CN101894496A - 一种应用在冶金工业的循环冷却水动态模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用在冶金工业的循环冷却水动态模拟实验装置。该装置由冶金循环冷却水动态模拟实验设备和无线远程监控系统两部分组成。其中，所述冶金循环冷却水动态模拟实验设备主要由补水箱、储水箱、冷却塔和电加热装置组成；无线远程监控系统由现场监控设备、无线数据传输部分、远程监控中心组成，包括电控柜、可编程控制器(PLC)、就地管理计算机、摄像头、数据传输单元(GPRS DTU)、无线视频服务器、远程管理计算机、视频客户端计算机和视频转发服务器。本发明真实的模拟了冶炼过程高温生产换热情况，舍去了以往的蒸汽换热系统，省去了对剩余加热蒸汽的冷却用水，使模拟换热系统更加准确、节水、简单和可靠，提供了异地、远程无线实时监测和控制系统。

Description

一种应用在冶金工业的循环冷却水动态模拟实验装置

技术领域

本发明涉及一种应用在冶金工业的循环冷却水动态模拟实验装置。

背景技术

冶金工业是各工业部门中的用水大户之一，其中循环冷却水占总用水量的70％～80％。由于其生产工艺复杂，用水要求各异，致使循环冷却水种类繁多，因此对冶金工业循环冷却水水质稳定处理时与其他工业部门不同。如果对循环冷却水处理不当，会使冷却设备产生不同程度的结垢和腐蚀，导致能耗增加，严重时不仅会损坏冶炼设备，而且可能会引起工厂停车、停产和减产的生产事故，造成极大的经济损失。因此必须对冶金工业的循环冷却水水质严格控制。循环冷却水的处理配方一般要经过动态模拟实验确定，国内的运行经验表明，经实验所选定的处理配方可以满足设计的预期要求。

冷却水动态模拟实验是根据现场情况在影响因素中选择几项关键的条件进行模拟控制，主要模拟生产上应用的换热器和材质、壁温及冷却水的流动状态等，是评定缓蚀效果和阻垢性能的一种较为理想的方法。具体实验方法在国家化工行业标准HG/T2160-2008中给出。

在冷却水动态模拟实验中，公知的的换热装置是以常压饱和蒸汽为热源。先通过电加热水生成100℃的蒸汽，再利用蒸汽的温度和实验管进行热交换，同时需要大量直冷水冷凝回收多余的蒸汽，以达到模拟换热的情况。但是，冶金工业冶炼生产中的换热高温侧温度要远远高于100℃，而且不同的循环水系统运行时高温侧温度也有差异，因此利用常压饱和蒸汽为热源的换热器无法真实的模拟冶金生产的冶炼换热过程，大量蒸汽直冷水的使用也造成了水资源的浪费。

而且，目前循环冷却水动态模拟实验处于半自动半人工操作的状态。实验用水一般采用生产实际用水，由于用水量较大往往需要在生产现场进行实验；实验的时间也比较长，即不低于14天。在实验期间，要求全天24小时有人员看守设备，并通过现场计算机记录并观察实验数据，以确保实验安全、稳定的运行。因此，需要安排一定的值守人员并采用轮流倒班的方法；但是，冶金生产现场存在噪音大、尘土多、夏天酷热、冬天寒冷等诸多环境问题，不利于值守人员的现场值守。通常，要完成一次循环冷却水动态模拟实验往往会花费大量的人力，恶劣的现场环境也加大了工作难度。随着工业自动化和无线通讯的发展，对现场实验的值守和运行提出了更高的要求。

发明内容

本发明提供一种能模拟冶金行业循环冷却水运行情况，并实现异地、远距离实时监测和控制现场循环冷却水动态模拟实验的装置。

该装置由冶金循环冷却水动态模拟实验设备和无线远程监控系统两部分组成。其中，所述冶金循环冷却水动态模拟实验设备包括电加热装置、补水箱、储水箱和冷却塔；储水箱设置在冷却塔的下部，储水箱的入水口连接在补水箱的出水口；在储水箱底部安有液位传感器监测水位，储水箱的出水口连接有水泵，所述水泵连接至电加热装置的入水口；水泵与电加热装置的入水口之间的管路上依次安电子流量计、PH仪、电导率仪和进口温度传感器；在电加热装置的出水口还安有出口温度传感器；从电加热装置的出水经挂片筒连接至冷却塔顶端的入口，排污水经电动排污阀排出。

所述无线远程监控系统由电控柜、可编程控制器(PLC)、就地管理计算机、摄像头、数据传输单元(GPRS DTU)、无线视频服务器、GPRS网络、INTERNET网络、远程管理计算机、视频客户端计算机和视频转发服务器组成。

所述现场监控设备用于采集所述模拟实验的实验数据和运行情况数据，自动测算污垢热阻值，并把所述的数据显示并储存在就地管理计算机内。

所述无线数据传输部分与远程监控中心之间能够进行双向无线通信，所述无线数据传输部分将所述就地管理计算机内的储存数据传输至远程监控中心，同时所述远程监控中心能够完成对所述模拟实验的实验数据和运行情况数据的管理，并能够通过所述无线数据传输部分向所述现场监控设备发出自动控制调节措施。

本发明采用以电热为热源直接加热试验管的换热系统，突破常压饱和蒸汽的温度极限，使实验更加接近冶金生产换热情况，提高了实验的准确度，并舍去了原来的蒸汽冷却水，使模拟换热系统更加节水。本发明提供了异地、远距离实时监测和控制现场循环冷却水动态模拟实验的系统；采用就地自动控制与异地无线自动控制相结合，大大减少了人力，降低了人员的劳动强度；本发明中的系统适用范围广，特别是适用环境恶劣的现场实验监控，能及时对不稳定的实验运行做出调整，降低安全事故的发生几率。

附图说明

图1是冶金循环冷却水动态模拟实验设备结构示意图。

图2是冶金循环冷却水动态模拟实验设备的无线远程监控系统示意图。

图中：1.补水箱，2.储水箱，3.冷却塔，4.风机，5.填料，6.浮球阀，7.水泵，8.电子流量计，9.PH仪，10.电导率仪，11.进口温度传感器，12.电加热装置，13.试验管，14.出口温度传感器，15.挂片筒，16.电动排污阀，17.电阻丝接电端子，18.传热填料，19.保温层，20.陶瓷层，21.石英管，22.温度传感器，23.液位传感器，24.电控柜，25.可编程控制器(PLC)，26.就地管理计算机，27.摄像头，28.数据传输单元(GPRS DTU)，29.无线视频服务器，30.GPRS网络，31.INTERNET网络，32.远程管理计算机，33.视频客户端计算机，34.视频转发服务器。

具体实施方式

下面，进一步以图1、图2中所示的实例，对本发明冶金循环冷却水动态模拟实验设备和无线远程监控系统进行说明。

应用在冶金工业的循环冷却水动态模拟实验装置，由冶金循环冷却水动态模拟实验设备和无线远程监控系统两部分组成。

如图1所示，本发明冶金循环冷却水动态模拟实验设备包括补水箱1、储水箱2、冷却塔3和电加热装置12。储水箱2设置在冷却塔3的下部，所述冷却塔3的下部设置有风机4使水进一步冷却，冷却水流入储水箱2。储水箱2的入水口连接在补水箱1的出水口。在补水箱1底部安有液位传感器23监测水位，在储水箱2中有一浮球阀6控制储水箱2的水位，补水箱1中的水根据储水箱2中的缺水量不断地补入储水箱2。储水箱2的出水口连接有水泵7，所述水泵7连接至电加热装置12的入水口。水泵7与电加热装置12的入水口之间的管路上依次安电子流量计8、PH仪9、电导率仪10和进口温度传感器11。所述电加热装置12的内部为一石英管21，石英管21内侧装有传热填料18，温度传感器22插入在传热填料18中，传热填料18的中心包覆试验管13，水在试验管13中通过。石英管21外是陶瓷层20及保温层19，在陶瓷层中嵌入有电阻丝。电加热装置12上安有电阻丝接电端子17与电阻丝相连。在电加热装置12的出水口还安有出口温度传感器14。从电加热装置12的出水经挂片筒15连接至冷却塔3顶端的入口。排污水经电动排污阀16排出。

如图2所示，无线远程监控系统由电控柜24、可编程控制器(PLC)25、就地管理计算机26、摄像头27、数据传输单元(GPRS DTU)28、无线视频服务器29、GPRS网络30、INTERNET网络31、远程管理计算机32、视频客户端计算机33和视频转发服务器34组成。

所述现场监控设备包括电控柜、可编程控制器(PLC)、就地管理计算机和摄像头。

现结合图1，对图2中的无线远程监控系统的工作原理作进一步说明：当嵌入在陶瓷层20中的电阻丝通电发热时，热量透过石英管21传递给传热填料18，插入在传热填料18中的温度传感器22受热后传出温度信号给电控柜24内的PID温度控制器，PID温度控制器再根据接受的温度信号精确控制电阻丝的功率，进而控制其发热量。最终PID温度控制器可以使传热填料的温度稳定在设定值，达到试验管13外界温度的要求。所述电子流量计8、PH仪9、电导率仪10、进口温度传感器11、出口温度传感器14、温度传感器22、液位传感器23，将采集的数据分别通过4-20mA电流传输到可编程控制器(PLC)25，所述可编程控制器(PLC)25通过RS232通讯口将采集到的数据传输到就地管理计算机26显示。

水泵7、风机4通过电控柜24内的变频器来调节。所述变频器和可编程控制器(PLC)25连接，所述就地管理计算机26的“冷却水动态模拟实验管理系统”向所述可编程控制器(PLC)25发出控制和调节信号，所述可编程控制器(PLC)25通过4-20mA电流来调节电流和控制信号以控制变频器，从而达到调节水泵7和风机4的目的。电加热装置12通过电阻丝接电端子17与电控柜24内的PID温度控制器连接，所述的PID温度控制器和可编程控制器(PLC)25共同对电阻丝进行控制。

如图2所示，数据传输单元(GPRS DTU)28通过RS232通讯口和就地管理计算机26连接进行数据的双向转换，数据传输单元(GPRS DTU)28登陆GPRS网络30，然后进行GPRS PPP拨号。拨号成功后，数据传输单元(GPRS DTU)28通过移动网关来实现与外部INTERNET网络31的通信。数据传输单元(GPRS DTU)28主动发起与远程管理计算机32的通信连接，并保持通信连接一直存在。然后，远程管理计算机32内运行的“冷却水动态模拟实验远程管理系统”就可以和就地管理计算机26一样，完成对实验中所有数据、参数的管理以及提供自动控制调节措施，从而实现了无线远程数据管理。

在图2中，摄像头27安装在现场实验装置附近，摄像头27的BCN接头一端直接和无线视频服务器29连接，另一端和就地管理计算机26上的视频采集卡连接。就地管理计算机26通过机内的视频采集卡和“视频管理软件”可以就地视频监视现场实验设备。无线视频服务器29上电后登陆GPRS网络30，然后进行GPRS PPP拨号。拨号成功后，无线视频服务器29将获得一个由移动随机分配的内部IP地址，通过移动网关来实现与外部INTERNET网络31的通信。远程监控中心的视频转发服务器34有固定的公网IP地址，通过固定IP和设定的数据端口，无线视频服务器29主动发起与视频转发服务器34的通信连接，得到视频转发服务器34响应后，握手成功，然后保持这个通信连接一直存在，无线视频服务器29将现场视频数据流传输到视频转发服务器34，通过视频客户端计算机33上的“无线视频监控浏览器”软件可以实现远程的实时监控。所述现场监控设备包括电控柜、PLC、就地管理计算机和摄像头。电控柜设在冶金循环冷却水系统现场，其用于显示：在线PH仪、电导率仪、液位传感器、电子流量计的测量数据；电加热装置的进口温度、出口温度、传热填料温度的采集数据。所述就地管理计算机设在实验现场，其内运行“冷却水动态模拟实验管理系统”；所述可编程控制器(PLC)通过就地管理计算机的RS232通讯口与“冷却水动态模拟实验管理系统”软件实行通讯，实现通过所述就地管理计算机进行就地监控。

此外，所述就地管理计算机机内运行的“冷却水动态模拟实验管理系统”还具有和无线数据传输设备数据传输单元进行交换数据的功能；所述“冷却水动态模拟实验管理系统”软件具有主控面、装置流程等界面，其数据的曲线及报表通过系统数据库实现。

所述摄像头安装在现场实验装置附近，对冶金循环冷却水实验设备进行监控。所述摄像头通过BCN接头和所述就地管理计算机上的视频采集卡连接，并通过所述就地管理计算机内安装的“视频管理软件”来实现就地对冶金循环冷却水实验设备的视频监控。

所述无线数据传输部分包括数据传输单元(GPRS DTU)、无线视频服务器、GPRS网络、INTERNET网络。

所述数据传输单元和GPRS网络用于传输温度、流量、PH、电导率、液位、泵和阀门的开启状态等循环冷却水实验数据。所述数据传输单元把就地管理计算机内部的数据通过所述GPRS网络和INTERNET网络发送到远程管理计算机。

视频数据的传输：采用无线视频服务器，通过GPRS网络进行视频数据传输，监视器的BCN接头直接和无线视频服务器连接，无线视频服务器将视频数据发送到视频转发服务器端，然后通过视频转发服务器，将视频发送到客户端软件中。

所述远程监控中心包括远程管理计算机、视频转发服务器、视频客户端计算机，其分别安装有“冷却水动态模拟实验远程管理系统”、“视频服务器管理系统”、“无线视频监控浏览器”。其中，“冷却水动态模拟实验远程管理系统”具有和数据传输单元交换数据的功能，软件具有主控面、装置流程、数据的曲线及报表等界面。

远程管理计算机采用公网方式(ADSL拨号或者专线宽带上网)接入INTERNET网络，数据传输单元登陆GPRS网络，通过移动网关来实现与INTERNET网络的通信；数据传输单元(GPRS DTU)主动发起与远程管理计算机的通信连接，然后保持这个通信连接一直存在，就可以进行数据双向通信了。远程管理计算机通过“冷却水动态模拟实验远程管理系统”对实验数据进行管理，将接收到的冷却水的实验数据(如温度、流量、PH、电导率、补水箱液位、泵状态等)在主控画面上实时显示，同时可下发控制或调节命令给实验现场就地管理计算机，可以切断现场实验设备的电源、远程停止或开启循环泵或阀门，远程调节循环水流量等。

无线视频服务器上电后登陆GPRS网络，通过移动网关来实现与INTERNET网络的通信。无线视频服务器主动发起与远程管理中心视频转发服务器的通信连接，然后保持这个通信连接一直存在，将视频数据流传输到视频转发服务器，通过视频客户端计算机上的“无线视频监控浏览器”软件可以实现远程的实时监控。

现场监控设备完成对冶金循环冷却水动态模拟实验设备的数据采集与自动控制，现场监控设备通过无线数据传输部分与远程监控中心建立双向数据通信，实现在远程监控中心能够对冶金循环冷却水动态模拟实验设备进行数据采集与自动控制。

Claims (10)

1.一种应用在冶金工业的循环冷却水动态模拟实验装置，其特征在于：由冶金循环冷却水动态模拟实验设备和无线远程监控系统两部分组成。

2.如权利要求1所述的循环冷却水动态模拟实验装置，其特征在于：冶金循环冷却水动态模拟实验设备包括电加热装置、补水箱、储水箱和冷却塔；储水箱设置在冷却塔的下部，储水箱的入水口连接在补水箱的出水口；在储水箱底部安有液位传感器监测水位，储水箱的出水口连接有水泵，所述水泵连接至电加热装置的入水口；水泵与电加热装置的入水口之间的管路上依次安电子流量计、PH仪、电导率仪和进口温度传感器；在电加热装置的出水口还安有出口温度传感器；从电加热装置的出水经挂片筒连接至冷却塔顶端的入口。排污水经电动排污阀排出。

3.如权利要求2所述的循环冷却水动态模拟实验装置，其特征在于：所述电加热装置的内部为一石英管，石英管内侧装有传热填料，温度传感器插入在传热填料中，传热填料的中心包覆试验管，水在试验管中通过；石英管外是陶瓷层及保温层，在陶瓷层中嵌入有电阻丝，电加热装置内的温度由PID温度控制器进行控制调节。

4.如权利要求2、3所述的循环冷却水动态模拟实验装置，其特征在于：所述冷却塔下部的风机和管道上的水泵均由可编程控制器(PLC)自动控制。

5.如权利要求4所述的循环冷却水动态模拟实验装置，其特征在于：在补水箱中有一液位传感器监测补水箱的水位，补水箱中的水根据储水箱中的缺水量不断地补入储水箱。

6.如权利要求1所述的循环冷却水动态模拟实验装置，其特征在于：所述无线远程监控系统由电控柜、可编程控制器(PLC)、就地管理计算机、摄像头、数据传输单元(GPRS DTU)、无线视频服务器、GPRS网络、INTERNET网络、远程管理计算机、视频客户端计算机和视频转发服务器组成。

7.如权利要求3、6所述的循环冷却水动态模拟实验装置，其特征在于：当嵌入在陶瓷层中的电阻丝通电发热时，插入在传热填料中的温度传感器受热后传出温度信号给电控柜内的PID温度控制器，PID温度控制器进而控制电阻丝发热量；所述电子流量计、PH仪、电导率仪、进口温度传感器、出口温度传感器、温度传感器和液位传感器，将采集的数据分别通过4-20mA电流传输到可编程控制器(PLC)，所述可编程控制器(PLC)通过RS232通讯口将采集到的数据传输到就地管理计算机显示。

8.如权利要求3、6所述的循环冷却水动态模拟实验装置，其特征在于：水泵、风机通过电控柜内的变频器来调节；所述变频器和可编程控制器(PLC)连接，所述就地管理计算机的向所述可编程控制器(PLC)发出控制和调节信号，所述可编程控制器(PLC)通过4-20mA电流来调节电流和控制信号以控制变频器，从而调节水泵和风机。

9.如权利要求3、6所述的循环冷却水动态模拟实验装置，其特征在于：所述数据传输单元(GPRS DTU)和GPRS网络用于传输温度、流量、PH、电导率、液位、泵和阀门的开启状态等循环冷却水实验数据；数据传输单元(GPRS DTU)通过RS232通讯口和就地管理计算机连接进行数据的双向转换，数据传输单元(GPRS DTU)登陆GPRS网络，然后进行GPRS PPP拨号，拨号成功后，数据传输单元(GPRS DTU)通过移动网关来实现与外部INTERNET网络的通信；数据传输单元(GPRS DTU)主动发起与远程管理计算机的通信连接，并保持通信连接一直存在；远程管理计算机完成对实验中所有数据、参数的管理以及提供自动控制调节措施，从而实现了无线远程数据管理；摄像头安装在现场实验装置附近，摄像头的BCN接头一端直接和无线视频服务器连接，另一端和就地管理计算机上的视频采集卡连接；就地管理计算机通过机内的视频采集卡和“视频管理软件”可以就地视频监视现场实验设备；无线视频服务器上电后登陆GPRS网络，进行GPRS PPP拨号；拨号成功后，无线视频服务器将获得一个由移动随机分配的内部IP地址，通过移动网关来实现与外部INTERNET网络的通信；远程监控中心的视频转发服务器通过固定IP和设定的数据端口，无线视频服务器主动发起与视频转发服务器的通信连接，得到视频转发服务器响应后，握手成功，然后保持这个通信连接一直存在；无线视频服务器将现场视频数据流传输到视频转发服务器，通过视频客户端计算机上的“无线视频监控浏览器”软件可以实现远程的实时监控；所述现场监控设备包括电控柜、可编程控制器(PLC)、就地管理计算机和摄像头；电控柜设在冶金循环冷却水系统现场，其用于显示：在线PH仪、电导率仪、液位传感器和电子流量计的测量数据；电加热装置的进口温度、出口温度、传热填料温度的采集数据；所述就地管理计算机设在试验现场，其内运行“冶金冷却水动态模拟实验管理系统”；所述可编程控制器(PLC)通过就地管理计算机的RS232通讯口与“冷却水动态模拟实验管理系统”软件实行通讯，实现通过所述就地管理计算机进行就地监控。

10.如权利要求9所述的循环冷却水动态模拟实验装置，其特征在于：视频数据的传输采用无线视频服务器，通过GPRS网络进行视频数据传输，监视器的BCN接头直接和无线视频服务器连接，无线视频服务器将视频数据发送到视频转发服务器端，然后通过视频转发服务器，将视频发送到客户端软件中；

远程管理计算机通过“冷却水动态模拟实验远程管理系统”对试验数据进行管理，将接收到的冷却水的试验数据在主控画面上实时显示，同时下发控制或调节命令给试验现场就地管理计算机，切断现场试验设备的电源、远程停止或开启循环泵或阀门，远程调节循环水流量。

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