Procédé et appareil en vue de régler les températures à l'intérieur
d'un four.
La présente invention concerne un procédé et un appareil perfectionnés en vue de régler les températures opératoires à
l'intérieur d'un four et, en particulier, un procédé et un appareil compensant les décalages thermiques dans le four, ainsi que
les interactions entre les apports de chaleur des différents éléments chauffants à l'intérieur d'un four.
Le système de réglage de la présente invention est conçu pour être utilisé dans un four d'un procédé de fabrication d'un produit à partir d'une matière en fusion. Bien que ce système de réglage soit applicable à des procédés de fabrication de nombreux produits différents à partir de diverses matières, pour illustrer l'invention, il sera décrit en se référant à un procédé de fusion et d'affinage de verre.
Spécifiquement, le four utilisé pour un procédé de ce type comprend une cuve de fusion et d'affinage munie d'au moins un élément pour l'alimentation d'une charge de matière première
à la cuve, ainsi qu'un avant-creuset pour distribuer le verre en fusion à des buselures, des filières ou d'autres éléments de formation de fibres de verre habituellement utilisés dans la technique. Spécifiquement, ces fours comprennent une série de brûleurs, d'électrodes ou d'autres éléments d'apport de chaleur localisés le long du four pour chauffer le verre lors de son passage dans la cuve et son introduction dans l'avant-creuset.
Afin d'assurer une fusion et un affinage adéquats du verre dans le four pour une utilisation finale particulière, un profil de température spécifique pour le verre doit être établi dans le four. Par exemple, dans un four comportant plusieurs zones de chauffage dans la cuve de fusion et d'affinage, il peut être souhaitable d'atteindre, dans le verre, une température d'environ
1260[deg.]C à l'extrémité de la cuve par laquelle la charge est introduite, et une température d'environ 1371[deg.]C à l'extrémité de cette cuve où est situé l'avant-creuset, le verre étant maintenu à certaines températures désirées dans les zones -situées entre les extrémités de la cuve. Ces températures intermédiaires peuvent être différentes l'une de l'autre et, dans de nombreux cas, elles sont différentes des celles régnant dans les autres zones.
Des essais ont été entrepris en vue de régler la température du verre dans le four afin d'obtenir un profil de tempéra-ture désiré tel que celui décrit ci-dessus, au moyen d'un seul régulateur utilisé pour régler les quantités de combustible et d'air alimentant tous les brûleurs du four. Dans un système, le réglage de la température du verre est basé sur le réglage de la température atmosphérique régnant au-dessus du verre et qui est détectée par un seul transducteur de température. Il n'est pas difficile de maintenir la température à son niveau désiré 3 proximité du transducteur de température. Toutefois, ce système présente deux inconvénients. Il n'existe pas une seule température du verre ou une seule température atmosphérique dans le four, mais bien de nombreuses températures différentes dans tout le volume
de ce dernier, à la fois en ce qui concerne le verre et l'atmosphère régnant au-dessus de celui-ci. En outre, bien que la mesure d'une seule température atmosphérique dans le four soit relativement aisée et que, dans certains cas, le réglage de cette température atmosphérique ne soit pas très difficile, le système de réglage n'est pas conçu pour régler les températures internes du verre que l'on doit faire fondre et affiner, mais uniquement celles des gaz d'échappement chauds présents au-dessus de ce dernier. En conséquence, bien que la température atmosphérique puisse constituer une indication importante dans la mise en service d'un four, il semble être plus important de mesurer avec précision la température régnant dans le four pour essayer de régler les températures du verre dans tout le four.
Un autre système de réglage utilisé dans la technique antérieure est celui décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N[deg.] 3.573.017accordé le 30 mars 1971 au nom de Griem Jr.
Dans ce brevet, on décrit un procédé et un appareil pour la fusion et l'alimentation de matières ramollissables à la chaleur dans un procédé dans lequel une température de voûte au-dessus du verre et les températures de ce dernier sont mesurées et transmises à
un dispositif de réglage de température de four qui, via un seul régulateur, règle l'alimentation de combustible et d'air à tous les brûleurs du four. La difficulté que présente ce système, réside dans le fait que les mesures d'entrée fournies par les différents capteurs de température sont utilisées pour régler l'apport de chaleur de tous les brûleurs sans tenir compte des décalages thermiques à l'intérieur du four et de l'interaction entre les apports de chaleur des brûleurs. La température régnant dans 11 étranglement pourrait être au niveau désiré alors que la température à l'arrière de la cuve du four est trop basse. En outre, pour corriger cette basse température à l'arrière du four, l'apport de chaleur du brûleur situé à l'étranglement est également accru, ce qui a pour effet d'élever la température de cette zone au-delà du niveau désiré.
Dans d'autres systèmes de réglage, le four est divisé en plusieurs zones renfermant chacune un élément de détection de la température atmosphérique ou un élément de détection de la température du verre, des brûleurs, ainsi qu'un régulateur d'alimentation de combustible et d'air pour chaque groupe de brûleurs. Dans ce système, il existe une température de référence pour chaque zone. La température détectée dans chaque zone est transmise indépendamment à chaque régulateur individuel qui essaye de maintenir l'apport de chaleur pour-sa zone, de façon à maintenir la ; température de référence prédéterminée. Ce système donne généra-
<EMI ID=1.1>
une zone influence non seulement la température réglée dans celle-
<EMI ID=2.1>
se produit également, entre les zones, une interaction dont il ��est�pas�.teRueoi�e�;��'�:�
<EMI ID=3.1>
prendre en' considération de manière adéquate -au moins deux -aspects
<EMI ID=4.1> leurs, d'électrodes ou d'autres éléments chauffants,et les changements survenant dans les températures du verre ou les températures atmosphériques dans tout le four. En fait, il faudra parfoisplusieurs heures avant qu'un réglage de l'apport d'énergie se réflète dans un changement de température survenant dans certaines zones du four. En outre, l'apport de chaleur dans une zone d'un four influence les températures du verre et les températures atmosphériques dans d'autres zones du four. Un objet de la présente invention est de résoudre les problèmes associés aux systèmes de réglage de la technique antérieure en tenant compte à la fois des décalages thermiques survenant dans le four et de l'interaction
se produisant entre différentes zones de ce dernier suite aux changements survenant dans l'apport de chaleur dans une ou plusieurs des zones individuelles.
Suivant la présente invention, on obtient un réglage précis d'un profil de température de verre désiré dans un four en divisant ce dernier en plusieurs zones arbitraires renfermant chacune un élément pour chauffer le verre contenu dans le four, un élément en vue de régler l'apport de chaleur de cet élément chauffant,--ainsi qu'un élément destiné à détecter une température dans chaque zone. Afin d'effectuer le réglage des températures dans les zones séparées, les températures pour chacune de ces dernières sont détectées et enregistrées pendant une période prédéterminée, tandis que l'apport de chaleur dans le four pour l'élément chauffant de chaque zone est mesuré et enregistre pendant la même périodè.
Si l'une pu l'autre des températures détectées n'atteint pas le niveau approprie, l'apport de chaleur de l'élément chauffant pour au moins une des zones est réglé 'afin.. d'amener, des valeurs proches des températures désirées, les températures régnant dans chacune des zones et qui n'atteignent pas le. niveau approprié.
<EMI ID=5.1> au moins certaines des températures détectées et aux apports de chaleur mesurés dans chacune des zones au cours de la même période, de façon à compenser les décalages thermiques survenant dans le four et l'interaction se produisant entre les apports de chaleur dans les différentes zones.
Dans les dessins annexés :
la figure 1 est une vue schématique d'un four spécifique dans lequel on utilise le système de réglage de la présente invention; et les figures 2 et 3 sont des représentations schématiques du système de réglage de la présente invention. La figure 1 illustre un four 10 comprenant une cuve de fusion et d'affinage 12, ainsi qu'un avant-creuset 14. Ce four est construit en un matériau réfractaire et il reçoit une charge ou un calcin de verre 16 d'un réservoir d'alimentation 18. Cette charge ou ce calcin est acheminé dans le four au moyen d'une ou plusieurs vis d'alimentation 20 qui sont entraînées et réglées de la manière habituelle pour maintenir un niveau constant de verre en fusion 22 dans le four.
La cuve 12 du four 10 est divisée arbitrairement en cinq zones. Chacune de ces zones est chauffée par plusieurs brûleurs
à gaz ou à huile 26a, 26b, 26c, 26d et 26e. L'apport de chaleur au four pour chaque groupe de brûleurs est réglé par des régulateurs de débit de combustible classiques 28a, 28b, 28c, 28d et 28e, par exemple, des moteurs de commande de soupapes à distance. Ces régulateurs de débit de combustible règlent l'alimentation de combustible et d'air aux groupes de brûleurs en réglant les positions de soupapes d'alimentation de combustible et/ou d'air
<EMI ID=6.1>
tion de température tel que'des transducteurs de température pu des thermocouples
<EMI ID=7.1>
du verre dans une zone particulière. En outre, chaque zone peut cooporter au moins
<EMI ID=8.1>
<EMI ID=9.1>
<EMI ID=10.1>
la cuve et pouvant être. utilisé conjointement avec ou en lieu et place des transducteurs localisés dans le verre en vue de mesurerla température d'une zone particulière.
Etant donné que les régulateurs 28a, 28b, 28c, 28d et
28e règlent la quantité de combustible et d'air fournie aux brûleurs 26a, 26b, 26c, 26d et 26e en vue de régler la valeur calorifique ou l'apport de chaleur dans le four, on peut placer, dans le système d'alimentation de combustible, un analyseur calorifique classique 36 (par exemple, un analyseur du type d'un calorimètre
<EMI ID=11.1>
la valeur calorifique du gaz. La mesure effectuée par cet analyseur peut être transmise sous forme d'un signal qui est utilisé pour modifier un signal de commande transmis aux régulateurs. Ces régulateurs règlent le débit de combustible et/ou d'air passant
dans les soupapes 30 en direction des brûleurs, de façon à compenser les variations survenant dans la valeur calorifique des gaz devant alimenter ces derniers. Avec ce système, la puissance calorifique des brûleurs est maintenue constante même en cas de fluctuations survenant dans les valeurs calorifiques des gaz alimentant les brûleurs.
A sa sortie de la cuve de fusion et d'affinage 12 du four via l'étranglement en direction de l'avant-creuset 14, le verre en fusion est acheminé vers un ou plusieurs dispositifs de fabri- cation tels que des buselures ou des filières (non représentées) ' où le verre est façonné ou aminci en fibres en mèches, en fila- ments continus ou en d'autres produits par des procédés classiques.
L'avant-creuset du four est également divise en une série '
<EMI ID=12.1>
<EMI ID=13.1>
<EMI ID=14.1>
<EMI ID=15.1>
<EMI ID=16.1>
<EMI ID=17.1>
Bien que l'on ait représenté et décrit un four à gaz ou à huile pour illustrer la présente invention, il est à noter que l'on peut utiliser différents moyens et procédés pour fournir et régler l'apport d'énergie thermique ou calorifique du four en vue de chauffer ce dernier à la température requise. Par exemple,
la présente invention pourrait tout aussi bien s'appliquer à des fours chauffés au moyen d'électrodes ou d'éléments semblables.
En se référant à présent aux figures 2 et 3, on décrira ci-après en détail le système de réglage pour un four tel que celui illustré en figure 1. A titre d'illustration, on décrira un système de réglage à cinq zones pour la cuve illustrée en figure 1. Toutefois, le même système peut être utilisé dans n'importe quel four à plusieurs zones et dans l'avant-creuset de ce dernier.
La température devant être réglée dans chaque zone du four est influencée par l'apport de chaleur ou l'apport calorifique des brûleurs pour cette zone, ainsi que par l'apport
de chaleur ou l'apport calorifique des brûleurs prévus pour les autres zones. En outre, il existe des décalages thermiques entre un changement survenant dans l'apport calorifique pour une ou plusieurs zones et la mesure d'un ou plusieurs changements de température effectuée par les transducteurs de température localisés au-dessus du verre ou dans ce dernier.
Le système de réglage de la présente invention règle efficacementles températures internes d'un four du type illustré en figure 1 lorsque les températures devant être mesurées et utilisées dans le procédé de réglage sont mesurées dans le verre en fusion. Toutefois, si, dans un procédé particulier, il est souhaitable de régler les températures internes du four moyennant un réglage des températures atmosphériques, le système de réglage de la présente invention est également à même de remplir parfaitement cette fonction.
Comme le montre la figure 2, le système de réglage de
la présente invention nécessite des éléments d'acquisition de données séparés pour chaque zone. Les données séparées acquises pour chaque zone comprennent des mesures de température indépendantes effectuées par les transducteurs de température 32 et 34,ainsi qu'un enregistrement des points de repère concernant le débit de combustible et qui sont utilisés pour les régulateurs 28 dans chaque zone. Bien que ces données puissent être recueillies en continu ou à des intervalles plus courts, elles sont normalement recueillies chaque fois qu'un nouveau réglage de débit de combustible est calculé pour le système de réglage. Ces données sont transmises à un dispositif de mémorisation d'une calculatrice numérique. Les données provenant de toutes les zones sont accumulées dans ce dispositif de mémorisation pendant une période donnée.
En conséquence, juste avant le calcul d'un signal de réglage par la calculatrice, le dispositif de mémorisation de cette dernière contient toutes les températures courantes des zones, toutes les températures fondamentales des zones, ainsi que tous les points de repère fondamentaux concernant le débit de combustible. Ces données sont pondérées mathématiquement par la calculatrice en vue de produire un signal pour chaque zone. Ces signaux sont transmis, via les canaux de commande et de données du système, au régulateur individuel 28 prévu pour chaque zone et qui, comme le montre la figure 3, fait partie du mécanisme de réglage pour cette zone. Comme le montre la figure 3, le signal de réglage de point de repère
du débit de combustible est transmis non seulement au régulateur pour la zone spécifique, mais également au dispositif de mémorisation pour être intégré aux données fondamentales concernant les points de repère de débit de combustible pour cette zone.
Si le pouvoir calorifique du gaz reste relativement constant, le signal de réglage calculé pour le point de repère de débit de combustible en se basant sur une valeur calorifique pré-sumée du gaz, peut être transmis directement au régulateur 28. Toutefois, le système de réglage est conçu pour régler les températures internes du four moyennant un réglage de l'apport calorifique à une ou plusieurs zones du four. En conséquence, si la valeur calorifique du gaz varie sensiblement par rapport à la valeur présumée, le point de repère du débit de combustible réel du régulateur doit être réglé.
C'est pourquoi le signal de réglage de point de repère de débit de combustible émis par la calculatrice est modifié, comme le montre la figure 3, par le signal d'entrée provenant de l'analyseur calorifique, de telle sorte que le débit de combustible réel vers les brûleurs fournisse l'apport calorifique désiré pour le four.
La pondération mathématique des données fournies par le dispositif de mémorisation pour un four à cinq zones en vue d'obtenir le signal de réglage calculé pour l'apport calorifique (point de repère de débit de combustible d'une zone) est, de préférence, effectuée conformément à la relation mathématique suivante:
<EMI ID=18.1>
dans laquelle:
ui(t) est l'apport calorifique (point de repère de débit de
<EMI ID=19.1>
e est un certain intervalle de temps constant d'acquisition de données (par exemple, 1 heure)
s.(t) est la température détectée par le jème transducteur
thermique au moment t
<EMI ID=20.1>
le rendement du four a été linéarisé (température dési-
<EMI ID=21.1>
<EMI ID=22.1>
tour de laquelle le rendement du four a été linéarisé n est un nombre entier d'une valeur suffisante pour tenir
compte des effets exercés par les décalages thermiques survenant dans le four (par exemple, si, après étude des données fondamentales du fonctionnement du four, il est établi que les températures aux transducteurs thermiques sont toujours influencées par un réglage de l'apport calorifique 5 heures après ce réglage et que l'intervalle e est d'une heure, n pourrait alors avoir la valeur 4) ajk est une constante scalaire obtenue par un des différents
procédés de réglage à rétroaction. Bien que l'on puisse adopter des techniques de réglage à rétroaction telles que la théorie de stabilisation et les procédés de réglage modal, il est préférable d'utiliser la théorie de réglage optimum linéaire avec un indice de rendement quadratique
<EMI ID=23.1>
définie ci-après
<EMI ID=24.1>
J �
<EMI ID=25.1>
qui sera définie ci-après.
Pour obtenir les matrices A et B, on établit un modèle mathématique qui tient compte, de manière satisfaisante, des décalages thermiques et des interactions se produisant dans le four. Le modèle linéarisé préféré de la présente invention répond à l'équation:
<EMI ID=26.1>
dans laquelle:
e est le même intervalle de temps constant d'acquisition
de données que celui défini ci-dessus.
x(t) est un vecteur d'état (vecteur de colonne) constitué
des températures pour chaque zone au moment t (cinq températures pour un four à cinq zones) et d'une liste d'apports calorifiques (points de repère de débit de combustible) pour toutes les zones et pour les intervalles de temps précédents n (comme défini ci-dessus).
Lorsque n = 4 et qu'il y a cinq zones, un vecteur de colonne à 25 entrées est normalement construit. Bien qu'au moins les températures mesurées pendant le temps t soient utilisées dans le vecteur d'état, la relation mathématique pour le calcul du signal de réglage est établie de façon à tenir compte des mesures antérieures de température et le vecteur d'état peut éventuellement englober ces mesures antérieures de température.
u(t) est un vecteur de réglage (vecteur de colonne) constitué
des apports calorifiques (points de repère de débit de combustible) de toutes les zones au moment t. Pour un four à cinq zones, le vecteur de colonne devrait comporter cinq entrées.
<EMI ID=27.1>
quel le rendement du système a été linéarisé. Le vecteur est un vecteur de colonne comportant 25 entrées avec, pour un four à cinq zones, une liste des cinq températures désirées pour les zones et les apports calorifiques nominaux pour ces dernières au cours des intervalles de temps n.
<EMI ID=28.1>
duquel le rendement du système a été linéarisé. Le vecteur est un vecteur de colonne avec cinq entrées pour les apports calorifiques nominaux d'un four à cinq zones.
A est une matrice constante déterminée d'après le modèle
ci-dessus. Pour un four à cinq zones et avec n - 4,
la matrice est 25x25.
B est une matrice constante déterminée d'après le modèle
ci-dessus-. Pour un four à cinq zones et avec n - 4,
la matrice est 25x5.
A et B sont choisis pour amener les données fondamentales à satisfaire au modèle ci-dessus. On obtient des données concernant les températures et les apports de chaleur pour un four particulier et une période suffisante en;Vue d'obtenir des données concernant le rendement du four dans différentes conditions. Les données fondamentales sont développées dans des matrices A et B
<EMI ID=29.1>
<EMI ID=30.1>
<EMI ID=31.1> <EMI ID=32.1>
,�i��iit���d;È1���{;':iH�;��i��f'A.��)B��i- .
précité ne doit être limitée à aucune technique particulière,
étant donné qu'il en existe de nombreuses.
Dès que les matrices A et B ont été déterminées, elles
<EMI ID=33.1>
théorie de réglage optimum linéaire classique avec un indice de rendement quadratique.
La présente invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite ci-dessus en détail. La présente invention peut également être utilisée pour régler les températures du verre dans la section de l'avant-creuset du four, soit séparément soit conjointement avec les autres zones de ce dernier. En outre, on peut utiliser d'autres techniques mathématiques connues pour obtenir essentiellement la même relation entre les variables opératoires d'un four et déclencher ainsi des actions de réglage. De même, d'autres variables telles que des changements survenant dans le débit de chargement, peuvent être intégrées à la présente invention en vue de tenir compte directement de ces variables lors du déclenchement d'une action de réglage.
Method and apparatus for controlling indoor temperatures
of an oven.
The present invention relates to an improved method and apparatus for controlling operating temperatures to
the interior of a furnace and, in particular, a method and apparatus for compensating for thermal shifts in the furnace, as well as
the interactions between the heat inputs of the different heating elements inside an oven.
The control system of the present invention is designed for use in a furnace of a process for making a product from a molten material. While this control system is applicable to processes for making many different products from various materials, to illustrate the invention it will be described with reference to a process for melting and refining glass.
Specifically, the furnace used for such a process comprises a melting and refining tank provided with at least one element for supplying a feed of raw material.
to the vessel, as well as a pre-crucible for delivering molten glass to nozzles, dies, or other fiberglass forming elements commonly used in the art. Specifically, these furnaces comprise a series of burners, electrodes or other heat supply elements located along the furnace to heat the glass as it passes through the vessel and its introduction into the fore-crucible.
In order to ensure adequate melting and refining of glass in the furnace for a particular end use, a specific temperature profile for the glass must be established in the furnace. For example, in a furnace with several heating zones in the melting and refining tank, it may be desirable to achieve, in the glass, a temperature of about
1260 [deg.] C at the end of the tank through which the charge is introduced, and a temperature of about 1371 [deg.] C at the end of this tank where the fore-crucible is located, the glass being maintained at certain desired temperatures in the zones located between the ends of the tank. These intermediate temperatures may be different from each other and, in many cases, they are different from those prevailing in the other zones.
Tests were undertaken with a view to regulating the temperature of the glass in the furnace in order to obtain a desired temperature profile such as that described above, by means of a single regulator used to regulate the quantities of fuel and air supplying all the oven burners. In one system, the adjustment of the temperature of the glass is based on the adjustment of the atmospheric temperature prevailing above the glass and which is detected by a single temperature transducer. It is not difficult to maintain the temperature at its desired level near the temperature transducer. However, this system has two drawbacks. There is not just one glass temperature or one atmospheric temperature in the furnace, but many different temperatures throughout the volume
of the latter, both as regards the glass and the atmosphere prevailing above it. Further, although the measurement of a single atmospheric temperature in the furnace is relatively easy, and in some cases the adjustment of that atmospheric temperature is not very difficult, the adjustment system is not designed to adjust the atmospheric temperatures. internal temperatures of the glass to be melted and refined, but only those of the hot exhaust gases present above it. Accordingly, although the atmospheric temperature can be an important indication in the commissioning of a furnace, it seems to be more important to measure accurately the temperature prevailing in the furnace to try to regulate the temperatures of the glass throughout the furnace. .
Another adjustment system used in the prior art is that described in United States Patent No. [deg.] 3,573,017 granted March 30, 1971 to Griem Jr.
This patent discloses a method and apparatus for melting and feeding heat-softenable materials in a method in which a top temperature above the glass and the temperatures thereof are measured and transmitted to.
a furnace temperature control device which, via a single regulator, regulates the supply of fuel and air to all burners in the furnace. The difficulty with this system lies in the fact that the input measurements provided by the various temperature sensors are used to adjust the heat input of all the burners without taking into account the thermal offsets inside the furnace and of the interaction between the heat inputs of the burners. The temperature in the throttle could be at the desired level while the temperature at the rear of the furnace pan is too low. In addition, to correct this low temperature at the rear of the oven, the heat input from the burner located at the throttle is also increased, which has the effect of raising the temperature of this zone beyond the desired level. .
In other control systems, the furnace is divided into several zones each containing an atmospheric temperature sensing element or a glass temperature sensing element, of the burners, as well as a fuel supply regulator and air for each group of burners. In this system, there is a reference temperature for each zone. The temperature detected in each zone is transmitted independently to each individual controller which tries to maintain the heat input for its zone, so as to maintain the; predetermined reference temperature. This system generally gives
<EMI ID = 1.1>
a zone not only influences the temperature set in it
<EMI ID = 2.1>
There is also an interaction between the zones, which it � � is � .teRueoi � e �; � � � �;: �
<EMI ID = 3.1>
adequately consider -at least two-aspects
<EMI ID = 4.1> their, electrodes or other heating elements, and changes in glass temperatures or atmospheric temperatures throughout the furnace. In fact, it may take several hours for a setting in the energy input to be reflected in a change in temperature occurring in certain areas of the oven. In addition, the heat input in one zone of a furnace influences the temperatures of the glass and the atmospheric temperatures in other zones of the furnace. It is an object of the present invention to solve the problems associated with prior art control systems taking into account both thermal shifts occurring in the furnace and the interaction.
occurring between different areas of the latter as a result of changes in heat input to one or more of the individual areas.
According to the present invention, precise adjustment of a desired glass temperature profile in a furnace is obtained by dividing the latter into several arbitrary zones each enclosing an element for heating the glass contained in the furnace, an element for adjusting the temperature. heat input from this heating element, - as well as an element intended to detect a temperature in each zone. In order to carry out the adjustment of the temperatures in the separate zones, the temperatures for each of these are detected and recorded for a predetermined period, while the heat input into the oven for the heating element of each zone is measured and records during the same period.
If either of the detected temperatures does not reach the appropriate level, the heat input of the heating element for at least one of the zones is adjusted to ... bring values close to the temperatures. desired, the temperatures prevailing in each of the zones and which do not reach the. appropriate level.
<EMI ID = 5.1> at least some of the temperatures detected and the heat inputs measured in each of the zones during the same period, so as to compensate for the thermal shifts occurring in the furnace and the interaction occurring between the heat inputs heat in different areas.
In the accompanying drawings:
FIG. 1 is a schematic view of a specific furnace in which the adjustment system of the present invention is used; and Figures 2 and 3 are schematic representations of the adjustment system of the present invention. FIG. 1 illustrates a furnace 10 comprising a melting and refining tank 12, as well as a pre-crucible 14. This furnace is constructed of a refractory material and it receives a charge or a glass cullet 16 from a reservoir. Feed 18. This feed or cullet is fed into the furnace by means of one or more feed screws 20 which are driven and adjusted in the usual manner to maintain a constant level of molten glass 22 in the furnace.
The vessel 12 of the oven 10 is arbitrarily divided into five zones. Each of these zones is heated by several burners
gas or oil 26a, 26b, 26c, 26d and 26e. The heat input to the furnace for each group of burners is controlled by conventional fuel flow regulators 28a, 28b, 28c, 28d and 28e, for example, remote valve control motors. These fuel flow regulators regulate the supply of fuel and air to the burner groups by adjusting the positions of the fuel and / or air supply valves.
<EMI ID = 6.1>
temperature range such as temperature transducers or thermocouples
<EMI ID = 7.1>
glass in a particular area. Besides, each area can cooperate at least
<EMI ID = 8.1>
<EMI ID = 9.1>
<EMI ID = 10.1>
the tank and can be. used in conjunction with or in lieu of transducers located in the glass to measure the temperature of a particular area.
Since the regulators 28a, 28b, 28c, 28d and
28e regulate the quantity of fuel and air supplied to the burners 26a, 26b, 26c, 26d and 26e in order to regulate the calorific value or the heat input in the furnace, one can place, in the supply system of fuel, a conventional calorific analyzer 36 (for example, an analyzer of the type of a calorimeter
<EMI ID = 11.1>
the calorific value of the gas. The measurement made by this analyzer can be transmitted as a signal which is used to modify a control signal transmitted to the regulators. These regulators regulate the flow of fuel and / or air passing
in the valves 30 in the direction of the burners, so as to compensate for the variations occurring in the calorific value of the gases having to feed the latter. With this system, the calorific power of the burners is kept constant even in the event of fluctuations occurring in the calorific values of the gases supplied to the burners.
On leaving the melting and refining tank 12 of the furnace via the throttle in the direction of the fore-crucible 14, the molten glass is conveyed to one or more manufacturing devices such as nozzles or tubes. dies (not shown) where the glass is shaped or thinned into rovings, filaments or other products by conventional methods.
The fore-crucible of the furnace is also divided into a series'
<EMI ID = 12.1>
<EMI ID = 13.1>
<EMI ID = 14.1>
<EMI ID = 15.1>
<EMI ID = 16.1>
<EMI ID = 17.1>
Although a gas or oil furnace has been shown and described to illustrate the present invention, it should be noted that different means and methods can be used to provide and regulate the supply of thermal or calorific energy to the furnace. oven in order to heat the latter to the required temperature. For example,
the present invention could equally well be applied to furnaces heated by means of electrodes or similar elements.
Referring now to Figures 2 and 3, the adjustment system for an oven such as that illustrated in Figure 1 will be described in detail hereinafter. By way of illustration, a five-zone adjustment system will be described for the heating. tank shown in figure 1. However, the same system can be used in any furnace with several zones and in the fore-crucible thereof.
The temperature to be set in each zone of the oven is influenced by the heat input or the calorific input of the burners for that zone, as well as by the input
heat or the heat input of the burners provided for the other zones. In addition, there are thermal shifts between a change in heat input for one or more zones and the measurement of one or more temperature changes made by temperature transducers located above or in the glass.
The control system of the present invention effectively controls internal temperatures of a furnace of the type illustrated in Figure 1 when the temperatures to be measured and used in the control process are measured in molten glass. However, if in a particular process it is desirable to control the internal temperatures of the oven by adjusting the atmospheric temperatures, the control system of the present invention is also able to perform this function perfectly.
As shown in figure 2, the adjustment system
the present invention requires separate data acquisition elements for each area. The separate data acquired for each zone includes independent temperature measurements made by temperature transducers 32 and 34, as well as a record of fuel flow benchmarks which are used for regulators 28 in each zone. Although this data can be collected continuously or at shorter intervals, it is normally collected each time a new fuel flow rate setting is calculated for the control system. These data are transmitted to a storage device of a digital calculator. Data from all zones is accumulated in this storage device for a given period.
As a result, just before the calculator calculates an adjustment signal, the calculator's memory device contains all current zone temperatures, all fundamental zone temperatures, as well as all fundamental flow rate benchmarks. of fuel. This data is mathematically weighted by the calculator to produce a signal for each zone. These signals are transmitted, via the control and data channels of the system, to the individual controller 28 provided for each zone and which, as shown in Figure 3, is part of the adjustment mechanism for that zone. As shown in figure 3, the cue point setting signal
Fuel flow is transmitted not only to the regulator for the specific zone, but also to the storage device to be integrated with the fundamental data regarding the fuel flow benchmarks for that zone.
If the calorific value of the gas remains relatively constant, the set signal calculated for the fuel flow benchmark based on a presumptive calorific value of the gas, can be transmitted directly to regulator 28. However, the control system adjustment is designed to adjust the internal temperatures of the oven by adjusting the heat input to one or more zones of the oven. Accordingly, if the calorific value of the gas varies significantly from the assumed value, the actual fuel flow rate benchmark of the regulator should be set.
Therefore, the fuel flow rate benchmark adjustment signal output from the calculator is changed, as shown in Figure 3, by the input signal from the heat analyzer, so that the fuel flow rate actual fuel to the burners provides the desired heat input for the furnace.
The mathematical weighting of the data supplied by the storage device for a five-zone furnace to obtain the calculated control signal for the heat input (benchmark of fuel flow of one zone) is preferably performed according to the following mathematical relation:
<EMI ID = 18.1>
in which:
ui (t) is the calorific input (flow benchmark of
<EMI ID = 19.1>
e is a certain constant time interval of data acquisition (e.g. 1 hour)
s. (t) is the temperature detected by the jth transducer
thermal at time t
<EMI ID = 20.1>
the furnace efficiency has been linearized (desired temperature
<EMI ID = 21.1>
<EMI ID = 22.1>
turn of which the furnace efficiency has been linearized n is an integer of sufficient value to hold
account for the effects of thermal shifts occurring in the furnace (for example, if, after studying the fundamental data of furnace operation, it is determined that the temperatures at the thermal transducers are always influenced by a setting of the heat input 5 hours after this setting and the interval e is one hour, n could then have the value 4) ajk is a scalar constant obtained by one of the different
feedback adjustment methods. Although feedback tuning techniques such as stabilization theory and modal tuning methods can be adopted, it is preferable to use linear optimum tuning theory with a quadratic efficiency index.
<EMI ID = 23.1>
defined below
<EMI ID = 24.1>
I �
<EMI ID = 25.1>
which will be defined below.
To obtain matrices A and B, a mathematical model is established which satisfactorily takes into account thermal shifts and interactions occurring in the furnace. The preferred linearized model of the present invention meets the equation:
<EMI ID = 26.1>
in which:
e is the same constant acquisition time interval
data than that defined above.
x (t) is a state vector (column vector) made up of
temperatures for each zone at time t (five temperatures for a five-zone furnace) and a list of heat inputs (fuel flow benchmarks) for all zones and for previous time intervals n (such as defined above).
When n = 4 and there are five fields, a 25-entry column vector is normally constructed. Although at least the temperatures measured during the time t are used in the state vector, the mathematical relation for the calculation of the control signal is established to take into account previous temperature measurements and the state vector can possibly include these earlier temperature measurements.
u (t) is an adjustment vector (column vector) made up of
the calorific inputs (fuel flow benchmarks) of all zones at time t. For a five-zone oven, the column vector should have five entries.
<EMI ID = 27.1>
which the efficiency of the system has been linearized. The vector is a column vector with 25 entries with, for a five-zone furnace, a list of the five desired temperatures for the zones and the nominal heat inputs for them during time intervals n.
<EMI ID = 28.1>
from which the system efficiency has been linearized. The vector is a column vector with five inputs for the nominal heat inputs of a five-zone oven.
A is a constant matrix determined from the model
above. For an oven with five zones and with n - 4,
the matrix is 25x25.
B is a constant matrix determined from the model
above-. For an oven with five zones and with n - 4,
the matrix is 25x5.
A and B are chosen to cause the fundamental data to satisfy the above model. Data are obtained regarding temperatures and heat inputs for a particular furnace and a sufficient period of time in order to obtain data concerning the performance of the furnace under different conditions. Fundamental data is developed in matrices A and B
<EMI ID = 29.1>
<EMI ID = 30.1>
<EMI ID = 31.1> <EMI ID = 32.1>
, � i � � iit � � �d; È1 � � �{; ': iH �; � � i � � f'A. � �) B � � i-.
above must not be limited to any particular technique,
since there are many.
As soon as the matrices A and B have been determined, they
<EMI ID = 33.1>
Classic linear optimum tuning theory with a quadratic efficiency index.
The present invention is not limited to the embodiment described above in detail. The present invention can also be used to regulate the temperatures of the glass in the fore-crucible section of the furnace, either separately or in conjunction with the other zones of the latter. In addition, other known mathematical techniques can be used to obtain essentially the same relationship between the operating variables of a furnace and thereby trigger control actions. Likewise, other variables, such as changes occurring in the rate of loading, can be incorporated into the present invention in order to take these variables into account directly when triggering a control action.