کاربردهای کنترل بر پایه ی مدل در تولید شیشه های فلوت و الیاف شیشه ای

چکیده

بهبود عملکردی و افزایش بازده فرایند تولید شیشه ی فلوت و الیاف شیشه ای، با استفاده از روش های کنترل جدید، قابل حصول است. روش های جدید کنترل دما از سیستم کنترل بر پایه ی مدلی استفاده می کند که بر پایه ی ACSI و مدل انطباقی- پیشگویانه می باشد. سیستم کنترل بر پایه ی این مدل، به طور پیوسته موجب تنظیم جریان در شیشه ی مذاب می شود و بدین صورت اطمینان حاصل می گردد که دمای جریان در شرایط مناسبی قرار دارد. این سیستم به صورت میدانی مورد بررسی قرار گرفته است و تمایل به استفاده از آن، نشاندهنده ی قابلیت بهبود دمایی این کنترل کننده در مقایسه با کنترل کننده های PID می باشد. نتایج مربوط به اجرای این روش کنترل جدید، شامل بهبود بازده تولید، کیفیت محصول ها و کاهش زمان بازیابی دمای جریان با تغییر دمای تعیین شده، می باشد.

مقدمه

ACSI به طور موفقیت آمیز اطلاعات مربوط به تولید شیشه را با تکنولوژی ابداعی جدیدی ترکیب کرده است و توانسته است یک کنترل کننده ی جدید را بسازد. با ترکیب تخصص فرآیندی ACSI با قابلیت های نرم افزار Brainwave موجب می شود تا سیستم های ما به طور قابل توجهی کارایی بیشتری نسبت به کنترل کننده ی PID در تمام کاربردهای مرتبط با شیشه ی فلوت و الیاف شیشه ای، داشته باشد. روش های سنتی از PID برای کنترل متغیرهایی مانند دمای سطحی، دمای انتهای کار، دمای کوره ی اولیه یا سطح شیشه، استفاده می کنند. کنترل کننده ی پیشرفته ی ارائه شده در این مقاله، از یک مدل برای کنترل فرایند استفاده می کند. وقتی مدل بهینه برای کنترلر ایجاد شده باشد:

• عملیات های کنترل کننده مورد نیاز برای تنظیم فاکتورهای کوره، به سرعت پیش بینی می شود.
• از بهبود پیوسته بدون نیاز به مداخله ی دستی، فرایند تولید و فرآوری، تغییر می کند.
• بازخوردهای ارسال شده دریافت و بدین صورت ماکزیمم پایداری، حاصل می شود.

کنترل بر اساس مدل (مقایسه ی کنترل کننده ی بر پایه ی مدل با PID)
کنترل های بر پایه ی مدل (MBC) توانسته اند جای کنترل کننده های PID را در کاربردهای شیشه بگیرند و بنابراین این کنترلرها، بوسیله ی تولید کنندگان شیشه، بیشتر ترجیح داده می شوند. MBC به سرعت به آشفتگی های ایجاد شده در فرآیند واکنش می دهد و به طور سریع عکس العمل نشان داده و موجب پایدارسازی در تغییرات دمایی ایجاد شده، می شوند. یک کنترلر بر پایه ی مدل، مدل هایی را برای هر متغیر فرایندی/ کنترلی و ورودی ارسال شده از بخش تغذیه، ارائه می دهد. مدل ایده آل سپس می تواند تغییرات مورد نیاز را انجام دهد و بدین شکل، دمای شیشه را در یک حد ثابت، قرار دهد. وقتی فرایند بهینه، مدل سازی شود، کنترل کننده ی بر پایه ی مدل:

• می تواند اقداماتی را پیش بینی کند که برای تنظیم دمای کوره مورد نیاز است.
• می تواند به طور پیوسته از تغییرات تولید و فرآوری استفاده کرده و بدین صورت کنترل بهتری را بدون نیاز به تنظیم حلقه ای، ایجاد کند.
• می تواند میزان مواد اولیه ی مورد نیاز برای تغذیه شدن به کوره را مدل سازی کرده و بدین صورت اقدامات کنترلی را به سرعت پیش بینی کند.

یکی دیگر از مزیت های کنترل بر اساس مدل، در نظر گرفتن زمان اتلاف یافته می باشد. این سیستم قابلیت فهمیدن و محاسبه ی تغییرات در زمان ایجاد را دارا می باشد. این سیستم زمان اتلاف یافته را محاسبه می کند و قبل از انجام هر اقدامی، این زمان را در نظر می گیرد.
کنترل کننده ی بر پایه ی مدل باید به طور انتخابی اعمال مورد استفاده قرار گیرد تا بدین صورت، از هزینه های اضافی و استفاده های نامؤثر، جلوگیری گردد (شکل 1).
MBC باید در جاهای زیر مورد استفاده قرار گیرد:

• چرخه هایی که نسبت به زمان اتلاف یافته، مستعد هستند.
• مکان هایی که در آنها ضروری است که از یک سیستم کنترل برای یادگیری ارتباط میان چرخه ها، استفاده کرد.
• نواحی که در آنها، سیگنال های مربوط به تغذیه، منجر به افزایش تولید و کاهش تغییرات فرآیندی می شود.
• هر جایی که زمان اتلاف یافته، تغییر در دینامیک چرخه و یا پاسخ های غیر خطی موجب بروز مشکلاتی در سیستم گردد.

مزیت های کلی مربوط به کنترل کننده های بر پایه ی مدل

• صرفه جویی در مصرف انرژی
• پایداری کلی بیشتر
• افزایش کیفیت
• کاهش میزان عیوب

کنترل کننده های مورد استفاده در تولید شیشه های فلوت
MBC های مربوط به ACSI بر روی چرخه های زیر اعمال شده است تا بدین صورت، میزان اثربخشی آن مورد بررسی قرار گیرد:

• کنترل دمای ذوب کننده
• کنترل دمای کانال
• کنترل دمای تصفیه کننده
• کنترل سطح شیشه
• سرد کننده ی بلوک
• دمای Lehr
• دمای حمام قلع مذاب

کنترل بر پایه ی مدل در یک کامپیوتر مجزا اجرا می شود. این کامپیوتر از طریق سیم به کنترل کننده، متصل می شود. این سیستم کنترل قابل برنامه ریزی است و بدین وسیله اجازه داده می شود تا کنترل کننده خروجی ها را به طور مستقیم تغییر دهد. اگر مدل نتواند سیستم را کنترل کند، سیستم به طور اتوماتیک به کنترل قبلی (PID) بازگشت داده می شود. تنها تغییر در اینترفیس اپراتور یک حالت اضافی از کنترل نشان داده شده است. اینترفیس ارتباطی می تواند از طریق یک OPC ایجاد شود (شکل 2).
ایجاد یک مدل نیازمند این است که چرخه از طریق تغییرات مرحله ای، به مرحله ی بعدی رفته و بدین صورت نحوه ی عکس العمل مورد ارزیابی قرار گیرد. این پرش ها در داخل حدودی است که موجب می شود فرایند به انحراف کشیده نشود.

مثال هایی از کنترل دما

در طراحی شیشه های سنتی، یک سنسور در لوله ی خروجی هر ناحیه ی دمایی نصب می گردد تا بدین صورت دمای شیشه در هنگام خروج از این ناحیه، ارزیابی گردد. این سنسور موجب تقویت اطلاعات مربوط به کنترلر PID می شود و بدین صورت حرارت شیشه تنظیم می گردد. وقتی شیشه ی مذاب از داخل هر محفظه عبور می کند، کنترلرهای مربوطه در حال ارزیابی آن هستند.
همچنین کنترلرهای PID اطلاعاتی در مورد زمان اتلاف شده، ندارند. زمان اتلاف شده، زمان تأخیری است که در پاسخ به یک تنظیم شیر با آن روبرو هستیم. این کنترلر های PID باید به آهستگی در کاربردهای شیشه ای بچرخند.
کنترلرهای بر پایه ی مدل ACSI در کنترل کردن دماهای نواحی مؤثر هستند. این کنترلرها، این کار را بواسطه ی مدل سازی فرایند کنونی انجام می دهند. این کنترلرها مدل هایی را برای کنترل و یا پردازش متغیر و تغذیه به سمت خروجی، ایجاد می کنند. این مدل های ایده آل، به سیستم اجازه می دهند تا تغییرات مورد نیاز برای حفظ دمای شیشه را انجام دهد (شکل 3).

انتهای کاری، دمای کانال و مثال هایی از سطح شیشه

رویه ی زیر می تواند برای بررسی اثر کنترل بر پایه ی مدل در زمان هایی، مورد استفاده قرار گیرد که آنها برای کنترل دمای انتهای کار، استفاده می شود.
اولین کار این است که دمای انتهای کار پیش از استفاده از کنترل بر پایه ی مدل، تعیین گردد. دومین مرحله، استفاده از ACSI MBCاست (شکل 4 و 5 و 6 و 7).
تصاویر زیر اثر کنترل بر پایه ی مدل را در زمانی مورد بررسی قرار می گیرد که از این کنترل برای بررسی سطح شیشه استفاده شده است.
اولین آیتم سطح شیشه پیش از استفاده از کنترل بر پایه ی مدل می باشد و مورد دوم، با استفاده ACSI MBC بدست آمده است (شکل 8 و 9).
بر اساس نتایج میدانی به عمل آمده، این فهمیده شده است که استفاده از این کنترلر ها موجب بهبود کیفیت شیشه می شود. جزئیات مربوط به استفاده از این کنترلر ها به صورت زیر است:
تولیدکنندگان پیشرو در زمینه ی شیشه های فلوت از چرخه های استاندارد PID برای کنترل سطح شیشه و دمای کانال استفاده می کنند. با استفاده از کنترل بر پایه ی مدل BrainWave در سیستم ذوب ذکر شده، ACSI قادر است تا برای مشتریانش بهینه ترین نتایج را ایجاد کند. تکنولوژی BrainWave ترکیبی از کنترل کننده ی مدل سازی انطباقی و پیش بینی کننده می باشد و بوسیله ی آن، امکان بدست آوردن بهترین نتایج ممکنه در حداقل زمان ممکنه وجود دارد.

مشکلات مطرح شده در زمینه ی راه حل کنونی

کنترل کننده ی سطح شیشه که در واقع یک چرخه ی PID ساده است، موجب می شود تا بچ به خوبی ذوب شده و جریان همرفتی مناسبی در داخل توده ی ماده ی اولیه، ایجاد گردد. این مسائل موجب می شود تا کارایی سیستم افت کند. این افت به دلیل کاهش بازده سوخت و کاهش کیفیت شیشه انجام می شود.
حلقه ی کنترل آبشاری بسته، که کنترل کننده ی دمای کانال است، نیازمند تنظیم فرکانس می باشد و زمان پاسخ مناسبی را ایجاد می کند و موجب می شود تا تغییرات غیر قابل قبول در دمای کانال، ایجاد نشود.

نتایج

کنترل بر پایه ی مدل موجب می شود تا برای مشتری مزیت های مناسب اقتصادی و عملیاتی ایجاد گردد.

مزیت ها

• افزایش تولید
• کاهش میزان انرژی مصرفی
• کاهش قابل توجه در تغییرات دمایی
• کاهش محسوس در زمان بازیابی
• بهبود کنترل سطحی
• افزایش کیفیت و قابلیت تولید
• حذف زمان های تداخل عملیاتی
مزیت های نمونه وار
• کاهش 2.7 % در مصرف سوخت بدون کاهش کیفیت
• کاهش 30 % در دانسیته ی عیوب
• افزایش تولید به 10 تن در روز بدون کاهش کیفیت
• 50 % کاهش در خطاهای مربوط به سطح شیشه ی موجود در کوره
• تغییر در دمای کانال به میزان 72 % کاهش می یابد.
• تغییرات در دمای ذوب کننده به میزان 67 % کاهش می یابد.

کنترل دما برای کوره ی مقدماتی الیاف شیشه

سیستم های کنترل کوره ی مقدماتی برای تنظیم خواص شیشه، به طور انحصاری بر روی کنترل های بازخوردی PID تمرکز دارد. ACSI این کنترل را بواسطه ی استفاده از مدل های پیشرفته ای، بهینه سازی کرده است. با استفاده از این مدل، پایداری و کنترل مناسبی در نقطه ی ورود شیشه به بوش، ایجاد می شود. این مدل از هر دو استراتژی بازخوردی و هم ارسالی، استفاده می کند. استفاده کنندگان از راه حل MBC برای بدست آوردن مزیت های مربوطه، استفاده کرده اند. این مزیت ها عبارتند از افزایش بازده تولید و پایداری دمایی استثنایی. این راه حل بر روی کوره های مقدماتی قدیمی و جدید اعمال می شود که این کار با استفاده از سیستم های کنترلی موجود، انجام شده است (شکل 10 و 11).
شکل 10 و 11

مزیت ها

• بهبود پایداری دمایی
• کاهش اختلال
• افزایش تولید
• کاهش مصرف انرژی

مزیت های نمونه وار

• 65-100 % کاهش در تغییرات دمایی
• 50 % کاهش زمان رسیدن به پایداری نسبت به PID
• 20 % کاهش در میزان خطاهای ایجاد شده در بخش بوشینگ
• 2-5 % کاهش در مصرف سوخت