JP2005047768A

JP2005047768A - ガラス溶融槽の運転支援システム

Info

Publication number: JP2005047768A
Application number: JP2003283386A
Authority: JP
Inventors: Ryosuke Akagi; 亮介赤木; Hiroshi Todoroki; 宏等々力; Masao Tomikawa; 雅夫冨川
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】高度な技術を要することなく品質の高い溶融ガラスを製造できるようにする。
【解決手段】溶融ガラス１１ａに関する諸量を計測するための複数のセンサ手段１１ｅと、溶融ガラス１１ａに関する諸量を収集するデータ収集手段（１２、１３、１５）と、このデータ収集手段によって収集されたデータを時系列データとしてデータベース２１ａに格納する時系列データ管理手段２１と、時系列データに基づいて溶融ガラス１１ａの流れの計算機シミュレーションを実施し、その結果を可視化して表示する流体シミュレーション手段（２２、２２ａ）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス溶融槽の運手支援システムに関し、特にガラスバルブ（ブラウン管、電球等）、レンズ、蛍光管、ガラスファイバー、自動車もしくは建築物等の窓ガラス、ＰＤＰ、ＬＣＤ、ＦＥＤもしくは有機ＥＬ等の表示装置用ガラス基板、またはビンもしくは食器等の生活用品として使用される各種ガラス製品の製造に好適なガラス溶融槽の運転支援システムに関する。

ブラウン管用ガラスバルブは、画像表示面に相当するパネル、真空容器を形成するファンネル、および電子銃が装填されるネック管といった複数のガラス製品を組み合わせることで構成される。これらのうち、パネルおよびファンネルは溶融ガラスを金型でプレスすることで作られ、具体的には珪砂、ソーダ灰および炭酸カルシウムといった各種原料（いわゆるバッチ）を溶融槽内で加熱溶融し、できあがった溶融ガラス（いわゆるガラス素地）を金型でプレスすることで作られる。

一方、ガラス素地は、その粘性が水等の液体に比べてはるかに高く流れに難いため、上記各種原料を均一に混ざり合わせかつガラス素地に混入した泡を除去するには、溶融温度および槽内における流れの状態を精密に制御する必要がある。また、原料が均一に混ざり合っていないガラス素地でガラス製品を製造した場合、製品内部に筋状の光学歪み（いわゆる素地筋（コード））が生じたり、石物（いわゆるストーン）が発生したりするなどし、これらはガラスバルブの歩留まりを低減させる大きな要因となっていた。

このように、高品質のガラス製品を作るには、溶融ガラスの製造段階で原料を高温溶融して均一に混ぜ合わせることが極めて重要であり、従来においては様々な工夫が試みられていた。例えば、１対の電極で構成された電気ブースタを配置することでガラス素地の一部を補助的に加熱したり、気体を噴出により泡を発生させるバブラーを炉底に設置することでガラス素地を流動・撹拌したり、あるいは流れを制御するためのダムウォールを炉底に設置したりといった手法がある。

特開平３−１９７３２７号公報特開２０００−７３４２号公報特開２０００−７３４３号公報

しかしながら、これらの各種手法を用いたとしても、ガラス溶融槽の運転状態を最適に保つには、高度かつ熟練した技術が要求される。溶融槽内に原料が投入されてから所望の溶融ガラスができあがるまでには、溶融槽の大きさにもよるが、数時間から数日またはそれ以上（例えば数週間）といった長期間を要し、異常事態に気づいてからオペレーションを変更したのでは手遅れとなってしまう。熟練した作業員であれば、異常が顕在化する前に、炉内を観察することで得られたガラス液面の状態および光具合等の情報、炉内の温度、および使用している溶融槽の特性（溶融槽の形状、大きさ等）等を総合的に考慮することで、ガラス素地の流れを予測し、適宜対策を打つことができる。

しかし、このような判断は長年培ってきた豊富な経験および勘を備えることで初めてなされるものであり、素人が容易に真似できるものではない。また、熟練した作業員であっても、全く客観的な判断ができるわけではなく、例えば新型の溶融槽を運転する場合など初めて遭遇する製造条件下においては、判断に迷うことがしばしばある。

一方、ガラス溶融槽の性能を計算機シミュレーションにより評価する手法が、従来より数々試みられているが（特許文献１，２および３を参照。）、これらは新型のガラス溶融槽の開発や既存のガラス溶融槽の性能評価に用いられることを想定したものである。よって、ガラスの製造現場で運転支援として用いられることはなく、またオフラインで使用することを前提としたこれらの技術をそのままガラス溶融槽の運転支援に適用することは困難といえる。すなわち、正確な計算機シミュレーションを実施するためには、溶融槽の複数（数百以上）の箇所から温度等の諸量をサンプリングし、それらを境界条件もしくは初期条件として用いて計算を実行する必要があったが、従来においては効率よくこれらの諸量を収集する手段がなかった。

本発明は、以上のような従来技術が有する課題を解決するためのものであり、高度な技術を要することなく品質の高い溶融ガラスを製造できるようにしたガラス溶融槽の運転支援システムを提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために本発明は、溶融ガラスに関する諸量を計測するため溶融槽内に設置された複数のセンサ手段と、これらのセンサ手段によって計測された前記溶融ガラスに関する諸量を収集するデータ収集手段と、このデータ収集手段によって収集されたデータを時系列データとしてデータベースに格納する時系列データ管理手段と、前記データベースから前記時系列データを読み出し、前記溶融槽内における溶融ガラスの流れの計算機シミュレーションを実施し、その結果を可視化して表示する流体シミュレーション手段とを備えたことを特徴とするガラス溶融槽の運転支援システムを提供する。

また、本発明の一態様において、前記流体シミュレーション手段は、前記溶融ガラスに関する品質インデックスを算出するとともにそれを表示することが好ましい。さらに、本発明の一態様において、前記流体シミュレーション手段は、前記時系列データを可視化して表示することが好ましい。

このように本発明は、時系列データ管理手段を備えることで溶融槽内の各種時系列データを短時間で収集・管理でき、また収集した時系列データを用いることで、溶融槽の運転に必須なガラス素地の流れをリアルタイムでシミュレートおよび可視化できる。よって、本発明を用いることにより、現状のガラス素地の状態を視覚的に理解でき、経験年数の浅い作業員であってもガラス製造の最適運転を容易に図ることができる。また、溶融ガラスに関する品質インデックスまたは計測された各種時系列データを可視化して表示させることにより、溶融槽の状態を多面的に監視でき、運転精度をさらに向上させることができる。

本発明は、時系列データ管理手段を備えることで溶融槽内の各種時系列データを短時間で収集および管理でき、また収集した時系列データを用いることで、溶融槽の運転に必須な情報であるガラス素地の流れをリアルタイムでシミュレートおよび可視化できる。

次に、本発明の一つの実施の形態について図を用いて説明する。
図１は、本発明に係るガラス溶融槽の運転支援システムの一実施形態を示すブロック図である。同図に示すように、各地に設けられたガラス製造プラント１０，１０ａのうち、ガラス製造プラント１０には、溶融槽１１および図示しないプレス成形設備が設置されるとともに、溶融ガラス１１ａの流れを調整するための各種機器が溶融槽１１内に設置され、またこれらの機器を監視・制御するためのネットワークおよびネットワーク機器が設置されている。ガラス製造プラント１０においては、珪砂等のガラス原料であるバッチを溶融槽１１で加熱することにより溶融ガラス（ガラス素地）１１ａを製造し、それを後段のプレス成形工程（図示せず）でプレス成形し、ガラスバルブ等の最終製品を製造する。

溶融槽１１は、複数の耐火煉瓦で構成され、その内部にはバッチおよび溶融ガラス１１ａに熱エネルギーを印加するためのガスバーナ１１ｂと、１対（または複数対）の電極で構成されて電圧を印加することで溶融ガラス１１ａを局所的に加熱するための電気ブースタ１１ｃと、噴射したエアで気泡を発生させてその浮上力により溶融ガラス１１ａに強制対流を生じさせるバブラー１１ｄと、溶融ガラス１１ａの温度およびその表面温度を計測するための熱電対および放射温度計等からなる複数のセンサ１１ｅとが設置されている。

一方、溶融槽１１の外部には、溶融槽１１内の各機器の駆動制御に用いられる制御系ネットワーク１７と、イントラネット３０と接続されてプラント１０内における情報通信に使用される情報系ネットワーク１８とが敷設されている。制御系ネットワーク１７には、溶融槽１１内の各機器とプロセスコントローラ１２を介して接続されたデータロガー１３と、プレス成形工程で計測された検査データを収集管理する検査プロセスコンピュータ１４と、時系列データの記憶保持および管理を行うための時系列データ管理サーバ１５とが接続されている。

また、情報系ネットワーク１８には、データベース装置１５ａを備えた時系列データ管理サーバ１５と、複数のクライアントＰＣ１６とが接続されている。時系列データ管理サーバ１５は、ワークステーション等のコンピュータとその制御プログラム等で構成され、クライアントＰＣ１６からの要求に応じて、データベース装置１５ａに保持されているデータをクライアントＰＣに送信したり、後述の時系列データ管理サーバ２１から溶融槽１１に関する諸量の時系列データを読み出してクライアントＰＣ１６に送信したりする。クライアントＰＣ１６はパーソナルコンピュータ等で構成され、その記憶装置（図示せず）には流体シミュレーション・プログラムが格納され、この流体シミュレーション・プログラムが上記時系列データを用いることで、溶融ガラス１１ａの流れの計算機シミュレーションを実施する。

一方、開発部署２０には、情報通信に使用される情報系ネットワーク２３が敷設され、それにはデータベース装置２１ａを備えた時系列データ管理サーバ２１と、複数のクライアントＰＣ２２とが接続されている。時系列データ管理サーバ２１は、各地のガラス製造プラントから送られて来たデータを一括管理するための装置であり、ワークステーション等のコンピュータとその制御プログラム等で構成されている。また、クライアントＰＣ２２からの要求に応じて、溶融槽１１における諸量の時系列データをデータベース装置２１ａから読み出し、クライアントＰＣ２２に送信する。

クライアントＰＣ２２は、パーソナルコンピュータ等で構成されており、その記憶装置（図示せず）には流体シミュレーション・プログラム格納され、この流体シミュレーション・プログラムが上記時系列データを用いることで、溶融ガラス１１ａの流れの計算機シミュレーションを実施する。シミュレーションの結果（溶融ガラス１１ａの流速、圧力、品質インデックス等）は、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）やＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等で構成された表示装置２２ｂに可視化して表示される。なお、流れを可視化する手法は公知の技術を用いることができ、また品質インデックスは特開２０００−７３４３号公報に開示された技術を用いて求められる。

ここで、品質インデックスについて説明する。溶融ガラス流れシミュレーションの結果として得られるものは流速分布や温度分布であり、直接的に溶融炉性能や操業状態の優劣を判断するための指標にはなりにくい。そこで、得られた流速分布や温度分布を基に再計算をし、ガラス品質に直結した数値指標として表したものを一般的に「品質インデックス」と言う。

一例として、生産性を阻害する溶け残りのストーン欠点をイメージし、これを削減するためには高い温度領域を長時間通過させる温度履歴が重要であることから、流線に沿った時間積分により温度履歴として下記の品質インデックス（ＩＮＤＥＸ）を得る。

ＩＮＤＥＸ＝∫Ｔｄｔ，Ｔ：温度，ｔ：時間
この場合、品質インデックスの値が大きいほど高温領域を長時間通過したことになり、ガラスの品質にとってはよい方向となる。なお、注目すべき事象の違いや理論の展開方法により、品質インデックスの算出方式は異なるが、例えば上記特開平２０００−７３４３号公報に開示された技術の他に、文献「H. Loch, D. Krause (Eds.): Mathematical Simulation in Glass Technology, Schott Series on Glass and Glass Ceramics(Springer, Berlin, Heidelberg 2002)」に開示された技術を用いて算出することもできる。

このように、本実施の形態では、開発部署２０とガラス製造プラント１０とが互いに遠隔地にある場合を想定しており、ガラス製造プラント１０と開発部署２０とはイントラネット３０を介して各種のデータ通信およびネットワーク制御が行われ、溶融槽１１で生じた各種現象はセンサ１１ｅによって計測される。また、ガラス溶融槽１１に関する諸量の時系列データは、開発部署２０に設置された時系列データ管理サーバ２１によって管理され、このデータは各場所のクライアントＰＣからの要求に応じて配信される。流れのシミュレーションおよび品質インデックスの算出等は各クライアントＰＣに格納された流体シミュレーション・プログラムによって実際されてもよいし、専用のサーバ装置を用意しそれにより行われてもよい。

ここで、本発明に係る溶融ガラスの製造手順の一実施形態について説明する。まず、溶融槽１１の上流にガラス原料であるバッチを投入し、ガスバーナ１１ｂにより熱エネルギーが印加され、スロート（溶融槽のくびれ部）の前段に位置する槽内で均一に溶解される。この際に溶融ガラス１１ａの流れは、クライアントＰＣ１６または２２を介した作業員による電気ブースタ１１ｃおよびバブラー１１ｄ等の捜査により行われる。その後、溶融ガラス１１ａはスロートを介して後段の槽内に流れ込んで清澄され、最終的にフィーダを介してプレス成形工程（図示せず）に流される。

溶融槽１１内の各機器は、何れもプロセスコントローラ１２により駆動が制御され、またセンシングされたデータの収集が行われる。収集されたデータは、データロガー１３により一群のデータ構造としてまとめられ、所定のサンプリング周期で制御系ネットワーク１７を介して時系列データ管理サーバ１５に送信される。時系列データ管理サーバ１５は、収集した時系列データをイントラネット３０を介してデータベース２１ａに送信し格納される。

次に、本発明のその他の実施形態について説明する。
表１、２は、データベース２１ａに格納されるデータの一例を示し、具体的な数値等の記載は省略している。同図に示すようにデータベース２１ａには、ガラス溶融槽に備え付けの温度、圧力、流量などのセンサによって測定されたデータ、溶解槽の制御データ、製品の検査データ、流体シミュレーション結果、操業時のコメントが格納されている。

測定データは、例えばガラス温度（炉底部、側面部など）、炉壁温度、天井温度、炉圧などを示す。制御データは、例えば原料投入量、重油、ガスなどの燃料使用量、冷却空気量、冷却水量、バブラー圧力、流量電気ブースティングの電圧、電流、電力などを示す。検査データは、例えば製品中の泡数、泡や石物などの製品欠点数または比率を示す。シミュレーション結果は、例えばガラス温度や炉壁温度、ガラス流速、流量などの物理量や品質インデックスを示す。

ガラス温度や炉壁温度、ガラス流速、流量は予め作業者が任意の位置を指定して記憶保持される。コメントは、例えばジョブチェンジや素地替えなどの操業条件情報、設備のトラブル等に関する説明図であり、必要に応じてサーバやクライアントＰＣから入力される。作業者は、将来的に同様の操業条件を行う時、過去に実施した内容を表示手段２２ｂに表示されることで運転時の際の参考にすることができる。

以上説明したとおり本発明は、時系列データ管理手段を備えることで溶融槽内の各種時系列データを短時間で収集および管理でき、また収集した時系列データを用いることで、溶融槽の運転に必須な情報であるガラス素地の流れをリアルタイムでシミュレートおよび可視化できる。よって、本発明を用いることにより、現状のガラス素地の状態を視覚的に理解でき、経験年数の浅い作業員であってもガラス製造の最適運転を容易に図ることができる。また、溶融ガラスに関する品質インデックスまたは計測された各種時系列データを可視化して表示させることにより、溶融槽の状態を多面的に監視でき、運転精度をさらに向上させることができる。

なお、以上においては、ブラウン管用ガラスパネルの製造に関する例を挙げたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば自動車、鉄道、船舶、航空機または建築物等の窓ガラスに使用される板ガラス等の製造にも適用できることは明らかである。

本発明に係るガラス板の一実施の形態を示す平面図である。

符号の説明

１０，１０ａ：ガラス製造プラント
１１：溶融槽
１１ａ：溶融ガラス
１１ｂ：ガスバーナ
１１ｃ：電気ブースタ
１１ｄ：バブラー
１１ｅ：センサ（温度計、圧力計および流量計等）
１２：プロセスコントローラ
１３：データロガー
１４：検査プロセスコンピュータ
１５：時系列データ管理サーバ
１５ａ：データベース装置
１６：クライアントＰＣ
１７：制御系ネットワーク
１８：情報系ネットワーク
２０：開発部署
２１：時系列データ管理サーバ
２１ａ：データベース装置
２２：クライアントＰＣ
２２ａ：流体シミュレーション・プログラム
２３：情報系ネットワーク
３０：イントラネット

Claims

溶融ガラスに関する諸量を計測するため溶融槽内に設置された複数のセンサ手段と、これらのセンサ手段によって計測された前記溶融ガラスに関する諸量を収集するデータ収集手段と、このデータ収集手段によって収集されたデータを時系列データとしてデータベースに格納する時系列データ管理手段と、前記データベースから前記時系列データを読み出し、前記溶融槽内における溶融ガラスの流れの計算機シミュレーションを実施し、その結果を可視化して表示する流体シミュレーション手段とを備えたことを特徴とするガラス溶融槽の運転支援システム。
前記流体シミュレーション手段は、前記溶融ガラスに関する品質インデックスを算出するとともにそれを表示する請求項１に記載のガラス溶融槽の運転支援システム。
前記流体シミュレーション手段は、前記時系列データを可視化して表示する請求項１に記載のガラス溶融槽の運転支援システム。