CN102051424A - 全自动高炉除尘风机变频节能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动高炉除尘风机变频节能控制系统，属于自动控制及节能领域。本系统包括工控机；连接于工控机和除尘风机之间的变频控制系统，工控机通过变频控制系统调节除尘风机的转速；布置在出铁区的温度传感器，温度传感器采集出铁区的温度信号并将其传送给工控机；布置在出铁区的摄像头，摄像头采集出铁区的图像信号并将其传送给工控机；布置在各罐口风门的温度传感器，温度传感器采集各罐口风门处的温度信号并将其传送给工控机；工控机还与主风门和各罐口风门的电磁阀相连接，控制其开启和关闭。该系统实现了对高炉除尘风机的节能控制。

Description

全自动高炉除尘风机变频节能控制系统

技术领域

本发明涉及自动控制及节能技术领域，具体地说就是一种全自动高炉除尘风机变频节能控制系统，从而实现工业节能以及延长除尘风机的使用寿命。

背景技术

目前中小炼铁厂出铁口及罐口的除尘大部分采用人工手动操作的方式，因而不能实现整个系统的同步控制。这种手动操作方式一方面在炼铁厂这样的工作环境恶劣、工作强度极大的状况下，出于安全考虑，操作工人对除尘系统不进行干预，造成出铁口主风门及罐口风门每天24小时都处于全开状态，除尘风机每天24小时满负荷工作；另一方面，即使对除尘系统进行干预，也只能控制各门电磁阀的开关状态，而除尘风机的电机亦处于每天24小时满负荷的运行状态。操作工人打开或关闭某风门的电磁阀时，只是引起了其它风门处负压的变化，而在每个风门的负压已经满足除尘要求时，额外增加负压造成了不必要的浪费。同时，由于炼铁厂所采用的除尘风机的电机都为高电压大功率电机，每天24小时满负荷运行所造成的电能损耗非常巨大。在提倡低碳经济的时代，迫切需要采用现代控制技术对当前炼铁厂的这种落后的操作方式进行改造。

现代先进的控制方式包括智能控制、非线性控制、自适应控制、模糊控制、鲁棒控制等等。炼铁厂的电磁环境复杂，同时监控对象又具有时变性、非线性、随机性的特性，但都难以建立精确的数学模型。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。工业中使用的电机大部分均为感应式交流电机(简称为电机)，电机的转速n可表示为电机的极数p和电源的频率f的函数：n＝60f/p。电机的工作原理和结构决定了电机的极数为2的整数倍，当电机结构确定后，其极数随之确定。因此不能通过改变级数值来调整电机的速度，相反而应该通过调整电机驱动电源的频率来随意调整电机的转速。以控制频率为目的的变频器，是作为电机调速设备的优选设备。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种全自动高炉除尘风机变频节能控制系统，实现对高炉除尘风机的节能控制。

本发明采取的技术方案如下：

该系统包括：工控机；连接于工控机和除尘风机之间的变频控制系统，控机通过变频控制系统调节除尘风机的转速；布置在出铁区的温度传感器，温度传感器采集出铁区的温度信号并将其传送给工控机；布置在出铁区的摄像头，摄像头采集出铁区的图像信号并将其传送给工控机；布置在各罐口风门的温度传感器，温度传感器采集各罐口风门处的温度信号并将其传送给工控机；工控机还与主风门和各罐口风门的电磁阀相连接，控制其开启和关闭，同时电磁阀也将主风门和各罐口风门的位置信号传送给工控机；与工控机相连接的控制箱，控制箱能够通过工控机控制主风门和各罐口风门的电磁阀的开启和关闭。

相对于现有技术而言，基于多传感采集和模糊控制理论的变频控制技术和全自动排风控制系统能够实现对高炉除尘风机的节能控制功能。

附图说明

图1为节能控制系统整体结构示意图；

图2为节能控制系统另一种实施例示意图；

图3为操作台控制箱示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明由用于实时现场监测的多路传感器、视频和控制点，用于对实时信号进行采集处理的中心处理器和各个执行单元(包括变频器、电磁阀等)构成，其具体结构如图1所示，包括：工控机；连接于工控机和除尘风机之间的变频控制系统，控机通过变频控制系统调节除尘风机的转速；布置在出铁区的温度传感器，温度传感器采集出铁区的温度信号并将其传送给工控机；布置在出铁区的摄像头，摄像头采集出铁区的图像信号并将其传送给工控机；布置在各罐口风门的温度传感器，温度传感器采集各罐口风门处的温度信号并将其传送给工控机；工控机还与主风门和各罐口风门的电磁阀相连接，控制其开启和关闭，同时电磁阀也将主风门和各罐口风门的位置信号传送给工控机；与工控机相连接的控制箱，控制箱能够通过工控机控制主风门和各罐口风门的电磁阀的开启和关闭。

本发明是对多路红外传感信号、视频信号、多点控制信号以及实时反馈信号进行采集，由中心控制器处理并向执行单元发送执行命令的一种智能节能控制系统。中心处理器所用的控制软件是基于NI数据采集卡且以LABVIEW为开发平台的多传感、多点视频、多点控制的信号采集程序、融合模糊控制技术的自适应阈值算法程序、并行容错程序以及串口通信程序来实现变频控制的节能系统。节能控制系统整体结构示意图如图1所示。该系统控制采用一控一的方式，即由一个传感器(或按钮开关)控制一个风门电磁阀的工作状态，在布局上传感器(或按钮开关)与风门电磁阀一一对应。同时除尘电机的转速与电磁阀的工作状态在系统总体控制下同步改变。当南出铁口出铁时，现场操作人员按下位于南出铁口区的控制箱按钮，主控系统采集到这个信息后，一方面向变频控制系统发出提高除尘风机运转频率的信息，使除尘风机工作到高转速大排风量状态；另一方面向南出铁区的主风门和罐口风门的电磁阀发送一组开启信号，使南出铁区的主风门及罐口风门的排风量达到最大。在此过程中，从内部逻辑上确保位于北出铁区的主风门及罐口风门的电磁阀处于关闭状态。当南出铁口出铁完毕后，南出铁口的红外温度传感器监测到出铁口由高温到低温的状态变化。主控计算机实时监测红外温度传感器发来的温度信号，当判断其低于阈值电压，并结合南出铁口的摄像头给出出铁完毕的信号之后即可操作出铁完毕程序。此时，一方面主控计算机向变频控制系统发出降低除尘风机运转频率的信息，使除尘风机工作到低转速小排风量状态；另一方面向南出铁区的主风门和罐口风门的电磁阀发送一组关闭信号，使南出铁区的主风门及罐口风门的排风量达到最小。由此实现最佳的节能效果。

北(南)红外温度传感器分别监控北(南)出铁口的状态，并将出铁口的温度以电压的形式发送到主控计算机。主控计算机实时采集这一信号，并判断其是否超过设定的阈值。考虑到通过红外测得的铁水温度值受环境因素的影响比较大，因此在温度上升和下降时设定不同的阈值温度，以形成一定的温度保护范围。主控计算机以红外温度传感器的数值为基础，结合分别在北(南)出铁区设定的摄像头的输出信号，利用模糊算法综合分析后给出需要发送到变频控制系统和主风门及罐口风门电磁阀的控制信号，由此控制除尘风机的运转状态和主风门及罐口风门电磁阀的开启状态，并将除尘风机运转状态和主风门及罐口风门电磁阀开启状态信息实时采集到主控计算机进行分析、存储和显示。同时为了现场运行的安全，在系统关键部件的设计中均采用1+1备份的方式，确保在主部件工作出现故障的情况下零中断切换到备份部件，确保控制系统整体的正常运行。

本发明使用PID算法综合处理视频信号、传感器信号与电磁阀的到位、过转矩信号以及工人的操作信号来控制电磁阀的开关和除尘风机的运转状况，从而达到了从电机到电磁阀的同步工作，大大地节约了电能的损耗和工人的劳动强度。整个控制系统中采用的自适应模糊控制系统不仅能很稳定地完成炼铁厂环境恶劣条件下的工作，降低工人的劳动强度，大量降低炼铁厂的能耗，同时还能提高整个系统的使用寿命，大大提高炼铁厂的经济效益。首先，本系统中大量采用的红外传感器均为军品级的产品，能够稳定地工作在炼铁厂这样多烟尘、高温度条件下。其次，炼铁厂内供电线路中的电压从220v到10kv甚至更高，所以采用了继电器将外部电压转换为系统的安全电压，确保了整个系统的安全性。再次，在本发明的信号线路中采用了屏蔽电缆，隔除了外部电磁干扰，保证了系统不会在外部干扰信号下产生误动作。

炼铁厂的整个过程实现闭环控制，能够改变人工操作的随意性，不科学、不经济性，进而达到智能化除尘控制的目的。为了确保设备在变频器出现故障的情况下仍能正常运行，本系统设计了旁路电路。一旦变频器出现故障，则自动切换到工频运行，保证系统的正常运行。

本发明采用的是自适应模糊控制方式，不需要精确的数学模型，其鲁棒性强，控制效果好，容易克服非线性因素的影响，控制方法易于掌握，非常适用于炼铁等复杂的现场环境。所谓的模糊控制是指借助模糊数学模拟人的思维方法，将工厂操作人员的经验加以总结，运用语言变量和模糊逻辑理论进行推理和决策，对复杂对象进行控制。模糊控制既不是指被控过程是模糊的，也不意味控制器是不确定的，它是表示知识和概念上的模糊性，但它完成的工作是完全确定的。

本发明采用PID算法实现模糊控制可望达到极佳的控制效果。本发明设计的控制系统中，模糊控制器把所采集到的红外传感信息、视频信息、按钮开关状态信息三者有机地联系起来，实现综合信息处理，使系统既具有灵活的推理机制、启发性知识与产生式规则表示，又具有多层次、多种类型的控制规律选择。基于PID算法具有友好人-机界面的模糊控制方式不依赖于精确的数学模型，其鲁棒性强，控制效果好，可很好地适应炼铁厂这样复杂的环境。

实施例一

针对某钢铁集团有限公司炼铁厂8号高炉的运行状况，设计的基于模糊控制的全自动高炉除尘风机变频节能控制系统，如图1所示，主要由10个红外传感器，2个视频监控器，2个操作平台控制箱(如图3)，1台中心控制器(工控机)，1台变频器，1台三星柜，1台具有1000kw功率的风机，10个电磁阀等构成。

在南北控制台的主风门和罐口风门分别安装5台红外传感器、1个视频监控器和1个操作平台控制箱。中心控制器(工控机)的软件控制系统是基于美国NI公司的LABVIEW编程软件开发而成的。本系统通过NI数据采集卡的多传感、多点视频、多点控制的信号采集、融合模糊控制技术的自适应阈值算法、并行容错算法来实现实时、高效的变频控制。在南或北出铁口出铁时，传感器和视频在采集到出铁信号时，信号通过中心控制器(工控机)处理后，中心控制器分别给出铁口电磁阀输出开启信号和变频器输送与之对应的工作频率信号。在这两个信号传输的过程中，安装在电磁阀中的传感器实时采集电磁阀的工作状况，如果在电磁阀打开的过程中出现过转矩的情况，那么中心控制器将立即给出停止开启电磁阀的命令，并通过显示器显示和报警通知现场操作人员，以便于及时处理。当电磁阀在完全打开的情况下，安装在电磁阀的传感器采集到开到位信号，此时中心控制器会立即给出停止打开命令。系统开始正常工作。当铁水流到罐口时，安装在罐口的红外传感器在采集到信号后，将信号传送到中心控制器。此时，中心控制器将按照出铁口的控制步骤对变频器的工作频率和相应罐口的电磁阀做相同的控制，不过此时罐口的除尘口径与出铁口的除尘口径相差较大，所以本发明通过计算口径比例，来使中心控制器对变频器输出的频率恰好与增加的除尘口径所需要的电机功率相匹配，从而达到最佳的节能效果，同时又不影响除尘效果。在每个罐口停止灌铁水时，传感器在采集到停止灌铁的信号时，中心控制器将向相应的电磁阀发送关闭命令同时对变频器发出相应的频率命令。

在出铁完毕后，红外传感器和视屏监视器采集到出铁完毕信号时，中心控制器将发出关闭电磁阀的命令和变频器输出频率降低的信号。在关闭电磁阀的过程中，安装在电磁阀中的传感器实时采集电磁阀的工作状态，如果出现过转矩的情况，中心处理器将立即在显示屏上显示过转矩信息同时通过报警器告知现场工人进行及时处理。当电磁阀正常关闭完毕后，在安装在电磁阀中的传感器采集到关到位信号以后，中心控制器将立即给出停止关闭命令。同时中心控制器将给变频器发出相应频率命令，使电机运行在低转速状态下。

基于多传感器集总控制软件，考虑到炼铁厂恶劣的工作环境，如果在出铁前(即红外传感器和视频监视器未采集到出铁信号)，操作台有大量的烟尘，工人可以通过控制箱(如图3)的按钮来控制电磁阀的开关以及变频器的工作状态。操作台上每个控制箱安装了5个控制按钮，分别对应北(或南)的5个电磁阀。当工人在按下出铁口(根据实际情况，在非出铁时间只有出铁口会出现大量烟尘的情况)按钮(1#)时，视频监视器将立即开始采集出铁口的烟尘信号，如果通过视频监视器采集到的信号确认达到了多烟尘条件，此时中心控制器就会立即给出打开出铁口电磁阀的命令，同时给变频器发出相应的输出频率的命令；如果视频监视器未采集到烟尘信号，那么系统将不对工人的这次操作做出响应，即判断工人的这次操作为误操作。在系统对工人在未出铁前做出的除尘操作做出响应后，系统将每隔5分钟通过视频监视器对烟尘信息作一次采样，如果系统此时判断为有烟尘，则系统继续进行除尘工作，相反则做出停止除尘工作的判断(即关闭电磁阀和调整变频器的输出频率)。当工人按下某一罐口对应的按钮时，此时中心控制器立即通过罐口对应的传感器采集罐口的出铁信号，如果此时传感器采集到了罐口灌注铁水信号，则中心控制器立即发出打开电磁阀门和调整变频器输出频率的命令；如果此时传感器没有采集到罐口灌注铁水信号，则此时系统不对工人此次的操作做出任何响应，即判断工人的这次操作为误操作。

实施例二

针对某钢铁集团有限公司炼铁厂8号高炉的运行状况，该系统由2个红外传感器，2个视频监控器，2个操作平台控制箱，1台中心控制器(工控机)，1台变频器，1台三星柜，1台具有1000kw功率的风机，10个电磁阀等构成，操作平台控制箱(如图3)上装有与出铁口电磁阀和罐口电磁阀一一对应的控制按钮。

当出铁口出铁时，出铁口处的红外传感器和视频监控器采集到出铁信号，信号通过中心控制器(工控机)处理后，中心控制器分别给出铁口电磁阀输出开启信号和变频器输送与之对应的工作频率信号。当电磁阀在完全打开的情况下，安装在电磁阀的传感器采集到开到位信号，此时中心控制器会立即给出停止打开命令。当铁水流到第一个罐口时，现场工作人员按下第一个罐口按钮(2#)。此时中心处理器在采集到工人的此次操作命令后，向第一个罐口电磁阀发出打开命令同时向变频器输出增加电机相应转速的命令信号。当第一个罐口灌满铁水后，工人再次按下第一个罐口按钮(2#)，接着按下第二个罐口按钮(3#)。此时中心处理器向第一个罐口电磁阀发出关闭命令，向第二个罐口发出打开命令，以此类推，直到第四个罐口灌满铁水。此时出铁口出铁完毕，当中心处理器在收到红外传感器和视频监控器的出铁完毕信号时，向第四个罐口电磁阀发出关闭信号同时向变频器发出降低电机转速的命令信号，使电机处在低转速状态。当在未出铁时，现场工作人员可以在烟尘过大(在未出铁状态下，只有出铁口会出现烟尘过大的情况)时按下出铁口按钮(1#)，中心处理器在接收到出铁口按钮信号时，开始通过视频监控器的信号判断是否出现烟尘过大的情况，如果判断为烟尘情况，则此时中心处理器立即向出铁口电磁阀发出打开命令，同时向变频器输出调节电机响应转速的命令信号；如果判断为无烟尘状态，则不对此次操作做出响应。在未出铁的除尘过程中，中心处理器每隔5分钟通过视频监控器所采集到的信号做一次现场烟尘情况的判断，如果判定为烟尘状态，则继续工作，如果判定为误烟尘状态，则立即停止工作。在整个系统运行过程中，安装在电磁阀中的传感器实时采集电磁阀的工作状况，如果在电磁阀打开的过程中出现过转矩的情况，那么中心控制器将立即给出停止开启电磁阀的命令，并通过显示器显示和报警通知现场操作人员，以便于及时处理。

以上对本发明所提供的一种全自动高炉除尘风机变频节能控制系统进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种全自动高炉除尘风机变频节能控制系统，其特征在于，包括：

工控机；

连接于工控机和除尘风机之间的变频控制系统，工控机通过变频控制系统调节除尘风机的转速；

布置在出铁区的温度传感器，温度传感器采集出铁区的温度信号并将其传送给工控机；

布置在出铁区的摄像头，摄像头采集出铁区的图像信号并将其传送给工控机；

工控机还与主风门和各罐口风门的电磁阀相连接，控制其开启和关闭。

2.根据权利要求1所述的一种全自动高炉除尘风机变频节能控制系统，其特征在于：还包括布置在各罐口风门的温度传感器，温度传感器采集各罐口风门处的温度信号并将其传送给工控机。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种全自动高炉除尘风机变频节能控制系统，其特征在于：还包括与工控机相连接的控制箱，控制箱能够通过工控机控制主风门和各罐口风门的电磁阀的开启和关闭。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的一种基于模糊控制的全自动高炉除尘风机变频节能控制系统，其特征在于：工控机还与主风门和各罐口风门的电磁阀相连接，电磁阀将主风门和各罐口风门的位置信号传送给工控机。

Images