将调节器参数置于某些数值上,直接在闭环控制系统中使用。改变给定值,观察被调参数的 变化过程,检查控制质量。然后适当调整调节器参数,反复进行凑试,直到控制指标满意为 止。 根据经验,各类控制系统的整定参数大致范围如表 6,它为经验法提供了凑试的范围。 一般凑试程序如下:比例作用是调节器的基本作用,所以先使调节器的积分时间 Tτ =∞, 微分时间 Tσ =0, 即取消积分和微分作用。 先将比例带 6 凑试好, 使系统的控制过程达到 4: 1 的衰减,然后再加上积分,加积分之前应将 6 增加 10~20 筠。这是因为引入积分作用,虽 然起了消除余差的作用, 但系统的稳定性也会稍差的缘故。 所以增加一些比例度来补偿引入 表 B 经验珐整定参数范围积分作用后系统稳定性的降低。温度控制系统还应加入微分作用, 以增加系统的稳定性。此时比例带 8 又可稍稍减少一些。 在整定过程中,要注意观察温度参数的变化,最好记录其变化曲线。如曲线频繁波动, 一般是 8 太小应增大 8 如曲线偏离给定值回复很慢,表示积分作用不够,要减小 T 等等· 总之,要通过实践积累调整经验。 整定参数对控制过程曲线的影响可见表 7。对于 PID 作用(比例积分微分)调节器,先整

定 8 然后取 Ta(0.25~0.33)。在以后凑试中保持 Ta/Tb 比值基本不变。有的调节器积分、微 分作用往往相互干扰,在有关说明书中常引入干扰系数(F)的概念,F 的大小用下式表示。 在使用中应注意干扰系数的影响。

3. 衰减曲线法这种方法不需要大量 的凑试也不需要象临界比例带法(本 文不介绍) 那样要得到临界波动过程而是直接求 得调节器参数整定步骤简单明了。我 们以衰减率 4:1 为例说明。 在闭环情况下,先把调节器当作纯 比例调节器(T?=Td=0)。 根据经验把比 例带先置于一个比较大的数值,然后 逐渐减小 6 并加定值扰动,直到系统 出现如图 42 示的 4:1 衰减曲线的控 制过程为止。此时的比例带称为 4:1 衰减比例带 6 两相邻波峰之间的时间 称为(4:1 衰减周期)。根据表 8 的经 验公式,计算调节器的整定参数。并 通过试验加以验证, 可用前述(经验法) 同样的做法进行试验。 注意,与前面一样的道理.当调节器存在参数之问的干扰时,应将上面计算得出的 8·

Ta Tb 乘以或除以干扰系数 F 得到调节器的实际刻度值 8 Ts Td。 还有一种 10:1 的衰减曲线法,主要用于要求系统很快稳定的场台其做法类似 4:1 衰 减曲线法,不再赘述。 4.响应曲线法前面介绍的两种整定法都不需要事先知道对象的动态特性,而且直接 在闭环系统中整定。响应曲线法则是通过开环(断开调节器对调节阔的自动控制作用)测定 对象的动态特性,并依此进行调节器参数的设置。上面我们已经介绍过对象的动态特性及 简单测试,图 38 中是用、 、来描述对象特性的。这里再引入一个“飞升速度”8,对图 38 示有自平衡能力的对象 8=K/T。 知道了对象的特性参数 8(T)和就可用经验公式计算出所需求的词节器参数。 具体的整定步骤如下: (1)将自动控制系统打到手动操作状态,将被控温度调整到给定值附近,稳定其他各 种工况(如出料量、进口玻璃温度、燃料空气压力等等)。突然改变手动输出,使阀门开大(或 关小):10~:15 为; (2)用记录仪记下温度变化曲线; (3)对曲线进行光滑处理,在拐点处作它的切线(见图 38),求出 K、T、并计算 8. (4)根据上表所列经验公式,求得调节器整定参数 6、 、后,将系统投入自动验证并

修正整定参数,使控制过程满足既定要求。

5.4 串级控系统的整定
串级控制系统与单回路不同, 它将两个调节器串在一起工作, 究竟以哪个调节器的诃整 为主是在参数整定前首先必须了解清楚的。 串级系统从主回路来看是个定值系统, 其品质指 标同单周路系统一样。从副回路来看,当干扰作用于主回路时,是个随动系统,要求它能快 速、准确地跟随主调节器变化;当干扰作用于副回路时则是个定值系统。因此,在保持主调 节参数高精度的同时, 对副参数也应予重视, 因为副词节器的参数整定对整个串级网路有很 大影响。 串级控制系统可用两种方法进行整定。 1. 两步法在串级系统的设计原则中,已经提到主、副对象时间常数之比应大于 3,一般 可在 3~1O 之间。这样,主副回路工作频率相差较大,主回路的工作周期往往大于副回路 的工作周期,因而主副回路之间的动态联系小到可以忽珞。 一般串级系统设计时是以确保主参数的质量为依据的,对副回路的指标则要求不高(如玻 璃与火焰温度的串级控制系统)。这样,主回路确保质量,副回路略牺牲一点,就使整个系 统的整定大大简化,这也正是两步法整定的理论依据。 具体整定办法如下: (1)在主回路闭台情况下,将主调节器的比例带乱放到 100%,积分时间 Ta 诅放到最大 (Ta=∞)微分时间 Ta1=0。用整定单回路系统的方法来整定副回路。例如用 4:1 衰减法 整定副回路可得到副回路 4:1 衰减过程的 8aπ 和 Ta (2)使副调节器的比例带 6 等于 8 并作纯比例调节器使用 。把副

回路视为主回路中一个组成部分,同样用 4:1 衰减曲线法整定主回路,求取主回路 4:1 衰减过程的 6。和 2 (3)根据上面求得的札、、结台调节器选型,按照所选取的衰减比(4:1), 、 查表求取主、副词节器的整定参数; (4)按照先副后主,先比例积分后微分的原则,将计算所得参数设置到调节器上去; (5)作一些干扰试验,修正调节器参数。 2.一步法两步法整定还是比较复杂。在生产实践中人们通过对大量试验结果的观察、比较,

找到了更为简化的整定方法——一步法。 对某个串级系统整定的结果如襄 1o 所示,表中、豆 n 是主副调节器的放大倍数,即 比带 8?和 8?以的倒数,可以从中找到这样的规律:Ka?与 Ka?的乘积近似不变。 当采用 1—3 组整定参数时,系统都能得到 4:1 的衰减过程。控制过程时间一般都为 9 分钟左右,此时 Ka?·Ka?为 3.3 左右。 由此可见在被控对象特性不变熙情况下, 为了得到同样衰减率的控制过程, 主副调节器的放

大倍数可以在某一范围内任意匹配,控制效果可基本相同。 整定方法: (1)从表 11 中选择一个合适的副调节器放大倍数 a(6),并按纯比例作用,将它设置 到副调节器上;

(2 主调节器也作为纯比例调节器,使串级系统投入运行,用整定单网路的方法去整定主调 节器的参数; (3)加干扰,观察控制过程。根据 Kο ·Kο ?近似不变原理,适当调整调节器参数,使主调 节器控制质量最好; (4)在参数整定过程中,如果出现“共振”现象,只要加大主、副调节器中任一谰节器的.参 数,就可消除共振。如共振剧烈,应切换到手动控制,待生产稳定后,再重新整定调节器的 参数。 实质上,一步法整定串级回路,是根据副回路的对象特性去选取合适的副调节器参数, 然后用整定单回路的方法来一次整定主回路参数。这种方法如同单回路系统一样简单,因 而对于一般的串级控制系统而言,是一种很实用的方法。


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