第20卷 第1期Vol 20 No 1
材 料 科 学 与 工 程
Materials Science &Engineering
总第77期Mar.2002
除铁
文章编号:1004 793X (2002)01 0089 04
收稿日期:2000 08 31；修订日期:2001 05 27
作者简介：沈锦林(1942 )，男，浙江湖州人，浙江大学教授.
沈锦林1
，汪志勤1
，宋晨路1
，
童军民
2
(1 浙江大学，浙江杭州 310027;2 杭州飞时达电脑技术有限公司)
摘 要 本文对国内外微机在玻璃工业中的应用现状进行了综述与评价，主要讨论微机应用对玻璃工业的影响，并初步探讨了玻璃工业中微机应用的前景。
关键词 玻璃；微机；应用
中图分类号:TQ171 文献标识码:A
The Application of Computer in Glass Industry
SHEN Jin lin 1
,WANG Zhi qin 1
,SONG C hen lu 1
,TONG Jun ming
2
(1 Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;2 Hangzhou Fast Computer Technology,Co.,Ltd,C hina)
Abstract T he application of computer in glass indus try has been summarized and evaluated in this paper.The influences and per
spective of the computer application in glass industry have been discussed.
Key w ords glass;computer;application无人机自动机场
1 前 言
玻璃池窑的问世在十九世纪，但发展起来却是二十世纪的事。而玻璃生产中引入自动控制技术，则是在二次世界大战以后。十九世纪六十年代中期，大规模过程控制计算机开始应用于玻璃生产，这也是计算机在玻璃工业中应 用的第一步。
2 国内外研究概况
2 1 计算机过程控制在玻璃工业中的应用发展
计算机直接数字控制(DDC)是玻璃生产过程中的最早微机应用之一。但由于玻璃生产过程是一种极其复杂的化学反应和物理变化过程，玻璃的熔制又是在高温熔窑中进行的，到目前为止还没有准确、可靠的观察、测量手段。加之玻璃工厂的生产现场环境恶劣、噪声大、干扰多，所有这些复杂的因素，增加了玻璃工业生产中应用计算机的难度，使它经历了曲折的发展道路。
1959年，美国欧文斯 康宁玻璃纤维公司
[2]
就在池窑上
采用三套巡回检测装置。1961年，该公司又与IBM 公司合作，用IB M-1710系统在美国俄亥俄州纽华克市玻璃池窑上首次实现了计算机直接数字控制(DDC)。
与此同时，美国几家大玻璃公司开始用计算机实现仓库和供销管理。
1965年，英国皮尔金顿公司[2]在玻璃原料配料生产中引用了IBM-1800计算机系统。1968年美国福特汽车公司玻璃厂又把计算机用于浮法玻璃生产线。
这一时期玻璃生产过程的计算机控制同其他工业部门一样，采用集中控制方式。由于控制功能集中，发生危险也集中，加之一些计算机控制项目未能取得成功，增加了人们对计算机控制的疑虑，许多计算机公司纷纷退出计算机控制领域，在很大程度上限制了计算机应用推广。
70年代初期发现的微型计算机，使系统硬件费用急剧减少，可靠性大大提高，而且其体积很小，有可能根据生产工艺过程控制要求，把各个功能单元的操作分散给不同的微机进行控制，形成分布式计算机控制系统。美国Leeds &Northrup 公司[2]的MICROMAX 系统(被称为工业监控中心)是一种典型的集散型控制系统。
1983年秦皇岛耀华玻璃厂[2]首先从比利时托利多公司引进了原料电子秤微机控制系统。我国各研究设计单位和大专院校也在消化、仿制的基础上推出了各自设计的分级控制微机配料系统。北京玻璃总厂率先引进了Leeds &Northrup 公司的MICROMAX 系统，用于熔窑温度、液面和窑压的监控。
1994Makarov,R.I.
[3]
用控制器、数字测量转换器、个人
计算机来实现对蓄热式池窑玻璃熔化过程的控制。
小功率电磁炉
1996年Vanandruel,Nicolas[4]等做了基于数值模拟的玻璃池窑的建模和控制的研究，尽管这个模型是建立在简单的假设上的，但也可以用来处理某些复杂的工业过程控制。
1998年,Muysenberg,H.P.H.[5]等利用模拟模型和模糊控制实现对玻璃池窑的控制，对这个模型进行了功能上的改进，能用于实际应用，并开拓了一条控制玻璃熔窑、优化玻璃质量的新途径。
我国大型平板玻璃池窑的计算机控制工作，近年来也取得较大的进展。沈阳玻璃厂[2]引进了美国Glassmas ter计算机控制系统。对于浮法玻璃生产线的锡槽及退火窑，国内也研制了相应的计算机温度控制系统。
在浮法冷端微机控制方面，秦皇岛耀华玻璃厂[2]浮法线引进了当时具有国外先进水平的冷端技术和装置。而洛阳玻璃厂的浮法二线的冷端自动化系统更被国家列为 样板线 。
2 2 计算机数值模拟在玻璃工业中的应用发展
计算机的发明和发展为人们求解复杂问题提供了物质基础。以往只能定性分析的复杂问题，现在可以通过建立相应数学模型借助计算机来定量求解。
人们用计算机对描述熔窑内部过程的控制方程组进行数值计算求解，以获得玻璃液内部流场和温度场，称之为数学模拟。
从70年代起，国外玻璃行业中的高校、科研、设计部门，利用计算机模拟玻璃生产过程中的复杂现象，希望通过对人们感兴趣的某些单元过程的模拟，获得对关键性因素(变量)的作用的理解，加速玻璃科学理论的研究。1972年美国麻省理工学院[2]的J.Noble等人提出了第一份关于玻璃熔窑的计算机模拟报告，该报告完成了二维的质量、能量和动量平衡，画出了沿熔窑纵向中心线的温度剖面图。该模型可用以研究熔窑操作条件变化的相对影响。此后，人们纷纷提出了各种改进模型。有的学者则从化学动力学和拓扑学出发，用计算机模拟玻璃的结构。
1995年,Carvalho,M.G.[6]等作了基于物理动力模型的蓄热循环优化的研究。
1996年,Wu,K.T.[7]等利用三维燃烧模型进行氧化燃料转化的玻璃池窑的模型设计。
1997年,Jorgensen,K.L.[8]等实现在玻璃池窑中进行三维燃烧模拟。
1998年,Kawachi,Shinji[9]等研究了一个新型模拟器可以评估在熔制电视机面板玻璃的池窑中的除泡功能。
1998年,Teng,Sh.[10]等进行了在玻璃工业池窑中气体燃烧的三维数值模拟。
1999年,Shamp, D.[11]等用玻璃熔窑数值模拟进行富氧窑炉设计优化。
1999年,Kawachi,Shinji[12]等，用数值模拟器来分析和处理在玻璃生产中气泡现象。
由于各种条件的限制，我国玻璃熔窑数学模拟的起步较晚，自二十世纪八十年代中期才开始研究，此时国外的数学模型已经进入了三维阶段。尽管如此，在我国科研人员技术人员的不断刻苦研究下，现在的发展还是较快的。
1985年，孙承绪等建立了三维步进数学模型[13]。
1986年，姜冬岩等作了计算机模拟对磷玻璃NMR谱的研究[14]。
1988年，孙承绪、耿海堂等作了玻璃液澄清和均化过程的模拟研究[15]。
1993年，吴锡琪、李立华对玻璃熔窑火焰空间二维数学模型进行模拟计算，他们将玻璃池窑火焰空间划分成若干等温区和等温表面单元，采用有限元法和高斯积分计算各单元间的直接交换面积。通过逆矩阵求解总面积，最后用迭代法求解温度分布[16]。
1995年，过增元、祁建伟作了对玻璃熔制过程的三维数值模拟的研究[17]。
1995年，沈锦林、朱建飞等对大型浮法熔窑的玻璃液流进行了三维模拟，首次运用了三维图形技术解释了模拟结果，使整个窑池流场、温度场分布更为直观和清晰地得到解释[18]。
1996年，林文漪、滕树龙作了对玻璃窑炉内三维湍流气相燃烧的数值模拟研究[19]。
1997年，沈锦林、胡凌云等进行了燃油浮法玻璃熔窑火焰空间的三维数学模拟。其建立的三维数学模型包括气相流动与传热模型和雾化油滴燃烧的轨道模型，分别采用了SIMPLE方法和单元内颗粒元法处理，比较全面地反映了火焰空间中气体流动和温度分布的规律[20]。
1998年，沈锦林等作了玻璃熔窑中窑坎位置变化对液流温度场和速度场的影响。通过建立具有实用意义的浮法玻璃熔窑内物料运动和传热过程的三维数学模型，对在熔化部中放置窑坎进行了研究，通过实例计算，系统地研究了窑坎位置变化对玻璃液流温度场和速度场的影响，认为窑坎放置在5号,6号小炉中间为实例计算时的最佳位置，可使卡脖处的回流耗热为最小[21]。
2 3 计算机辅助设计在玻璃工业中的应用发展
CAD是计算机辅助设计(computer aided design)技术的英文缩写，它不仅能缩短设计周期，减轻设计人员的劳动强度，而且能在很短的时间内设计出多个方案，以供选择。涂料刮棒
皮尔金顿公司[2]于1982年把计算机辅助设计技术(CAD)引入玻璃工业，以提高现有设计技术水平，改进现有产品生产和加工过程。现在C AD技术在国外玻璃工业中已获广泛应用,BRK国际模具公司下设的计算机软件公司开发了专用的玻璃器皿模具设计软件包 PROMOD 。ROCKWARE玻璃有限公司开发了CAD CAM系统 DUC T ，使复杂的模具设计周期由工时6 8周缩短到1 2小时，提高了设计效率和质量。
计算机在我国玻璃工业中的应用，在80年代初期基本上限于理论性研究课题。
1980年干福熹[2]等在国产TQ-16型计算机上实现了无机玻璃物理性质计算和成分设计。
1982年宋瑞[2]在国产中型机441B- 上计算了玻璃
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材料科学与工程2002年3月
池窑池壁的保温和冷却问题。
1983年起，吴锡琪、李立华[2]发表的辐射对玻璃配合料的影响等论文。
1982年底武汉工业大学与上海玻璃厂纤维分厂[2]合作，用一台单板机对64台玻璃纤维拉丝机拉出的原料筒进行称量统计。
1984年吴锡琪、李立华[2]在微型计算机上用BASIC语言实现了无机玻璃物理性质计算和成分设计、玻璃配合料全自动计算、玻璃熔窑能量管理等课题。
1997年，浙江大学的沈锦林等作了 C AD在玻璃池窑保温设计计算中的应用 。研究了将CAD引入了玻
璃池窑保温设计，并根据保温设计需要，收集了国内外大量的耐火材料与保温材料的性能指标和成功和保温方案范例，建立了保温设计数据库，它与保温方案评估和保温结构设计等模块一起，构成玻璃池窑保温计算辅助设计GFICAD系统[21]。
1998年，沈锦林等作了 计算机在玻璃配合料及玻璃性质计算中的应用 。研究了将计算机引入玻璃配合料及玻璃性质计算方法的方法，建立了优化玻璃料方成本计算，计算玻璃的18种重要性质，并根据计算的需要，收集有关参数建立了料方计算数据库和性质计算数据库，它与料方计算和性质计算等模块一起，构成基于数据库的玻璃配合料及玻璃性质计算软件(GB PC)[23]。
在实验数据处理方面，已用插值法、线性回归分析、统计分析等方法，处理玻璃软化温度、膨胀系数、弹性模量等实验测试数据。在计算机辅助设计方面，已初步实现了玻璃工厂选址，厂区规划设计，玻璃熔窑、保温层、蓄热室、通路和烟囱结构尺寸设计，玻璃器皿及模具设计，玻璃成分优化设计等。
3 计算机应用在玻璃工业中
的发展趋势
二十世纪七十年代中期问世的计算机集散控制系统(Distributed control system，简称DCS)，就迅速地
应用于各种工业生产过程和生产管理之中。进入九十年代中期后，已经日趋成熟。但是,DCS是否已经到达顶峰不再会有新的发展了呢?回答是否定的。
常规PID控制由于计算方法直观，工作稳定、鲁棒性强及其对大部分过程对象的控制实效性高，今后仍将大面积占领过程控制领域。不过由于其对非线性、时变、耦合、纯滞后系统的适用性差，随着生产水平和自动化技术的提高、将逐步缩小其占领面积。
由于调节质量的双重要求，开发了二自由度PID控制；由于工业过程变量的相关性，开发了解藕PID控制；由于对象的纯滞后性，开发了预估补偿PID控制；由于系统的非线性和时变性，开发了增益整定PID控制和自整定PID控制。这些增强功能的PID控制由于其算法的有效性和相对高级控制算法的简易性颇受企业青睐，它们将被继续较多的应用开发。其中尤以自整定PID更有广阔前途。
预测控制是20世纪70年代后期开发的一种新型控制算法，它的问世一方面是受到计算机技术发展的推动，另一方面也来自复杂的过程控制对现代控制理论的紧迫要求。多年来随着控制复杂工业过程的策略思想日益为人们所认识，以及它在工业实践中大量成功的应用，显示出广阔的前景。可以预计在今后将有较大的发展。
人工智能控制已经跳出了建立在简化的理想数学模型之上的现代控制理论框架。可以说现代控制理论发展的新时代 智能控制时代已经来临，基于控制规则的控制方法是智能控制的早期形式。因之只有
借助于计算机的逻辑判断和推理的专家系统才能较好的完成这一任务，所以基于规则控制的应用前景应由专家系统来继承开拓。
模糊控制有一定的理论基础，但尚缺乏完整的理论体系以指导更好的设计控制器的软件系统。但是作为一种实用技术却已走向成熟。预计今后若干年内它将居领先地位。
神经网络控制正处于开发前期阶段，在工业控制实际应用上欲占一席之地还需一段过程。由于神经网络具有并行处理、高度容错、自组织和自学习能力而受到过程控制界普遍关注。对于难以用机理建模的过程以及动态特性复杂的过程，预计神经网络控制会显示出突出的优越性，籍以开辟它美好的应用前景[24]。
DC S从问世以来，都是以系统形式销售，各系统的操作站对各系统来说都是专用的。各制造厂家都是投入大量人力物力开发研制操作站和通信协议，都是不公开的。并且，各操作软件没有经过大量实践考验就推向市场，致使操作站死机现象时有发生。目前各厂家的DCS通信标准不统一，各厂家产品自成体系，是互不兼容的，用户一旦采用某个厂家的产品，这种封闭式的模式，阻碍了信息的相互传递和公用，软件的公用。所以迫切需要从封闭式控制系统向开放式控制系统转化发展。
现场总线技术[14]是开放式工业自动化控制系统，是连接设置在工业过程现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、串行、双向、多站通信网络系统，称之为 现场总线 (Fieldbus)，并有以下一
些显著的特点:
(1)完全替代4~20mAD.C.信号制，实现信号数字化，从而易于现场布线，节省费用，增加系统的可靠性。
(2)控制、报警趋势分析等功能分散到现场仪表和装置中，简化了上层系统。
(3)各厂家产品的交互操作和互换使用，给用户进行系统组织提供了方便。
(4)实现自动化仪表技术从模拟混合技术向全数字技术的转换，自动化控制系统从封闭式系统向开放式系统的转换。
这种开放式系统的发展受到了许多大的仪表自控公司的重视，必将有更大的发展[25]。
全世界各大公司开发了不同的计算机辅助设计系统，但是，在计算机辅助设计与绘图过程中经常遇到图形信息
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第20卷第1期沈锦林，等.玻璃工业中的计算机应用
交换的情况。图形信息交换在CAD集成中占有重要地位。但目前各个系统都是各自为战，相互之间的信息交换是一个比较大的缺陷，导致其通用性差，类似的C AD系统很难集成为C AD一体化系统。
AutoCAD[26]是目前国内外使用最为广泛的计算机辅助设计软件，由美国Autodesk公司研制开发。自1982年面世以来，至今已发展到2000版(R2000)。其丰富的绘图命令，强大的编辑功能和良好的用户界面受到了广大的工程技术人员的普遍欢迎。
今天，全球有数十亿的工程图形采用由AutoC AD最早提出并应用的工业标准 DXF和DWG格式来描述。有近3000家注册开发商向市场提供5000余种基于AutoCAD 及其相关软件技术的课程，每年培训100余万学生和工程技术人员。AutoCAD及其图形格式已成为一种事实上的国际工业标准和普及新一代设计文化的基本载体。开发基于AutoCAD的各种计算机辅助设计软件，并结合三维空间技术，这将是一个前景广阔的技术方向。
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