前言
玻璃工業屬原材料工業，受國家宏觀經濟影響較大。目前，我國快速發展的建筑、汽車、太陽能行業對優質鋼化玻璃的需求量越來越大，促進了我國玻璃深加工產業的迅速發展。我國玻璃行業的供求格局和消費結構逐步由普通玻璃向優質鋼化玻璃過渡；由原片消費向附加值高的深加工產品過渡。按照“十一五”規劃目標，優質玻璃的比例將從目前20%左右增至40%，玻璃深加工率將從25%增至40%以上。面對行業需求變化，洛陽蘭迪玻璃機器有限公司作為國內領先的鋼化玻璃設備供應商，始終堅持開發技術先進的高品質鋼化玻璃機組，經過近十年的研發與創新，不但具有國內領先技術水平，而且滿足了國際市場的需求。為玻璃加工企業及時調整和改善行業結構，在持續擴大產能的同時，大力提高優質產品的比例、開發新的高端產品，改善低端產品產能過剩，汽車、太陽能等領域高端產品仍需進口局面提供了有力的技術保證。近年來，蘭迪公司先后開發了具有噴流式對流、3毫米鋼化、組合式鋼化等先進技術的玻璃鋼化機組，為蘭迪在鋼化玻璃領域引領行業先進技術奠定了堅實的基礎。目前，蘭迪產品可以滿足建筑、家具、家電、汽車、太陽能產業對于平彎玻璃鋼化設備的需求，產品已達數百種規格。蘭迪公司的產品不僅在國內具有較高的知名度、占據較大的市場份額，而且遠銷歐盟、美國、加拿大、俄羅斯、新加坡等數十個國家和地區。目前，蘭迪的鋼化設備已經占據了全球高端市場26%的份額，為國內外客戶帶來了相當可觀的經濟效益。這得益于其采用了穩定、可靠、極具性價比的西門子S7-300 PLC+MP 270的主控制系統。此外，依托西門子通訊模塊的以太網技術、遠程診斷功能的應用更是開業內之先河，成為新一代玻璃鋼化機組控制系統的典范。
玻璃鋼化原理
玻璃鋼化是利用物理或化學方法，在玻璃表面形成壓應力層、內部形成拉應力層；當玻璃受到外力作用時，壓應力層可將部分拉應力抵消，避免玻璃破碎，從而達到提高玻璃強度的目的。不僅如此，玻璃表面的微裂紋在這種壓應力下變得更加細微，也在一定程度上提高了玻璃的強度。目前普遍采用的物理鋼化法是將玻璃加熱到軟化點附近（650℃左右），這時玻璃仍能保持原來的形狀，但玻璃中粒子已有一定的遷移能力，進行結構調整，以使內部存在的應力很快消除，然后將玻璃進行吹風驟冷，當溫度平衡后，玻璃表面產生了壓應力，內層產生了張應力，即玻璃產生了一種均勻而有規律分布的內應力，提高了玻璃作為脆性材料的抗張強度，從而使玻璃抗彎曲和抗沖擊強度得到提高。同時，由于玻璃內部均勻應力的存在，一旦玻璃局部受到超過其強度能承受的沖擊發生破裂時，在內部應力的作用下自爆為小顆粒，提高了其安全性。因此，鋼化玻璃亦可稱為預應力玻璃或安全玻璃。玻璃在鋼化的過程中，一般都會產生風斑和應力斑，風斑是在冷卻過程中，由于受冷不均而導致玻璃應力不均而形成的，其在某種特殊角度下觀察會看到玻璃表面呈明暗相間的條紋。應力斑也是因為應力不均造成的，比如在加熱過程中，爐邊部和中部存在溫差而導致應力不均。應力斑目前還沒有辦法完全避免，但設計良好的鋼化設備可以最大程度的減少應力斑的可見性。
玻璃鋼化爐設備
鋼化爐（glass tempering furnace)是用物理或化學方法生產鋼化玻璃的設備，目前主要采用物理式鋼化爐，物理式玻璃鋼化爐按照加熱方式特性可以分為對流式強制對流加熱鋼化爐和輻射式加熱鋼化爐。對流式鋼化爐以加熱時間短、加熱均勻，生產的鋼化玻璃平整度好、風斑少、玻金少在最近幾年得到了廣泛的應用。鋼化爐機組一般由放片臺、加熱爐、冷卻風柵、取片臺等組成。外加風機、空氣分配中心、電氣控制系統以及電腦終端等設施組成。原片玻璃從裝片臺入爐，在加熱爐內加熱到適合鋼化的溫度，完成加熱過程，電爐內部空間被爐內水平、相隔一定間距放置的數十根陶瓷輥道分隔為上下兩個加熱空間，分別由頂部與底部的電熱絲加熱，PLC自動控制整個加熱過程。加熱后的玻璃進入冷卻風柵后均勻迅速地淬冷鋼化，上下風柵的冷卻壓力可以調節。然后進入卸片臺卸片包裝。鋼化爐的鋼化工藝過程，在操作人員對相應的工藝參數進行選擇、設定后，由PLC控制系統對工藝流程進行自動控制。
玻璃鋼化系統工藝
玻璃鋼化工藝一般采用優質玻璃為原料，以鋼化爐為主要生產設備。整個生產線的長度20-30米不等，依次分布為放片臺、加熱段、風柵冷卻段、取片臺，各工段均有不同材質的輥子運送玻璃。輔助設備有鼓風機、風道、控制柜等。其生產過程分成上片、自動往復加熱、往復急冷、往復吹風、取片五個工藝階段。開車前逐步使加熱段呈矩陣分布的上下電爐升溫至650℃，做好鋼化準備。玻璃進入加熱爐后，由陶瓷輥道支撐，在連續正、反向轉換轉動的陶瓷輥道帶動下，往復運動，完成均勻加熱。玻璃上表面吸收熱量主要依靠頂部電熱絲的熱輻射、玻璃往復運動時造成的氣體對流和自然對流傳熱。此時熱輻射是最為首要的加熱形式；玻璃中部溫度的升高是靠玻璃表面向內的熱傳導以及吸收輻射熱得以實現的；玻璃下表面除了下部輻射板熱輻射、玻璃往復運動造成的氣體對流和自然對流加熱外，玻璃下表面與處于高溫狀態的陶瓷輥道直接接觸，陶瓷輥道以熱傳導方式直接對玻璃下表面傳遞熱量。運動中的陶瓷輥道不斷接受來自下部輻射板輻射熱以及下部空間的對流傳熱。由于熱傳導的作用，在相同溫度條件下，下表面的升溫速率大于上表面的升溫速率，這在玻璃進爐初期非常明顯。加熱后期，啟動冷卻風機高速運行。加熱完畢，打開后爐門，加熱主傳動和風柵主傳動按出爐速度同步高速出爐，熾熱的玻璃快速進入風柵急冷鋼化。急冷之后，風機低速運行至冷卻結束，然后減速停機，風柵轉動和取片轉動按取片速度同步出柵到達取片臺。系統同時具有多種報警。緊急停車時有安全位置，運行時有安全連鎖。 玻璃強制快速冷卻，是形成玻璃最終均勻永久應力的關鍵。玻璃板被繞有仿綸繩的輥道支撐，往復運動，實現玻璃均勻、快速冷卻。冷卻風的總風壓以及上下冷卻速率的平衡，上下風柵氣流壓力的平衡也直接影響鋼化玻璃的平整度。
鋼化爐氣控制系統
鋼化爐控制系統由上位機和下位機組成，上位機為西門子WINCC+MP 270控制系統，下位機除PLC的CPU機架外，還有一個擴展機架，用于控制大量的SSR模塊。另外，通過Profibus總線擴展了三個ET200M遠程I/O站和四套風機變頻系統。PLC是剛化爐控制系統的核心，基于系統要實現的功能以及適用性、安全性、可靠性，選用了西門子S7-300PLC作為主控制，SIEMENS S7-300是模塊化中小型PLC系統，各種功能模塊 可以滿足和適應自動控制功能，簡單、實用、模塊化和分散式結構使其應用十分靈活，當控制任務增加時，可自由擴展。高電磁兼容性和抗振動、抗沖擊性使其具有很高工業環境適應性。易于實現分布式控制、易于操作等特點使S7-300成為玻璃鋼化爐系統的首選控制器。溫度控制有大量的DI/DO模塊，由于變頻器使用電壓信號進行調速控制，所以選用了AI/AO模塊。S7-300的AI模塊可以改變硬件設備的測溫范圍，穩定性好、測量精度較高。人機界面選擇例了西門子的人機界面MP 270，可靠性極高，組網方便。整個控制系統由控制柜和人機界面操作箱組成。操作箱裝有人機界面、旋紐開關、信號燈及蜂鳴器等，通過DP通訊電纜與PLC相聯。空氣開關柜裝有鋼化設備總電源開關。PLC控制柜裝有PLC、擴展模塊、小型斷路器、開關電源模塊、繼電器等，是整個系統的控制中樞。傳動控制柜裝有AOP面板、溫度表、電壓表、控制開關、信號燈等，風機柜內安裝小型斷路器、接觸器、熱繼電器、開關電源、變壓器、電磁閥電源及變頻器。加熱控制柜裝有大型斷路器開關，大量SSR模塊，快速熔斷器，異性鋁材散熱器，散熱風扇等。談及為何選擇西門子的PLC+MP的控制系統，蘭迪公司設計中心電氣部江部長說道：“玻璃鋼化機組控制系統結構復雜、邏輯繁瑣、數據采集量大、控制站多，對可靠性要求較高。既要實現對各傳動站的高精度速度控制，又要完成對現場光電開關、按鈕等各種數字量、開關量檢測以及升降動作的精確控制。采用SIEMENS SIMATIC S7-300可編程序控制器實現了系統全過程自動控制。系統性能優良、操作方便可靠，確保滿足工藝要求的同時又充分考慮人為干涉自動控制能力，將故障對系統的影響降到最低。”
突破傳統的技術優勢
1 、控制系統穩定可靠
蘭迪玻璃鋼化爐機組的主控制系統為西門子S7-300 PLC，人機界面為西門子MP 270；操作界面功能強大、簡單友好，使設備穩定、可靠，操作方便、易控。西門子MP 270操作終端性能優良、工作穩定，更適于工業現場。其友好的人機接口、豐富的操作畫面，使操作者更容易掌握，系統存儲多條溫度曲線和頻率曲線，并具有參數在線修改功能，適合不同品種、不同厚度的玻璃工藝。爐溫控制采用西門子專用溫度模塊，內設專用的優化算法和專家PID參數庫，具有PID參數自整定功能，并可實現模糊控制，溫度超調得到有效抑制，控溫精度更高；可以根據不同品種的玻璃鋼化工藝定制加熱曲線，加熱更合理。
2、變頻控制技術和生產記錄功能循環風機采用變頻控制技術，采用西門子專用模擬量控制模塊，在玻璃進爐時，首先設定較低的爐溫和風機轉速使玻璃進行預熱，待玻璃溫度提高后快速加熱，使炸爐的傾向得到有效遏制，玻璃加熱質量得以提高，平整度好、光學性能優良，玻璃成品率也得到提高。由于鋼化爐生產線比較長，控制系統可以實現雙側操作，操作界面人性友好，具備生產配方和生產工藝參數的記錄和存儲功能，操作人員生產不同工藝的產品時，一鍵操作就可以調用不同的生產工藝參數，方便、快捷、高效，并能夠記錄生產過程，查找生產時間、溫度、風壓，追溯生產狀況。3、加熱系統科學先進由于對流爐的傳熱方式與傳統鋼化爐截然不同，蘭迪加熱元件采用高性能Cr20Ni80材料使傳熱條件得到了根本改善，傳熱效率更高、使用壽命更長，檢修也十分方便。此外，高溫循環風機也采用高溫耐熱鋼Cr25Ni20，抗高溫蠕變能力大大增強，確保了對流爐的傳熱效果。先進的設計理念，使導流裝置的壓力損失最小，壓力分布更均勻，最大限度地發揮風機的效能，獨特的熱風循環系統使加熱玻璃前后的氣流各行其道，傳熱效果更好，爐溫均勻性大大提到，壽命大幅延長。每個加熱區均裝有熱電偶，溫度單獨測量，加熱器獨立控制。爐溫控制十分方便，定制加熱曲線更容易，爐溫均勻性大大提高；在爐子的橫斷面可分多個區控制，實現邊部溫度補償。采用雙對流模式，爐子上、下部都裝有高溫風機，可精確控制陶瓷輥道溫度，使上部和下部的加熱更均勻，真正實現上下同步加熱。4、冷卻系統技術獨特 計算機吹風模擬和輔助優化設計在風柵設計方面的應用，最大限度的減少了鋼化過程中風斑的產生，使鋼化玻璃外觀質量達到世界頂級水平。
5、總線技術與遠程診斷系統
鋼化爐系統引進現場總線對爐溫和變頻器進行控制，可實現爐溫和風機的遠程控制，減少了布線時間和費用。借助于西門子TS通訊模塊，利用現有的網絡系統可以實現遠程故障診斷功能，遠距離對設備進行診斷處理，將用戶停機時間減為最少；借助遠程視頻監控功能，可以通過清晰、直觀的視頻界面對用戶現場操作實時監控、指導。
系統成果
在西門子PLC+MP主控系統的保駕護航下，蘭迪鋼化對流爐系統以優異的產品品質和高可靠的控制系統得到了業內的廣泛認可，不僅成為國內市場的領先品牌，而且占據了全球高端產品市場的四分之一以上。2010年初，集成了西門子控制系統的蘭迪組合式強制對流爐在連續運行三個月以后，得到SCHOTT（蘇州）有限公司的高度評價。此外，早在2004年10月，蘭迪就成為國內首個闖入美國市場的自主知識產權鋼化爐制造商，迄今為止，蘭迪已經有累積二十多套鋼化設備在美國玻璃企業穩定運行。由于中國玻璃設備生產企業起步較晚，中國制造的大型設備在歐美市場的接受度普遍較低，像鋼化對流爐這樣的高技術設備要進入歐美市場就更加困難。蘭迪憑借對技術、質量、產品品質的不斷追求，設備可靠性的不斷提升，在玻璃鋼化設備競爭中保持優勢，贏得了信義、南玻、臺玻等系列大型玻璃企業的青睞，確保了國內領先、國際一流的行業地位，成為國內鋼化技術創新的引領者。北京海洋順達玻璃有限公司的尤總談到：“引進集成全套西門子控制設備的蘭迪鋼化爐機組后，系統可以存儲不同的工藝參數，大大節省了工藝轉換時間，加工的鋼化玻璃平整度好、波紋小于0.06mm基本接近于原片，生產效率、產品質量得到顯著的提高，并實現了長期不間斷的無故障運轉。”隨著蘭迪鋼化爐成功占領國內外市場，西門子控制產品也以其質量可靠、運行穩定，進一步加強了蘭迪機器有限公司的競爭優勢，得到國內外廣大客戶的一致好評。
展望未來
洛陽蘭迪玻璃鋼化爐機組無論是不同工藝參數的存儲與調用，還是設備遠程維護和監控都達到業內領先水平，實現了玻璃加工行業自動化技術的飛躍，所有這些功能的實現都是基于西門子控制系統與現場總線技術的應用。蘭迪的趙總認為：蘭迪機器與西門子的合作能夠達10年之久，是因為西門子產品較高的性價比、穩定性和兼容性與蘭迪的追求是一致的，蘭迪與西門子是相輔相成的。目前國內玻璃加工機械行業的技術水平已經達到或接近國際先進水平，但在設備性能的穩定性與安全性方面與國外先進水平還有一定的差距。設備的穩定性主要體現在控制系統方面，控制系統是整個設備穩定工作的核心。而應急保護功能則是目前控制系統設計需要重視的一個方面。未來新產品的開發，除了選用高可靠性的PLC、HMI、元器件來提高系統的穩定性之外，還應在安全保護方面進一步提高系統的可靠性與安全性。面對玻璃機械行業日趨激烈的競爭，蘭迪不但加速開發新產品、提高產品的技術含量和附加值，還進一步優化了生產作業環節、提高了工作效率、降低了運營成本，隨著洛龍科技園蘭迪機器新生產基地的投入使用，先進的生產智能信息管理系統也被引入新廠區，使得各操作工位可以通過顯示終端看到零件圖、組裝圖、技術要求和生產調度安排等信息，不僅實現了無紙化信息傳遞，而且確保了所有圖紙、信息與設計、生產安排同步，不但可以提高信息傳遞的效率和準確性，還使得日常的生產組織和質量控制更加便利高效。
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