DE10304973A1 - Control unit for melting and/or refining glass has control devices which form at least two regulating circuits - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung (1) für eine Anlage (2) zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Regelvorrichtung Regeleinrichtungen (50, 60) aufweist, welche zumindest zwei Regelkreisebenen bilden. Zudem wird ein Verfahren zum Regeln einer Anlage zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas zur Verfügung gestellt, welches die folgenden Verfahrensschritte umfaßt: Erfassen zumindest einer Regelgröße, Erfassen zumindest einer zur Regelgröße korrespondierenden Prozeßgröße, Ermitteln zumindest einer Stellgröße zum Regeln der Prozeßgröße, und welches dadurch gekennzeichnet ist, daß zumindest ein Stellgröße in einem Regelsystem ermittelt wird, welches zumindest zwei Regelkreisebenen umfaßt, wobei die jeweils übergeordnete Regelkreisebene der jeweils untergeordneten Regelkreisebene die Sollwerte vorgibt.The invention relates to a control device (1) for a system (2) for melting and / or refining glass, which is characterized in that the control device has control devices (50, 60) which form at least two control circuit levels. In addition, a method for regulating a system for melting and / or refining glass is provided, which comprises the following method steps: detecting at least one controlled variable, detecting at least one process variable corresponding to the controlled variable, determining at least one manipulated variable for controlling the process variable, and which characterized in that at least one manipulated variable is determined in a control system which comprises at least two control loop levels, the respective higher-level control loop level specifying the desired values for the respective lower control loop level.
Description
Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung sowie ein Verfahren zum Regeln einer Anlage zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 25.The invention relates to a control device and a method for regulating a plant for melting and / or Purify of glass according to the characteristics of claims 1 and 25.
Unter Läutern versteht man das Beseitigen
von Blasen und gelösten
Gasen aus Glasschmelzen, das kontinuierlich in Vorrichtungen wie
der in der Anmeldung
Üblicherweise wird die Läuterung von Glasschmelzen durch das Hinzufügen von Stoffen durchgeführt, die bei einer Temperaturerhöhung Gase freisetzen, welche in vorhandene Blasen hinein diffundieren und diese vergrößern. Dadurch können die Blasen schneller aus der Schmelze aufsteigen und aus dieser entweichen.Usually will be the purification performed by melting glass by adding substances that with a temperature increase Release gases that diffuse into existing bubbles and enlarge them. Thereby can the bubbles rise out of the melt faster and out of it escape.
In kontinuierlich betriebenen Anlagen
kann das Läutern
durch Anlegen von reduziertem Druck erfolgen. Dieses Verfahren und
seine Ausführungsformen
sind beispielsweise in den nachstehenden Schriften beschrieben:
In
In
Zum Beseitigen von Schaum kann außerdem Läutergas
durch Läutermittel
in der Glasschmelze erzeugt werden, beispielsweise gemäß der Anmeldung
des Anmelders
Beim Läutern kann des weiteren das
vom Anmelder entwickelte Hochfrequenzläuterverfahren ohne den Einsatz
von toxischen Läutermitteln
wie As2O3 oder Sb2O3 eingesetzt werden.
Dieses Verfahren basiert darauf, dass die Schmelze durch ein elektrisches
Wechselfeld einer Spule geführt
wird, wobei das Feld direkt in das Glas eingekoppelt wird. Die Aggregatwände sind
als Skull ausgeführt,
wobei die Glasschmelze eine Temperatur von mehr als 1900°C erreicht.
Das Hochfrequenzläuterverfahren
ist in folgenden Patenten detailliert beschrieben:
Beim Läutern kann des Weiteren das
vom Anmelder entwickelte Hochtemperaturläuterverfahren eingesetzt werden.
In der Anmeldung
Bedingt durch die beim Einschmelzprozess ablaufenden Reaktionen enthält eine Glasschmelze Gase in chemisch und/oder physikalisch gelöster Form sowie in Form von Blasen. Das Ziel eines jeden Läuterprozesses ist, soweit wie möglich die in der Glasschmelze enthaltenen Blasen sowie wenigstens einen Teil der gelösten Gase zu entfernen. Zu diesen Gasen gehören beispielsweise H2O, CO2, SO2, N2, O2 und Ar.Due to the reactions occurring during the melting process, a glass melt contains gases in chemically and / or physically dissolved form as well as in the form of bubbles. The aim of every refining process is to remove as much as possible the bubbles contained in the glass melt and at least some of the dissolved gases. These gases include, for example, H 2 O, CO 2 , SO 2 , N 2 , O 2 and Ar.
Um den Läuterprozess geregelt durchführen zu können, ist es erforderlich, die physikalisch-chemischen Zusammenhänge zu kennen. Um eine Regelung aufbauen zu können, ist es nötig, diese Zusammenhänge modellmäßig zu beschreiben, die dazu notwendigen Stoff- und Prozeßparameter zu messen sowie Strategien und Algorithmen für die Regelung des Läuterprozesses zu entwickeln.To carry out the refining process in a regulated manner can, it is necessary to know the physical-chemical relationships. In order to be able to set up a regulation, it is necessary, these relationships to describe in a model measure the necessary material and process parameters as well as strategies and algorithms for the regulation of the refining process to develop.
Um eine Lösung für diese Aufgabe zu erarbeiten, werden zunächst die in die Schmelze eingetragenen Blasen betrachtet. Unmittelbar nach dem Einschmelzprozess liegen die Blasen in der Schmelze in einer bestimmten ortsabhängigen Volumendichte, Größenverteilung und Zusammensetzung vor. Näherungsweise kann zu diesem Zeitpunkt davon ausgegangen werden, dass die Zusammensetzung der Blasen im wesentlichen mit derjenigen in der umgebenden Glasschmelze übereinstimmt und noch wenig von ihrer Umgebung abweicht. Durch die im Schmelzaggregat vorhandene Konvektion werden die Blasen an andere Stellen mit anderen Temperaturen transportiert. Dabei haben die Blasen aufgrund ihres Auftriebs das Bestreben, entgegen der Gravitationsbeschleunigung oder anderer zusätzlich aufgeprägter Beschleunigungen aufzusteigen.To develop a solution for this task, be first considered the bubbles introduced into the melt. Right away After the melting process, the bubbles are in the melt a specific location dependent Volume density, size distribution and composition. Approximately can at this point it can be assumed that the composition the bubbles essentially coincide with those in the surrounding glass melt and deviates little from their surroundings. By in the melting unit Existing convection will move the bubbles to other locations with others Temperatures transported. The bubbles have due to their The effort to counteract the acceleration of gravity or other additional imprinted Accelerations to ascend.
Generell kommen zur Senkung der Blasenanzahl in der Schmelze folgende Maßnahmen in Frage: das Verringern der Anzahl der Startblasen unmittelbar beim Einschmelzen, das Verkürzen der Blasenaufstiegswege durch Heranführen der Blasen dicht an die Glasbadoberfläche, das Erhöhen der Blasenaufstiegsgeschwindigkeit in der Glasschmelze, die Resorption der verbliebenen Blasen aus der Schmelze sowie das Absenken des Gasgehaltes der Schmelze.In general, the following measures can be used to reduce the number of bubbles in the melt: reducing the number of start bubbles immediately when melting, shortening the bubble ascent paths by bringing the bubbles close to the surface of the glass bath, increasing the bubble ascent rate in the glass melt, resorption of the remaining bubbles from the melt as well as lowering the gas content of the melt.
Wenn die Rohstoffe, deren Zusammensetzung und die Möglichkeiten zu ihrer Aufbereitung sowie das Läutermittel nicht verändert werden können, kann durch die Temperaturführung des Prozesses auf die Startblasen eingewirkt werden und so die Anzahl der Startblasen unmittelbar beim Einschmelzen verringert werden.If the raw materials, their composition and the possibilities for their preparation and the refining agent are not changed can, can by the temperature control of the process on the starting bubbles and thus the number the starting bubbles are reduced immediately when melting.
Zum Verkürzen der Blasenaufstiegswege durch Heranführen der Blasen dicht an die Glasbadoberfläche eignet sich beispielsweise ein Gebiet in einem Schmelzaggregat, in dem die Glasbadtiefe stark herabgesetzt ist. Auch durch eine geschickte Einstellung der Konvektion lassen sich blasenhaltige Gebiete sehr nah und sehr häufig an die Glasbadoberfläche befördern.To shorten the path of the bubble ascent by introducing them the bubble close to the glass bath surface is suitable, for example an area in a melting unit where the glass bath depth is strong is reduced. Also by skillful adjustment of the convection areas containing bubbles can be very close and very common the glass bath surface transport.
Im Hinblick auf das Erhöhen der Blasenaufstiegsgeschwindigkeit in der Glasschmelze wird die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit betrachtet: die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit v ist entsprechend dem Stokesschen Gesetz gegeben durch: With regard to increasing the bubble ascent rate in the glass melt, the bubble ascent rate is considered: the bubble ascent rate v is given according to Stokes law by:
Dabei bezeichnen ρ die Dichte und η die Viskosität der Glasschmelze, g die Erdbeschleunigung sowie r den Blasenradius.Ρ denote the density and η the viscosity of the glass melt, g the gravitational acceleration and r the bubble radius.
Man erkennt, dass eine Erhöhung der Beschleunigung g, zum Beispiel durch Zentrifugieren, sowie durch eine Erniedrigung der Viskosität η, zum Beispiel durch eine Temperaturerhöhung, sowie besonders stark durch eine Vergrößerung des Blasenradius r die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit v erhöht werden kann. Wegen der quadratischen Abhängigkeit der Blasenaufstiegsgeschwindigkeit vom Blasenradius wird bevorzugt Letzteres angestrebt. Eine nennenswerte Blasenvergrößerung kann bevorzugt durch Diffusion von Gasen aus der Schmelze in die Blasen bewirkt werden.One can see that an increase in Acceleration g, for example by centrifugation, and by a decrease in viscosity η, for example by an increase in temperature, as well as particularly strong by increasing the bubble radius r die Bubble ascent rate v can be increased. Because of the square dependence the bubble ascent rate from the bubble radius is preferred the latter sought. Significant bladder enlargement can preferably be achieved by Diffusion of gases from the melt into the bubbles are caused.
Die zeitliche Änderung des Blasenradius r ist im Fall eines zeitlich stationären Temperaturfeldesgegeben durch mit folgenden Zusatzgleichungen The temporal change in the bubble radius r is in the case of a temporally stationary temperature field given by with the following additional equations
Dabei bezeichnen:
R : Gaskonstante
T
: Temperatur Di : Diffusionskonstante
Li : Löslichkeit
Sh
: Sherwood-Zahl
pi,G : Druck der i-ten
Gasspezies in der Glasschmelze
pi,B :
Druck der i-ten Gasspezies in der Blase
pA :
Atmosphärendruck
ρ : Dichte
der Glasschmelze
g : Erdbeschleunigung
z : Tiefe der Blase
σ : Oberflächenspannung
- die
im ortsfesten Bezugssystem gegebene Geschwindigkeit der BlaseDesignate:
R: gas constant
T: temperature D i : diffusion constant
L i : solubility
Sh: Sherwood number
p i, G : pressure of the i-th gas species in the glass melt
p i, B : pressure of the i-th gas species in the bladder
p A : atmospheric pressure
ρ: density of the glass melt
g: gravitational acceleration
z: depth of the bubble
σ: surface tension
- the speed of the bladder given in the fixed reference system
Die zeitliche Änderung des Blasenradius r setzt sich zusammen aus den folgenden Termen, die die jeweilige Triebkraft kennzeichnen:
- 1. der in die Blase eindiffundierten Stoffmenge aufgrund der Partialdruckdifferenz pi,G – Pi,B,
- 2. der Änderung des Atmosphärendrucks
- 3. der Änderung des hydrostatischen Drucksund
- 4. der Bewegung der Blase in einem räumlich inhomogenen Temperaturfeld
- 1. the amount of substance diffused into the bladder due to the partial pressure difference p i, G - P i, B ,
- 2. the change in atmospheric pressure
- 3. the change in hydrostatic pressure and
- 4. the movement of the bubble in a spatially inhomogeneous temperature field
Die Blasenvergrößerung bei konventionellen Läuterprozessen erfolgt in der Regel dadurch, dass ein der Schmelze in angepasster Konzentration zugefügter Stoff (zum Beispiel As2O5, SnO4, HCl) ab einer bestimmten Temperatur ein Gas freisetzt. Dieses Gas diffundiert in bereits vorhandene Blasen ein oder führt zur Blasenneubildung, falls der Gasdruck so hoch ist, dass er sich nicht durch Diffusion hinreichend schnell abbauen kann. Durch Variation der chemischen Zusammensetzung des zugegebenen Stoffs, seiner Konzentration, der Glaszusammensetzung und des Temperatur- und Strömungsfeldes in dem Produktionsaggregat kann der Grad der Blasenvergrößerung und der damit verknüpften Blasenentfernung eingestellt werden. Dazu ist die Kenntnis der Konzentration der anfänglich vorhandenen Blasen, ihrer Zusammensetzung, ihrer Volumendichte, Größenverteilung und Startorte erforderlich. Außerdem muss die Konzentration bzw. der Partialdruck der in der Schmelze gelösten Gase bekannt sein.The blister enlargement in conventional refining processes usually takes place in that a substance added to the melt in an adapted concentration (for example As 2 O 5 , SnO 4 , HCl) releases a gas from a certain temperature. This gas diffuses into existing bubbles or leads to the formation of new bubbles if the gas pressure is so high that it cannot be broken down sufficiently quickly by diffusion. By varying the chemical composition of the added substance, its concentration, the glass composition and the temperature and flow field in the production unit, the degree of bubble enlargement and the associated bubble removal can be adjusted. This requires knowledge of the concentration of the bubbles initially present, their composition, their volume density, size distribution and starting locations. In addition, the concentration or the partial pressure of the gases dissolved in the melt must be known.
Die Resorption der verbliebenen Blasen ist entscheidend für das Entfernen der Blasen, die nicht aus der Schmelze entwichen sind und deren Inhalt aus solchen Gasen besteht, die bei Temperaturerniedrigung der Schmelze einen wesentlich niedrigeren Partialdruck besitzen. Darüber hinaus kann die Resorption von Gasen in einer Blase durch Erhöhung des atmosphärischen Gasdrucks verbessert werden. Unterstützt wird dieser Vorgang durch die Oberflächenspannung σ der Glasschmelze (typischerweise 0,3 N/m), wenn die Blasen hinreichend klein geworden sind. Die Oberflächenspannung führt zu einem Druck pOs, der gegeben ist durch The resorption of the remaining bubbles is decisive for the removal of the bubbles which have not escaped from the melt and whose contents consist of gases which have a substantially lower partial pressure when the temperature of the melt is reduced. In addition, the absorption of gases in a bubble can be improved by increasing the atmospheric gas pressure. This process is supported by the surface tension σ of the glass melt (typically 0.3 N / m) when the bubbles have become sufficiently small. The surface tension leads to a pressure p Os , which is given by
Bei sehr kleinen Blasen, das bedeutet r < 20 μm, kann pos sehr groß werden.With very small bubbles, that means r <20 μm, p os can become very large.
Gelöste Gase können beim Überschreiten der Siedelinie, was entweder bei konstantem Druck durch Erhöhen der Temperatur oder bei konstanter Temperatur durch Absenken des Druckes geschehen kann, unkontrolliert in Form von Blasen ausfallen (Reboil). Ferner kann es durch Wechselwirkung mit den Oberflächen des feuerfesten Materials zur Abscheidung von Blasen kommen. Zur Verringerung des Ausmaßes dieser unerwünschten Prozesse wird neben der Entfernung der Blasen auch die Absenkung des Gasgehaltes einer Schmelze angestrebt.Dissolved gases can exceed the boiling line, which either at constant pressure by increasing the temperature or at constant temperature can be done by lowering the pressure, fail uncontrolled in the form of bubbles (reboil). Furthermore, it by interacting with the surfaces of the refractory to separate bubbles. To reduce the extent of this undesirable In addition to removing the bubbles, processes also involve lowering the gas content of a melt.
Die Absenkung des Gasgehaltes setzt einen nennenswerten Stofftransport von Gas an die Glasbadoberfläche voraus. Grundsätzlich kann der Gasgehalt einer Schmelze dadurch gesenkt werden, dass einerseits eine möglichst große Partialdruckdifferenz für die zu entfernenden Gase aufgebaut wird, und andererseits der Stoffaustausch durch eine hohe Temperatur und eine möglichst große Stoffaustauschfläche erleichtert wird. Schließlich sollte möglichst viel Gas an die Gasbadoberfläche transportiert werden, wo es leicht entweichen kann. Beim konventionellen Läuterprozess wird hingegen nur eine geringe Menge an in der Schmelze gelöstem Gas entfernt.The lowering of the gas content continues a noteworthy mass transfer of gas to the glass bath surface ahead. in principle the gas content of a melt can be reduced by using a preferably size Partial pressure difference for the gases to be removed is built up, and on the other hand the mass transfer facilitated by a high temperature and the largest possible mass transfer area becomes. Finally should if possible a lot of gas on the surface of the gas bath transported where it can easily escape. With the conventional lautering however, only a small amount of gas dissolved in the melt away.
Als Maßnahmen zum Erhöhen der Partialdruckdifferenz für die in der Schmelze gelösten Gase eignen sich beispielsweise das Durchleiten eines artfremden Spülgases durch die Glasschmelze oder die Absenkung des Umgebungsdrucks. Vorteilhaft für die Unterdruckläuterung ist, dass alle Gase entfernt werden, ohne dass ein Spülgas in der Schmelze zurückbleiben kann. Bei Verwendung eines Spülgases sind Prozessprobleme wie zum Beispiel Reboil nicht ganz auszuschließen, da sich ein Teil des Spülgases in der Schmelze lösen kann.Suitable measures for increasing the partial pressure difference for the gases dissolved in the melt are, for example, passing a purge gas of a different type through the glass melt or lowering it of the ambient pressure. It is advantageous for the vacuum purification that all gases are removed without a purge gas remaining in the melt. When using a purge gas, process problems such as reboil cannot be completely ruled out, as part of the purge gas can dissolve in the melt.
Über kleine Abstände hinweg erfolgt der Transport der Gase in der Glasschmelze durch Diffusion, die sehr langsam ist: typische Diffusionskoeffizienten für Gase in Glasschmelzen liegen bei ca. 10–1 m2s–1. Zusätzlich zur Glasbadoberfläche muss daher eine möglichst große innere Gasaustauschfläche geschaffen werden. Dazu eignen sich Blasen in einer hinreichend großen Volumendichte, die an sich bereits eine hohe spezifische Oberfläche besitzen. Diese Blasen werden durch die Schmelze entweder aktiv (z.B. durch Feinbubbling) hindurchgeleitet oder entstehen infolge eines Unterdrucks durch heterogene Keimbildung. Der Gastransport durch Blasen kann zusätzlich zu ihrer Auftriebsgeschwindigkeit auch durch Konvektion dieser Blasen an die Glasbadoberfläche unterstützt werden.The gases in the glass melt are transported over short distances by diffusion, which is very slow: typical diffusion coefficients for gases in glass melts are around 10 −1 m 2 s −1 . In addition to the glass bath surface, the largest possible internal gas exchange surface must be created. Bubbles with a sufficiently large volume density are suitable for this, which already have a high specific surface area. These bubbles are either actively passed through the melt (eg through fine bubbling) or are created as a result of negative pressure due to heterogeneous nucleation. In addition to their rate of buoyancy, the gas transport by bubbles can also be supported by convection of these bubbles to the glass bath surface.
Damit die Blasen bei gleichzeitiger
Senkung des Restgasgehaltes stabil und störungsfrei entfernt werden können, müssen zwischen
Eintritt und Austritt des Glases in einem Läuteraggregat die notwendigen
Prozesse in einer bestimmten Weise ablaufen. Um diese Prozesse gezielt
kontrollieren zu können,
ist daher eine zuverlässige
Regelung erforderlich. Eine Möglichkeit
für die
Regelung von Prozessen zur Herstellung von Glas ist beispielsweise
in den Patenten
Eine Regelstrecke setzt sich gemäß DIN 19226
(vergleiche
Es wurde herausgefunden, dass sich die Stabilität und Dauerbetriebsfähigkeit der Vorrichtungen und Verfahren zum Läutern durch Einbau einer Regelung wesentlich verbessern lässt. Es hat sich außerdem gezeigt, dass die Regelung in der oben beschriebenen Weise sehr hilfreich ist, um Havarie zu unterbinden und andere gefährliche bzw. für die Produktqualität schädliche Einflussfaktoren (z.B. das Einfrieren des Glases in der Anlage, übermäßige Korrosion, Blasenneubildung im Läuterbereich – also im Bereich des Blasenwachstums, übermäßige Schaumbildung) zu minimieren.It was found that the stability and continuous operability of devices and methods for refining by installing a regulation can be significantly improved. It also has shown that the scheme in the manner described above is very is helpful to prevent accidents and other dangerous or for the product quality harmful Influencing factors (e.g. freezing of the glass in the system, excessive corrosion, New blister formation in the refining area - i.e. in the Bubble growth area, excessive foaming) to minimize.
Aus den oben beschriebenen Umständen ergibt sich daher die Aufgabe der Erfindung, eine Regelvorrichtung für eine Anlage zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas zur Verfügung zu stellen.From the circumstances described above is therefore the object of the invention, a control device for a system for melting and / or refining of glass available to deliver.
Gelöst wird diese Aufgabe bereits auf einfache Weise durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ferner ist in Anspruch 25 ein Verfahren angegeben, mit dem eine Regelung unter Einsatz der Vorrichtung durchgeführt werden kann. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den jeweils zugeordneten Unteransprüchen.This task is already being solved in a simple manner by a device with the features of the claim 1. Furthermore, a method is specified in claim 25, with which Regulation can be carried out using the device. advantageous Further training can be found in the assigned subclaims.
Die Regelvorrichtung für eine Anlage zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas weist zwei Regeleinrichtungen auf, welche zumindest zwei Regelkreisebenen bilden. In diesem Regelsystem wird zumindest eine Stellgröße ermittelt, indem zumindest eine Regelgröße sowie zumindest eine zu dieser Regelgröße korrespondierende Prozessgröße erfasst wird. Das erfindungsgemäße Regelwerk setzt sich also aus einer hierarchisch aufgebauten Reglerstruktur zusammen.The control device for a system for melting and / or refining von Glas has two control devices, which are at least two Form control loop levels. At least one manipulated variable is determined in this control system, by at least one control variable as well at least one corresponding to this controlled variable Process size recorded becomes. The set of rules according to the invention is made up of a hierarchically structured controller structure together.
Der Regler der höchsten Stufe ist zuständig für die Gütefunktion der Blasendichte und des Restgasgehaltes. Regler niedriger Stufen dienen dabei der autarken Regelung der einzelnen Prozessparameter: zum Beispiel kann die Schaumhöhe im Läuteraggregat mit Mitteln der Oberhitze und der Eindüsung von Stoffen zur Beschleunigung des Schaumzerfalls geregelt werden. Eine konstante Glasbadtiefe im Läuteraggregat kann beispielsweise durch Einstellen des Restdrucks unter Berücksichtigung von Durchsatz und Temperatur geregelt werden.The controller of the highest level is responsible for the quality function the bubble density and the residual gas content. Low level regulator serve the self-sufficient control of the individual process parameters: for example the foam height in the refining unit with means of top heat and the injection of substances for acceleration of foam decay can be regulated. A constant glass bath depth in the refining unit can take into account, for example, by setting the residual pressure throughput and temperature are regulated.
Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung weist des weiteren eine Verknüpfungseinrichtung auf, welche eine Vielzahl von Sollwerten und/oder Istwerten über mehrere Regelkreisebenen miteinander verknüpfen kann. Insbesondere arbeitet die Verknüpfungseinrichtung nach einem sogenannten Multiple Input Multiple Output-System (MIMO-System). Durch die Verknüpfung der Vielzahl von Soll- und/oder Istwerten über mehrere Regelkreisebenen hinweg ermöglicht die Erfindung eine Trennung verschiedener Prozessschritte, wobei dennoch gleichzeitig mit einer einzigen Regelung das übergeordnete Prozessziel gesteuert werden kann: ist zum Beispiel eine stärkere Verringerung des Restgasgehaltes gewünscht, würde man bevorzugt eine Trennung der Prozessschritte "Senkung des Gasgehaltes" und "Blasenentfernung" anstreben. Dieser Prozess der Gasentfernung muss vor der Blasenentfernung ablaufen und, weil er mit der Blasenerzeugung verbunden ist, sorgfältig mit dem Prozess der Blasenentfernung abgestimmt werden. Eine derartige Abstimmung verschiedener Prozessschritte aufeinander wird mit der Erfindung auf vorteilhafte Weise möglich. Die Regelkreisverknüpfung kann neben den modellbasierten Regelungsstrategien der MIMO-Verfahren außerdem mindestens eine der folgenden Strategien umfassen: PID, Fuzzy, neuronale Netze und adaptive Regelungen.The control device according to the invention also has a linking device which can link a large number of setpoints and / or actual values to one another via a plurality of control loop levels. In particular, the linking device works according to a so-called multiple input multiple output system (MIMO system). By linking the large number of setpoints and / or actual values across several control loop levels, the invention enables a separation of different process steps, although the overriding process target can still be controlled with a single control: if, for example, a greater reduction in the residual gas content would be desired, one would wish preferably separate the process steps "lowering the gas content" and "bubble removal". This process of gas removal must take place before bubble removal and, because it is associated with bubble generation, be careful be coordinated with the bubble removal process. Such coordination of different process steps with one another is advantageously possible with the invention. In addition to the model-based control strategies of the MIMO method, the control loop linkage can also include at least one of the following strategies: PID, fuzzy, neural networks and adaptive controls.
Je nach Aufgabe der Regler niederer Ebene können aus Eingangsdaten bereits angepasste Sollwerte ermittelt werden. Als Sollwerte können dabei nicht nur Messwerte, sondern auch abgeleitete Größen eingesetzt werden. Diese Vorteile werden dadurch realisiert, dass die Regelkreisebenen hierarchisch geordnet sind, wobei die zumindest eine Regeleinrichtung der jeweils übergeordneten Regelkreisebene eine erste Vorgabeeinrichtung umfasst, mit welcher der zumindest einen Regeleinrichtung der jeweils untergeordneten Regelkreisebene Sollwerte vorgegeben werden können.Depending on the task of the controller, lower Level can already adjusted target values can be determined from input data. As setpoints can not only measured values, but also derived values are used become. These advantages are realized in that the control loop levels are arranged hierarchically, the at least one control device the parent Control loop level comprises a first default device with which the at least one control device of the respective subordinate Control loop level setpoints can be specified.
Die zumindest eine Regeleinrichtung der jeweils übergeordneten Regelkreisebene umfasst außerdem eine zweite Vorgabeeinrichtung, mit der direkt Stellgrößen vorgegeben werden können. Weil auf diese Weise auf hoher Ebene neben Sollwerten direkt Stellgrößen ermittelt werden können, ermöglicht die Erfindung (bei Bedarf), eine Regelstufe einzusparen. Kann also die Stellgröße direkt aus Eingabedaten ermittelt werden, kann somit die Komplexität des Regelwerks erheblich reduziert werden. Der weiteren Rationalisierung der Vorrichtung dient die erfindungsgemäße Möglichkeit, dass eine Vorgabeeinrichtung die erste Vorgabeeinrichtung zum Vorgeben der Sollwerte und die zweite Vorgabeeinrichtung zum Vorgeben der Stellgrößen umfasst.The at least one control device the parent Loop level also includes one second default device with which direct manipulated variables are predefined can be. Because this way, control values are determined directly at a high level in addition to setpoints can be allows the invention (if necessary) to save a control level. So can the manipulated variable directly The complexity of the rules can be determined from input data be significantly reduced. The further rationalization of the device serves the possibility according to the invention that a specification device the first specification device for specifying the setpoints and the second specification device for specifying the Includes manipulated variables.
Weil mit der erfindungsgemäßen Regelung der Zusammenhang der Glasqualität und der Regelgrößen sowie verschiedenster Einflussparameter beherrscht werden kann, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Regelung der komplexen Größe "Qualität". Die Glasqualität wird in Abhängigkeit von der Glasart und/oder von der Anlage zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas als Funktion zumindest einer der folgenden Regelgrößen bestimmt: volumetrische Blasenanzahldichte, Blasengrößenverteilung und Gehalt der in der Glasschmelze gelösten Gase. Dazu wird für die Regelvorrichtung zumindest eine erste Erfassungseinrichtung vorgesehen, welche zumindest eine Regelgröße, insbesondere eine der genannten Regelgrößen erfasst. Durch das Erfassen der Regelgrößen werden der Regelvorrichtung die Sollwerte vorgegeben. Zum Einspeisen der Istwerte in die Regelung sieht die Regelvorrichtung eine zweite Erfassungseinrichtung vor, welche zumindest eine Prozessgröße, insbesondere eine der folgenden Prozessgrößen erfassen kann:
- – Temperatur
- – atmosphärischer Restdruck in der Läuterkammer
- – Heizleistung
- – Heizleistung in vor- und/oder nachgeschalteten Prozessschritten
- – Gemengefeuchte
- – Gemengelage
- – Gemengeform
- – Volumenstrom durch die Glasdüsen
- – Glasstand in der Schmelzwanne und/oder in der Läuterwanne und/oder in der Rinne und/oder im Rührtiegel
- – Viskosität des Glases
- – Durchsatz des Glases
- – Sauerstoffpartialdruck des Glases
- – Wassergehalt des Glases
- – Sauerstoffpartialdruck des Abgases
- – Ofendruck in der Schmelzwanne
- – Schaumhöhe
- – Form des Schaums
- – Lage des Schaums
- – Druck und/oder Volumenstrom des Schutzgases
- – Blasenbildungsrate in der Schmelzwanne
- – Rührerdrehzahl
- – Sauerstoffpartialdruck an Edelmetallbauteilen.
- - temperature
- - atmospheric residual pressure in the refining chamber
- - Heating capacity
- - Heating output in upstream and / or downstream process steps
- - Moisturized
- - Mixed situation
- - batch form
- - Volume flow through the glass nozzles
- - Glass stand in the melting tank and / or in the refining tank and / or in the channel and / or in the stir pan
- - viscosity of the glass
- - Throughput of the glass
- - partial pressure of oxygen in the glass
- - water content of the glass
- - Oxygen partial pressure of the exhaust gas
- - furnace pressure in the melting tank
- - foam height
- - shape of the foam
- - location of the foam
- - Pressure and / or volume flow of the protective gas
- - Bubble formation rate in the melting tank
- - stirrer speed
- - Oxygen partial pressure on precious metal components.
Zum Umwandeln der erfassten Größe in ein Signal sieht die Erfindung zumindest eine erste Verarbeitungseinrichtung vor, in welcher zumindest eine der Prozessgrößen verarbeitet werden kann. Ein Vergleich mit korrespondierenden Werten, die zum Beispiel an anderen Orten ermittelt wurden, ermöglicht zudem eine Überwachung des Prozesses.To convert the captured size to a The invention sees a signal at least one first processing device in which at least one of the process variables can be processed. A comparison with corresponding values, for example other locations have been identified also enables monitoring of the process.
Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung ist des weiteren durch zumindest eine erste Ausgabeeinrichtung gekennzeichnet, welche zumindest eine der Prozessgrößen ausgeben kann. Auf diese Weise kann das Signal weitergeleitet werden, und es besteht die Möglichkeit zur Abfrage des weitergeleiteten Wertes, so dass durch den Vergleich des weitergeleiteten verarbeiteten mit dem erfassten Wert eine Kontrollmöglichkeit für das Zusammenwirken der Erfassungs-, Verarbeitungs- und der Ausgabeeinrichtung gegeben ist.The control device according to the invention is the further characterized by at least one first output device, which can output at least one of the process variables. To this In this way the signal can be passed on and there is possibility to query the forwarded value so that by comparison of the forwarded processed a control option with the recorded value for working together given the acquisition, processing and output device is.
Um die interessierenden Größen auf besonders einfache Weise erfassen zu können, sieht die erfindungsgemäße Regelvorrichtung vor, dass die Erfassungseinrichtung zumindest eine Messeinrichtung zum Messen zumindest einer Regel-, Prozess- oder Stellgröße aufweist.To the sizes of interest The control device according to the invention provides a particularly simple way of detecting before that the detection device at least one measuring device for measuring at least one control, process or manipulated variable.
Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Regelvorrichtung für diverse Anlagen nutzbar, insbesondere bietet die Erfindung die Möglichkeit, die Regelvorrichtung mit einer aus folgenden Komponenten beliebig aufgebauten Regelstrecke zu benutzen: Die Anlage zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas kann eine Einlegemaschine, eine Schmelzwanne, einen Ofen, eine Läuterkammer, einen Läutertiegel, ein Steigrohr, eine waagerechte Läuterkammer, ein Fallrohr, einen Konditionierungsteil, eine Einrichtung zum Eindüsen oberflächenaktiver Substanzen, eine Einrichtung zum Einbringen von Schutzgas, ein Homogenisierungssystem, einen Speiser, eine Einrichtung für die Heißformgebung, ein kaltes Ende, eine Blasdüse, eine Pumpe sowie einen Rührer umfassen.The control device according to the invention is advantageous for various Systems can be used, in particular the invention offers the possibility of the control device with any of the following components To use controlled system: The plant for melting and / or refining Glass can be a loading machine, a melting tank, an oven, a refining, a refining crucible, a riser pipe, a horizontal refining chamber, a downpipe, one Conditioning part, a device for the injection of surface-active substances, a Device for introducing protective gas, a homogenization system, a feeder, a device for hot forming, a cold end, a blow nozzle, a pump and a stirrer include.
Die erfindungsgemäße Messeinrichtung kann an zumindest einem der folgenden Orte angeordnet sein: Schmelzwanne, Läuterkammer, Läutertiegel, Steigrohr, waagerechte Läuterkammer, Fallrohr, Konditionierungsteil, Homogenisierungssystem, Speiser, Einrichtung für die Heißformgebung oder kaltes Ende. Die Position der Messeinrichtung ist also vorteilhafterweise variabel, so dass mehrere Messeinrichtungen zur ortsaufgelösten Regelung möglich sind. Solange an einem der genannten Orte ein Mindestmaß an Information ermittelt wird, ist die weitere Messdatenerfassung in keiner Weise beschränkt.The measuring device according to the invention can at least one of the following locations: melting furnace, refining, refining crucible, Riser pipe, horizontal refining chamber, Downpipe, conditioning part, homogenization system, feeder, Establishment for the hot forming or cold end. The position of the measuring device is therefore advantageous variable, so that several measuring devices for locally resolved control possible are. As long as there is a minimum amount of information in one of the locations mentioned is determined, the further measurement data acquisition is in no way limited.
Zum Einstellen zumindest einer Stellgröße sieht die erfindungsgemäße Regelvorrichtung des weiteren eine Einstelleinrichtung vor. Damit wird ermöglicht, bereits mit einer einzigen Einstelleinrichtung ein ggfs. auf komplexe Weise in der Regeleinrichtung ermitteltes Regelziel, nämlich die eine Stellgröße, in den Prozess rückzukoppeln und so die eigentliche Regelung vorzunehmen.For setting at least one manipulated variable the control device according to the invention furthermore an adjusting device. This enables even with a single setting device, if necessary to complex Way determined in the control device, namely the a manipulated variable in which Feedback process and so make the actual regulation.
Ebenso wie die Position der Messeinrichtung ist die Position der Einstelleinrichtung variabel, so dass bei räumlich großer Ausdehnung der Regelstrecke ein Einkoppeln der Stellgröße an mehreren Stellen möglich ist. Erfindungsgemäß ist die Einstelleinrichtung an zumindest einem der folgenden Orte vorgesehen: Schmelzwanne, Läuterkammer, Läutertiegel, Steigrohr, waagerechte Läuterkammer, Fallrohr, Konditionierungsteil, Homogenisierungssystem, Speiser oder Einrichtung für die Heißformgebung.Just like the position of the measuring device the position of the adjusting device is variable, so that it is spatially large of the controlled system, the manipulated variable can be coupled in at several points. According to the invention Setting device provided at at least one of the following locations: Melting tank, refining chamber, refining crucible, Riser pipe, horizontal refining chamber, Downpipe, conditioning part, homogenization system, feeder or facility for the hot forming.
Die bisher beschriebene Regelung detektiert die Stellgrößen mittelbar aus Abweichungen der Soll- von den Istwerten. Davon unabhängig sieht die Erfindung eine weitere Kontrollmöglichkeit für die Stellgrößen vor, indem in einer dritten Erfassungseinrichtung zumindest eine der folgenden Stellgrößen direkt erfasst werden kann:
- – Wasserzugabemenge in das Gemenge
- – Wassereindüsungsmenge in die Oberofenatmosphäre
- – Oxidationsmittelzumischungsmenge für fossile Brennstoffe
- – Volumenstrom durch die Blasdüsen
- – Verhältnis zwischen Brennstoff und Oxidationsmittel
- – Position und/oder Taktzahl und/oder Pausenzeiten und/oder Stoffmenge pro Takt der Einlegemaschine
- – Volumenstrom und/oder Zusammensetzung der Eindüsung oberflächenaktiver Substanzen
- – Leistungsdichte im Schaum
- – Durchsatz des Glases
- – Saugleistung der Pumpen
- – Leckraten
- – Höhe der Läuterbank
- – Heizleistung
- – Druck und/oder Volumenstrom des Schutzgases
- – Rührerdrehzahl
- – Gaszusammensetzung an der glasabgewandten Oberfläche von Edelmetallbauteilen.
- - amount of water added to the batch
- - amount of water injected into the upper furnace atmosphere
- - Amount of oxidizing agent for fossil fuels
- - Volume flow through the blow nozzles
- - Relationship between fuel and oxidant
- - Position and / or number of cycles and / or break times and / or quantity of material per cycle of the loading machine
- - Volume flow and / or composition of the injection of surface-active substances
- - Power density in the foam
- - Throughput of the glass
- - Pump suction power
- - leakage rates
- - Height of the refining bench
- - Heating capacity
- - Pressure and / or volume flow of the protective gas
- - stirrer speed
- - Gas composition on the surface of precious metal components facing away from the glass.
In zumindest einer zweiten Verarbeitungseinrichtung kann zumindest eine der Stellgrößen verarbeitet werden. Damit wird ein Vergleich mit korrespondierenden Werten, z.B. an anderen Messorten möglich, und die Stellgröße selbst kann somit abgeglichen werden.In at least one second processing device at least one of the manipulated variables can be processed. This makes a comparison with corresponding values, e.g. on other measuring locations possible, and the manipulated variable itself can thus be compared.
In zumindest einer zweiten Ausgabeeinrichtung kann zumindest eine der Stellgrößen ausgegeben werden. Analog zu der ersten Ausgabeeinrichtung zur Ausgabe einer Prozessgröße ist so die Möglichkeit für das Weiterleiten des Signals und für eine Abfrage des weitergeleiteten Signals gegeben, so dass eine Kontrolle der Regelung vorgenommen werden kann.In at least one second output device at least one of the manipulated variables can be output. This is analogous to the first output device for outputting a process variable the possibility for the Forward the signal and for given a query of the forwarded signal, so that a Control of the scheme can be made.
Die Regelvorrichtung umfasst des weiteren eine Kompensationseinrichtung, welche den Einfluss von Störgrößen wie insbesondere Tag-/Nachtschwankungen, Luftdruckschwankungen, Luftfeuchteschwankungen auf die Stellgrößen und/oder Regelgrößen kompensieren kann. Damit sieht die Erfindung eine besonders einfache Möglichkeit zum Entlasten der Regelvorrichtung vor, indem Störgrößen aus der Umgebung herausgefiltert werden. Die Regelung muss also nicht auf derartige ungewisse, schwierig zu kalkulierende Schwankungen ausgelegt sein. Daher bietet die Erfindung die Möglichkeit für eine feinere Abstimmung der Regelung, die demzufolge genauer ist.The control device further comprises a compensation device which can compensate for the influence of disturbance variables such as, in particular, day / night fluctuations, fluctuations in air pressure, fluctuations in air humidity on the manipulated variables and / or controlled variables. The invention thus provides a particularly simple way of relieving the pressure on the control device by filtering out disturbance variables from the environment. The regulation therefore does not have to be designed for such uncertain, difficult to calculate fluctuations. Therefore, the invention offers the possibility for a finer tuning of the scheme that the according to is more precise.
Neben dem Erfassen von Sollwerten aus dem Prozess kann der Messaufwand durch Vergabe von festen Sollwerten reduziert werden. Die Regelung kann dabei über verschiedene Parameter an unterschiedliche Strategien angepasst werden, ohne dass die Regelvorrichtung selbst in ihrem Aufbau verändert werden muss. Dafür sieht die Erfindung in besonders einfacher Weise eine Archivierungseinrichtung vor, welche die Sollwerte für Regelgrößen und/oder Parameter der Regeleinrichtung archivieren kann. Diese gespeicherten Sollwerte werden ebenfalls mit Istwerten über die verschiedenen Regelkreisebenen hinweg verknüpft, so dass sie in gleicher Weise wie die erfassten Sollwerte in der Regelvorrichtung verarbeitet werden können.In addition to capturing setpoints The measurement effort can be removed from the process by assigning fixed setpoints be reduced. The control can be done using various parameters can be adapted to different strategies without the control device changed even in its structure must become. Therefore the invention sees an archiving device in a particularly simple manner which the setpoints for Controlled variables and / or Can archive parameters of the control device. This saved Setpoints are also compared with actual values across the various control loop levels linked away, so that it works in the same way as the recorded setpoints in the Control device can be processed.
Mittels einer Eingabeeinrichtung kann das aktuelle Produktionsziel eingegeben werden. Dieses Erfassen der unmittelbaren Zielgröße ermöglicht zum einen eine Auswertung im Hinblick auf die tatsächliche Realisierung des angedachten Regelziels durch einen Vergleich des eingegebenen aktuellen Produktionsziels mit dem Ergebnis der Produktion und damit ggfs. eine Anpassung der Regelung, falls Abweichungen vorliegen. Zum anderen können verschieden Prozessziele ausgewählt werden, so dass die Regelung variabel auf verschiedene Anforderungen eingestellt werden kann, ohne die Regelvorrichtung oder das zugrundeliegende Verfahren selbst ändern zu müssen.Using an input device the current production target can be entered. This grasping the immediate target size enables an evaluation with regard to the actual implementation of the proposed Control target by comparing the entered current production target with the result of the production and thus an adjustment of the Regulation if there are deviations. On the other hand, can be different Process goals selected be so that the scheme is variable to different requirements can be set without the control device or the underlying Change procedure yourself to have to.
In dieser Hinsicht bietet die Erfindung den großen Vorteil, zielorientierte Werte fest speichern zu können, indem die Archivierungseinrichtung die Sollwerte für die Regelgrößen und/oder die Parameter der Regeleinrichtungen entsprechend des aktuellen Produktionsziels archivieren kann.In this regard, the invention offers the big one The advantage of being able to save target-oriented values permanently by the archiving device the target values for the controlled variables and / or the parameters of the control devices according to the current Can archive the production target.
Weil die erfindungsgemäße Regelvorrichtung, wie oben beschrieben, äußerst variabel einsetzbar ist, kann die Regelung in verschiedenen Ausführungen der Anlage eingesetzt werden, zum Beispiel in einer Vorrichtung zum Schmelzen und/oder Läutern, in einem Unterdruckschmelz- und/oder -läuteraggregat in einer hochfrequenzbeheizbaren Schmelz- und/oder Läuteranlage oder in einer direkt elektrisch beheizbaren Schmelz- und/oder Läuteranlage.Because the control device according to the invention, as described above, extremely variable can be used, the control can be implemented in different versions the system can be used, for example in a device for melting and / or refining, in a vacuum melting and / or purification unit in a high-frequency heatable Melting and / or Läuteranlage or in a directly electrically heatable melting and / or refining plant.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient nicht nur, wie oben beschrieben, der Ausführung des erfindungsgemäßen Regelkonzepts in der Regelvorrichtung, sondern auch der Bewertung der Regelbarkeit und des Regelverhaltens der Produktionsanlage sowie ihrer Stabilität bereits in der Designphase der Anlage. Dies wird dadurch erreicht, dass das Betriebsverhalten der Anlage zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas durch Simulationsrechnungen ermittelt und/oder simuliert wird. Durch das Erstellen eines Simulationsmodells der realen Produktionsanlage kann dann durch Analyse der Simulationsrechnungen das Regelverhalten einzelner Komponenten und/oder des gesamten Systems in einfacher Weise abgeleitet werden. Somit bietet die Erfindung die Möglichkeit, die Regelung bereits im voraus auf die Realität des Prozesses abzustimmen.The method according to the invention not only serves as described above, the execution of the control concept according to the invention in the control device, but also the assessment of controllability and the control behavior of the production plant and its stability in the design phase of the plant. This is achieved in that the operating behavior of the plant for melting and / or refining Glass is determined and / or simulated by simulation calculations. By creating a simulation model of the real production plant can then control behavior by analyzing the simulation calculations individual components and / or the entire system in simple Way are derived. The invention thus offers the possibility of Align the regulation in advance with the reality of the process.
Das Ergebnis der Simulation kann dabei zum Bestimmen des Regelverhaltens zumindest einer Prozessebene herangezogen werden. Gegenüber dem rein empirischen Vorgehen des Abstimmens der Regelung kann auf diese Weise eine zuverlässige Abstimmung mit deutlich weniger Iterationsschritten zum Anpassen der Parameter vorgenommen werden. Abweichungen von vorgegebenen Sollwerten können frühzeitig erkannt und entsprechend des Abweichungsgrades nach glas- und/oder prozessabhängigen Gewichtungsvorschriften gegengesteuert werden (statistische Prozesskontrolle).The result of the simulation can to determine the control behavior of at least one process level be used. Across from The purely empirical procedure of coordinating the regulation can be based on this way a reliable Alignment with significantly fewer iteration steps to adjust the Parameters are made. Deviations from specified target values can early recognized and according to the degree of deviation according to glass and / or process-dependent Weighting regulations are counteracted (statistical process control).
Eine derartige Abstimmung kann erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise besonders schnell geschehen, indem für zumindest eine Prozessebene aus dem Ergebnis der Simulation zum Bestimmen des Regelverhaltens ein Modell zur Regelung in Echtzeit abgeleitet wird.Such coordination can be advantageous according to the invention Way done particularly quickly by at least one process level from the result of the simulation to determine the control behavior a real-time control model is derived.
Um die Möglichkeit zum schnellen Abstimmen mit deutlich weniger Iterationsschritten für das erfindungsgemäße Verfahren umfangreich zu nutzen, sieht die Erfindung weitere Möglichkeiten vor: so kann das Ergebnis der Simulation zum Bestimmen des Regelverhaltens der gesamten Anlage zum Schmelzen und/oder Läutern von Glas herangezogen werden. Gleichzeitig ist jedoch auch die Möglichkeit gegeben, zum Ermitteln der zumindest einen Stellgröße aus zumindest einem Sollwert und zumindest einem Istwert eine empirisch entwickelte Vorschrift anzuwenden. In vorteilhafter Weise wird die Stellgröße in dem erfindungsgemäßen Verfahren aus zumindest einem Sollwert und zumindest einem Istwert unter Heranziehen einer auf einem phänomenologischen Modell basierenden Vorschrift ermittelt. Zum Ermitteln der Stellgröße kann des weiteren eine auf einem chemischen und/oder physikalischen Modell basierende Vorschrift angewendet werden. Zudem ist es möglich, eine Vorschrift anzuwenden, welche aus einer Kombination einer empirisch entwickelten Vorschrift und/oder einer auf einem phänomenologischen Modell basierenden Vorschrift und/oder einer auf einem chemischen und/oder physikalischen Modell basierenden Vorschrift entwickelt wird.To be able to vote quickly with significantly fewer iteration steps for the method according to the invention The invention sees further possibilities for extensive use before: so the result of the simulation can be used to determine the control behavior the entire plant for melting and / or refining glass become. At the same time, however, there is also the possibility of determining the at least one manipulated variable from at least a setpoint and at least one actual value is empirically developed To apply the regulation. The manipulated variable is advantageously in the method according to the invention using at least one target value and at least one actual value one on a phenomenological Model-based regulation determined. To determine the manipulated variable further one on a chemical and / or physical model based rule can be applied. It is also possible to have one To apply regulation, which consists of a combination of an empirical developed regulation and / or one on a phenomenological Model-based regulation and / or one based on a chemical and / or a physical model based rule becomes.
Indem in jedem Regelkreis die Parameter der Vorschriften zum Bestimmen der zumindest einen Stellgröße anhand eines Vergleichs mit den Prozessdaten an die momentanen Gegebenheiten angepasst werden, wird auf einfache Weise der Vorteil geschaffen, dass die Regelung variabel auf die momentanen Gegebenheiten reagiert.By setting the parameters in each control loop the regulations for determining the at least one manipulated variable based on a comparison with the process data to the current situation adjusted, the advantage is created in a simple manner, that the control reacts variably to the current situation.
Die für den Vergleich herangezogenen Prozessdaten können aus der laufenden Produktion abgeleitet werden. Damit kann die Regelung mit einem Prozessleitsystem gekoppelt werden; dies ist besonders vorteilhaft, da die erforderlichen Daten in dem Prozessleitsystem bereits zur Verfügung stehen. Die erfindungsgemäße Regelung ist jedoch nicht auf das Vorhandensein eines Prozessleitsystems angewiesen: die für den Vergleich herangezogenen Prozessdaten können auch in Experimenten ermittelt werden.The process data used for the comparison can be derived from the current production. The control can thus be coupled with a process control system; this is particularly advantageous since the necessary data are already available in the process control system. However, the control according to the invention is not dependent on the presence of a process control system: those for the Ver Process data used immediately can also be determined in experiments.
In der bisherigen Beschreibung wurde der Fall betrachtet, dass die erfindungsgemäße Regelvorrichtung bzw. das Verfahren für die Regelung der Glasqualität bei einem vorgegebenen Prozessziel eingesetzt wird. Die Erfindung bietet darüber hinaus jedoch die Möglichkeit, neben der Glasqualität den Wechsel der Produktionsparameter zu regeln. Auf diese Weise kann mit der Erfindung auch ein zuverlässiger Produktwechsel automatisiert durchgeführt werden.In the previous description considered the case that the control device according to the invention or Procedure for the regulation of glass quality is used for a given process goal. The invention offers about it beyond the possibility of in addition to the glass quality regulate the change in production parameters. In this way can also automate a reliable product change with the invention carried out become.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben. Dieselben Bauteile werden auf allen Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.The invention is described below Reference to the attached Drawings described in more detail. The same components marked on all drawings with the same reference numerals.
Es zeigen:Show it:
Aus
In
Die von der Messeinrichtung
Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung
Die Regelvorrichtung
In der Regelvorrichtung werden also
auf unterschiedliche Weise, je nach den jeweiligen Anforderungen,
Stellgrößen aus
erfassten und/oder archivierten Sollwerten bzw. Istwerten ermittelt.
Die Stellgrößen werden
mit Hilfe einer Einstelleinrichtung
Die erfindungsgemäße Regelung kann in unterschiedlichen Prozessen eingesetzt werden. Im Folgenden werden wichtige Gesichtspunkte einer erfindungsgemäßen Prozessführung dargestellt, bevor im Einzelnen auf verschiedene Ausführungsbeispiele eingegangen wird.The regulation according to the invention can be carried out in different ways Processes are used. The following are important points of view represented a process control according to the invention, before going into detail on various exemplary embodiments becomes.
Bereits bei der Konzipierung einer Unterdruckläuteranlage muss bewertet werden, in welchem Umfang eine deutliche Absenkung des Restgasgehaltes zusätzlich zur Beseitigung der Blasen erreicht werden soll. Ist eine stärkere Verringerung des Restgasgehaltes gewünscht, wird man bevorzugt eine Trennung der Prozessschritte anstreben. Als generelle Leitlinie dient die Vorstellung, dass die Glasschmelze möglichst nicht in Schaum oder Vorstufen davon umgewandelt werden darf. Ansonsten ist die Rückführung von Schaum in eine homogene Schmelze sehr zeitaufwendig. Auch die Glasbadoberfläche sollte möglichst wenig von Schaum bedeckt sein, um den Gasaustausch an der Glasbadoberfläche zu erleichtern. Des weiteren ist zu beachten, dass der niedrigste einzustellende Atmosphärendruck durch den Dampfdruck der flüchtigsten Glaskomponente bestimmt wird. Im allgemeinen wird man daher den Druck bei ca. 1500°C beispielsweise nicht wesentlich unter 100 mbar absenken.Already when designing one Unterdruckläuteranlage must be assessed to what extent a significant reduction of the residual gas content additionally to eliminate the bubbles. Is a bigger reduction the residual gas content, one will prefer to separate the process steps. The general guideline is the idea that the glass melt preferably must not be converted into foam or precursors. Otherwise is the repatriation of Foam into a homogeneous melt is very time consuming. The glass bath surface should also preferably be little covered with foam to facilitate gas exchange on the glass bath surface. It should also be noted that the lowest to be set atmospheric pressure by the vapor pressure of the most volatile Glass component is determined. In general, therefore Pressure at approx. 1500 ° C for example, do not drop significantly below 100 mbar.
Einer der wichtigsten Auslegungsparameter ist die Druck-Zeitkurve p(t), die von einem Volumenelement der Glasschmelze durchlaufen wird. Die Zeit t zum Erreichen des Restdruckes pR auf einer Druckabsenkstrecke l ist bei einem Durchsatz m . einer Querschnittsfläche A und der Dichte ρ der Schmelze gegeben durch One of the most important design parameters is the pressure-time curve p (t), which is traversed by a volume element of the glass melt. The time t to reach the residual pressure p R on a pressure reduction section l is m at a throughput. a cross-sectional area A and the density ρ of the melt given by
In dieser Zeit wird der Luftdruck vom Atmosphärendruck pA auf den Restdruck pR abgesenkt.During this time, the air pressure is reduced from the atmospheric pressure p A to the residual pressure p R.
Die Druck-Zeitkurve ist so einzustellen, dass auf dem Weg zum Restdruck kein Schaum im Volumen des Zuleitungsrohres entsteht. Dazu müssen bei vorgegebenen Massendurchsatz m . die Länge der Druckabsenkstrecke l und/oder die Querschnittsfläche A vergrößert werden. Darüber hinaus muss in dem Aggregatteil, der zur Blasenbeseitigung dient, dafür Sorge getragen werden, dass keine neuen Blasen erzeugt werden, sondern nur noch die vorhandenen Blasen vergrößert werden und diese leicht aus der Schmelze entweichen können.The pressure-time curve is to be set so that on the way to the residual pressure there is no foam in the volume of the supply pipe arises. To do this at a given mass flow rate m. the length of the pressure reduction section l and / or the cross-sectional area A can be enlarged. About that In addition, in the unit part that serves to remove bubbles, make sure that no new bubbles are created, but only the existing bubbles are enlarged and these slightly can escape from the melt.
Am Eintritt des Glases in ein Läuteraggregat, insbesondere in ein Unterdruckläuteraggregat sollten folgende Zustandsgrößen gemessen werden oder bekannt sein:
- – Volumendichte der Blasen
- – Größenverteilung der Blasen
- – Zusammensetzung der Blasen
- – Konzentration bzw. Partialdrücke der in der Schmelze gelösten Gase
- – Konzentration des Läutermittels
- – Temperatur des Glases
- – Viskosität des Glases
- – Durchsatz
- – zeitlicher Verlauf des Druckabfalls.
- - Volume density of the bubbles
- - Size distribution of the bubbles
- - composition of the bubbles
- - Concentration or partial pressures of the gases dissolved in the melt
- - concentration of the refining agent
- - temperature of the glass
- - viscosity of the glass
- - throughput
- - Time course of the pressure drop.
Beim Eintritt in eine Unterdruckläuteranlage muss die Blasendichte innerhalb bestimmter Bereiche liegen: ist die Blasendichte zu hoch, besteht die Gefahr der Schaumbildung im Steigrohr. Andererseits darf die Blasendichte nicht zu gering sein, da sonst keine nennenswerte Entgasung erreicht werden kann.When entering a vacuum cleaning system the bubble density must be within certain ranges: is the bubble density is too high, there is a risk of foam formation in the Riser. On the other hand, the bubble density must not be too low, otherwise no significant degassing can be achieved.
Beim Durchlaufen des Glases durch ein Unterdruckläuteraggregat verringert sich im Laufe der Zeit der Umgebungsdruck auf den eingestellten Restdruck (Vakuum), wobei die in der Schmelze vorhandenen Blasen stark aufgebläht werden können. Die Blasenvergrößerung f als Verhältnis des Anfangsradius rA zum Endradius rR beim Restdruck pR ist gegeben durch die durch die isotherme Vergrößerung und durch die im allgemeinen wesentlich wichtigere Vergrößerung fDiff >> fBM durch Diffusion von Gasen aus der Schmelze. Je nach Betrag der oben eingeführten Variablen, insbesondere aber bei zu hoher Blasendichte und Temperatur bzw. bei niedriger Viskosität, kann die Blasenvergrößerung so stark sein, dass die Schmelze in eine schaumartige Struktur umgewandelt werden kann. Außerdem wird durch eine geringe Viskosität die Blasenneubildung erleichtert. Dieser im allgemeinen unerwünschte Zustand kann bei einer gegebenen Aggregatform dadurch kontrolliert werden, dass man den Durchsatz oder die Glastemperatur absenkt.When the glass passes through a vacuum unit, over time the ambient pressure decreases to the set residual pressure (vacuum), whereby the bubbles present in the melt can be greatly inflated. The bubble enlargement f as a ratio of the starting radius r A to the ending radius r R at the residual pressure p R is given by by the isothermal enlargement and by the generally more important magnification f Diff >> f BM by diffusion of gases from the melt. Depending on the amount of the variables introduced above, but in particular if the bubble density and temperature are too high or the viscosity is low, the bubble enlargement can be so strong that the melt can be converted into a foam-like structure. Low viscosity also makes it easier to form new bubbles. This generally undesirable state can be controlled for a given form of aggregate by lowering the throughput or the glass transition temperature.
Im Unterdruckläuteraggregat müssen folgende Größen gemessen werden oder bekannt sein:
- – Restdruck der Atmosphäre
- – Glasbadtiefe
- – Schaumhöhe
- – Temperatur des Glases
- – Viskosität des Glases
- – Rate verdampfender Glasbestandteile.
- - residual pressure of the atmosphere
- - glass bath depth
- - foam height
- - temperature of the glass
- - viscosity of the glass
- - Rate of evaporating glass components.
Da je nach Glasart, Temperatur und Unterdruck nur eine begrenzte Anzahl von Blasen die Glasbadoberfläche hinreichend schnell verlassen kann, kann sich Schaum bilden. Insbesondere der Prozess zur Reduzierung des Gasgehaltes muss so geregelt werden, dass die Schaumentstehungsrate und die Schaumvernichtungsrate zu möglichst geringen und stabilen Schaumhöhen führt. Zum beschleunigten Schaumabbau kann eine zusätzliche Erhitzung des Schaums nützlich sein. Dies führt wegen der Viskositätserniedrigung zu einem beschleunigten Ablaufen des Glases an die Glasbadoberfläche zurück, sowie zu einer erhöhten Verdampfung der dünnen Glasfilme, was deren Aufplatzen fördert. Zusätzlich können andere Stoffe zur weiteren Erhöhung der Verdampfung – verbunden mit einer Erhöhung der Oberflächenspannung – verwendet werden. Durch Sensoren können Schaumdicke, Form und Lage der Schaumbedeckung erfasst werden.Depending on the type of glass, temperature and Vacuum only a limited number of bubbles sufficient on the glass bath surface can leave quickly, foam can form. Especially the Process for reducing the gas content must be regulated that the foam generation rate and the foam destruction rate increase preferably low and stable foam heights leads. Additional heating of the foam can help accelerate foam breakdown useful his. this leads to because of the lowering of viscosity for an accelerated drainage of the glass back to the glass bath surface, as well to an elevated Evaporation of the thin Glass films, which promotes their bursting open. In addition, other substances can be used for further Increasing the Evaporation - connected with an increase the surface tension - used become. Through sensors can Foam thickness, shape and location of the foam cover are recorded.
Am Austritt des Glases aus dem Unterdruckläuteraggregat müssen folgende Größen gemessen werden oder bekannt sein:
- – Volumendichte der Blasen
- – Konzentration und/oder Partialdruck der Gase in der Glasschmelze.
- - Volume density of the bubbles
- - Concentration and / or partial pressure of the gases in the glass melt.
Diese Größen werden als Istwerte zur
Bestimmung der globalen Gütefunktion
fM herangezogen und mit dem Sollwert fM,F verglichen. Beide Größen sind wie folgt definiert:
Durch phänomenologische und/oder empirische Modelle sowie teilweise durch modellbasierte Regelungen und Kombinationen daraus wird erreicht, dass die Volumendichte der Blasen und ggfs. die Konzentration gelöster Gase am Ende des Läuteraggregats unterhalb produktspezifischer vorher festgelegter Werte verbleibt.By phenomenological and / or empirical Models and partly through model-based regulations and combinations from this it is achieved that the volume density of the bubbles and possibly. the concentration loosened Gases at the end of the refining unit remains below product-specific predetermined values.
Zur Aufnahme von Prozessdaten werden Sensoren benötigt. Dazu gehören zur Bestimmung der Gemengefeuchte Hygrometer und IR-Spektrometer, zum Messen der Temperatur Thermoelemente und Pyrometer, zum Bestimmen des Volumenstroms durch die Blasdüsen Rotameter oder massflow-controller bzw. Drucktransmitter. Die Viskosität des Glases kann mittels des schwingenden Stabes oder durch Resonanzverfahren der Firma Marimex bestimmt werden. Zum Bestimmen des Redoxpotentials des Glases kann eine Sauerstoffpartialdrucksonde eingesetzt werden, die ebenfalls den Sauerstoffpartialdruck im Abgas bestimmen kann. Für die Bestimmung des Sauerstoffpartialdruckes im Abgas kommt außerdem ein Laserspektrometer der Firma Bernd in Frage. Die Gemengelage und Gemengeform kann durch Erfassung mit einer oder mehreren Kameras mit angeschlossener Bildauswertung (beispielsweise durch ein System des Unternehmens STG, Cottbus) bestimmt werden. Mittels eines Stabzuges mit Bildauswertung kann die Blasenzahl des Glases ermittelt werden. Der Glasstand kann mit einer Platinkontaktorgelpfeife mittels eines Lasers über einen elektrischen Kontakt oder radioaktiv bestimmt werden. Die Schaumhöhe kann ebenfalls über eine Platinkontaktorgelpfeife sowie mittels einer CCD-Kamera bestimmt werden. Die Form und die Lage des Schaums werden in gleicher Weise wie die Form und die Lage des Gemenges bestimmt. Der Durchsatz des Glases ergibt sich aus einem Integral aus der Einlage oder dem Glasabfluss. Zum Messen des Unterdrucks kann eine Druckmessdose mit Messumformer eingesetzt werden.To record process data Sensors needed. This includes for determining the hygrometer and IR spectrometer, for measuring the temperature thermocouples and pyrometers, for determining of the volume flow through the Rotameter or massflow controller or pressure transmitter. The viscosity of the glass can be determined using the vibrating rod or by resonance process from Marimex be determined. To determine the redox potential of the glass an oxygen partial pressure probe can also be used can determine the partial pressure of oxygen in the exhaust gas. For the determination of the oxygen partial pressure in the exhaust gas also comes a laser spectrometer the company Bernd in question. The batch location and batch form can be by Acquisition with one or more cameras with connected image evaluation (for example using a system from STG, Cottbus) be determined. Using a rod train with image evaluation the number of bubbles in the glass can be determined. The glass stand can with a platinum contact organ pipe using a laser over a electrical contact or radioactive. The foam height can also about determined a platinum contact organ pipe and using a CCD camera become. The shape and location of the foam are the same as determines the shape and location of the batch. The throughput of the glass results from an integral of the insert or the glass drain. A pressure transducer with transmitter can be used to measure the negative pressure be used.
Die Heizleistung lässt sich über einen Messwandler für elektrische Größen, insbesondere die Spannung, den Strom, die Leistung oder die Frequenz messen. Druck und Volumenstrom des Schutzgases lassen sich über einen Drucktransmitter oder massflow-controller bestimmen. Die Rührerdrehzahl kann mittels eines Drehzahlmessers ermittelt werden.The heating output can be controlled via a Transducer for electrical quantities, in particular measure the voltage, current, power or frequency. The pressure and volume flow of the protective gas can be controlled via a Determine pressure transmitter or massflow controller. The stirrer speed can be determined using a tachometer.
Auch der Sauerstoffpartialdruck an Edelmetallbauteilen muss bestimmt werden. Dieser wird mit einem an sich bekannten Sauerstoffpartialdruck-Sensor (pO2-Sensor; Messung beispielsweise durch Voltametrie)gemessen.Also the partial pressure of oxygen Precious metal components must be determined. This comes with an known oxygen partial pressure sensor (pO2 sensor; measurement measured by voltammetry, for example.
Um den Prozess stabil durchzuführen und die Anzahl der Blasen im Produkt sicher unterhalb eines bestimmten Grenzwertes zu halten, ist die Erfassung mindestens einer der in Tabelle 1 aufgeführten Eingangsgrößen für das Multiple Input Multiple Output-Modell (MIMO-Modell) erforderlich Die in Tabelle 1 verwendete Abkürzung SW bedeutet Schmelzwanne. Mit der Abkürzung LW wird der Begriff Läuterwanne abgekürzt. UD bedeutet Unterdruckaggregat, mit LK ist der Begriff Läuterkammer gemeint. Das Redoxverhältnis gibt die Konzentration an dreiwertigen und/oder fünfwertigen Ionen, insbesondere an dreiwertigen und/oder fünfwertigen Ionen aus Läuterhilfsmitteln wie beispielsweise Arsen und Antimon, im Verhältnis zur Konzentration an Sauerstoff an. Unter dem Begriff Stabzug wird eine Vorrichtung verstanden, die das Herstellen von Glasstäben durch Ziehen aus der Schmelze ermöglicht. Tabelle 1: Eingangsgrößen für das MIMO-Modell und Sensoren zu ihrer Messung. In order to carry out the process in a stable manner and to keep the number of bubbles in the product safely below a certain limit value, at least one of the input variables listed in Table 1 for the multiple input multiple output model (MIMO model) is required. The one used in Table 1 Abbreviation SW means melting furnace. With the abbreviation LW the term lauter tun is abbreviated. UD means vacuum unit, with LK the term refining chamber is meant. The redox ratio indicates the concentration of trivalent and / or pentavalent ions, in particular trivalent and / or pentavalent ions from refining aids such as arsenic and antimony, in relation to the concentration of oxygen. The term rod pull is understood to mean a device which enables the production of glass rods by pulling them out of the melt. Table 1: Input variables for the MIMO model and sensors for their measurement.
Die Regelung soll mindestens auf eine der in Tabelle 2 aufgeführten Größen wirken. Tabelle 2: Regelgrößen und korrespondierende Stellglieder mit Erläuterung der Stellgröße The regulation should affect at least one of the variables listed in Table 2. Table 2: Controlled variables and corresponding actuators with an explanation of the manipulated variable
Die in Tabelle 2 verwendete Abkürzung SAR bedeutet Schmelzaggregat, mit der Abkürzung EZH wird eine elektrische Zusatzbeheizung bezeichnet. Unter dem Begriff Speiser wird eine Vorrichtung verstanden, welche sich in Durchlaufrichtung des Glases am Ende der Schmelz- beziehungsweise Läuterwanne befindet. Der Speiser umfaßt eine äußere Begrenzung, welche als Zylinder ausgebildet sein kann. Innerhalb des Speisers kann das Glas durch eine Speisernadel aus der Schmelzbeziehungsweise Läuterwanne gefördert werden. Die Speisereinstellungen umfassen im wesentlichen die Einstellung der Temperatur und des Hubs der Speisernadel.The abbreviation SAR used in Table 2 means melting unit, with the abbreviation EZH is an electrical Additional heating designated. Under the term feeder one Device understood, which is in the direction of the glass located at the end of the melting or refining tank. The feeder comprises an external limitation, which can be designed as a cylinder. Inside the feeder the glass can be melted through a feeder needle refining tank promoted become. The feeder settings essentially include the setting the temperature and the stroke of the feeder needle.
Die Regelkreisverknüpfung erfolgt
mindestens mit einer der folgenden Strategien:
PID, Fuzzy,
neuronale Netze, adaptive Regelungen und modellbasierte Regelungsstrategien
wie insbesondere MIMO-Regelung.The control loop is linked using at least one of the following strategies:
PID, fuzzy, neural networks, adaptive controls and model-based control strategies such as MIMO control in particular.
Anhand der folgenden Ausführungsbeispiele wird der Einsatz der erfindungsgemäßen Regelung für die Regelung des Blasenwachstums, die Regelung der Entgasung, die Regelung des Glasstandes und des Ofendrucks in einem Unterdruckläuteraggregat, die Regelung der Schaumhöhe und -struktur, und die Regelung der Blasenzahl beschrieben.Using the following examples the use of the regulation according to the invention for the regulation of bubble growth, the regulation of degassing, the regulation of Glass level and furnace pressure in a vacuum unit, the regulation of the foam height and structure, and the regulation of the number of bubbles described.
Ziel bei der Regelung des Blasenwachstums ist es, alle Blasen zu entfernen. Dazu müssen die Blasen eine hinreichend hohe Auftriebsgeschwindigkeit relativ zur umgebenden Glasschmelze erhalten. Die Auftriebsgeschwindigkeit ist gegeben durch Gleichung 1. Durch Erhöhung der Temperatur steigt der Partialdruck eines Gases in der Schmelze, das aus einem der Glasschmelze zugesetzten Läutermittel freigesetzt werden kann. Ferner wird die Viskosität der Schmelze bei einer Temperaturerhöhung herabgesetzt. Wegen des Partialdruckunterschiedes diffundiert das Läutergas in vorhandene Blasen ein. Dadurch wird deren Durchmesser vergrößert, was gemäß dem Stokesschen Gesetz (Gleichung 1) zu einer erhöhten Blasenaufstiegsgeschwindigkeit führt.The goal in controlling bladder growth is to remove all the blisters. To do this, the bubbles get a sufficiently high buoyancy speed relative to the surrounding glass melt. The rate of buoyancy is given by equation 1. Increasing the temperature increases the partial pressure of a gas in the melt, which can be released from a refining agent added to the glass melt. Furthermore, the viscosity of the melt is reduced when the temperature rises. Because of the difference in partial pressure, the refining gas diffuses into existing bubbles. This increases their diameter, which leads to an increased bubble ascent rate according to Stokes law (equation 1).
Das Gleiche lässt sich erreichen, wenn man statt oder in Ergänzung zu einer Temperaturveränderung den atmosphärischen Restdruck in dem Läuteraggregat absenkt. Dadurch wird der totale Druck und auch die Partialdrucke der darin enthaltenen Gase herabgesetzt, was wiederum wegen des Druckunterschieds zwischen Blasen und der sie umgebenden Schmelze zu einer Blasenvergrößerung führt.The same can be achieved if you instead of or in addition to a change in temperature atmospheric Residual pressure in the refining unit lowers. This is the total pressure and also the partial pressures of the gases contained therein, which in turn because of the Difference in pressure between bubbles and the surrounding melt leads to an enlarged bladder.
Die Blasenwachstumsgeschwindigkeit kann als Funktion der Temperatur und/oder des atmosphärischen Restdrucks gemessen bzw. aus den Stoffdaten, insbesondere der Löslichkeit, dem Diffusionskoeffizienten und den Konzentrationen berechnet werden.The bubble growth rate can be a function of temperature and / or atmospheric Residual pressure measured or from the substance data, in particular the solubility, the diffusion coefficient and the concentrations are calculated.
In
Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit vs ist bei bekanntem Rohrquerschnitt A und einem Volumenstrom dV/dt unter Annahme einer Kolbenströmung gegeben durch With a known pipe cross section A and a volume flow dV / dt, the mean flow velocity vs is given by assuming a piston flow
Nach dem Durchlaufen der vertikalen
Strecke der Höhe
h müssen
die Blasen so groß geworden
sein, dass sie auf der horizontalen Strecke L mit der Glashöhe d aufgrund
ihres Auftriebs sicher die Schmelze verlassen können (vergleiche
Im Zusammenhang mit dem Blasenwachstum ist zu beachten, dass zur Durchführung der Läuterung das Blasenwachstum innerhalb bestimmter Grenzen gehalten werden muss. Ist das Blasenwachstum zu klein, können wegen der zu geringen Auftriebsgeschwindigkeit nicht genügend viele Blasen aus der Schmelze entfernt werden. Ist das Blasenwachstum dagegen zu groß, besteht die Gefahr, dass der Anteil der Blasen pro Volumeneinheit der Schmelze zu groß wird. Dadurch verringert sich die effektive Dichte der Schmelze zu sehr, was zu einer unerwünschten Beeinflussung der Konvektionsströmung im Einschmelz- und Läuterbereich, sowie zum Abriss der Glassäule im Unterdruckteil führen kann.Related to bladder growth it should be noted that to carry out the purification that Bubble growth must be kept within certain limits. If the bubble growth is too small, it may be too small because of the Buoyancy speed not enough bubbles from the melt be removed. If the bubble growth is too large, however, there is the risk that the proportion of bubbles per unit volume of the melt gets too big. This reduces the effective density of the melt too much, which to an undesirable Influencing the convection flow in the melting and refining area, as well as to tear off the glass column lead in the vacuum part can.
Ein zu hoher Blasenanteil pro Volumeneinheit der Schmelze führt zu einer Umkehrung des Anteils von Glas zu Gas in dem Sinne, dass Schaum in unterschiedlichsten Ausprägungsformen entstehen kann. Dies ist ein unerwünschter Betriebszustand, da die Rückführung von Schaum in Glas sehr zeitaufwendig ist, und die Schaummenge nur mit Hilfe von physikalischen oder chemischen Methoden wieder reduziert werden kann. Insbesondere kommen dabei das Erhitzen zum Erhöhen der Verdampfung oder die Injektion von oberflächenspannungserhöhenden Substanzen in Frage. Die Schaumbildung wird außerdem negativ beeinflusst, wenn durch zu geringen Restdruck eine Blasenneubildung einsetzt.A too high proportion of bubbles per unit volume the melt leads to a reversal of the share of glass to gas in the sense that Foam can arise in a wide variety of forms. This is an undesirable one Operating state since the return of Foam in glass is very time consuming, and the amount of foam only with Reduced again with the help of physical or chemical methods can be. In particular, the heating comes to increase the Evaporation or the injection of substances that increase surface tension in question. Foaming is also negatively affected, if the formation of new bubbles starts due to insufficient residual pressure.
Als Hauptstellgrößen zur Beeinflussung der Blasendichte nach dem Läuteraggregat stehen folgende Größen zur Verfügung: die Länge L der Läuterstrecke bei fester Querschnittfläche, der Volumenstrom des Glases dV/dt und der atmosphärische Restdruck im Läuteraggregat. Darüber hinaus kann das Blasenwachstum und die Auftriebsgeschwindigkeit der Blasen durch Zugabe von Läutermittel sowie durch Einstellung der Temperatur geregelt werden. Des weiteren ist es zur Regelung des Blasenwachstums erforderlich, die Größenverteilung und die Volumendichte der eintretenden Blasen sowie den Gehalt der in der Schmelze gelösten Gase wenigstens näherungsweise zu untersuchen.As main parameters for influencing the bubble density after the refining aggregate the following sizes are available available: the length L of the refining line with a fixed cross-sectional area, the volume flow of the glass dV / dt and the atmospheric residual pressure in the refining unit. About that In addition, the bubble growth and rate of buoyancy the bubbles by adding refining agent as well as by adjusting the temperature. Furthermore it is necessary to regulate the bubble growth, the size distribution and the volume density of the incoming bubbles as well as the content of the dissolved in the melt At least approximately gases to investigate.
Neben der Beseitigung der Blasen sollte der Anteil der in der Schmelze gelösten Gase signifikant reduziert werden. Dazu dient die Regelung der Entgasung. Der Massenstrom dm/dt zwischen den in der Schmelze vorhandenen Blasen und ihrer Umgebung ist proportional zu Darin bezeichnet rB den mittleren Blasenradius, NB die Blasendichte, Di(T) den Diffusionskoeffizienten, Δpi den Partialdruckunterschied zwischen Blasen und umgebender Schmelze für die Gasart i und Δt die Dauer der Einwirkung.In addition to eliminating the bubbles, the proportion of gases dissolved in the melt should be significantly reduced. The degassing control serves this purpose. The mass flow dm / dt between the bubbles present in the melt and their surroundings is proportional to Therein, r B denotes the mean bubble radius, N B the bubble density, D i (T) the diffusion coefficient, Δp i the partial pressure difference between bubbles and the surrounding melt for the gas type i and Δt the duration of exposure.
Man erkennt in Gleichung 13, dass die extrahierte Gasmenge Δm um so höher wird, je länger der Prozess dauert, je höher die innere Austauschfläche der Blasen (Blasendichte und -oberfläche) ist, je größer der Druckunterschied und je höher die Temperatur ist, da der Diffusionskoeffizient mit wachsender Temperatur ebenfalls steigt. Dies sind damit auch die wichtigsten Stellgrößen zur Regelung der Entgasung.It can be seen in Equation 13 that the extracted amount of gas Δm the higher the longer the process takes the higher the inner exchange area the bubbles (bubble density and bubble surface), the greater the pressure difference and the higher the temperature is because the diffusion coefficient increases with Temperature also rises. These are the most important Control variables for Regulation of degassing.
Standardmäßig können allerdings die Startblasen nicht ohne weiteres beeinflusst werden. Wie für die Regelung des Blasenwachstums ist damit auch für die Regelung der Entgasung erforderlich, die Größenverteilung und die Volumendichte der eintretenden Blasen sowie den Gehalt der in der Schmelze gelösten Gase wenigstens näherungsweise zu kennen. Dazu werden der Schmelze, wie oben bereits erwähnt, regelmäßig Proben entnommen und der Gehalt an gelösten Gasen sowie die Blasen untersucht.By default, however, the starting bubbles can cannot be easily influenced. As for the regulation of bladder growth is also for regulation of the degassing required, the size distribution and volume density of the incoming bubbles and the content of the gases dissolved in the melt at least approximately to know. For this purpose, the melt is regularly tested, as already mentioned above taken and the content of dissolved Gases and bubbles examined.
In einer anderen Ausführungsform können allerdings die Anzahl und Größenverteilung der Startblasen beeinflusst werden: dazu wird die Temperatur im Einschmelzbereich gezielt variiert. Eine andere, davon unabhängige Möglichkeit besteht darin, vor oder an dem Eintritt des Glases in das Läuteraggregat gezielt Blasen in einer bestimmten Größenverteilung und Dichte zu erzeugen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass man durch feine Düsen gepulst Glas in Schmelze injiziert.In another embodiment can however the number and size distribution of the starting bubbles: the temperature in the Melting range varies specifically. Another, independent option consists of before or at the entry of the glass into the refining unit targeted bubbles in a certain size distribution and density produce. This can be done, for example, by fine nozzles pulsed glass injected into melt.
Eine andere Möglichkeit ist das gezielte Ausnutzen elektrochemischer Reaktionen, zum Beispiel an Platin, die aus der Literatur bekannt sind.Another option is the targeted one Exploiting electrochemical reactions, for example on platinum, that are known from the literature.
Da die Blasen dem Prozess entzogen werden, ist die Zeit für das Größenwachstum der Blasen beschränkt. Damit verbleiben als weitgehend unabhängige Stellgrößen für die Regelung der Entgasung vor allem die Startblasendichte und der mittlere Blasenradius.Because the bubbles are removed from the process is the time for the size growth the bubbles confined. This leaves largely independent control variables for the control degassing especially the starting bubble density and the average bubble radius.
Das folgende Ausführungsbeispiel beschreibt die Regelung des Glasstandes und des Ofendrucks in einem Unterdruckläuteraggregat.The following embodiment describes the Regulation of the glass level and the furnace pressure in a vacuum unit.
Die Höhe des Glasstandes in einem Unterdruckläuteraggregat mit Unterdruckteil ergibt sich aus der Dichte des Glases, der Höhe der Läuterbank und dem in der Läuterteil eingestellten atmosphärischen Restdruck.The height of the glass stand in one Unterdruckläuteraggregat with vacuum part results from the density of the glass, the height of the refining bench and that in the refining part set atmospheric Residual pressure.
Eine vorgegebene Druckdifferenz kann beispielsweise auf folgende Weise geregelt werden: als Regelgrößen für den Ofendruck in einem Unterdruckläuteraggregat können verwendet werden:A predetermined pressure difference can can be regulated in the following way, for example: as control variables for the furnace pressure in a vacuum cleaner unit can be used:
– der Absolutdruck in dem Läuteraggregat- the Absolute pressure in the refining unit
– der Differenzdruck zwischen Luftdruck und dem Druck im Läuteraggregat, oder- the Differential pressure between air pressure and the pressure in the refining unit, or
– der Glasstand im Läuteraggregat.- the Glass stand in the refining unit.
Dieses sind gleichzeitig Beispiele für Regelungen, die in einem Regler auf niedriger Ebene durchgeführt werden können.These are also examples for regulations, that can be done in a low level controller.
Gemäß
Im Gegensatz zur in
Bei der Glasstandsregelung wird,
wie in
Die Differenzdruck- oder Absolutdruckregelung kann auch bei der Regelung des Ofendrucks eingesetzt werden: für die Läuterung in Aggregaten bei Normaldruck ist der atmosphärische Druck in der Läuterkammer relevant. Dieser ergibt sich aus dem wetterabhängigen Druck der Umgebungsatmosphäre, der durch die Brenner zugeführten Gasmenge, der abgeführten Abgasmenge sowie durch die Leckrate. Gleichzeitig werden die Partialdrucke der Gase an der Ofenatmosphäre durch Einstellen eines Gleichgewichtes an zu- und abgeführter Gasmenge stabil gehalten. Die prinzipielle Ausführung der Regelung des Drucks im Ofen wird mit Differenzdruck- oder Absolutdruckreglern durchgeführt.The differential pressure or absolute pressure control can also be used to control the furnace pressure: for refining in units at normal pressure is the atmospheric pressure in the refining chamber relevant. This results from the weather-dependent pressure of the surrounding atmosphere, the fed through the burner Amount of gas discharged Exhaust gas volume and the leak rate. At the same time, the partial prints the gases in the furnace atmosphere by setting an equilibrium in the amount of gas supplied and removed kept stable. The basic execution of the regulation of pressure in the furnace is carried out with differential pressure or absolute pressure regulators.
Regelung der SchaumhöheRegulation of the foam height
Die Schaumhöhe in der Läuterkammer kann durch mechanische Sensoren, durch eine Dickenmessung mit Radionukliden oder durch Wechselwirkung mit elektromagnetischen oder akustischen Wellen erfasst werden.The foam height in the refining chamber can be determined by mechanical sensors, by measuring thickness with radionuclides or by interaction detected with electromagnetic or acoustic waves.
Durch Einbringen von chemischen Substanzen, von thermischer Energie, Druckwechsel oder mechanischer Bewegung kann die Schaumzersetzungsrate variiert werden.By introducing chemical substances, of thermal energy, pressure changes or mechanical movement the foam decomposition rate can be varied.
Zur Regelung der Blasenzahl bei der
Unterdruckläuterung
wird beispielsweise folgende Strategie angewandt: über einen
MIMO- Temperaturregler wird mittels der Heizleistung verschiedener
Brenner ein vorgegebenes Temperaturprofil gehalten. Ein davon unabhängiger Regelkreis
regelt Glasstand und Ofendruck in der Läuterkammer über Verstellungen der Höhe der Läuterbank
und der Saugleistung der Vakuumpumpe. Die Sollwerte für Glasstand,
Ofendruck sowie das einzustellende Temperaturprofil werden aus einem übergeordneten
Regelkreis bestimmt. Der übergeordnete
Regelkreis berechnet aus der aktuell gemessenen Blasenzahl und einem
entsprechenden Sollwert die Sollwerte für die untergeordneten Regelkreise,
wie dies in
Im Falle der in
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