玻璃生产过程计算机控制技术.docx
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玻璃生产过程计算机控制技术
玻璃生产过程计算机控制技术
13－02玻璃生产过程计算机控制技术
13－02－01浮法玻璃生产过程计算机控制技术
一、概述
平板玻璃的生产工艺经历了垂直引上法工艺、平拉法工艺和浮法玻璃工艺三个阶段。
其中，浮法玻璃工艺是现代平板玻璃生产的主要工艺，全世界已经有几百条浮法玻璃生产线投入使用。
浮法玻璃生产线上的几个关键技术有：
玻璃配料系统技术，玻璃熔窑系统技术，锡槽系统技术，退火窑系统技术。
计算机对这些过程的控制，目的在于节约能源消耗，降低玻璃成本，提高玻璃产品的质量和数量，并最终实现生产过程的自动化以及管理的信息化。
二、主要内容
1、玻璃配料的自动控制[1]-[4]：
平板玻璃配合料是由多种原料按一定的粒度要求和成分比例，经均匀混合后制成的。
采用微机控制玻璃配料过程，提高配合料的质量是高效优质玻璃生产的先决条件。
玻璃配料的计算机控制主要分为以下几个过程：
（1）自动精确称量各种原料。
采用PLC控制的称量控制器能够实现以下功能：
①配料重量设定；②装载配料；③放料配料和多次放料；
高速加料和低速加料；
自动溢流修正；
偏差控制；
配料前等待时间和放料前等待时间；
配料时间到和放料时间到控制；
自动称量；
（2）部分原料水分在线测量和自动调节湿基量；
（3）配料时序自动控制，设备起停、连锁和顺序控制；
（4）料加水自动控制；
（5）窑头料仓料位自动控制；
（6）全线安全联锁和事故报警；
（7）控制流程画面显示；
（8）打印报表和数据记录；
（9）防止配错料及配错后处理；
（10）数据通讯，包括和厂管理计算机、系统内部等通讯。
2、玻璃熔窑自动控制[5]：
玻璃熔窑中进行的玻璃熔制过程是玻璃生产中最重要的工序之一，它是将混合均匀的配合料，送往玻璃窑炉，在高温条件下，经过一系列物理的、化学的变化和反应，形成均匀的、无气泡的、符合成形要求的玻璃液。
这是一个非常复杂的过程，对硅酸盐形成、玻璃形成、澄清、均化和冷却成形各阶段的温度都有一定的工艺要求，并要求玻璃窑炉中的火焰温度和温度分布稳定，窑压、加料量、出料量及液面也都需保持稳定，才能保证治制的质量。
因为玻璃制品的大部分缺陷主要是在熔制过程中产生的，故必须正确地掌握和控制好玻璃窑炉各主要工艺参数。
此外，玻璃窑炉的燃烧过程需要大量的热能，其燃料主要是重油、煤气或天然气。
利用计算机合理控制燃烧过程的空燃比，使燃料充分燃烧，助燃气又不过剩，从而提高能源的利用率。
玻璃熔窑的计算机控制主要分为以下几个过程：
（1）采用相遇煤气法进行熔窑火焰自动换向
（2）炉压自动调节
（3）液面控制
（4）炉温调节。
由于温度变化需要滞后一定时间才能被测温元件测出，通过反馈控制又需要一定的时间。
为了实现快速和准确地调节炉温，需要采用一些较为复杂的控制方法，如结合前、后反馈的双反馈控制以及采用智能模糊控制的方法
（5）空气和燃料的比例寻优。
在燃烧过程中，如果空气供应不足会造成燃料无法充分燃烧，而空气过剩则会带走更多的热量造成损耗增大。
最好的过程应该是在低过剩空气下燃烧，采用的控制方法如双交叉限幅控制，也可采用神经元网络及专家系统等智能手段。
3、锡槽自动控制[6]：
从玻璃熔窑出来的玻璃液体进入锡槽进行成形处理，计算机进行控制及其处理的过程主要有：
（1）数据采集
（2）自动控制温度
（3）数据显示
（4）数据记录，包括打印报表、历史数据等
（5）技术计算
（6）技术通讯，能全厂联网
4、退火窑自动控制[7][8]：
玻璃在经过锡槽成形后需要进入退火窑进行退火，退火的目的是消除玻璃带中的残余应力和光学不均匀性以及稳定玻璃内部的结构。
计算机控制玻璃退火过程的关键就是对退火的热工过程进行控制。
（1）退火窑保温技术
（2）采用模糊控制对退火窑进行温度监控
（3）退火窑智能电加热系统
（4）采用人工智能技术进行退火窑设备诊断
（5）完整的退火窑监控系统实现
5、综合信息管理系统
综合信息管理系统提供工厂管理的信息。
这个信息包括统计的质量控制信息、玻璃制造信息和仓库使用信息等，在所有这些区域，尽可能多的信息自动地从车间控制系统汇总出来，生产数据也在每一箱玻璃包装完成后传送到指令执行系统。
13—02—02玻璃切割过程计算机控制技术
一、概述
玻璃切割是玻璃深加工的前道工序－原片玻璃开片作业，包括玻璃原片上片、玻璃原片切割、切割前后的传送、切割后的掰片等工序，同时还需要实现原料、订单、产品图形、加工程序等数据信息的管理，玻璃排样优化的实现等一系列功能，其自动化水平、切割精度、原料利用率等的高低，对于企业提高生产规模、降低生产成本以及适应市场需求都具有重要的意义。
二、主要内容
1、玻璃切割控制系统的功能和要求[9]
（1）灵活的切割图形文件输入方式；
（2）切割图形优化排料；
（3）可同时自动上玻璃和切割玻璃；
（4）自动探测玻璃初始位置；
（5）模拟切割；
（6）切割速度、刀头压力、偏移量等多种系统参数的设置。
2、玻璃产品几何设计
玻璃切割的产品分为矩形件和异形件两种。
矩形件产品不需要进行产品图形的设计。
对于异形件，又可以分为标准异形和任意形状两种。
对于标准异形（比如圆形、椭圆、梯形等），可以直接采用参数化设计的方法，直接在用户界面上输入形状参数即可；对于任意形状图形，则需要开发相配套的CAD软件。
由于目前市场上已有不少成熟的CAD软件（如Autodesk公司开发的AutoCAD软件），而且这些软件提供了标准的图形数据交换文件。
因此，任意形状图形的玻璃产品设计可以在这些CAD软件上进行，然后保存为标准的图形数据文件，在玻璃切割系统软件中需要增加一个读取图形数据的接口。
3、数据管理
玻璃切割系统需要处理的数据主要有用户订单数据、玻璃原料数据、产品图形数据、排样优化结果信息、由排样结果形成的NC程序以及从下位机反馈回来的运行状态信息等。
这些数据中具有格式化的（如用户订单、玻璃原料）和非格式化的（如产品图形、NC程序），因此，单纯利用传统的关系数据库无法实现这些数据的统一管理[10]。
目前，大多数CAD/CAM系统的开发都采用工程数据库来管理其中的数据，但由于建立一个完善的工程数据库管理系统需要的周期长、成本高，玻璃切割系统中可以考虑分别采用关系数据库存取格式化数据和文件管理方式存取非格式化数据。
4、玻璃自动优化排样[11]-[15]
玻璃排样的优化属于矩形件优化问题。
所谓矩形件的排样优化，通常是指在一定数量的长和宽给定的矩形板材上，按照实际的要求尽可能多地排下所需要的矩形件，从而使得耗费的板材最少，以达到节省材料的目的。
矩形件优化属于二维切割型材问题（Two-dimensioncuttingstockproblem）,国内外的学者已证实它为一个NP-hard组合优化问题（NondeterministicPolynomial的缩写，即为非多项式确定问题），具有最高的计算复杂性。
另外，玻璃排样时必须考虑玻璃切割的工艺要求，因为刀具在切割玻璃时无法划透玻璃片（非火焰或激光切割），优化时需要考虑划片以后的掰片问题，也即玻璃分片只能在一条直线上进行，不能同时掰开相互垂直的两条直线。
玻璃切割计算机控制系统的一个重要功能就是实现在现有原料的基础上对所选订单产品进行自动的优化排样，其排样结果的好坏直接影响着原材料利用率的高低。
目前对此类问题的研究均是寻找一个合适的迭代算法以得到近似最优解，典型的算法有:
（1）组合优化方法近似求解.从直观上的人工排样方法看，矩形件可以一件件地按照一定规则组合排入板材之中，比如按照大到小顺序取出玻璃产品并按最左最下规则排入原片中。
但是在排样数量巨大的时候依靠人工实现是非常缓慢的，同时排样规则不同可能得出不一样的优化结果，人工也无法在有限的时间内比较各种排样规则的优劣。
这时，利用计算机高速运算速度来实现上述过程可以说是一种较为直观而有效的方法。
（2）降维方法进似求解。
对于矩形件优化问题，建立准确的二维数学模型来描述是非常困难甚至是不可能的，因此，可以考虑把问题简化为两个一位优化问题进行求解。
比如，首先形成以产品矩形宽度（或长度）为垂直宽度，以原料宽度（或长度）为水平长度的一系列矩形条料，然后再把这些条料进行最优组合排放在原料中，从而实现从二维到一维的转换
（3）利用现代组合优化算法——模拟退火、遗传算法等进行求解。
20世纪80年代初期禁忌搜索、模拟退火、遗传算法和人工神经网络算法的兴起，科学工作者对这些算法的模型、理论和应用技术等一系列问题进行着深入的研究，并将这些算法称为现代优化算法。
现代优化算法的主要应用对象是优化问题中的难解问题，也就是优化理论中的NP-hard问题。
正是因为很多实际优化问题的难解性，和现代优化算法在一些优化问题中的成功应用，使得现代优化算法成为解决优化问题的一种有力工具。
模拟退火算法的关键在于解邻域的构造和温度参数的控制，而遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化概率搜索算法，适合于求解带有多变量、多参数、多目标的NP-hard优化问题，并且对问题本身不需要有非常深入的了解。
5、切割前处理
利用数学优化算法求出的玻璃排样优化结果基本上只是一些图形描述信息，还需要进行切割前处理以形成最终的加工代码，这包括以下几个过程：
（1）切割路径优化。
玻璃切割过程需要刀具在玻璃原片上进行一系列的直线或者曲线运动，为了以及减少刀具空程运行时间及刀具升降次数，从而提高切割速度，必须根据优化结果进行切割路径的优化，也就是寻找一个最短的切割路径，常用算法图论中的欧拉回路法。
（2）自动生成NC代码。
在传统的切割系统中，NC代码的生成一般采用人工编辑或者利用额外的编程器进行自动编程，这种方法耗费时间长且容易出错。
自动玻璃切割系统中根据优化结果形成的中间文件自动生成NC代码，并保存在临时文件中。
（3）自动下传NC代码。
软件中自动生成的NC代码一般直接通过通信线缆传入下位机控制器的存储空间中，同时，下位机控制系统实时运行信息的反馈和上位机运行指令的发送均要求通信功能的实现。
目前下位机控制器（一般均指CNC控制器）一般提供了RS232C串行通信接口，因此，上位机软件需要设计一个串行通信接口实现与下位机的通信。
6、切割过程控制[16]
玻璃切割的过程是由PC机、数控系统及其PLC联合控制完成的，每一部分承担的功能如下：
（1）数控系统完成轨迹控制。
玻璃切割的刀具运动属于二维空间的轨迹插补，精度和速度是轨迹插补控制的两个主要技术指标。
利用计算机数字控制（CNC）技术，能够快速而准确进行刀具的移动和定位。
CNC是目前数控技术的主流，主要包括微处理器CPU、存储器、逻辑电路和总线等。
其本质是根据输入的数据段插补出理想的运动轨迹然后输出到执行部件。
其三个基本功能输入、轨迹插补、位置控制就相当于计算机的输入、决策、输出的作用。
（2）PLC完成辅助逻辑控制。
在玻璃切割系统中，除了轨迹插补以外，还要对刀头升降、行程极限等一些开关信号的逻辑控制。
因此，可采用PLC作为辅助控制器，参与一些逻辑运算和顺序控制。
CNC和PLC协调配合完成对设备的控制，但它们的区别是:
CNC主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如编辑、插补、译码、位置控制;PLC则完成与逻辑运算有关系的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受CNC的控制代码转换成对应的控制信号，完成设备的开关动作。
（3）PC机参与切割过程的实时监控。
7、执行机构——伺服单元和驱动装置
伺服单元把来自CNC的微弱信号放大成控制驱动装置的大功率信号。
驱动装置则是把放大的指令变为机械运动，使切割定位和运动轨迹精确无误。
它们是与设备本体的联系的关键环节。
两者对应有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。
此外驱动装置还可改变传统的机械变速方式，采用变频调速技术，它能实现较宽范围的恒功率或恒转矩无级调速。
作为数控设备的动力装置，可以看出切割系统的功能强弱主要取决于CNC装置;而其性能的好坏则主要取决于伺服驱动系统。
13—02—02玻璃钢化过程计算机控制技术[17]-[19]
一、概述
微机控制的钢化玻璃生产线主要是控制半成品玻璃（即通过切割、磨边、洗涤干燥后的玻璃）进入钢化机组，通过适当的加热时间、急速的淬火及冷却使之形成钢化玻璃。
钢化玻璃的生产流程是：
半成品玻璃上片→加热炉加热→钢化段淬火→冷却段冷却→卸片台卸片。
其中，生产控制过程的关键是对炉温和风压的控制，同时，需要提供友好的人机界面用于输入大量的控制参数和实时监控整个生产流程。
二、主要内容
1、温度控制
钢化生产线的加热炉由炉顶和炉底两部分组成，电炉以电阻丝作为加热元件，可分区和单根控制，加热炉传动辊道材质为石英陶瓷辊，辊道载传动的同时还进行往复摆动，以利于均匀加热。
玻璃钢化加热控制的难点不在于使玻璃温度达到所要求高的数值，而是必须使玻璃整个表面受热温度保持均匀，因此，控制过程中一般采用分区控制的方法：
把加热炉分成多个片区，每一个区均用热电偶元件检测本区温度并统一上报到微机控制中心，微机比较实际温度与设定的玻璃温度，自动打开或关闭某一区的某组加热元件，使加热炉的温度保持均匀。
2、淬火及冷却控制
玻璃从加热炉出来后进入淬火而后冷却过程，这两个过程的关键均是对风系统的控制，风系统由电机带动离心通风机，总风压由进风口调节阀进行调节，上下风栅风压压差调节则通过风机出口的风分配箱出口上下风栅风压调节阀进行调节。
一般的，计算机根据玻璃的厚度、玻璃弯曲度等加工参数控制调节阀以实现风系统的控制。
3、其他过程控制
玻璃钢化过程还包括玻璃的上下片、玻璃的传动、弯曲成形等。
实现对玻璃自动装卸能够提高加工速度；钢化玻璃表面的质量与钢化机组的传动系统平稳性和传动精度有密切关系，因为玻璃在加热和淬火阶段呈软化状态并且进行往复摆动，输送玻璃的传动辊道的平稳性直接影响玻璃表面质量；曲面玻璃钢化由计算机自动控制成形，弯曲深度、成形驱动均由计算机自动控制。
4、控制参数设定及生产实时监控
玻璃钢化启动之前需要设置大量的工作参数，同时，生产过程中有实时数据、实时曲线需要显示，因此，建立一个友好、方便的人机界面是必要的。
13—02—03玻璃生产过程控制方式
一、概述
前面简述了玻璃生产的几个分过程计算机控制技术的特点，从总的控制手段实现方式来看，实现玻璃生产（包括以上的几个过程）计算机控制主要有三种方式：
一是利用工业控制计算机（简称“工控机”）直接驱动外围电路，由工控机控制整条生产线；二是利用触摸屏（也叫“人机界面”）和可编程逻辑控制器（PLC），PLC控制生产线的运行，而触摸屏设定工作参数，显示运行状态，发送控制命令等；三是个人电脑（PC机）和PLC组成，个人电脑代替了前面触摸屏的作用。
以下主要简要介绍各种控制方式的实现。
二、主要内容[17]-[19]
1、利用工控机控制生产线。
由工控机组成的生产线控制系统，它具有个人PC的运算速度快、功能齐全、控制界面漂亮等优点。
但由于工控机在工业控制方面不是一个可以通用的器件，它的硬件结构需要根据玻璃生产控制系统的需要而单独设计，比如CPU、操作系统及其各种I/O模块的选取，这样使设计周期比较长。
2、利用PLC和触摸屏组合控制生产线。
PLC是一种适应工业现场恶劣环境的微型计算机控制器，其特点是可靠性高、价格低、编程简单。
它有输人（模拟及数字）点、输出（模拟及数字）点、通信口等外部接口。
以前的PLC一般用于代替机械式的继电器的简单逻辑控制功能，现在的PLC不仅能够实现各种复杂的逻辑控制，而且更加广泛的应用于各种过程控制场合。
一般情况下，根据玻璃生产控制系统的需要在PC编程应用软件下编制出控制程序后下载到PLC的存储器中。
触摸屏是一种内嵌有微处理芯片同样适用于工业现场环境的智能化设备，由于生产厂家在里面嵌入了与各种品牌PLC通信的接口，并且提供了在PC机上使用的界面组态软件，使得触摸屏的使用非常方便。
在玻璃生产线控制系统中，触摸屏主要用于显示和设定各种工作参数，同时实时显示运行时的各种数据并提供操作界面发出控制命令。
3、利用PC机和PLC控制组合生产线。
个人电脑运算速度快，功能更加齐全，在基于Windows的视窗操作系统上，可以方便的安装各种功能软件，灵活的设计出更加友好的操作和显示界面。
同时，对大规模的生产线可以开发生产管理软件，从而提高工厂的信息化管理水平。
使用PC机的缺点是不能长期适应工业现场比较恶劣的环境，一般情况下把PC机安放在离现场一段距离的控制室中，通过网络与现场设备互联。
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