全过程自动控制——洛阳兰迪玻璃以太网控制系统———西门子玻璃

［摘要］：采用西门子S7-300+MP270自动化控制系统的兰迪机器大型玻璃钢化炉机组在国内首次实现了不同工艺参数的存储与调用以及设备远程维护和监控功能，良好的性价比和稳定、可靠的系统性能得到了国内外玻璃深加工企业的高度评价，使我国玻璃钢化设备达到了国际先进水平。［关键词］：PLC S7-300 MP270 工艺参数 存储 远程维护 监控　
  前言
        玻璃工业属原材料工业，受国家宏观经济影响较大。目前，我国快速发展的建筑、汽车、太阳能行业对优质钢化玻璃的需求量越来越大，促进了我国玻璃深加工产业的迅速发展。我国玻璃行业的供求格局和消费结构逐步由普通玻璃向优质钢化玻璃过渡；由原片消费向附加值高的深加工产品过渡。按照“十一五”规划目标，优质玻璃的比例将从目前20%左右增至40%，玻璃深加工率将从25%增至40%以上。
        面对行业需求变化，洛阳兰迪玻璃机器有限公司作为国内领先的钢化玻璃设备供应商，始终坚持开发技术先进的高品质钢化玻璃机组，经过近十年的研发与创新，不但具有国内领先技术水平，而且满足了国际市场的需求。为玻璃加工企业及时调整和改善行业结构，在持续扩大产能的同时，大力提高优质产品的比例、开发新的高端产品，改善低端产品产能过剩，汽车、太阳能等领域高端产品仍需进口局面提供了有力的技术保证。近年来，兰迪公司先后开发了具有喷流式对流、3毫米钢化、组合式钢化等先进技术的玻璃钢化机组，为兰迪在钢化玻璃领域引领行业先进技术奠定了坚实的基础。目前，兰迪产品可以满足建筑、家具、家电、汽车、太阳能产业对于平弯玻璃钢化设备的需求，产品已达数百种规格。
        兰迪公司的产品不仅在国内具有较高的知名度、占据较大的市场份额，而且远销欧盟、美国、加拿大、俄罗斯、新加坡等数十个国家和地区。目前，兰迪的钢化设备已经占据了全球高端市场26%的份额，为国内外客户带来了相当可观的经济效益。这得益于其采用了稳定、可靠、极具性价比的西门子S7-300 PLC+MP 270的主控制系统。此外，依托西门子通讯模块的以太网技术、远程诊断功能的应用更是开业内之先河，成为新一代玻璃钢化机组控制系统的典范。
  

  
   
玻璃钢化原理
        玻璃钢化是利用物理或化学方法，在玻璃表面形成压应力层、内部形成拉应力层；当玻璃受到外力作用时，压应力层可将部分拉应力抵消，避免玻璃破碎，从而达到提高玻璃强度的目的。不仅如此，玻璃表面的微裂纹在这种压应力下变得更加细微，也在一定程度上提高了玻璃的强度。
        目前普遍采用的物理钢化法是将玻璃加热到软化点附近（650℃左右），这时玻璃仍能保持原来的形状，但玻璃中粒子已有一定的迁移能力，进行结构调整，以使内部存在的应力很快消除，然后将玻璃进行吹风骤冷，当温度平衡后，玻璃表面产生了压应力，内层产生了张应力，即玻璃产生了一种均匀而有规律分布的内应力，提高了玻璃作为脆性材料的抗张强度，从而使玻璃抗弯曲和抗冲击强度得到提高。同时，由于玻璃内部均匀应力的存在，一旦玻璃局部受到超过其强度能承受的冲击发生破裂时，在内部应力的作用下自爆为小颗粒，提高了其安全性。因此，钢化玻璃亦可称为预应力玻璃或安全玻璃。
        玻璃在钢化的过程中，一般都会产生风斑和应力斑，风斑是在冷却过程中，由于受冷不均而导致玻璃应力不均而形成的，其在某种特殊角度下观察会看到玻璃表面呈明暗相间的条纹。应力斑也是因为应力不均造成的，比如在加热过程中，炉边部和中部存在温差而导致应力不均。应力斑目前还没有办法完全避免，但设计良好的钢化设备可以最大程度的减少应力斑的可见性。

  玻璃钢化炉设备
        钢化炉（glass tempering furnace)是用物理或化学方法生产钢化玻璃的设备，目前主要采用物理式钢化炉，物理式玻璃钢化炉按照加热方式特性可以分为对流式强制对流加热钢化炉和辐射式加热钢化炉。对流式钢化炉以加热时间短、加热均匀，生产的钢化玻璃平整度好、风斑少、玻金少在最近几年得到了广泛的应用。
        钢化炉机组一般由放片台、加热炉、冷却风栅、取片台等组成。外加风机、空气分配中心、电气控制系统以及电脑终端等设施组成。原片玻璃从装片台入炉，在加热炉内加热到适合钢化的温度，完成加热过程，电炉内部空间被炉内水平、相隔一定间距放置的数十根陶瓷辊道分隔为上下两个加热空间，分别由顶部与底部的电热丝加热，PLC自动控制整个加热过程。加热后的玻璃进入冷却风栅后均匀迅速地淬冷钢化，上下风栅的冷却压力可以调节。然后进入卸片台卸片包装。钢化炉的钢化工艺过程，在操作人员对相应的工艺参数进行选择、设定后，由PLC控制系统对工艺流程进行自动控制。
  
  
                                                                                  图1 兰迪玻璃钢化对流炉机组

玻璃钢化系统工艺
        玻璃钢化工艺一般采用优质玻璃为原料，以钢化炉为主要生产设备。整个生产线的长度20-30米不等，依次分布为放片台、加热段、风栅冷却段、取片台，各工段均有不同材质的辊子运送玻璃。辅助设备有鼓风机、风道、控制柜等。其生产过程分成上片、自动往复加热、往复急冷、往复吹风、取片五个工艺阶段。
        开车前逐步使加热段呈矩阵分布的上下电炉升温至650℃，做好钢化准备。玻璃进入加热炉后，由陶瓷辊道支撑，在连续正、反向转换转动的陶瓷辊道带动下，往复运动，完成均匀加热。玻璃上表面吸收热量主要依靠顶部电热丝的热辐射、玻璃往复运动时造成的气体对流和自然对流传热。此时热辐射是最为首要的加热形式；玻璃中部温度的升高是靠玻璃表面向内的热传导以及吸收辐射热得以实现的；玻璃下表面除了下部辐射板热辐射、玻璃往复运动造成的气体对流和自然对流加热外，玻璃下表面与处于高温状态的陶瓷辊道直接接触，陶瓷辊道以热传导方式直接对玻璃下表面传递热量。运动中的陶瓷辊道不断接受来自下部辐射板辐射热以及下部空间的对流传热。由于热传导的作用，在相同温度条件下，下表面的升温速率大于上表面的升温速率，这在玻璃进炉初期非常明显。加热后期，启动冷却风机高速运行。加热完毕，打开后炉门，加热主传动和风栅主传动按出炉速度同步高速出炉，炽热的玻璃快速进入风栅急冷钢化。急冷之后，风机低速运行至冷却结束，然后减速停机，风栅转动和取片转动按取片速度同步出栅到达取片台。系统同时具有多种报警。紧急停车时有安全位置，运行时有安全连锁。
       玻璃强制快速冷却，是形成玻璃最终均匀永久应力的关键。玻璃板被绕有仿纶绳的辊道支撑，往复运动，实现玻璃均匀、快速冷却。冷却风的总风压以及上下冷却速率的平衡，上下风栅气流压力的平衡也直接影响钢化玻璃的平整度。

钢化炉气控制系统
  
  
                                                                          图2 钢化对流炉控制系统结构总图
        钢化炉控制系统由上位机和下位机组成，上位机为西门子WINCC+MP 270控制系统，下位机除PLC的CPU机架外，还有一个扩展机架，用于控制大量的SSR模块。另外，通过Profibus总线扩展了三个ET200M远程I/O站和四套风机变频系统。
        PLC是刚化炉控制系统的核心，基于系统要实现的功能以及适用性、安全性、可靠性，选用了西门子S7-300 PLC作为主控制，SIEMENS S7-300是模块化中小型PLC系统，各种功能模块可以满足和适应自动控制功能，简单、实用、模块化和分散式结构使其应用十分灵活，当控制任务增加时，可自由扩展。高电磁兼容性和抗振动、抗冲击性使其具有很高工业环境适应性。易于实现分布式控制、易于操作等特点使S7-300成为玻璃钢化炉系统的首选控制器。温度控制有大量的DI/DO模块，由于变频器使用电压信号进行调速控制，所以选用了AI/AO模块。S7-300的AI模块可以改变硬件设备的测温范围，稳定性好、测量精度较高。人机界面选择例了西门子的人机界面MP 270，可靠性极高，组网方便 。
        整个控制系统由控制柜和人机界面操作箱组成。操作箱装有人机界面、旋纽开关、信号灯及蜂鸣器等，通过DP通讯电缆与PLC相联。空气开关柜装有钢化设备总电源开关。PLC控制柜装有PLC、扩展模块、小型断路器、开关电源模块、继电器等，是整个系统的控制中枢。传动控制柜装有AOP面板、温度表、电压表、控制开关、信号灯等，风机柜内安装小型断路器、接触器、热继电器、开关电源、变压器、电磁阀电源及变频器。加热控制柜装有大型断路器开关，大量SSR模块，快速熔断器，异性铝材散热器，散热风扇等。
        谈及为何选择西门子的PLC+MP的控制系统，兰迪公司设计中心电气部江部长说道：“玻璃钢化机组控制系统结构复杂、逻辑繁琐、数据采集量大、控制站多，对可靠性要求较高。既要实现对各传动站的高精度速度控制，又要完成对现场光电开关、按钮等各种数字量、开关量检测以及升降动作的精确控制。采用SIEMENS SIMATIC S7-300可编程序控制器实现了系统全过程自动控制。系统性能优良、操作方便可靠，确保满足工艺要求的同时又充分考虑人为干涉自动控制能力，将故障对系统的影响降到最低。”

突破传统的技术优势
        1、 控制系统稳定可靠
        兰迪玻璃钢化炉机组的主控制系统为西门子S7-300　PLC，人机界面为西门子MP　270；操作界面功能强大、简单友好，使设备稳定、可靠，操作方便、易控。西门子MP 270操作终端性能优良、工作稳定，更适于工业现场。其友好的人机接口、丰富的操作画面，使操作者更容易掌握，系统存储多条温度曲线和频率曲线，并具有参数在线修改功能，适合不同品种、不同厚度的玻璃工艺。
        炉温控制采用西门子专用温度模块，内设专用的优化算法和专家PID参数库，具有PID参数自整定功能，并可实现模糊控制，温度超调得到有效抑制，控温精度更高；可以根据不同品种的玻璃钢化工艺定制加热曲线，加热更合理。
  
  
                                                                              图3 钢化对流炉系统控制柜
        2、变频控制技术和生产记录功能
        循环风机采用变频控制技术，采用西门子专用模拟量控制模块，在玻璃进炉时，首先设定较低的炉温和风机转速使玻璃进行预热，待玻璃温度提高后快速加热，使炸炉的倾向得到有效遏制，玻璃加热质量得以提高，平整度好、光学性能优良，玻璃成品率也得到提高。
        由于钢化炉生产线比较长，控制系统可以实现双侧操作，操作界面人性友好，具备生产配方和生产工艺参数的记录和存储功能，操作人员生产不同工艺的产品时，一键操作就可以调用不同的生产工艺参数，方便、快捷、高效，并能够记录生产过程，查找生产时间、温度、风压，追溯生产状况。
3、加热系统科学先进
        由于对流炉的传热方式与传统钢化炉截然不同，兰迪加热元件采用高性能Cr20Ni80材料使传热条件得到了根本改善，传热效率更高、使用寿命更长，检修也十分方便。此外，高温循环风机也采用高温耐热钢Cr25Ni20，抗高温蠕变能力大大增强，确保了对流炉的传热效果。先进的设计理念，使导流装置的压力损失最小，压力分布更均匀，最大限度地发挥风机的效能，独特的热风循环系统使加热玻璃前后的气流各行其道，传热效果更好，炉温均匀性大大提到，寿命大幅延长。
        每个加热区均装有热电偶，温度单独测量，加热器独立控制。炉温控制十分方便，定制加热曲线更容易，炉温均匀性大大提高；在炉子的横断面可分多个区控制，实现边部温度补偿。采用双对流模式，炉子上、下部都装有高温风机，可精确控制陶瓷辊道温度，使上部和下部的加热更均匀，真正实现上下同步加热。
4、冷却系统技术独特
　　计算机吹风模拟和辅助优化设计在风栅设计方面的应用，最大限度的减少了钢化过程中风斑的产生，使钢化玻璃外观质量达到世界顶级水平。
5、总线技术与远程诊断系统
        钢化炉系统引进现场总线对炉温和变频器进行控制，可实现炉温和风机的远程控制，减少了布线时间和费用。借助于西门子TS通讯模块，利用现有的网络系统可以实现远程故障诊断功能，远距离对设备进行诊断处理，将用户停机时间减为最少；借助远程视频监控功能，可以通过清晰、直观的视频界面对用户现场操作实时监控、指导。

系统成果
        在西门子PLC+MP主控系统的保驾护航下，兰迪钢化对流炉系统以优异的产品品质和高可靠的控制系统得到了业内的广泛认可，不仅成为国内市场的领先品牌，而且占据了全球高端产品市场的四分之一以上。2010年初，集成了西门子控制系统的兰迪组合式强制对流炉在连续运行三个月以后，得到SCHOTT（苏州）有限公司的高度评价。此外，早在2004年10月，兰迪就成为国内首个闯入美国市场的自主知识产权钢化炉制造商，迄今为止，兰迪已经有累积二十多套钢化设备在美国玻璃企业稳定运行。
        由于中国玻璃设备生产企业起步较晚，中国制造的大型设备在欧美市场的接受度普遍较低，像钢化对流炉这样的高技术设备要进入欧美市场就更加困难。兰迪凭借对技术、质量、产品品质的不断追求，设备可靠性的不断提升，在玻璃钢化设备竞争中保持优势，赢得了信义、南玻、台玻等系列大型玻璃企业的青睐，确保了国内领先、国际一流的行业地位，成为国内钢化技术创新的引领者。
        北京海洋顺达玻璃有限公司的尤总谈到：“引进集成全套西门子控制设备的兰迪钢化炉机组后，系统可以存储不同的工艺参数，大大节省了工艺转换时间，加工的钢化玻璃平整度好、波纹小于0.06mm基本接近于原片，生产效率、产品质量得到显着的提高，并实现了长期不间断的无故障运转。”随着兰迪钢化炉成功占领国内外市场，西门子控制产品也以其质量可靠、运行稳定，进一步加强了兰迪机器有限公司的竞争优势，得到国内外广大客户的一致好评。
  
  
                                                                                        图5 工艺流程图
               
展望未来
        洛阳兰迪玻璃钢化炉机组无论是不同工艺参数的存储与调用，还是设备远程维护和监控都达到业内领先水平，实现了玻璃加工行业自动化技术的飞跃，所有这些功能的实现都是基于西门子控制系统与现场总线技术的应用。兰迪的赵总认为：兰迪机器与西门子的合作能够达10年之久，是因为西门子产品较高的性价比、稳定性和兼容性与兰迪的追求是一致的，兰迪与西门子是相辅相成的。
        目前国内玻璃加工机械行业的技术水平已经达到或接近国际先进水平，但在设备性能的稳定性与安全性方面与国外先进水平还有一定的差距。设备的稳定性主要体现在控制系统方面，控制系统是整个设备稳定工作的核心。而应急保护功能则是目前控制系统设计需要重视的一个方面。未来新产品的开发，除了选用高可靠性的PLC、HMI、元器件来提高系统的稳定性之外，还应在安全保护方面进一步提高系统的可靠性与安全性。
        面对玻璃机械行业日趋激烈的竞争，兰迪不但加速开发新产品、提高产品的技术含量和附加值，还进一步优化了生产作业环节、提高了工作效率、降低了运营成本，随着洛龙科技园兰迪机器新生产基地的投入使用，先进的生产智能信息管理系统也被引入新厂区，使得各操作工位可以通过显示终端看到零件图、组装图、技术要求和生产调度安排等信息，不仅实现了无纸化信息传递，而且确保了所有图纸、信息与设计、生产安排同步，不但可以提高信息传递的效率和准确性，还使得日常的生产组织和质量控制更加便利高效。