CN104296548A - 熔铸保温炉的温度串级控制系统及其控制方法 - Google Patents

熔铸保温炉的温度串级控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种熔铸保温炉的温度串级控制系统及其控制方法，包括保温炉、炉气热电偶、金属液热电偶、助燃风调节阀、风控气比例阀、助燃风机、天然气输出口、烧嘴和PLC控制器，烧嘴安装于保温炉并与助燃风机通过管道相连形成第一管路，同时烧嘴与天然气输出口通过管道相连形成第二管路；在第一管路与第二管路之间连接有风控气比例阀，风控气比例阀与助燃风机之间设有助燃风调节阀；炉气热电偶和金属液热电偶与PLC控制器的输入端相连，PLC控制器的输出端与助燃风调节阀相连。本发明系统简单、控制可靠，炉气温度、金属液温度的采集、助燃风调节阀的控制等均是自动完成，整个过程为一闭环控制，有效地减少了炉内金属液的氧化烧损，节约了生产成本。

Description

熔铸保温炉的温度串级控制系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种自动化控制系统，具体涉及工业生产与加工线上所使用的熔铸保温炉的温度串级控制系统及其控制方法。
背景技术
保温炉是熔铸生产线中最广泛采用的设备，而要保证铸造产品的质量，温度控制是很重要的一个环节。传统的保温炉温度串级控制系统包括热量源、温度传感器、控制器和执行机构，温度传感器将收集到的温度数据传送给控制器，控制器分析温度数据后使得执行机构对热量源采取相应地动作，升高或降低保温炉内炉气的温度，从而通过控制炉气温度来控制金属液的温度。虽然按照传统方法能达到工艺要求，但是这种控制方法在控制炉气温度时，炉气温度波动较大，造成金属液的氧化烧损比较严重，例如铝液等易氧化的金属液，氧化烧损更为严重，生产成本也随之加大。
因此，针对传统温度串级控制系统的不足，设计一种新的温度串级控制系统，加强对温度的控制，减小炉气的波动，显得很有意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种熔铸保温炉的温度串级控制系统及其控制方法，旨在减少熔铸保温炉内金属液的氧化烧损，节约生产成本。
本发明的技术解决方案是：熔铸保温炉的温度串级控制系统，包括保温炉、烧嘴、炉气温度热电偶、金属液温度热电偶、助燃风机和天然气输出口，所述炉气温度热电偶和金属液温度热电偶安装于保温炉内，所述烧嘴安装于保温炉上，且烧嘴的烧嘴口位于保温炉内部，另设有助燃风调节阀、风控气比例阀、第一PLC控制器和第二PLC控制器，所述烧嘴与助燃风机通过管道相连形成第一管路，同时，所述烧嘴与天然气输出口通过管道相连形成第二管路；在第一管路与第二管路之间连接有风控气比例阀，所述第一管路上且在风控气比例阀与助燃风机之间的位置设有助燃风调节阀；所述炉气温度热电偶的输出端与第一PLC控制器的输入端相连，所述金属液温度热电偶的输出端与第二PLC控制器的输入端相连，所述第一PLC控制器的输出端与第二PLC控制器的输入端相连，所述第二PLC控制器的输出端与第一管路上的助燃风调节阀相连。
进一步地，上述熔铸保温炉的温度串级控制系统，其中：所述烧嘴设有两个，即第一烧嘴和第二烧嘴，第一烧嘴和第二烧嘴分别与助燃风机通过管道相连形成第一管路，同时，所述第一烧嘴和第二烧嘴分别与天然气输出口通过管道相连形成第二管路；在第一管路与第二管路之间均连接有风控气比例阀，所述第一管路上且在风控气比例阀与助燃风机之间的位置设有助燃风调节阀，所述第二PLC控制器的输出端与第一烧嘴所在的第一管路上的助燃风调节阀及第二烧嘴所在的第一管路上的助燃风调节阀相连。
进一步地，上述熔铸保温炉的温度串级控制系统，其中：另设有一人机界面，该人机界面与第一PLC控制器的输入端相连。
更进一步地，上述熔铸保温炉的温度串级控制系统，其中：另设有一放散口，所述烧嘴与放散口通过管道相连，所述烧嘴与放散口之间的管道设有放散阀。
更进一步地，上述熔铸保温炉的温度串级控制系统，其中：所述助燃风机的出口处设有压力开关和压力表。
再进一步地，上述熔铸保温炉的温度串级控制系统，其中：所述天然气输出口的出口处设有压力开关及流量计，且在压力开关的前后两侧均设有压力表。
再进一步地，上述熔铸保温炉的温度串级控制系统，其中：所述流量计的后侧设有主管路电磁阀，所述烧嘴所在的第二管路上，且靠近烧嘴的位置设有支管路电磁阀。
另外，上述熔铸保温炉的温度串级控制系统具体采用以下方法进行控制：首先通过人机界面设定目标金属液温度T1、最高炉气温度Tm以及炉气温度与金属液温度比值K，然后通过助燃风机、天然气输出口及烧嘴升高保温炉内的炉气温度，直至炉气温度达到最高值Tm。此时，炉气温度热电偶检测到炉气温度达到最高值Tm，并向第一PLC控制器发送降低炉气温度的信号，金属液温度热电偶检测金属液温度得到当前金属液温度T0，并向第二PLC控制器发送信号，第一PLC控制器和第二PLC控制器相互协作经过PID运算，使得第二PLC控制器输出端输出电信号控制助燃风比例调节阀，逐渐关小阀门，减少助燃风流量。由于助燃风的减小，风控比例调节阀也相应关小，减少天然气流量，炉气温度逐渐降低，最终使得在控制过程中金属液温度每升高1 ℃，炉气温度降低K ℃，金属液温度达到目标金属液温度T1，炉气温度达到设定的目标炉气温度T2。
优选地，上述熔铸保温炉的温度串级控制系统的控制方法，其中：所述最终炉气温度T2=T1+40 ℃，其中T1为目标金属液温度。
优选地，上述熔铸保温炉的温度串级控制系统的控制方法，其中：所述金属液温度比值K=(Tm-T2)/(T1-T0)，其中Tm为最高炉气温度，T2为最终炉气温度，T1为目标金属液温度，T0为当炉气温度达到Tm时金属液的温度。
本发明突出的实质性特点和显著的技术进步主要体现在：本发明提供了一种对熔铸保温炉温度进行控制的全新的串级控制系统及其控制方法，其控制系统简单，控制方法可靠，人机界面较好；其中，炉气温度及金属液温度的采集、助燃风调节阀的控制等均是自动完成，整个过程为一闭环控制，控制过程实时、有效、快速；并且，在升高金属液温度的过程中，炉气温度波动较小，有效减少了熔铸保温炉内金属液的氧化烧损，节约了生产成本。
附图说明
图1为本发明熔铸保温炉的温度串级控制系统示意图；
图2为本发明工作时炉气温度及铝液温度变化示意图。
图中，各附图标记的含义为：1—第一烧嘴， 2—第二烧嘴，3—第一PLC控制器，4—第二PLC控制器，5—人机界面，6—风控气比例阀，7—助燃风调节阀，8—压力表，9—放散口，10—压力开关，11—助燃风机，12—天然气输出口，13—流量计，14—主管路电磁阀，15—支管路电磁阀，16—炉气温度热电偶，17—金属液温度热电偶，18—放散阀，19—保温炉。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。
如图1所示，本发明熔铸保温炉的温度串级控制系统，包括保温炉19、炉气温度热电偶16、金属液温度热电偶17、风控气比例阀6、助燃风调节阀7、第一烧嘴1、第二烧嘴2、第一PLC控制器3、第二PLC控制器4、助燃风机11、天然气输出口12及人机界面5。第一烧嘴1和第二烧嘴2安装于保温炉19上，且两个烧嘴的烧嘴口位于保温炉19炉内部，第一烧嘴1与助燃风机11通过管道相连形成第一管路，同时，第一烧嘴1与天然气输出口12通过管道相连形成第二管路。在第一管路与第二管路之间连接有风控气比例阀6。第一管路上且在风控气比例阀6与助燃风机11之间的位置设有助燃风调节阀7。相应地，第二烧嘴2与助燃风机11通过管道相连形成第一管路，同时，第二烧嘴2与天然气输出口12通过管道相连形成第二管路。在第二烧嘴2所连接的第一管路与第二管路之间也连接有风控气比例阀6。与第二烧嘴2所连接的第一管路上，且在风控气比例阀6与助燃风机11之间的位置设有助燃风调节阀7。炉气温度热电偶16和金属液温度热电偶17安装于保温炉19内，炉气温度热电偶16用于测量保温炉19内炉气的温度，金属液温度热电偶17用于测量金属液体的温度，炉气温度热电偶16的输出端与第一PLC控制器3的输入端相连，金属液温度热电偶17的输出端与第二PLC控制器4的输入端相连，第一PLC控制器3的输出端与第二PLC控制器4的输入端相连，第二PLC控制器4的输出端与第一烧嘴1第一管路上的助燃风调节阀7以及第二烧嘴2第一管路上的助燃风调节阀7相连。另设有一人机界面5，人机界面5与第一PLC控制器3的输入端相连用于发送指令。
如图1所示，另设有一放散口9，第一烧嘴1和第二烧嘴2均与放散口9通过管道相连，第一烧嘴1与放散口9之间，第二烧嘴2与放散口9之间的管道上均设有放散阀18，停炉后通过放散阀18及放散口9将管路内的残留天然气体排出到厂房外，以保证设备安全。在助燃风机11的出口处设有压力开关10和压力表8。在天然气输出口12的出口处设有压力开关10及流量计13，且在压力开关10的前后两侧均设有压力表8，在流量计13的后侧设有主管路电磁阀14，在第一烧嘴1和第二烧嘴2所在的第二管路上，且靠近第一烧嘴1和第二烧嘴2的位置设有支管路电磁阀15。上述元件均是为了确保本发明稳定工作，保证设备安全。需要说明的是，虽然图1中的保温炉19上安装有两个烧嘴，但是根据实际情况的需要，可以增加或减少烧嘴的数量，同时增加或减少烧嘴所对应的管路及必要元件，例如设置1个烧嘴或3个烧嘴，本发明中保温炉19上设置两个烧嘴为优选方案。
如图2所示，使用本发明熔铸保温炉的温度串级控制系统时，需要设定参数，第一步是设定目标金属液温度及最终炉气温度：假如工艺要求目标金属液温度为T1，那么最终炉气温度为T2=T1+40 ℃；第二步是设定炉气最高温度：假如炉气最高温度为Tm；第三步是确定炉气温度和金属液温度比值：炉气最高设定温度为Tm，假如当炉气温度到达最高温度Tm时，此时金属液当前温度为T0，那么比值K=(Tm-T2)/(T1-T0)。随后在人机界面5上输入参数T1、Tm、K，本发明即可按照设定的参数工作。
本发明熔铸保温炉的温度串级控制系统的控制方法如下，首先通过人机界面5设定的目标金属液温度T1、最高炉气温度Tm及炉气温度与金属液温度比值K，比值K=(Tm-T2)/(T1-T0) ，其中最终炉气温度为T2=T1+40 ℃。然后通过助燃风机11、天然气输出口12及两个烧嘴升高保温炉19内的炉气温度，直至炉气温度达到最高值Tm，此时炉气温度热电偶16检测到炉气温度达到最高值Tm，并向第一PLC控制器3发送降低炉气温度的信号，金属液温度热电偶17检测金属液温度得到当前金属液温度T0，并向第二PLC控制器4发送信号，第一PLC控制器3和第二PLC控制器4相互协作经过PID运算，使得第二PLC控制器4输出端输出4~20mA电信号控制助燃风比例调节阀，逐渐关小阀门，减少助燃风流量，由于助燃风的减小，风控比例调节阀也相应关小，使得天然气流量减少，最终使得炉气温度逐渐降低，如图2所示，控制过程中金属液温度每升高1 ℃，炉气温度降低K ℃，最终金属液温度达到目标金属液温度T1，炉气温度达到设定的目标炉气温度T2，炉气温度按照一定的比值降温，炉气温度波动较为平稳，可有效地降低金属液的氧化烧损，从而节约生产成本。
    按照上述控制系统及控制方法对铝进行熔铸，设定目标铝液温度T1为 720 ℃ ，则目标炉气温度T2为760 ℃ ，设定最高炉气Tm为1040 ℃ ，当炉气加热至最高炉气温度1040 ℃ 时铝液温度T0为680 ℃ ，则K=(Tm-T2)/(T1-T0)=7，此时第一PLC控制器3和第二PLC控制器4相互协作经PID运算，第二PLC控制器4输出端输出4~20mA电信号，助燃风调节阀7关小，同时风控比例调节阀以同样比例关小，使得在铝液温度上升的同时，平缓地降低炉气温度，铝液温度每升高1 ℃，炉气温度降低7℃。按照上述设备及控制方法，铝液氧化烧损率减少15%。
综上所述，本发明熔铸保温炉的温度串级控制系统及控制方法，控制简单，人机界面较好。炉气温度及金属液温度的采集，助燃风调节阀的控制等均是自动完成，整个过程为一闭环控制，控制过程实时、有效、快速。并且，在升高金属液温度的过程中炉气温度波动较小，有效减少了金属液氧化烧损，节约了生产成本。
当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.熔铸保温炉的温度串级控制系统，包括保温炉、烧嘴、炉气温度热电偶、金属液温度热电偶、助燃风机和天然气输出口，所述炉气温度热电偶和金属液温度热电偶安装于保温炉内，所述烧嘴安装于保温炉上，且烧嘴的烧嘴口位于保温炉内部，其特征在于：另设有助燃风调节阀、风控气比例阀、第一PLC控制器和第二PLC控制器，所述烧嘴与助燃风机通过管道相连形成第一管路，同时，所述烧嘴与天然气输出口通过管道相连形成第二管路；在第一管路与第二管路之间连接有风控气比例阀，所述第一管路上且在风控气比例阀与助燃风机之间的位置设有助燃风调节阀；所述炉气温度热电偶的输出端与第一PLC控制器的输入端相连，所述金属液温度热电偶的输出端与第二PLC控制器的输入端相连，所述第一PLC控制器的输出端与第二PLC控制器的输入端相连，所述第二PLC控制器的输出端与第一管路上的助燃风调节阀相连。
2.根据权利要求1所述的熔铸保温炉的温度串级控制系统，其特征在于：所述烧嘴设有两个，即第一烧嘴和第二烧嘴，第一烧嘴和第二烧嘴分别与助燃风机通过管道相连形成第一管路，同时，所述第一烧嘴和第二烧嘴分别与天然气输出口通过管道相连形成第二管路；在第一管路与第二管路之间均连接有风控气比例阀，所述第一管路上且在风控气比例阀与助燃风机之间的位置均设有助燃风调节阀，所述第二PLC控制器的输出端与第一烧嘴所在的第一管路上的助燃风调节阀及第二烧嘴所在的第一管路上的助燃风调节阀相连。
3.根据权利要求1所述的熔铸保温炉的温度串级控制系统，其特征在于：另设有一人机界面，该人机界面与第一PLC控制器的输入端相连。
4.根据权利要求1所述的熔铸保温炉的温度串级控制系统，其特征在于：另设有一放散口，所述烧嘴与放散口通过管道相连，所述烧嘴与放散口之间的管道设有放散阀。
5.根据权利要求1所述的熔铸保温炉的温度串级控制系统，其特征在于：所述助燃风机的出口处设有压力开关和压力表。
6.根据权利要求1所述的熔铸保温炉的温度串级控制系统，其特征在于：所述天然气输出口的出口处设有压力开关及流量计，且在压力开关的前后两侧均设有压力表。
7.根据权利要求6所述的熔铸保温炉的温度串级控制系统，其特征在于：所述流量计的后侧设有主管路电磁阀，所述烧嘴所在的第二管路上，且靠近烧嘴的位置设有支管路电磁阀。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的熔铸保温炉的温度串级控制系统的控制方法，其特征在于：采用以下步骤：首先通过人机界面设定的目标金属液温度T1、最高炉气温度Tm及炉气温度与金属液温度比值K；然后通过助燃风机、天然气输出口及烧嘴升高保温炉内的炉气温度，直至炉气温度达到最高值Tm，此时炉气温度热电偶检测到炉气温度达到最高值Tm，并向第一PLC控制器发送降低炉气温度的信号，金属液温度热电偶检测金属液温度得到当前金属液温度T0，并向第二PLC控制器发送信号，第一PLC控制器和第二PLC控制器相互协作经过PID运算，使得第二PLC控制器输出端输出电信号控制助燃风比例调节阀，逐渐关小阀门，减少助燃风流量，由于助燃风的减小，风控比例调节阀也相应关小，减少天然气流量，炉气温度逐渐降低，最终使得在控制过程中金属液温度每升高1℃，炉气温度降低K ℃，金属液温度达到目标金属液温度T1，炉气温度达到设定的目标炉气温度T2。
9.根据权利要求8所述的熔铸保温炉的温度串级控制系统的控制方法，其特征在于：所述最终炉气温度T2=T1+40 ℃，其中T1为目标金属液温度。
10.根据权利要求9所述的熔铸保温炉的温度串级控制系统的控制方法，其特征在于：所述金属液温度比值K=(Tm-T2)/(T1-T0)，其中Tm为最高炉气温度，T2为最终炉气温度，T1为目标金属液温度，T0为当炉气温度达到Tm时金属液的温度。
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