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LEONARDO工业软件在玻璃生产过程控制中的应用 |
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作者：TNO Glass Group |
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自上世纪50年代起，许多研究玻璃窑炉的学者对熔化过程的数学模型发生了极大兴趣。他们认为通过建立数学模型设计窑炉，在窑炉运行中的调整具有重大意义。但是数十年来，真正能用于实际的数学模型并不是十分完善，随着计算机技术的发展，基于CFD(计算的流体动力学)的数学模型才越来越有实用价值。现代控制理论早已非常成熟，但在玻璃工业上的应用，却十分罕见，这是因为玻璃工艺过程十分复杂，人们只能将其视为黑匣子，借助于玻璃窑炉数学模型和仿真器，我们正在找到玻璃生产过程先进控制的突破口。
在玻璃生产的自动控制中，我们必须十分了解工艺过程的条件与玻璃产品质量(按不同产品的合格率分)之间的关系。目前，过程仿真早已被采用，以预估各种工艺过程的影响，例如，窑炉内的燃烧状态、火焰分布、加料及配合料分布、电助熔对液流的影响、温度分布以及氧化还原的影响等情况。而仿真结果可以清楚地告诉玻璃厂家生产过程的水平，而工艺水平的提高会相应提高玻璃产品的质量。由于有了详细的监控信息，玻璃厂家就可以轻松地了解工艺过程与产品质量的关系，并且帮助他们在最佳的生产条件下生产出最佳质量的产品。
LEONARDO软件套装是专门为玻璃工艺生产过程设计的。多年来，该软件在运转的窑炉上进行离线评估和硬件设计上已得到广泛应用，而且这个软件工具也是工程设计和安装在线操作支持系统(玻璃过程仿真器)的基础，并能够支持高性能控制系统(基于严格模型的预估控制系统)。有专家认为LEONARDO的技术突破翻开了窑炉优化设计和过程控制的的新篇章。这套软件的核心部分由GTM-X(玻璃池炉模型)和INCA(IPCOS新颖的控制结构)组成。GTM-X可以在不同的生产线上根据不同的玻璃类型建立数学模型，而INCA则是控制系统的内核软件，它可以用于互相关联的多变量控制系统，是许多先进过程控制系统(APC)的基石，它可以和现存的PID、PLC、DCS等整合在一起，在不需改变操作界面的情况下，监督控制生产过程，同时便于操作员的操作。
玻璃工艺过程数学模型：GTM-X在过去的20年中，实质性的程序研究、软件开发、工业应用与验证已经使最新的玻璃工艺过程数学模型GTM-X这个最专业的、最精确的玻璃窑炉仿真软件现实可用。这套玻璃离线工具软件，包括以CFD(计算的流体动力学)为基础的全方位严格的工艺过程模型。GTM-X不仅可以对稳态过程进行仿真，同时还可以对窑炉的动态行为进行仿真，并为包括燃烧过程、熔化过程、均化过程、澄清过程，以及料道温度调整过程等提供出详细的可显示的信息。而该软件的另一大优势是适用于任何窑炉和料道类型上以及任何的玻璃类型。GTM-X包含了专用的模型和数据库，其中有玻璃模型、燃烧模型、耐火材料模型和实用窑炉技术模型，可方便地用于窑炉的设计、优化和解决故障等。因为它是模块化组态的，用户可根据不同需求自由组态。
LEONARDO软件套装中，GTM-X是第一个层次的软件。通常客户提供其窑炉的技术图纸，包括一些材料的性质以及玻璃成分等必要的数据，GTM工程师们根据这些数据建立模型，然后进行仿真，最后对模拟出来的数据进行分析。GTM-X不仅可以对窑炉内部的温度液流情况给出相应的数据，同时对鼓泡、搅拌情况、电助熔的性能给出相应的数据显示，GTM-X还可以计算出玻璃液的驻留时间。另外，玻璃生产厂商都很在意耐材的情况，GTM-X同样可以向用户显示出窑炉内耐火材料的侵蚀程度。 
玻璃工艺过程仿真器：GPS GTM-X软件并不能满足运行中的窑炉故障诊断和工艺调整的需要，GPS(玻璃工艺过程仿真器)可以弥补这一不足。GPS是以数学计算方法在GTM-X模型基础上的窑炉快速仿真器。在线应用的GPS可被看成是提供液流、温度、氧化还原和驻留时间的“软传感器”。那些更重要的操作条件，例如：发泡区的温度和位置、最少驻留时间以及玻璃的颜色也会被自动测定出来。
GPS的监视系统连接到DCS/PLC/SCADA系统上使用与GMT-X窑炉仿真软件相结合。在控制室，虽然没有直接的硬件传感器或者在线测量工艺过程的条件，但是操作人员可以实时地看到重要的工艺过程的信息。在监视的模式下，这个三维仿真的软传感器，根据可得到的测量值来推测相关的信息。在预估模式下，该系统可用来检查窑炉对于生产工艺参数的改变和其他扰动时所做出反应的未来的行为和表现;GPS系统可很快地预估并模拟参数变化对于工艺过程和玻璃质量的影响，因此，耗资费时的反复试验方法再也不需要了。
而GPS玻璃工艺过程仿真器在全部操作范围内对窑炉进行三维仿真。这一最新的玻璃工艺过程数学模型仿真器将原来的零维过程信息详细到三维状态：如玻璃温度、氧化还原、废气中含氧量、炉压等这样的零维数据发展到三维温度分布、三维氧化还原分布、热点位置和温度、氧化氮排放水平、能耗平衡和效率、三维液流、驻留时间分布、三维玻璃颜色、蓄热室效率及显示窑炉和料道性能特征等的详细数据。
在传统的玻璃生产工艺过程中，玻璃的生产过程通常被称为“黑匣子”，对于生产过程中所遇到和将要遇到的各种情况，完全借助于相关的实际经验来判断和解决。尽管多年来人们非常希望能了解玻璃窑炉的内部情况和玻璃熔化的过程以及其他相关内容，但是却无法实现。然而现在有了这个玻璃工艺过程仿真器，我们使这个曾经的“黑匣子”变成透明了。玻璃窑炉内部的窑炉情况、玻璃熔化过程以及其他所有相关的内容，我们都可以通过这个以一个主模型为主的仿真器进行模拟而得出，从而对玻璃生产过程做出全面的判断和理解，并以事实为依据，以知识为保证对生产中的问题做出正确决定。从而实现了对玻璃工艺的改善，保证了产品质量。
模型预估控制系统：RMPC在过去的几年里，控制系统已经应用于窑炉或料道的一点或者多点温度的自动控制。如果想在长时间滞后情况下，以及多变量相关的情况下正确地控制生产过程的动态，那么就需要借助于RMPC(基于严格模型的预估控制)控制系统。这一高性能的控制系统在其性质上是独一无二的，它使用GTM-X为多变量控制器INCA提供所需的预估过程信息。
常规的模型预估控制器采用现场测试而建立的模型，即在生产线上用阶跃测试的方法获得数据而建立数学模型，从而对生产产生较大的扰动，使生产受损;而高性能的基于严格模型的预估控制系统采用的是快速仿真模型，因而避免了为建模而影响生产。因此在建模的速度上和设计的范围上都大大优于传统方法。
RMPC处在监控层并置于任何型号的PID/DCS/PLC/SCADA系统之上;它取代了操作员的工作，由RMPC控制器来动态地改变底层的PID控制回路设定值并能实实在在地实现最高的控制性能。
在过去一段时间里，RMPC控制系统已经被广泛地在窑炉或者料道上测试过。以容器玻璃生产为例，熔化池控制器的主要任务是稳定流液洞的平均温度以及温度分布，也就是稳定而均匀地提供熔化池出口的玻璃温度以此来提高玻璃的质量。而玻璃的质量很大程度上取决于玻璃液的粘度，也就是取决于玻璃熔化的温度及温度分布。
要控制温度的稳定性，温度将由9个均匀分布在料道的热电偶进行测量，料道的温度扰动主要来自于玻璃液温度从工作池进入料道的大幅度变化。在人工控制模式下，9点温差超过+/-2.5度，有些时候更高。当RMPC控制器投入运行，料道的温度很显然就变得稳定了(+/-0.5度)，而热电偶测出的温度的最小变化只有0.2度，由此可更清楚地看出RMPC控制器的作用。除了提高温度稳定性以外，由于产品规格的改变而改变，设定值也可以在很短的时间内实现，甚至可以实现自动由一个操作工作点到另一个操作工作点的过渡(例如：95吨/每天～135吨/每天，或者不同的玻璃料滴温度)。
基本上，RMPC是目前玻璃窑炉和料道可用的最先进的过程控制技术，RMPC技术可在以下方面达到杰出的水平：窑炉过程的稳定性、工艺过程的灵活性、生产可控性、能源效率、提高产出、延长炉龄。
这套最新玻璃工艺过程LEONARDO工业软件套装由荷兰TNO玻璃集团开发。其GPS软件系统同窑炉的DCS系统联合使用，作为软传感器以提供给操作员和玻璃工艺员额外的三维信息，更加内在地了解玻璃的熔化过程、玻璃质量、能耗、氧化还原状况，并规范窑炉操作，使生产更加稳定，窑炉操作更加简便。 
Modeling of glass melt in feeder channel
(Adriaan Lankhorst, TNO GTM-X Feeder model)
过渡过程(在产品/出料量变化期间)的信息用于多变量INCA控制器，该方法可使改变产品规格的过程更加顺畅，更加灵活，更加有效。在实际生产中，改变产品规格是以最优化的方式完成得更加快捷。
系统中采用的RMPC系统，完全不需要在实际生产线上干扰和打乱生产进行建模测试。根据工艺和设备设计数据和在运行的生产线上的历史工艺数据，过程模型就可以在办公桌上生成并验证。
过程模型在整个操作范围内都已验证有效，RMPC控制器在任何可能的操作点上都具有最佳的控制性能。
GTM-X数学模型适用于窑炉和料道，因此在同一公司内的相似窑炉或料道上应用将会非常有效，并且节约成本。同样，系统的测试、设计和验证可通过远程操作来实现，以使在现场工期缩短。
GTM-X仿真软件承载了详细的工艺过程的行为特征，这些宝贵的工艺过程信息被安全地保存在模型中并在现在和将来都永久地保留在企业内部。该工艺过程具体的专业技术将不再涉及到有经验的工程师和操作员，一旦他们离开公司也将不会产生任何影响。(end)
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(4/20/2011) |
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