Автоматизированная многоканальная система технологического контроля толщины ленты флоат-стекла в режиме реального времени в горячей зоне печи отжига.
|
Автоматизированная многоканальная система технологического контроля толщины ленты флоат-стекла в режиме реального времени в горячей зоне печи отжига. Волков П.В., Горюнов А.В., Лукьянов А.Ю., Тертышник А.Д. ООО НПП «Технологические электронные оптические системы» (г. Нижний Новгород) Сретинский С.В., Желнин А.Г., ООО «Эй Джи Си Флэт Гласс Клин» Щукин М.В., Голиков А.А., ОАО «Эй Джи Си Борский Стекольный Завода».
В работе подведены итоги 10-летнего опыта эксплуатации оригинальных автоматизированных многоканальных систем технологического контроля толщины ленты флоат-стекла разработанных и серийно выпускаемых в настоящее время компанией ООО НПП «ТЭОС» при поддержке ИФМ РАН, г Н. Новгород.
Введение Мировой стекольный бизнес стремительно развивается. Строители и архитекторы требуют высококачественные светопрозрачные конструкции все более сложных форм и больших размеров, что приводит к ужесточению требований к качеству полированного стекла (уменьшение технологических допусков на толщину, уменьшение разнотолщинности на больших размерах и т.д.). Кроме того, стекольная отрасль относится к энергоемким отраслям и, в свете современного быстрого роста цен на энергоносители, нуждается в активном внедрении энергосберегающих технологий. Очевидно, что повышение качества стекла, равно как и уменьшение энергозатрат, требуют внедрения систем контроля параметров технологического процесса. При производстве листового стекла по флоат технологии одним из наиболее важных параметров является толщина ленты стекла. Ее непрерывный контроль позволяет получить значительную экономию сырья и энергии, а также повысить качество стекла. При этом очевидно, что для минимизации потерь непрерывный контроль толщины флоат-стекла необходимо осуществлять в непосредственной близости от зоны формирования ленты стекла. В 1998-2000 годах в Институте физики микроструктур РАН, Нижний Новгород были созданы первые прототипы автоматизированной системы технологического контроля толщины ленты стекла, основанной на новых принципах тандемной низкокогерентной интерферометрии. Разработанные прототипы прошли промышленные испытания на Борском стекольном заводе, где и продолжают успешно работать по настоящее время. Начало реформирования академии наук привело к необходимости разделения исследовательской и производственной деятельности. В итоге группой разработчиков системы была создана start-up компания по производству систем контроля толщины стекла, получившая название Научно-производственное предприятие «Технологические электронные оптические системы» (НПП «ТЭОС»). Современный вариант системы полностью переработан в соответствии с требованиями европейских стандартов. По сравнению с ранними вариантами [1] в неё добавлен целый ряд новых возможностей, таких как база данных и дополнительная контрольная оптическая головка.
Методы измерения толщины стекла на флоат-линиях. Наиболее простым способом контроля толщины является ручной контроль на холодном конце линии. В этом случае сотрудники службы ОТК периодически (1-2 раза в час) вырезают полосу стекла и с помощью ручного механического микрометра измеряют толщину в нескольких точках поперек ленты. Недостатки такого метода очевидны. Во-первых, задержка между действиями операторов и измерением составляет 30-60 минут (с учетом времени на измерение), во-вторых, измерения не являются непрерывными. Такой метод позволяет осуществлять грубый контроль соответствия толщины стекла заданной величине. Операторы линии не имеют возможности оперативного управления толщиной, потому что обратная связь практически отсутствует. Для эффективного управления технологическим процессом необходимо иметь возможность непрерывного контроля толщины как можно ближе к зоне формирования ленты стекла, причем в нескольких точках поперек ленты стекла. На ряде западных предприятий установлены триангуляционные системы контроля толщины. В триангуляционном методе толщина образца вычисляется из расстояния между пучками света, отраженными от ближней и дальней поверхностей ленты стекла. Несмотря на простоту приведенной схемы, она обладает рядом существенных недостатков. Отраженные от разных поверхностей пучки распространяются по различным путям, следовательно, наличие турбулентности (а при высоких температурах в печи она неизбежна) ведет к появлению неконтролируемой ошибки, которая растет по мере удаления фотоприемника от ленты. Дрожание ленты и наличие клина по толщине также будет приводить к ошибке, величина которой будет расти по мере удаления от образца. Таким образом, для точных измерений необходимо обеспечить малое расстояние между приемником и лентой стекла, которое в действующих системах не превышает 30 мм. Поскольку температура в зоне измерений высока (более 500 оС), то существующие триангуляционные системы измерения в горячей зоне оснащены мощной системой водяного охлаждения и системой обдува головок для защиты от атмосферы печи отжига. Необходимость поддержания постоянного расстояния до ленты существенно усложняет оптомеханическую систему позиционирования головки. Близкое расположение дорогостоящей оптической головки к ленте приводит к её поломке в аварийных ситуациях на линии, таких как сильное коробление или обрыв ленты. В результате дорогой оказывается и сама триангуляционная система измерения толщины, и ее обслуживание. При этом работоспособность таких систем в самый ответственный период переходов с выпуска стекла одной толщины на другую вызывает многочисленные нарекания из-за больших ошибок в измерениях, так как именно во время перехода все параметры, приводящие к ошибкам триангуляционного метода, быстро изменяются и часто превышают допустимые значения. Кроме того, существующие триангуляционные системы имеют только одну измерительную оптическую головку, что не позволяет непрерывно получать информацию о поведении профиля толщины ленты стекла. В наиболее продвинутых системах головка делается с возможностью сканирования поперек. Поскольку время сканирования составляет несколько минут, то в результате получается не поперечный профиль толщины ленты стекла, а диагональный срез. Как будет показано ниже, зачастую толщина ленты периодически колеблется. Период колебаний может быть разным, в том числе сравнимым, или даже меньшим чем время поперечного скана. В этом случае результат сканирования будет сильно отличаться от реального поперечного профиля толщины. Для решения описанных выше проблем компанией ООО НПП «ТЭОС» была разработана система, основанная на инновационных методах тандемной низкокогерентной интерферометрии. Принципиальной особенностью метода является использование широкополосного источника света с малой длиной когерентности (около 20 мкм), излучение которого последовательно проходит через пару интерферометров, которую часто называют тандемом интерферметров, отсюда и название – тандемная низкокогерентная интерферометрия. При такой конфигурации на выходе всей системы интерференция может наблюдаться только в том случае, когда разности длин плеч обоих интерферометров отличаются друг от друга менее чем на длину когерентности источника, то есть выполняется условие где L1, L2 – разности длин плеч первого и второго интерферометров. Интерферировать будут две волны: первая - прошедшая короткое плечо в первом интерферометре и длинное плечо во втором, и вторая - прошедшая длинное плечо в первом интерферометре и короткое плечо во втором. В нашем случае одним из интерферометров является измеряемая лента стекла, которую можно рассматривать как интерферометр Фабри-Перо, а второй – измерительный интерферометр – размещён в оптоэлектронном измерительном блоке и снабжён возможностью контролируемого изменения разности длин плеч. Перестраивая эту разность и определяя момент появления интерференционного сигнала, можно определить оптическую толщину измеряемого объекта (ленты стекла). Оптическая связь между интерферометрами осуществляется по достаточно длинному оптическому волокну, что позволяет установить прецизионный измерительный интерферометр в благоприятных условиях вдали от места измерения.
Описание системы технологического контроля толщины ленты флоат-стекла  Блок-схема разработанной Системы приведена на рис.1. С выхода прецизионного измерительного интерферометра, находящегося внутри оптоэлектронного блока, зондирующий свет подаётся на оптоволоконный светоделитель, в котором он разводится по независимым измерительным каналам. По многожильному оптоволоконному кабелю зондирующий свет поступает на оптические головки, которые фокусируют его на ленту, а также собирают отраженный от ленты свет обратно в волокно. Далее свет возвращается в оптоэлектронный блок, где попадает на фотоприёмные устройства, независимые для каждого канала. При сканировании разности длин плеч измерительного интерферометра в момент совпадения оптической толщины стекла и разности плеч измерительного интерферометра на выходе каждого фотоприемного устройства появляется интерференционный сигнал, из которого путём цифровой обработки с помощью сигнальных процессоров извлекаются данные об оптической толщине. В результате получаем независимые измерения толщины сразу во всех каналах. При этом точность измерений во всех каналах одинакова и определяется точностью отсчётного устройства, контролирующего разность длин плеч измерительного интерферометра. В принципе, количество измерительных каналов может быть достаточно большим. Ограничения связаны только с мощностью зондирующего света, приходящейся на один канал, которая уменьшается пропорционально числу каналов. Однако, как показал опыт эксплуатации Системы на различных заводах, для восстановления поперечного профиля стекла технологам достаточно 5 каналов расположенных поперёк ленты стекла. При этом, благодаря отсутствию задержки между измерениями по различным каналам, Система выдает истинный (а не диагональный) поперечный профиль. Дополнительный, контрольный канал добавлен в последней версии Системы для контроля её работоспособности, калибровки, а также проведения ручных измерений службой ОТК. Соответствующая малогабаритная оптическая головка располагается в стойке прибора. Одно из основных преимуществ разработанной конструкции заключается в простоте конструкции оптических головок, которые не содержат движущихся и электронных компонентов. Кроме того, зондирование ленты может осуществляться с достаточно большого расстояния (расстояние до ленты стекла 1-1.5 м), что автоматически решает проблемы с защитой системы при аварийных ситуациях на линии. Наиболее удобным и целесообразным местом крепления головок является свод печи отжига, максимально приближённом к флоат-ванне для увеличения оперативности управления технологическим процессом. В результате оптические головки не нуждаются в специальном охлаждении и обслуживании. Другое важное преимущество состоит в отсутствии ошибок при измерениях стекла с клином, а также шумов, связанных с вибрациями и турбулентностью атмосферы печи. Результатом этого является надёжное, устойчивое функционирование системы на наиболее важных переходных этапах работы флоат линии, обеспечивая очень существенное сокращение времени переходов и значительную экономию на издержках производства. Для наиболее наглядного сравнения потребительских свойств триангуляционной и разработанной систем их основные технические характеристики сведены в Таблицу 1.
Таблица 1 Сравнительная таблица основных технических характеристик
Новые возможности контроля и управления флоат-процессом. Кроме информации о текущих значениях толщины ленты, полезно знать историю поведения толщины. Это помогает технологам лучше понять тонкости протекающих процессов, контролировать качество работы операторов и т.д. Для визуализации поведения толщины стекла нами была разработана база данных, устанавливаемая на промышленный компьютер. Она позволяет максимально наглядно воспроизводить ход технологического процесса за последний год. Для удобства работы операторов она также отображает границы ГОСТов на толщину стекла. Кроме того, технологи могут сами задавать собственные, внутризаводские границы допусков, при превышении которых компьютер выдаёт соответствующее предупреждение.  Пример использования базы данных приведён на рис.2, на котором отражено поведения ленты при выпуске стекла номиналом 4 мм. Из рисунка видно, что при хорошо отлаженном технологическом процессе колебания толщины ленты стекла не превышают 0.01 мм. При этом графическое выделение границ допусков позволяет операторам визуально контролировать соответствие толщины выпускаемого стекла. Черными точками на графике отмечен график измерения толщины контрольной головкой, под которой находится образец. Видно, что собственный шум системы не превышает 0.001 мм и совпадает с ее разрядностью. Однако ситуация с гладкой лентой встречается крайне редко. Как правило, толщина ленты имеет волнообразную структуру (рис.3.). Обычно это связано с биением одной или нескольких бортоформующих машин. Как показывает опыт, практически любая операция на флоат линии дает отклик в толщине.  Поскольку метод измерения, лежащий в основе системы, не чувствителен к клиновости и дрожанию ленты стекла, то система позволяет контролировать толщину в том числе во время переходов с одной толщины на другую. Такой контроль позволяет существенно сократить время перехода. На рис.4.a приведен график перехода на Борском стекольном заводе после двух лет эксплуатации системы. Видно, что время перехода составляет 10 минут. Такое малое время перехода позволяет избежать неоправданных потерь стекломассы, обеспечивает существенную экономию на издержках производства и, таким образом, значительно повышает его гибкость, позволяя выпускать наиболее востребованную на данный момент номенклатуру стекол (рис.5).   Еще одна очень важная информация, которую позволяет получить система – разнотолщинность по ширине ленты. На рис 4.b приведен очень интересный момент, когда операторы за счет бортоформующих машин уменьшают разнотолщинность. Учитывая все более ужесточающиеся требования на разнотолщинность как для автомобильных стекол, так и для стекол, применяемых в стеклопакетах, непрерывный контроль толщины способен обеспечить дополнительные преимущества в конкурентной борьбе с другими производителями стекла за счет более высокого качества выпускаемой продукции. Наибольший экономический эффект Система дает при установке ее на новой линии одновременно с запуском линии. В этом случае резко сокращается время на отладку линии, что позволяет раньше получить товарное стекло.
Заключение. В заключение кратко сформулируем возможности, которые открываются благодаря использованию разработанной Системы.
В результате срок окупаемости Системы составляет 2-6 месяцев, а при запуске Системы вместе с запуском линии сокращается до 1 месяца.
Список литературы 1. Волков П.В., Горюнов А.В., Тертышник А.Д., Автоматизированная пятиканальная система технологического контроля толщины ленты флоат-стекла в режиме реального времени в горячей зоне печи отжига // Стекло и керамика, 2006, №5, стр. 6-9.
Материал опубликован в последнем номере журнала "Стекло и Бизнес" за 2008 год |
, (1)
