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水平辊道式玻璃钢化炉及其温度控制系统研究


 2011 年第 6 期 文章编号 : 1006 2 2475 (2011) 06 2 0112 2 05
control .

计 算 机 与 现 代 化 J ISUANJ I YU X I NDA IHUA A

总第 190 期

水平辊道式玻璃钢化炉及其温度控制系统研究
陈粟宋
(顺

德学院 ,广东 顺德 528333)

摘要 : 首先分析水平辊道式玻璃钢化生产线的构成与工艺流程 ,然后进行控制系统结构设计 。钢化玻璃品质控制的关键 在于温度控制 ,因为钢化玻璃电加热炉是一个非线性 、 时变 、 大滞后系统 。在数学建模的基础上 , 将增益自适应补偿
Sm ith算法运用于电加热炉温度控制 ,取得比传统 P I 控制更优的控制效果 。 D

关键词 : 玻璃钢化 ; 控制系统 ; Sm ith算法 中图分类号 : TP13     文献标识码 : A    do i: 10. 3969 / j issn. 1006 2 . 2475. 2011. 06. 031
( Shunde College, Shunde 528333, China ) Key words: toughened glass; control system; Sm ith algorithm

Research on Hor izon ta l Roller Toughened Gla ss Production L in e and Its Con trol System
CHEN Su 2song

Abstract: This paper analyzes the composition and p rocess of horizontal roller toughened glass p roduction line firstly, then designs its control system. Temperature control is essential for quality control of toughened glass, because the electric heating toughened glass furnace is a nonlinear, tim e 2varying and large delay system. After carrying out the mathematical model, the gain adap tive compensation Sm ith algorithm is used in electric oven temperature control, which has better control effect than traditional P I D

0    引 言

钢化的主要方法有空气风冷 、 微粒钢化 、 液体钢化等 。 化学钢化主要为硝酸盐类的离子交换法 。还有将物 理与化学方法组合 ,用液体冷却同时还进行离子交换 的物理化学钢化 。对于大型民用钢化玻璃 ,目前应用 较广的是空气风冷法 。空气风冷法的工艺过程 ,最重 要的是对加热炉 、 冷却室的温度控制 。本文将增益自 适应补偿 Sm ith 算法应用于水平辊道式玻璃钢化炉 温度控制系统 ,取得了良好的效果 , 使钢化玻璃品质 和产量大幅提升
[ 52 ] 6

钢化玻璃作为安全玻璃 ,广泛应用于建筑 、 汽车 、

家具 、 仪表等各个领域 。钢化玻璃的抗弯强度是普通 玻璃的 3 倍 ,抗冲击强度更是普通玻璃的 3 ~5 倍以 上 ,在破碎时变成小碎块 , 其颗粒状碎片对人体伤害 远小于普通玻璃 。传统玻璃钢化设备能耗高 ,玻璃自 爆率高 , 钢化周期长 , 产量低 。随着钢化玻璃需求量 上升和科技进步 , 玻璃钢化设备的性能也不断提升 , 朝着低能耗 、 高成品率 、 高产量的方向发展 。随着钢 化玻璃的用途越来越广泛 , 其产品种类也呈现多元 化 ,钢化玻璃已经渗透到生活的每个角落 。从而 , 对 钢化玻璃设备特别是钢化炉温度控制系统提出了更 高的要求
[ 12 ] 4



1  水平辊道式玻璃钢化生产线构成与
   水平辊道式玻璃钢化生产线的组成结构如图 1

工艺流程



钢化玻璃是通过在玻璃表面产生均匀而有规律 分布的内应力 ,从而提高了玻璃的强度和热稳定性 。 玻璃的钢化主要有物理钢化和化学钢化两类 。物理

所示 ,整个水平辊道式钢化炉硬件系统由玻璃上片 台、 加热炉 、 风栅冷却区和卸片台 4 个部分组成 。下 面将对 4 个部分分别进行说明
[ 72 ] 8



收稿日期 : 2011 2 2 04 13 作者简介 : 陈粟宋 ( 1959 2) ,男 ,江西吉安人 ,顺德学院副教授 ,本科 ,研究方向 : 工业自动化控制 ,计算机信息工程 。

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陈粟宋 : 水平辊道式玻璃钢化炉及其温度控制系统研究

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启动 ,玻璃送入风栅冷却区后迅速冷却 , 传输辊道也 同样来回运动 。在顶部 、 底部的风栅有缝隙和坡度 , 能疏散热风 , 若玻璃在风栅内破碎 , 则落到风栅辊 道下 。
1. 4 卸片区

当完成冷却过程后 , 已钢化好的玻璃送往卸片 台 ,之后光电开关处自动停止 。这样就完成了玻璃钢 [9] 化的整个生产周期 。

2  控制系统结构设计
图 1  水平辊道式玻璃钢化炉系统结构

1. 1 玻璃上片台

玻璃上片台由传动辊道和接近开关组成 。传动 辊道为钢质辊 。表面装有抗划伤的耐热橡胶圈或使 用全包胶辊 。大规格的机组在上片段配备球台机构 。 接近开关装于上片台末端 ,加热炉前门 。当位于玻璃 上片台和加热炉之间的接近开关感应到有玻璃通过 时 ,自动打开前炉门 ,将玻璃送入加热炉中 ,当上片台 玻璃全部进入加热炉后 ,前炉门关闭 。玻璃完成上片 过程 。
1. 2 玻璃加热炉

由炉顶和炉底两部分组成玻璃加热炉 ,炉体使用 刚性钢材牢固焊接 ,采用高效轻质硅酸铝做内衬保温 材料 。加热炉传动辊道材质为石英陶瓷辊道 。加热 炉以电阻丝作为加热元件 , 可分区和单根进行控制 。 为确保玻璃上下表面温度均匀 ,炉腔内设有上下辐射 加热系统 。 玻璃全部进入炉体 , 前炉门关闭后 , 陶瓷辊往复 传动使炉内玻璃受热均匀 。在加热过程中 ,工控机通 过热电偶和温度采集模块对炉内温度进行数据采集 , 通过 PLC 和变频器控制发热丝 , 组成一个闭环系统 , 使炉内温度接近 Tf 。炉顶装有螺旋升降装置 ,一旦发 生事故 ,炉顶自动升起 。
1. 3 风栅冷却区

采用钢板模压护罩或采用铝板拉制成形做冷却 风栅 ,在上 、 下风栅开有冷却吹风孔 ,控制玻璃钢化风 压 。通过风栅升降装置调节上下风栅离玻璃表面的 距离 。根据水平钢化玻璃的厚度和钢化玻璃的钢化 装载面积进行风系统设计 。由交流电机带动离心通 风机 ,进风口调节阀调节总风压 , 通过风机出口的风 栅风压调节阀调节上下风栅风压压差 。 当炉内玻璃加热一定时间后 ,冷却区的风机提前

依照钢化玻璃的工艺过程 ,设计水平辊式钢化玻 璃生产线控制系统的结构框图如图 2 所示 。它由上 位工控计算机 、 可编程序控制器 ( PLC ) 、 变频器 、 测温 模块等组成 。在图 2 中 ,各部分的主要功能如下 : ( 1 )上位机采用工控机 , 上位机实现的主要功能 为 : 对生产工艺参数进行设定 , 对加热炉的温度进行 设置 、 实时显示温度状态 ; 对传动系统进行控制和监 测 ; 对风机系统的压力进行调节 , 同时输出系统的生 产状态 、 事故状况以及相关报表 。人机界面部分选择 FameV iew 组态软件 。监控系统能清楚地显示大量参 数 ,还可以完成不同玻璃规格的工艺指标在各阶段距 离、 时间和速度的灵活设置和调整 。 ( 2 )整机采用现场分布式控制方式 , PLC 是现场 控制系统核心 , 它决定了整个系统的功能 、 可靠性 。 玻璃钢化炉一般采用模块化的中小型 PLC 系统 , 能 满足中等性能要求的应用 , 高电磁兼容性和强抗振 动 ,冲击性 ,同时 ,也能适应一些较高级的智能控制算 法的应用 ,具有较强的运算处理能力 。本系统采用西 门子 S7 2 。 300 ( 3 )测温模块用于测量现场加热炉和风栅冷却 区温度 ,安装时注意在现场贴近热电偶分布式 , 以降 低干扰 ,节约补偿导线 。 ( 4 )变频器用于对各电动机的调速控制 , 采用电 压控制方式 。 ( 5 )在加热炉传送辊和冷却室传送辊上安装光 栅编码器以检测玻璃在炉体内和风栅辊道上的运动 位置 。 控制系统设计时 ,最重要的是加热炉温度系统设 计 。在钢化玻璃的生产过程中 ,如何进行温度控制最 为关键 ,若温度过低 , 则无法达到钢化要求 , 温度过 高 ,则导致角部翘曲 、 炸裂 ; 若受热不均 , 则导致局部 波浪变形 。因此 ,需要根据钢化玻璃的生产特点注重 控制的鲁棒性 、 实时性 、 容错性以及对控制参数的自 适应性 ,寻找最优控制算法 ,实施有效控制 ,图 2 为控

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计            算 机 与 现 代 化
G ( s) = K - τ0 s e 1 +τs

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制系统的结构 。

τ 为滞后时间 , 包括信号传输和检测的滞后 (纯滞 0 后 )及热容量引起的滞后 (容量滞后 ) 等 ,所以被控钢 化炉实际上是一个大滞后惯性环节 。 将传递函数改写为传统形式 :
G ( s) = K - τs e 1 + T1 s ( 10 )

图 2  水平辊式平板玻璃生产线控制系统结构图

3  加热炉系统建模
钢化加热炉是一个具有非线性 、 时变和分布参数 [ 10 2 ] 11 的被控对象 ,根据热处理炉大滞后 、 大惯性的特 点 ,可建立其数学模型 。钢化炉是一个具有蓄热能力 的设备 ,依据欧姆定律 , 假设采用直流电压为加热丝 供电 ,并且设钢化炉加热丝电阻为 r, 供电电压为 U , 电流为 I,则在时间 t内产生的热量为 :
Q= U 2 t = I rt r
2

利用实验方法测试模型参数 ,取 K = 3. 5,τ = 55. 2, T1 = 50。 由钢化炉控制对象输出的传递函数为 :
G ( s) = 3. 5 - 55. 2 s e 1 + 50 s ( 11 )

4  Sm ith 温度控制算法
在玻璃钢化流程中 ,最重要的是温度与时间的控 制 ,温度控制的效果 , 直接影响到玻璃钢化的效率与 质量 。由于玻璃中自由电子很少 , 是热的不良导体 , 2 一般玻璃的导热率为 5. 8W / ( m ? K ) 。加热时 , 玻 璃急剧受热 ,其外层温度 T > T , 产生从高温到低 外 内 温的温度梯度 ,玻璃外层力求膨胀 , 而内层则阻碍其 膨胀 ,在玻璃厚度方向产生很大的暂时内应力 。玻璃 越厚 ,内外温差就越大 ,温度梯度越大 ,内应力也就越 大 。当张应力超过玻璃的极限强度时 ,玻璃就会产生 破裂 。同样的道理 , 冷却时也有这样的问题 。因此 , 玻璃钢化过程中 ,常常发生玻璃在加热炉或冷却区破 裂的事故 。对不同厚度的玻璃 ,应采用不同的加热温 度 。对于 3 ~10mm 厚的玻璃 , 加热温度一般控制在 705 ~715 ℃; 对于 12mm 以上厚的玻璃 , 加热温度控 制在 670 ~695 ℃ 之间为宜 。冬季和夏季淬火介质温 度相差较大 ,淬火风压也需根据实际生产情况做相应 调整 。
4. 1 增益自适应补偿 Sm ith 控制算法

( 1)

Q 的单位为焦尔 , 加热器产生的热量 , 一方面使

炉温升高 ,也有部分热量用于加热玻璃和泄露到周围 环境 ,即 :
Q =Q F +Qout QF = C Qout = dT dt ( 2) ( 3) ( 4)

T - TC T (由于 T > > TC ) ≈ R R

式中 : C —— — 电炉的热容量 ; T—— — 电炉的温度 ; R —— — 电炉的热量泄露热阻 ; TC —— — 环境温度 ; QF —— — 有效 热量 ; Qout —— — 玻璃吸热及向周围散失的热量 。 因此 ,在相同的时间 dt内 ,被控输入量 U 与被控 量 T的关系如下 :
U dT T =C + r dt R
2

(5)

当输入量有一增量变化时 ,即 U =U0 +ΔU 时 ,被 控量也将随之变化 , 即 T = T0 +ΔT, 忽略增量的二次 项 ,反映这一关系的增量方程如下 :
τ dT + T = KU dt
(6)

这里 T、 均 表示 增量 ; τ = RC 为时 间常 数 ; K = 2 U RU0 ,上式进行拉氏变化得 : r
τsT ( s) + T ( s) = KU ( s)
( 7)

则被控炉的传递函数为 :
G ( s) = T ( s) K = U ( s) 1 +τs ( 8)

考虑到被控炉的滞后特性 ,其传递函数如下 :

含纯滞后的不确定过程的控制问题一直是困扰 着自动控制和计算机应用领域的一大难题 。对于时 滞过程 ,由于施加的控制作用 , 要经过一段滞后时间 在系统输出中反映 , 实施合适的控制 , 使系统的实际 输出恰是期望值至关重要 。延迟对控制系统的影响 为 : 首先在延迟的 τ时间内 , 输出控制量的作用效果 在系统输出上没有明显的反应 ,导致控制器不断加强 输出控制量达到一个较高水平 。其次 , 在 τ时间后 , 控制效果在系统输出上开始反应出来 ,但由于前面积 累了较高的控制输出 , 使系统输出极易出现超调 , 严 [ 12 2 ] 14 重时产生振荡 。
Sm ith预估补偿控制的突出特点
[ 15 ]

是 : 首先预先

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估计出过程在基本扰动下的动态特性 ,然后由预估器 进行补偿 ,使被迟延了的被调量超前反映到调节器中 , 使调节器提前响应 ,这样就减少了超调量 ,加速了调节 过程 ,达到良好效果。典型的控制模型如图 3所示 。

4. 2 温度控制方案的仿真与实现

图 3  Sm ith控制模型结构图

其中 , Gp ( s) 3 ( 1 - e ) 称为 Sm ith 补偿函数 。其输 入为控制器输出量 X ( s) , 输出为补偿信号 C2 ( s) 。 广义对象的输出为 C1 ( s) = C ( s) + C2 ( s) ,控制器 Gc ( s)的输入由 R - C 变为 R - ( C + C2 ) 。 Sm ith预估器虽然解决了对滞后系统的预估控制 问题 ,但是其是以模型为基础的补偿方法 ,对模型误差 十分敏感 ,从而对负荷的扰动无能为力。为克服 Sm ith 预估器的缺点 ,在 Sm ith 预估器之外增加一个导前微 分环节、 一个乘法器 、 一个除法器 ,形成增益自适应补 偿 ,如图 4 所示。加入增益自适应环节后明显优于 Sm ith方案 ,具有超调量小和调节时间短的特点。
- τs

图 4  增益自适应补偿 Sm ith预估器

- τs 图 4 中 Gp ( s) e 为过程的传递函数 , Gp ( s) 为 建立的不带时滞项的数学模型 , Gc ( s) 为 P I 控制 D 器 ,根据上图求得系统传递函数为 :
- τs Gc ( s) Gp ( s) e C ( s) = R ( s) 1 + ( 1 +τs) Gc ( s) Gp ( s)

( 12 )

由 ( 12 )式可见 , 系统的闭环传递函数中没有时 滞项 ,可以看出带有增益自适应补偿的 Sm ith 预估器 可以明显改善系统的控制特性 。理想情况下 ,预估模 型与实际过程的动态特性完全一致时 ,除法器输出为 1,过程输出为 1, 这时只是 Sm ith 预估补偿控制起作 用 ; 当预估模型与实际过程的动态特性有误差时 , 该 控制方案能起到自适应控制作用 。

由于加热炉有上下两组电炉丝加热 ,有两组热电 偶检测炉内温度 , 是典型的双输入双输出的被控对 象 。利用式 ( 11 ) 所求的纯滞后传送函数 , 分别使用 增益自适应补偿 Sm ith算法与传统 P I 算法 ,在 M at2 D lab 环境下进行仿真 。两种算法的温度响应曲线分别 如图 5、 6 所示 。 图
图 5  P I 温控曲线 D 图 6  增益自适应补偿 Sm ith温控曲线

比较图 5 和图 6,结果是 : 传统的 P I 控制可以消 D 除系统的稳态误差 ,但超调量大且过渡时间较长 ;而采 用增益自适应补偿 Sm ith 算法控制 ,则系统的响应速 度加快且超调量小 ,同时过渡过程时间也短 ,调节精度 提高 ,稳定性能变好 。从仿真结果看 ,增益自适应补偿 Sm ith 算法可以满足钢化玻璃生产线电加热炉温度控 制的要求 ,将其数字化后 ,写入 PLC 用于实际的温度控 制 ,也取得了很好的温度控制效果 ,玻璃在加热时炸裂 的现象大大减少 ,成品抽检碎片均匀度也有很大改善 , 从而大大提高了钢化玻璃的成品率。

5  结束语

平板玻璃的钢化控制系统是一个具有大量加热炉 温度检测和温度控制调节回路 。本文基于玻璃钢化工 艺流程 ,对水平辊道式玻璃钢化炉及其温度控制系统

116  

计            算 机 与 现 代 化

2011 年第 6 期

进行了相关研究 ,通过分析其硬件结构和控制系统 ,阐 述了水平辊道式玻璃钢化炉的原理和方法 ,并给出了 水平辊道式玻璃钢化炉及其控制系统的总体方案原理 图和结构框图 。该控制系统具有稳定性好、 效率高、 低 能耗、 设置便捷等特点 ,在玻璃钢化中得到了广泛的应 用。在纯迟延系统中应用增益自适应预估补偿的控制 方案具有方法简便易行、 控制系统安全可靠 、 控制效果 好、 精度高等优点 ,适合在工业现场运用 。
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(上接第 72 页 )

5  结束语

本文介绍了一种在 Xilinx FPG 嵌入式系统平台上 A 实现的 IPv6 协议栈 —— IPv6,并通过架设简单的动态 —μ 网页服务器 ,验证了其功能 ,为该精简协议栈在其它平台 的移植和实现更复杂的上层应用奠定了基础。
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