CN102081396A - 全自动高炉除尘风机控制系统的多传感器集总控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动高炉除尘风机控制系统的多传感器集总控制方法。该方法包括如下步骤：工控机采集出铁区的温度传感器，根据采集的数值判断出铁区是否出铁，如果出铁，工控机则控制该出铁区的主风门开启；工控机根据主风门的开度调节变频器的频率；工控机采集各罐口风门的温度传感器，通过温度传感器的数值判断该各罐口风门是否出铁，当判断某罐口风门出铁时，工控机控制该罐口风门开启；工控机根据打开的主风门和各罐口风门的开度调节变频器的频率；当出铁区的温度传感器的数值和视频图像数据同时判定为出铁完毕时，工控机关闭各风门。本发明通过信号采集、分析、计算和反馈的方法，通过高效稳定的电子手段，实现了全自动精确地控制。

Description

全自动高炉除尘风机控制系统的多传感器集总控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制及信息处理领域，具体地说就是一种用于全自动高炉除尘风机控制系统的多传感器集总控制方法，从而实现多传感信号的集总、分析处理，达到对除尘风机系统的智能控制。

背景技术

炼铁高炉在出铁时由于高温铁水接触空气被氧化，往往会在出铁口和罐口产生大量的粉尘。同时炼铁高炉内未被充分燃烧的气体及燃烧后产生的废气均通过出铁口排放出来，形成烟气。这时通常要求在高炉出铁口和罐口安装除尘管道，一方面将尘埃粒子通过在风道内的过滤，回收的尾料可做为原料加入炼铁高炉再次利用；另一方面将出铁口排放出的烟气统一脱硫处理后再排入大气，不仅是环境保护所要求的必要条件，而且还可以改善炼铁操作平台工人的工作环境。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。

由于高炉现场控制的复杂性，需要考虑到诸如现场粉尘密度、出铁时间和主风口打开同步性，以及现场复杂的电磁环境对控制设备的干扰等因素，在除尘系统中的各个环节的工作状况往往又具有时变性、非线性、随机性的特性，很难以建立精确地数学模型，不能用单一的指标简单判定和控制。

发明内容

本发明的目的就是提出一种基于模糊控制的用于全自动高炉除尘风机控制系统的多传感器集总控制方法，从而实现多传感信号的集总、分析处理，达到对除尘风机系统的智能控制。这项技术利用多种传感方式实时获取高炉现场的工作状况，通过模糊数学分析理论对多点传感器采集数据进行综合分析，并由主计算机全自动控制使高炉除尘风机运转在最节能高效的工作状态及主风口的开关状态。

本发明基于如下系统实现，该系统包括工控机，连接于工控机和除尘风机之间的变频器，布置在南出铁区、北出铁区、以及两个出铁区的各罐口风门处的温度传感器，布置在南出铁区和北出铁区的摄像头；工控机与两个出铁区的主风门和各罐口风门的电磁阀均连接，控制其开启和关闭，同时电磁阀也将与其相连接的主风门和各罐口风门的位置及转矩信号传送给工控机。

本发明中的控制方法包括如下步骤：数据采集步骤，工控机采集南出铁区和北出铁区的温度传感器，根据采集的数值判断两个出铁区是否出铁，如果判断某个出铁区出铁，工控机则控制该出铁区的主风门开启；工控机根据主风门的开度，调节变频器的频率；工控机采集各罐口风门的温度传感器，通过温度传感器的数值判断该各罐口风门是否出铁，当判断某罐口风门出铁时，工控机控制该罐口风门开启；工控机根据打开的主风门和罐口风门的开度，调节变频器的频率；工控机采集南出铁口区和北出铁口区的温度传感器和视频图像数据，当通过某个出铁口区的温度传感器的数值和视频图像数据同时判定为该出铁区出铁完毕时，工控机延时5～10分钟后控制主风门和各罐口风门关闭。

所述变频器频率f与主风门及各罐口风门的开启度之间的关系由下式确定：

f＝20+20×a₁×k₁₁+8×(a₂×k₁₂+a₃×k₁₃…+a_n×k_1n)+20×b₁×k₂₁+8×(b₂×k₂₂+b₃×k₂₃+…b_n×k_2n)

上式中：

a₁为南出铁区主风门的工作判据，出铁时为1，不出铁时为0；

b₁为北出铁区主风门的工作判据，出铁时为1，不出铁时为0；

a₂、a₃、……、a_n为南出铁区各罐口风门的工作判据，出铁时为1，不出铁时为0，n为南出铁区罐口风门的个数；

b₂、b₃、……、b_n为北出铁区各罐口风门的工作判据，出铁时为1，不出铁时为0，n为北出铁区罐口风门的个数；

k₁₁为南出铁区主风门的开启度；

k₂₁为北出铁区主风门的开启度；

k₁₂、k₁₃、……、k_1n为南出铁区各罐口风门对应的开启度，取值为0→1，分辨率为0.1，n为南出铁区罐口风门的个数；

k₂₂、k₂₃、……、k_2n为北出铁区各罐口风门对应的开启度，取值为0→1，分辨率为0.1，n为北出铁区罐口风门的个数；

当通过上式计算得到的变频器频率f的值大于50Hz时，则将变频器的频率f值设定为50Hz。

相对于现有技术而言，而多种传感方式协同作用配合利用现代控制技术进行信号采集、分析、计算和反馈的方式，通过高效稳定的电子手段，将能实现全自动精确地控制。

附图说明

图1为本发明所基于的控制系统结构图；

图2为本发明的控制方法流程图。

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。

如图2所示，本发明中的控制方法包括如下步骤：数据采集步骤，工控机采集南出铁区和北出铁区的温度传感器，根据采集的数值判断两个出铁区是否出铁，如果判断某个出铁区出铁，工控机则控制该出铁区的主风门开启；工控机根据主风门的开度，调节变频器的频率；工控机采集各罐口风门的温度传感器，通过温度传感器的数值判断该各罐口风门是否出铁，当判断某罐口风门出铁时，工控机控制该罐口风门开启；工控机根据打开的主风门和罐口风门的开度，调节变频器的频率；工控机采集南出铁口区和北出铁口区的温度传感器和视频图像数据，当通过某个出铁口区的温度传感器的数值和视频图像数据同时判定为该出铁区出铁完毕时，工控机延时5～10分钟后控制主风门和各罐口风门关闭。

实施例：

为了能够让使用用户能够实时获得高炉的各项工作参数，并达到降低工人的劳动强度和工作危险性的目的，根据炼铁厂环境，设计了基于红外探测与视频监视等多传感源相结合的监测布局和主计算机的集总控制系统。

本实施例以红外温度传感器作为第一传感源，从出铁口区的摄像头获得的出铁口实时监控视频图像作为第二传感源，同时辅以将出铁口主风门和罐口风门开启/关闭到位信号作为第三传感源，将出铁口主风门和罐口风门过转矩信号作为第四传感源。对多路传感信号进行集总分析处理。

主计算机控制系统采用由美国国家仪器公司(NationalInstrument，简称NI公司)推出的LabVIEW工具作为系统软件开发平台。系统软件部分由传感信号采集程序、融合模糊控制技术的自适应阈值算法程序、容错程序以及通信程序等四个子程序组成，它基于虚拟仪器技术优势，拥有强大的信号处理能力以及开放的用户自定义平台，更好的实现了人机交互式的自动控制功能。

利用主计算机对工作现场的采集数据进行集总分析。利用LabView编程软件建立起友好的人机界面，方便工人实施操作。主计算机软件平台主要由节点传感信号采集程序、融合模糊控制技术的自适应阈值算法程序、通信程序以及容错程序等组成。实时计算并选择变频器最高效节能的工作点以及保持一定排风强度所需的风门开关组合，并通过调节除尘风机的变频器和风门电磁阀，从而控制除尘系统的排风量和排风强度。出铁口主风门和罐口风门开启/关闭到位信号是其开启完成/关闭完成的反馈信号，当系统收到开启/关闭到位信号时，将第一、第二、第三传感源的信号值通过模糊控制算法，获得现场状态以及当前除尘风机状态，准确给出开启或者关闭风门的指令，同时根据风门开启的程度对变频器速度进行自适应修正。

用于实现全自动高炉除尘风机控制系统多传感器集总控制技术的主计算机容错模式，工控主机软件平台设计了相应的容错功能，保证高炉各个环节出现的问题能够及时准确的解决。当出铁口主风门和罐口风门及除尘风机运行状态不正常出现过转矩现象时，系统将停止发送任何指令并自动启动“容错程序”，在最大程度维持系统正常运行的情况下，将对应电机运行频率降低到保护值范围内，并即时启动该风机的报警程序，通知工作人员进行风机的维护。

系统鉴于高炉除尘机运行的特殊环境，在高炉各个出铁口和灌口分别安放了多路红外传感器、在每个出铁口安装了摄像头和控制箱。以从北(南)出铁口设置的控制箱获得的开关信号作为基础信号，以分别在北(南)出铁口设置的1个红外温度传感器作为第一传感源，同时辅以从摄像头获得的出铁口实时监控视频图像作为第二传感源，进行集总模糊控制。为更好的实现系统的自适应功能，系统将出铁口主风门和罐口风门开启/关闭到位信号作为第三传感源，将出铁口主风门和罐口风门过转矩信号作为第四传感源，基于模糊控制理论与自适应算法进行一定的分析判断后给出指令控制出铁口主风门和罐口风门的开闭以及变频器的工作频率，由此控制除尘风机的转速，从而实现除尘风机状态的自适应调节功能。

主计算机建立能对现场检测信号进行模糊运算和智能识别处理能力的软件控制平台。该平台主要有节点传感信号采集程序、融合模糊控制技术的自适应阈值算法程序、通信程序以及容错程序等组成。

首先要进行数据采集。利用DAQmx Create Virtual Channel.vi创建采集任务，设定采样频率以及采集信号的幅值范围，初始化采集信号通道数量以及接线端方式。为充分利用采集卡接线端口，系统采用RSE信号接入方式。通过DAQmx Timming.vi设定采样时钟为连续采集方式，将任务指令发送给DAQmx Start.vi，完成采集程序的初始化，并发送指令给DAQmx Read.vi，进行数据的实时采集。

其次根据高炉现场数据进行分析和处理。当温度传感器探测温度信号超过设定阈值电压U＝1.5V，系统通过视频监控判定图像亮度参数I在范围(180，250)时，自动启动变频器通信程序，通过改变变频器频率，进而增大或者减小除尘风机的排风量。出铁口主风门和罐口风门开启/关闭到位信号是其开启完成/关闭完成的反馈信号，当系统收到开启/关闭到位信号时，将第一、第二、第三传感源的信号值通过适当的算法，获得现场状态以及当前除尘风机状态，准确给出开启或者关闭风门的指令，同时根据风门开启的程度对变频器速度进行自适应修正。变频器频率f与各个风口开启度的数学关系由下式(1)确定：

f＝20+20×a₁×k₁₁+8×(a₂×k₁₂+a₃×k₁₃…+a_n×k_1n)+20×b₁×k₂₁+8×(b₁×k₂₂+b₃×k₂₃+…+b_n×k_2n)

                          ………………………………………………………………………

(1)

a₁为南出铁区主风门的工作判据，出铁时为1，不出铁时为0；

b₁为北出铁区主风门的工作判据，出铁时为1，不出铁时为0；

a₂、a₃、……、a_n为南出铁区对应的各罐口风门的工作判据，出铁时为1，不出铁时为0，n为南出铁区罐口风门的个数；

b₂、b₃、……、b_n为北出铁区对应的各罐口风门的工作判据，出铁时为1，不出铁时为0，n为北出铁区罐口风门的个数；

k₁₁为南出铁区主风门的开启度；

k₂₁为北出铁区主风门的开启度；

k₁₂、k₁₃、……、k_1n为南出铁区各罐口风门对应的开启度，取值为0→1，分辨率为0.1，n为南出铁区罐口风门的个数；

k₂₂、k₂₃、……、k_2n为北出铁区各罐口风门对应的开启度，取值为0→1，分辨率为0.1，n为北出铁区罐口风门的个数；

当通过上式计算得到的变频器频率f的值大于50Hz时，则将变频器的频率f值设定为50Hz。

为保证风机的正常运转，实时监测风机运行状态是保障整个系统正常运行的重要手段。当除尘风机正常运转时，除尘风机过转矩信号输出电压为零，当风机过转矩时，输出电压为+5V。系统通过实时采集过转矩信号，作为第四传感源，与前三种传感源进行模糊控制以及自适应算法后，可进一步准确给出出铁口主风门和罐口风门及除尘风机运行状态。

在主计算机操作同时辅以通信程序和容错程序，分别实现主站(主计算机)与执行单元(变频器、电磁阀等)的数据交换，以及监控整个系统工作状况是否正常的功能。

一种基于RTU的串口通信和并行容错的多传感集总控制软件。为更好实现自动控制功能，目前在应用中，变频器趋向于通过现场实时总线的通信方式实现与主计算机的数据交互。本系统基于MODICON公司设计的通信协议MODBUS实现变频器与主控计算机之间的信息交换。MODBUS有两种数据传送方式，即RTU(RemoteTerminal Unit)方式和ASCII方式。MODBUS以LSB在先的形式传送数字量，以MSB在先的形式传送模拟量。MODBUS把通信参与者规定为“主站”(MASTER)和“从站”(SLAVE)。1个MASTER可以向多个SLAVE发送通信请求。本系统采用MODBUS的RTU方式传送数据，利用CRC-16的冗余校验方式，规定通信字符串的最后两个字节用于传递循环冗余校验。其校验方式是将整个字符(不包括最后两个字节)的所有字节按照规定的方式进行位移并进行异或计算。SLAVE在收到该字符串后按照同样的方式进行计算，并将计算结果与收到的循环冗余校验的两个字节进行比较，如果一致则认为通信正确，如果不一致，则认为通信有误，SLAVE将向MASTER发送CRC错位应答信息。

本系统通过串口通信的建立向指定串口写入指令，延时500ms后读取该串口数据，当收到下位机(变频器)的反馈指令后，系统将写入的指令与反馈指令进行对比，其内容完全一致则认为此次通信成功，否则认为通信失败，系统将再次发送相同的指令至变频器，如三次发送都显示通信失败，则系统自动放弃该条指令。为保证变频器使用的安全性，在前次通信成功后延迟适当时间可进行下次通信。因为串口通信的半双工工作方式，系统通过合理优化，分配串口的写入和读取时间，可保证系统的实时处理能力。

系统容错和保护：系统在使用过程中，不可避免的会产生误操作情况，系统通过将多个传感参数进行加权运算后，可实现对操作正确与否的判定。关系如下(2)、(3)、(4)式：

$T_1=\frac{S_4\×(S_1+S_2)}{2}---\left(2\right)$

$T_2=\frac{1}{2}\×S_4\×(S_1+S_2)\×(1-S_{31})---\left(3\right)$

$T_3=\frac{1}{2}\×S_4\×({S_1}^{\′}+{S_2}^{\′})\×(1-S_{32})---\left(4\right)$

式中：T₁、T₂、T₃分别表示变频器、电磁阀开、电磁阀关的工作判据，如工作则为1，不工作则为0；S₁、S₂、S′₁、S′₂分别表示红外温度传感器、视频采集所获得的出铁、不出铁判据，出铁时S₁、S₂为1，不出铁时S′₁、S′₂为1；S₃₁、S₃₂表示主风门开到位、关到位判据，开到位时S₃₁为1、关到位时S₃₂为1；S₄表示过转矩判据，当出现过转矩时S₄为0，未过转矩时为1。

当系统判定操作为误操作情况下，系统将不执行操作指令，并给予告警信号。当误操作次数在短时间内大于三次时，系统自动进入自动保护状态，此时系统将不接受任何外界操作指令，并持续给出告警信号，直到人为在PC机界面上解除保护状态后，系统恢复正常运行。

根据现场环境的特殊性要求，当主控计算机接收到放置于北(南)出铁区域的红外温度传感器输出信息降低到阈值以下，并且对应的摄像头监控的出铁口图像显示为出铁完毕时，仍然需要主风门和对应罐口风门继续工作一段时间。所以当系统判定结果为出铁完毕，可以进入关闭主风门和对应罐口风门进程后，主程序自动启动保护程序。保护程序开始计时5分钟和10分钟后风别向对应出铁口的主风门和罐口风门的电磁阀发送关闭信息，同时检测从主风门和罐口风门返回的状态信息。当检测到主风门关闭的确认信息后，主控计算机向变频控制系统发送降低其工作频率的信息，由此控制除尘风机的转速由高速降到低速。当主控计算机收到变频控制系统工作于低频率，且罐口风门关闭的确认信息后，则自动退出保护程序，回到主程序继续监控各个传感器所发送来的信息。

本发明还可以采用基于工业以太网的TCP/IP通信方式。以太网是由美国Xerox公司于1975年推出的一种局域网。目前，由于因特网和工业以太网采用统一通讯协议——TCP/IP，以太网具有实时性、稳定性与通用性比较强的优势，因此也不仅用于人机接口层、企业信息系统层外，也逐渐用于I/O层和人机接口层。尽管具有所有网络的固有弊端，如通信的实时性、确定性的问题，鲁棒性和抗干扰能力的问题，但是综合其利弊还是广泛应用于工业现场中。在大型钢铁厂多个高炉组成的庞大系统中，工业以太网作为现场数据的通讯通道，采用TCP/IP协议作为统一的通讯协议，进行集中监控，利用触发方式对于事件进行激活，从而减少系统资源利用，有效减少网络诱导延迟。

过转矩下的容错机制：整个控制系统正常运行时，维持之前的指令。当出铁口主风门和罐口风门及除尘风机运行状态不正常出现过转矩现象时，根据模糊控制算法，系统确认接收到过转矩信号时，系统自动关闭所接收到的过转矩信号所对应的主风门或罐口风门，并根据此时开启的风门数量，自动更改写入到变频器中的指令，使变频器的工作频率适合当前的除尘风机状态。同时，系统将在主控计算机主界面上给出告警显示，提示工作人员尽快进行对应风门电磁阀的维修工作。

以上对本发明所提供的一种全自动高炉除尘风机控制系统的多传感器集总控制方法进行详细介绍，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 (1)

1.一种全自动高炉除尘风机控制系统的多传感器集总控制方法，其特征在于，该方法基于如下系统实现，

该系统包括工控机，连接于工控机和除尘风机之间的变频器，布置在南出铁区、北出铁区、以及两个出铁区的各罐口风门处的温度传感器，布置在南出铁区和北出铁区的摄像头；工控机与两个出铁区的主风门和各罐口风门的电磁阀均连接，控制其开启和关闭，同时电磁阀也将与其相连接的主风门和各罐口风门的位置及转矩信号传送给工控机；

该方法包括如下步骤：

数据采集步骤，工控机采集南出铁区和北出铁区的温度传感器，根据采集的数值判断两个出铁区是否出铁，如果判断某个出铁区出铁，工控机则控制该出铁区的主风门开启；

工控机根据主风门的开度，调节变频器的频率；

工控机采集各罐口风门的温度传感器，通过温度传感器的数值判断该各罐口风门是否出铁，当判断某罐口风门出铁时，工控机控制该罐口风门开启；

工控机根据打开的主风门和罐口风门的开度，调节变频器的频率；

工控机采集南出铁口区和北出铁口区的温度传感器和视频图像数据，当通过某个出铁口区的温度传感器的数值和视频图像数据同时判定为该出铁区出铁完毕时，工控机延时5～10分钟后控制主风门和各罐口风门关闭。

所述变频器频率f与主风门及各罐口风门的开启度之间的关系由下式确定：

f＝20+20×a₁×k₁₁+8×(a₂×k₁₂+a₃×k₁₃…+a_n×k_1n)+20×b₁×k₂₁+8×(b₂×k₂₂+b₃×k₂₃+…+b_n×k_2n)

上式中：

a₁为南出铁区主风门的工作判据，出铁时为1，不出铁时为0；

b₁为北出铁区主风门的工作判据，出铁时为1，不出铁时为0；

a₂、a₃、……、a_n为南出铁区各罐口风门的工作判据，出铁时为1，不出铁时为0，n为南出铁区罐口风门的个数；

b₂、b₃、……、b_n为北出铁区各罐口风门的工作判据，出铁时为1，不出铁时为0，n为北出铁区罐口风门的个数；

k₁₁为南出铁区主风门的开启度；

k₂₁为北出铁区主风门的开启度；

k₁₂、k₁₃、……、k_1n为南出铁区各罐口风门对应的开启度，取值为0→1，分辨率为0.1，n为南出铁区罐口风门的个数；

k₂₂、k₂₃、……、k_2n为北出铁区各罐口风门对应的开启度，取值为0→1，分辨率为0.1，n为北出铁区罐口风门的个数；

当通过上式计算得到的变频器频率f的值大于50Hz时，则将变频器的频率f值设定为50Hz。

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