关于玻璃熔炉的自动化控制研究

李一铭

摘要：本文对玻璃熔化温度制度，玻璃液流在玻璃熔化过程中的作用以及控制要求进行了简单的介绍，围绕温度监控技术和窑炉温度计算机控制技术展开；并着重说明充分利用先进的电气自动化控制系统，对提高玻璃产品质量，维护企业品牌有重要帮助，这也是现代化工业的发展趋势。

关键词：玻璃窑炉；温度；控制

一、引言

“四小稳”是整个玻璃生产流程中最为基本的原则，即温度稳、窑压稳、液面稳和泡界线稳。在玻璃熔窑“四大”参数当中，温度控制较为困难，而且工作量最大，要尤为注意。温度控制效果直接决定玻璃液的质量，所以必须保证窑炉温度的稳定性。温度制度控制出现问题，或受到干扰出现温度波动，从而破坏了整体的熔化平衡，对玻璃产品的质量和产量造成影响。

二、温度监控技术

控制碹顶温度作为熔化操作的重要环节，对碹顶温度进行控制从而达到位置和形状正确而稳定的泡界线。因熔窑火焰燃烧的波动性、配合料以及玻璃液吸热要求等因素会发生变化，使碹顶温度产生波动，要根据窑内火焰燃烧的实际状况来进行控制和调整，降低碹顶温度的波动，同时要根据泡界线的变化调整温度，保证泡界线的位置和形状满足需求。

熔化操作人员要时刻对窑内火焰燃烧状况以及泡界线控制进行监察，一旦发现问题及时解决。工业化初期，一般都是人工监控高温窑炉的工作情况，这种方法存在许多弊端，人眼疲劳，安全性低，因为是在炉外开小孔观察，对炉内状况掌握不够真实、细致、全面，做不到及时地对窑内异常情况进行处理，不能实现稳定的碹顶温度和符合工艺要求的泡界线。为了应对这种现象，发达国家的企业首先提出了利用高温工业电视取代人工进行对高温窑炉的监控。自世纪70年代开始，欧美、日本等发达国家的工业领域已经大量地采用了高温工业电视在。近年来，我国工业制造技术逐渐提升，也将电视监控系统广泛地应用到了高温工业炉中，在很大程度上提高了玻璃生产的质量和效率。相比较人工而言，它具有准确、清晰、全面等优势，能够真实反映熔窑内部变化，便于及时调整进行熔化作业情况。

我国市场现在推出的高温工业监控装置，通常是直接引进或者以国外公司相关产品为借鉴再进行二次开发。大部分的高温工业电视模式是利用镜头进入高温工业炉内部获取真实图像，再传回监视器。内窥式炉用高温工业电视设备的系统如图1所示。

三、窑炉温度计算机控制技术

尽管“四大稳和四小稳”的玻璃熔化过程在50年代就已总结出来，但现在依旧是平板窑炉操作的重中之重。长久以来我国多数玻璃熔窑的燃烧状况难以控制，有的燃料流量不能准确计量，以至于实现不了助燃空气的比例调节，人员执行时大部分都是根据以往经验，这样就会影响到温度制度的稳定性。计算机控制技术的迅猛发展，推动了玻璃熔化技术的科学化进程，将先进的控制技术和调节手段与“四大稳和四小稳”的原则结合起来，确保玻璃生产的高效性与高质量。

理想条件下，燃料流量稳定那么通过燃烧所产生的热量也稳定，同时能保持熔窑温度的稳定。浮法玻璃行业一直利用这种方法，在一定程度上能保证玻璃生产顺利。实际上这种方法属于一种开环控制，温度的变化不能反馈给计算机，所以无法实现自动更改燃料流量的设定值，燃料流量设定的工作只能由人来执行。窑温的改变，与燃料品种和质量指标，以及窑压、液面等其它因素都有关系。若是燃料流量稳定，但窑温存在波动，那么就要从自动控制的角度来确保窑温稳定。以温度控制方案为基准，在保证燃料流量波动较小的情况下，实现窑温的稳定。

浮法玻璃的工艺要求每20min必须换火1次（持续时间约20s），而此时会使窑压、窑温、燃油流量等参数产生波动，这种情况就需要利用计算机自动控制系统来进行处理。为尽量减缓波动，选择有效的PID控制技术来降低火焰燃烧的扰动，确保换火后正常燃烧时的油流量能最大效率的跟踪，同时还保证每次换火对窑内温度和窑压的影响相差不大。

计算机集散控制系统DCS在当前的浮法玻璃行业起到越来越关键的作用。国内新建或大规模改造的生产线也普遍应用了DCS系统。DCS系统的运作原理则是利用计算机技术、通讯技术、控制技术以及图像处理技术来集中监视、操作、管理和分散控制整个生产过程，控制水平不仅提高，还能够处理常规仪表不能解决的问题。目前来说，根据计算机控制技术手段，对于温度控制可有两种燃油调节方式：一种是定值调节，另一种是窑温调节。定值调节以温度制度要求为基础，将每只小炉的燃料流量设置为固定值，再根据实际的燃烧情况按比例提供助燃空气量。窑温调节则是参考熔窑有关部位温度发生的改变，对各小炉的燃料供应量进行调节。定值调节比较容易一点，但因为需要时刻注意温度波动情况频繁调整燃料设定值，温度控制水平较差。窑温调节主要是为了稳定熔窑熔化作业，但控制点的温度代表性较弱，也难以实现稳定的熔化作业。近几年，因为计算机技术应用范围的扩大与革新，不断出现越来越高科技的技术，这就可以弥补玻璃熔窑作业控制易受多因素、多参数影响的弊端，为玻璃熔炉工作提供便利。

玻璃熔窑属于非线性系统，具有大惯量、纯滞后和多分布参数的特点，难以精确地进行控制。当前我国玻璃熔窑控制各参数的方法是单回路PID控制，部分大型熔窑上而是利用一些较为高级控制方式，比如交叉限幅燃烧控制、燃料负荷分配、根据废气中的含氧量自动控制空燃配比、根据热点温度来控制整个熔窑系统等，这些方法在很大程度上对玻璃熔窑控制提供了帮助。

浮法玻璃的质量与碹顶温度的控制和稳定工作有很大的联系，但不能够说明有了碹顶温度处于稳定状态，生产出来的玻璃的质量就会很高。对于浮法玻璃的生产线，熔化部内玻璃质量真正的决定性因素是实际玻璃液的温度。因为测量出实际玻璃液的温度有些困难，因此浮法玻璃行业才将碹顶温度作为实际玻璃液温度的代表参数从而加以重视。在熔化过程中，时常会出现碹顶温度没有任何问题时，而料山和泡界线的位置发生偏离的现象。料山偏移的同时，通常还会使得窑底温度发生波动。正因如此，在某种程度上可以将窑底温度作为实际玻璃液温度的代表。若是想要确保玻璃液处于最佳的熔化状态，则必须将碹顶温度和窑底温度控制稳定。因此，在熔窑碹顶温度控制稳定的前提下，还需将熔窑的窑底温度进行闭环。由计算机来实现将目前的“如果发现窑底温度有变化，则调节碹顶温度设定值”的人工操作思想。针对窑底温度具有大延时、非线性的特点，选择模糊算法为最佳。

将熔窑池底以及碹顶多点温度集中处理，通过计算加权平均值并根据熔窑内的燃烧气氛、余氧含量以及助燃空气配比等其他影响参数，由计算机进行数据整合，从而实现各小炉燃料供应量的控制。总的来说，计算机因其大容量、快运算的优势，有效地避免熔窑作业的多因素、多参数的影响，通过计算机的数据处理从而实现熔窑的稳定操作。

四、结束语

玻璃窑炉的温度测量仪表、温度自动控制以及高温工业电视监控等都是电气自动化控制系统的一部分。电气自动化控制系统的广泛使用不仅帮助人工控制工作解决了许多难题，同时还能有效地降低玻璃企业的劳动力成本和工作强度，大大增强生产运行稳定性和效率，推动了玻璃企业的发展改革进程。可以说，从整体上提高玻璃产品质量、创造并维护企业品牌、紧跟现代化工业前进的步伐与方向，充分利用先进的电气自动化控制系统并发挥其优势是关键。

参考文献

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