趙茂欣

（1.秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計院有限公司 秦皇島 066001；2.河北省玻璃節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新中心 秦皇島 066001；3.河北省企業(yè)技術(shù)中心 秦皇島 066001）

0 引言

隨著國家節(jié)能降耗標(biāo)準(zhǔn)的提高以及玻璃行業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，碎玻璃作為玻璃生產(chǎn)過程中的重要原料使用不落地回收方案已經(jīng)成為市場主導(dǎo)，而智能、高效的自動控制系統(tǒng)在其中承擔(dān)越來越重要的角色。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的統(tǒng)籌控制，并有效降低能耗及為智能化工廠提供數(shù)據(jù)支持，合理降低人工成本是當(dāng)下迫切需要的。

1 系統(tǒng)組成

玻璃的生產(chǎn)過程中需要再加入一定比例的碎玻璃，以加速配合料熔化和實(shí)現(xiàn)節(jié)能等。碎玻璃在回收與利用過程中會產(chǎn)生大量粉塵，威脅到員工健康及自然環(huán)境，需要配套的除塵設(shè)備予以處理。碎玻璃回收系統(tǒng)的主要方式是外購碎玻璃通過水洗除雜后儲存在碎玻璃庫內(nèi)經(jīng)皮帶機(jī)倒運(yùn)直接加入到碎玻璃料倉，經(jīng)碎玻璃秤加入到原熔皮帶機(jī)上進(jìn)入窯頭料倉，掰邊與落板產(chǎn)生的碎玻璃由地下皮帶機(jī)直接倒運(yùn)到碎玻璃料倉，經(jīng)碎玻璃秤加入到原熔皮帶機(jī)上進(jìn)入窯頭料倉，工藝流程如圖1所示。

圖1 碎玻璃回收工藝

2 關(guān)鍵子系統(tǒng)

從工藝角度對生產(chǎn)過程進(jìn)行劃分，碎玻璃從回收到再利用可以分為三個過程：碎玻璃回收、碎玻璃存儲、碎玻璃利用。整個系統(tǒng)分為在線回收系統(tǒng)、離線加料系統(tǒng)、碎玻璃倉、碎玻璃稱量系統(tǒng)以及除塵系統(tǒng)。

3 信號采集

碎玻璃回收系統(tǒng)設(shè)備眾多，需采集的數(shù)字量和模擬量也較多。系統(tǒng)主要的信號采集如表1所示。

表1 設(shè)備信號采集（部分）

采集的信號是系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)，通過采集的信號了解碎玻璃供需情況統(tǒng)籌系統(tǒng)運(yùn)行，診斷設(shè)備狀態(tài)在設(shè)備故障的時候做出預(yù)處理減少系統(tǒng)整體故障，對系統(tǒng)能耗情況進(jìn)行統(tǒng)計，為工廠整體節(jié)能減排提供數(shù)據(jù)支持。

4 控制方式

碎玻璃回收系統(tǒng)的各個工藝環(huán)節(jié)是由不同的子系統(tǒng)構(gòu)成，而子系統(tǒng)是由功能不同的設(shè)備組成，過程控制本質(zhì)上就是對設(shè)備的控制。因?yàn)槭沁B續(xù)生產(chǎn)，設(shè)備間具有邏輯上的順序關(guān)系，可以把完成相同工藝過程的設(shè)備集合成組，以組的方式進(jìn)行控制和管理。根據(jù)設(shè)備連鎖關(guān)系的不同，可以分成獨(dú)立啟停、操作連鎖、保護(hù)連鎖三組。

獨(dú)立啟停設(shè)備不與其他設(shè)備關(guān)聯(lián)。操作連鎖用于設(shè)備間聯(lián)動啟停的控制，設(shè)備A須在關(guān)聯(lián)設(shè)備B運(yùn)行時才能啟動運(yùn)行，連鎖關(guān)系在運(yùn)行過程中一直存在，如只有下游皮帶運(yùn)行過程中，上游的給料機(jī)才能啟動，兩者間為操作連鎖。保護(hù)連鎖用于設(shè)備安全運(yùn)行參數(shù)的連鎖，只有所有監(jiān)測數(shù)據(jù)值位于正常限值范圍內(nèi)時，設(shè)備才允許運(yùn)行，否則連鎖保護(hù)設(shè)備停止，如當(dāng)檢測到碎玻璃料快滿料時停止離線加料部分的給料機(jī)。

生產(chǎn)過程中需要根據(jù)實(shí)際設(shè)備情況靈活調(diào)整設(shè)備的控制模式，以滿足不同情況下的控制需求，如圖2所示。

圖2 設(shè)備控制原理

①現(xiàn)場模式：現(xiàn)場人員通過現(xiàn)場按鈕控制單個設(shè)備啟停，一般用于緊急狀況或設(shè)備維護(hù)；

②手動模式：控制室人員通過控制柜按鈕控制子系統(tǒng)內(nèi)成組設(shè)備的狀態(tài)；

③自動模式：系統(tǒng)按照采集的信號分析整體工況統(tǒng)籌設(shè)備運(yùn)行情況。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下三種功能：

①根據(jù)配料情況通過PID控制給料機(jī)從碎玻璃倉排出碎玻璃到原熔皮帶如圖3所示。

圖3 PID控制流程

②根據(jù)聯(lián)合車間冷端碎玻璃落板情況啟動攪碎機(jī)和控制除塵風(fēng)機(jī)頻率使系統(tǒng)達(dá)到最佳除塵和節(jié)能的優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)。

③統(tǒng)籌碎玻璃倉料位、冷端碎玻璃落板量、原料碎玻璃添加量預(yù)期規(guī)劃離線加碎玻璃的排班，保證碎玻璃系統(tǒng)有序連續(xù)運(yùn)行。冷端碎玻璃落板量計算如下：

式中：AP——碎玻璃落板量，t/h；

s——成品率；

B——原板寬，m；

d——板厚，mm；

B'——去除掰邊的板寬，m；

V——拉引速度，m/h。

5 硬件軟件設(shè)計

5.1 系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)可以采用不同廠商的軟硬件模塊組合通過網(wǎng)關(guān)和組件間的接口程序?qū)崿F(xiàn)互連互通，也可以采用具有混合控制策略的軟硬件集成系統(tǒng)例如有Siemens公司的TIA系統(tǒng)。TIA系統(tǒng)是由現(xiàn)場儀表層、控制裝置單元層、工廠（車間）監(jiān)控與管理層和企業(yè)經(jīng)營管理層構(gòu)成的新一代混合控制系統(tǒng)，具有通訊統(tǒng)一、工程組態(tài)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)管理統(tǒng)一的優(yōu)勢。通過PROFINET總線以及OPC構(gòu)建工業(yè)以太網(wǎng)，如圖4所示。

圖4 工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)架

5.2 硬件構(gòu)建

針對碎玻璃系統(tǒng)設(shè)備和測點(diǎn)分散的特點(diǎn)，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控設(shè)計為分布式結(jié)構(gòu)，包含現(xiàn)場級的自動化站AS（Automatic Station）、監(jiān)控級的操作員站OS（Operator Station）及工程師站ES（Engineering Station），硬件布置如圖5所示。

圖5 硬件布置

AS站采用主從方式，主站位于中控室，從站位于現(xiàn)場控制室。服務(wù)器、ES站位于中控室，OS站可置于冷端控制室等其它交叉作業(yè)區(qū)域。其中PLC從站及分布式I/O實(shí)物圖如圖6、圖7所示。

圖6 PLC從站

圖7 分布式I/O

某項(xiàng)目中由于采用模塊化插件，DI、DO、AI及AO模塊可以根據(jù)檢測設(shè)備及預(yù)留備用情況靈活配置。部分I/O分配表如表2所示。

表2 部分I/O分配

網(wǎng)絡(luò)配置時，現(xiàn)場設(shè)備與AS站的IP地址設(shè)置在同一個網(wǎng)段內(nèi)，AS站、服務(wù)器、ES站與OS站終端網(wǎng)卡的IP地址設(shè)置在同一個網(wǎng)段內(nèi)，配置相同的子網(wǎng)掩碼，項(xiàng)目中部分設(shè)備IP地址如表3所示。

5.3 PLC程序開發(fā)

根據(jù)碎玻璃系統(tǒng)順控的特性，編程使用梯形圖即LAD，如圖8、圖9所示。

圖8 LAD語言給料機(jī)停止

圖9 LAD語言旋轉(zhuǎn)檢測

5.4 HMI開發(fā)

HMI用于完成設(shè)備的控制和監(jiān)控，設(shè)備的管理、編程和HMI組態(tài)的關(guān)系如圖10所示。碎玻璃離線加料HMI畫面如圖11所示。

圖10 設(shè)備管理示意圖

5.5 數(shù)據(jù)庫鏈接

云平臺、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)通常都是對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫無法直接對PLC進(jìn)行讀寫，而PLC又無法直接寫入到數(shù)據(jù)庫。OPC通訊就是PLC和數(shù)據(jù)庫之間的橋梁。使用KEPWARE實(shí)現(xiàn)PLC與SQL數(shù)據(jù)庫的雙向通訊。第一步，在KEPWARE新建通道與PLC設(shè)備連接；第二步，在SQL Server數(shù)據(jù)庫中建立數(shù)據(jù)庫；第三步，在KEPWARE中配置Data Logger設(shè)置與數(shù)據(jù)庫的連接；第四步，進(jìn)行Data Map的設(shè)置，添加需要寫入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，將配置應(yīng)用到當(dāng)前的Log Group后，從數(shù)據(jù)庫中就可以看到KEPWARE以設(shè)定的速率將數(shù)據(jù)寫入到了數(shù)據(jù)庫中，同時也能從SQL讀取數(shù)據(jù)到PLC中，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。

6 應(yīng)用效果

該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中穩(wěn)定高效，不但能及時發(fā)現(xiàn)問題，而且能通過運(yùn)行數(shù)據(jù)分析設(shè)備過勞情況。同時通過變頻調(diào)節(jié)顯著降低破碎設(shè)備、輸送設(shè)備及除塵設(shè)備能耗，統(tǒng)籌安排上料區(qū)間，給企業(yè)帶來實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)效益，滿足了自動化工廠構(gòu)建的基礎(chǔ)要求，為企業(yè)進(jìn)一步向智能化工廠提供可能。

7 結(jié)語

隨著高精端的電子玻璃、特種玻璃的發(fā)展，控制系統(tǒng)需要在技術(shù)層面做出創(chuàng)新，跟上時代的步伐。碎玻璃控制系統(tǒng)需要改變傳統(tǒng)的設(shè)計理念，以節(jié)能、環(huán)保、智能化、信息化為要求，既能方便集中控制和集中化管理，提高生產(chǎn)效率和減少人力成本，也為智能化玻璃工廠打下基礎(chǔ)。