玻璃工厂碎玻璃返回系统设计

赵茂欣

（1.秦皇岛玻璃工业研究设计院有限公司 秦皇岛 066001；2.河北省玻璃节能减排技术创新中心 秦皇岛 066001；3.河北省企业技术中心 秦皇岛 066001）

0 引言

随着国家节能降耗标准的提高以及玻璃行业结构的调整，碎玻璃作为玻璃生产过程中的重要原料使用不落地回收方案已经成为市场主导，而智能、高效的自动控制系统在其中承担越来越重要的角色。实现生产设备的统筹控制，并有效降低能耗及为智能化工厂提供数据支持，合理降低人工成本是当下迫切需要的。

1 系统组成

玻璃的生产过程中需要再加入一定比例的碎玻璃，以加速配合料熔化和实现节能等。碎玻璃在回收与利用过程中会产生大量粉尘，威胁到员工健康及自然环境，需要配套的除尘设备予以处理。碎玻璃回收系统的主要方式是外购碎玻璃通过水洗除杂后储存在碎玻璃库内经皮带机倒运直接加入到碎玻璃料仓，经碎玻璃秤加入到原熔皮带机上进入窑头料仓，掰边与落板产生的碎玻璃由地下皮带机直接倒运到碎玻璃料仓，经碎玻璃秤加入到原熔皮带机上进入窑头料仓，工艺流程如图1所示。

图1 碎玻璃回收工艺

2 关键子系统

从工艺角度对生产过程进行划分，碎玻璃从回收到再利用可以分为三个过程：碎玻璃回收、碎玻璃存储、碎玻璃利用。整个系统分为在线回收系统、离线加料系统、碎玻璃仓、碎玻璃称量系统以及除尘系统。

3 信号采集

碎玻璃回收系统设备众多，需采集的数字量和模拟量也较多。系统主要的信号采集如表1所示。

表1 设备信号采集（部分）

采集的信号是系统控制的基础，通过采集的信号了解碎玻璃供需情况统筹系统运行，诊断设备状态在设备故障的时候做出预处理减少系统整体故障，对系统能耗情况进行统计，为工厂整体节能减排提供数据支持。

4 控制方式

碎玻璃回收系统的各个工艺环节是由不同的子系统构成，而子系统是由功能不同的设备组成，过程控制本质上就是对设备的控制。因为是连续生产，设备间具有逻辑上的顺序关系，可以把完成相同工艺过程的设备集合成组，以组的方式进行控制和管理。根据设备连锁关系的不同，可以分成独立启停、操作连锁、保护连锁三组。

独立启停设备不与其他设备关联。操作连锁用于设备间联动启停的控制，设备A须在关联设备B运行时才能启动运行，连锁关系在运行过程中一直存在，如只有下游皮带运行过程中，上游的给料机才能启动，两者间为操作连锁。保护连锁用于设备安全运行参数的连锁，只有所有监测数据值位于正常限值范围内时，设备才允许运行，否则连锁保护设备停止，如当检测到碎玻璃料快满料时停止离线加料部分的给料机。

生产过程中需要根据实际设备情况灵活调整设备的控制模式，以满足不同情况下的控制需求，如图2所示。

图2 设备控制原理

①现场模式：现场人员通过现场按钮控制单个设备启停，一般用于紧急状况或设备维护；

②手动模式：控制室人员通过控制柜按钮控制子系统内成组设备的状态；

③自动模式：系统按照采集的信号分析整体工况统筹设备运行情况。系统可实现以下三种功能：

①根据配料情况通过PID控制给料机从碎玻璃仓排出碎玻璃到原熔皮带如图3所示。

图3 PID控制流程

②根据联合车间冷端碎玻璃落板情况启动搅碎机和控制除尘风机频率使系统达到最佳除尘和节能的优化运行状态。

③统筹碎玻璃仓料位、冷端碎玻璃落板量、原料碎玻璃添加量预期规划离线加碎玻璃的排班，保证碎玻璃系统有序连续运行。冷端碎玻璃落板量计算如下：

式中：AP——碎玻璃落板量，t/h；

s——成品率；

B——原板宽，m；

d——板厚，mm；

B'——去除掰边的板宽，m；

V——拉引速度，m/h。

5 硬件软件设计

5.1 系统构建

系统可以采用不同厂商的软硬件模块组合通过网关和组件间的接口程序实现互连互通，也可以采用具有混合控制策略的软硬件集成系统例如有Siemens公司的TIA系统。TIA系统是由现场仪表层、控制装置单元层、工厂（车间）监控与管理层和企业经营管理层构成的新一代混合控制系统，具有通讯统一、工程组态统一、数据管理统一的优势。通过PROFINET总线以及OPC构建工业以太网，如图4所示。

图4 工业以太网构架

5.2 硬件构建

针对碎玻璃系统设备和测点分散的特点，对现场数据的采集和监控设计为分布式结构，包含现场级的自动化站AS（Automatic Station）、监控级的操作员站OS（Operator Station）及工程师站ES（Engineering Station），硬件布置如图5所示。

图5 硬件布置

AS站采用主从方式，主站位于中控室，从站位于现场控制室。服务器、ES站位于中控室，OS站可置于冷端控制室等其它交叉作业区域。其中PLC从站及分布式I/O实物图如图6、图7所示。

图6 PLC从站

图7 分布式I/O

某项目中由于采用模块化插件，DI、DO、AI及AO模块可以根据检测设备及预留备用情况灵活配置。部分I/O分配表如表2所示。

表2 部分I/O分配

网络配置时，现场设备与AS站的IP地址设置在同一个网段内，AS站、服务器、ES站与OS站终端网卡的IP地址设置在同一个网段内，配置相同的子网掩码，项目中部分设备IP地址如表3所示。

5.3 PLC程序开发

根据碎玻璃系统顺控的特性，编程使用梯形图即LAD，如图8、图9所示。

图8 LAD语言给料机停止

图9 LAD语言旋转检测

5.4 HMI开发

HMI用于完成设备的控制和监控，设备的管理、编程和HMI组态的关系如图10所示。碎玻璃离线加料HMI画面如图11所示。

图10 设备管理示意图

5.5 数据库链接

云平台、生产管理系统、能源管理系统通常都是对数据库进行读写无法直接对PLC进行读写，而PLC又无法直接写入到数据库。OPC通讯就是PLC和数据库之间的桥梁。使用KEPWARE实现PLC与SQL数据库的双向通讯。第一步，在KEPWARE新建通道与PLC设备连接；第二步，在SQL Server数据库中建立数据库；第三步，在KEPWARE中配置Data Logger设置与数据库的连接；第四步，进行Data Map的设置，添加需要写入数据库的数据，将配置应用到当前的Log Group后，从数据库中就可以看到KEPWARE以设定的速率将数据写入到了数据库中，同时也能从SQL读取数据到PLC中，从而实现数据的交换。

6 应用效果

该系统在实际应用中稳定高效，不但能及时发现问题，而且能通过运行数据分析设备过劳情况。同时通过变频调节显著降低破碎设备、输送设备及除尘设备能耗，统筹安排上料区间，给企业带来实实在在的经济效益，满足了自动化工厂构建的基础要求，为企业进一步向智能化工厂提供可能。

7 结语

随着高精端的电子玻璃、特种玻璃的发展，控制系统需要在技术层面做出创新，跟上时代的步伐。碎玻璃控制系统需要改变传统的设计理念，以节能、环保、智能化、信息化为要求，既能方便集中控制和集中化管理，提高生产效率和减少人力成本，也为智能化玻璃工厂打下基础。