全过程自动控制——洛阳兰迪玻璃以太网控制系统_PLC_S7-300

全过程自动控制——洛阳兰迪玻璃以太网控制系统

2010/11/3 16:05:00

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