CN105241258B - 环冷机分段多目标控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种环冷机分段多目标控制系统及控制方法，主要为了协调环冷机不同的控制目标而进行的设计。本发明环冷机分段多目标控制系统及控制方法中环冷机分为若干封闭冷却段，每段至少包含一台鼓风机，并在每个封闭冷却段对应设置检测装置，通过检测装置检测的参数带入各分段模型计算公式，得到各封闭冷却段鼓风机的运行参数，进一步通过分别与各个封闭冷却段鼓风机连接的分段多目标控制器，对对应封闭冷却段进行控制。本发明环冷机分段多目标控制系统及控制方法通过设置在各封闭冷却段的分段多目标控制器，可以有效解决目前环冷机余热利用效率不足的问题，显著提升热能再利用率，并使大功率电机工作在经济合理的速度区间，从而节约大量电能。

Description

环冷机分段多目标控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及环冷机控制技术领域，尤其涉及一种环冷机分段多目标控制系统及控制方法。

背景技术

在环冷机工作过程中，高温的物料在进料口进入环冷机台车，随着环冷机台车在圆形轨道的运行，物料逐渐冷却至设定的温度，并在出料口排出。传统的环冷机控制系统，会通过环冷机变频调速技术，调节整个台车的运行速度，来控制物料冷却的速度。在进一步的技术发展中，对最后一台或两台冷却鼓风机进行变频调速，对末段的物料降低鼓风量，实现能源的节约。近年来，为了实现能源的合理利用，越来越多的环冷机配备了余热利用系统，用来余热发电或热风烧结等。

在目前的环冷机控制系统中，存在控制目标互相矛盾的问题：环冷机的物料要求在运行过程中尽快冷却，余热利用系统则希望在风管接口处得到较高的热风温度；从节能方面考虑，需要尽量降低冷却鼓风机运行频率，从生产角度考虑，需要最大化设备利用率，提高产能。以上这些控制目标之间存在一定的矛盾，传统的环冷机控制技术无法兼顾各方面的控制要求，会导致余热利用率低下，电能浪费严重等问题。

发明内容

针对上述环冷机控制系统的控制目标相互矛盾的问题，本发明提供一种能够分段控制环冷机冷却过程、并能使整个冷却过程余热、设备合理利用的环冷机分段多目标控制系统及控制方法。

为达到上述目的，本发明环冷机分段多目标控制方法，将环冷机分为若干相互隔绝的封闭冷却段，所述的封闭冷却段至少包括一台鼓风机；

采集或获取各封闭冷却段运行状态数据，所述运行状态数据包括：环境温度、台车运行到各封闭冷却段段初时的物料温度、物料厚度、台车在该段的运行速度，设定鼓风废气温度、设定台车运行到各封闭冷却段段尾时的物料温度；

将所述的各冷却段的运行状态数据、设定的鼓风废气温度、设定的台车运行到各封闭冷却段段尾时的物料温度带入对应封闭冷却段的分段模型计算公式，得到鼓风机的运行参数，所述计算公式如下：

其中，Q为冷却风量(也即鼓风机风量)，P为鼓风机压力，h为台车上的物料料厚，k₁，k₂为经验系数，T₁为该段物料冷却前温度(也即台车经过封闭冷却段段初时的物料温度)，T₂为该段物料冷却后温度(也即台车经过封闭冷却段段后段尾的物料温度)，T₁’为鼓风废气温度，T₂’为环境温度，c₁为物料T₁温度下的比热，c₂为物料T₂温度下的比热，c’为空气比热，k为热交换系数。

鼓风机按计算的参数运行，测量实际台车运行到对应封闭冷却段段尾时的物料温度，将所测得的台车运行到对应封闭冷却段段尾时的物料温度与设定的台车运行到该封闭冷却段段尾时的物料温度进行比较，计算温差；

若所述温差在预定阈值范围内，则不做处理；

若温差不在预定阈值范围内，则调整该段鼓风机运行的参数。

进一步地，若台车在其中一段封闭冷却段所测得的段尾物料温度与该段设定的台车经过段尾时的物料温度差不在预定阈值范围内，则调整该封闭冷却段相邻下一段的鼓风机运行参数。

进一步地，将第一段封闭冷却段对应的运行状态数据以及鼓风机的运行参数带入第一段分段模型计算公式，预测台车经过第一封闭冷却段后段尾的物料温度；

将预测的第一段封闭冷却段后段尾的物料温度作为第二段段初的物料温度，连同物料厚度、环境温度、台车运行速度、以及第二段封闭冷却段鼓风机的运行参数带入第二段分段模型计算公式，预测台车经过第二段封闭冷却段后段尾的物料温度；

利用预测的第二段封闭冷却段后段尾的物料温度作为第三段段初的物料温度，同样的方式预测台车经过第三段封闭冷却段后段尾的物料温度；

依次类推，预测出台车经过各个封闭冷却段后段尾的物料温度。

进一步地，检测出料口料重，设定出料重量，计算出料口料重与设定出料重量的重量差，基于所述的重量差，调整环冷机的运行速度。

进一步地，鼓风机的运行参数包括：鼓风机运行频率、鼓风机风量、鼓风机风压。

进一步地，所述环冷机按每段设置一台鼓风机进行独立分段，第一段封闭冷却段的所述设定鼓风废气的温度为余热利用系统的废气温度。

为达到上述目的，本发明环冷机分段多目标控制系统，其特征在于：将环冷机分为若干相互隔绝的封闭冷却段，所述的封闭冷却段至少包括一台鼓风机；

在环冷机进料口、出料口、各封闭冷却段段初分别设有物料温度检测装置；

所述进料口处设有料厚检测装置；

其中所述各个封闭冷却段的鼓风机分别连接分段多目标控制器；

所述分段多目标控制器内设有鼓风机控制单元；

所述鼓风机控制单元，根据台车经过各封闭冷却段段初的温度检测装置检测的物料温度、进料口进料装置检测的物料厚度，以及设定的台车经过该段后段尾的物料温度，向对应段所述鼓风机输出鼓风机的运行参数。

进一步地，所述环冷机与环冷机控制器相连，所述环冷机控制器内设置有环冷机控制单元，所述出料口设置有料重检测装置，所述环冷机控制单元根据料重检测装置检测的物料重量与设定重量的差值调节环冷机的运行速度。

进一步地，所述鼓风机控制单元包括鼓风机频率控制单元、鼓风机风量控制单元、鼓风机风压控制单元。

进一步地，所述的各封闭冷却段的分段多目标控制器以及环冷机控制器均与联合控制器连接，所述的联合控制器对应设置有控制各封闭冷却段的分段多目标控制器的控制单元以及控制环冷机控制器的控制单元。

本发明环冷机分段多目标控制系统及控制方法通过将环冷机分为若干封闭冷却段进行分段控制，进一步给各封闭冷却段设定不同的冷却目标，以实现资源的合理利用，并且本发明环冷机分段多目标控制系统及控制方法通过反馈调节各台冷却鼓风机的运行参数控制各封闭冷却段的物料冷却指标。各封闭冷却段的分段控制器的效果将原本连续平滑的冷却过程转变为各封闭冷却段独立分布的冷却过程。

由本发明环冷机分段多目标控制系统及控制方法提供的技术方案有以下益处：通过在各封闭冷却段不同目标的分段控制可以有效解决目前环冷机余热利用效率不足的问题，显著提升热能再利用率；通过分段检测、分段模型和各分段对应的分段多目标控制器，可以在不同工况和气候条件下，精确控制每台冷却鼓风机的运行频率，使这些大功率电机工作在经济合理的速度区间，从而节约大量电能。

附图说明

图1是实施例1环冷机分段多目标控制系统的结构示意图；

图2是实施例1环冷机分段多目标控制系统信号采集和控制区块平面布置图；

图3是实施例1环冷机分段多目标控制系统的控制流程图；

图4是实施例2环冷机分段多目标控制方法的的控制流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

实施例1

如图1、2、3所示，本实施例环冷机分段多目标控制系统的环冷机由2台电机驱动，每台电机由一台环冷机变频器控制，调节该变频器频率可以改变环冷机运行速度。该环冷机配备4台冷却鼓风机，每台鼓风机由一台鼓风机变频器控制，调节该变频器可以改变鼓风机运行速度，从而调节鼓风量。在1#冷却鼓风机段设置风管将热风引入余热发电系统，用于能量回收。

本实施例环冷机分段多目标控制系统环冷机进料口安装有环冷机台车的料厚检测装置和进料口料温检测装置，所述的料厚检测装置检测环冷机台车的物料厚度，所述进料口料温检测装置检测环冷机台车的物料初始温度，检测参数作为该环冷机物料冷却的初始状态，该状态用向量参数P0表示，P0＝{初始料厚，初始料温}；在环冷机的出料口排料斗设置称重检测装置和出料口料温检测装置，所述料重检测装置检测环冷机物料排出量，所述排料口料温检测装置检测物料最终冷却温度，检测参数作为该环冷机物料冷却的最终状态，该状态用向量参数Pf表示，Pf＝{排料斗重量，终点料温}。

本实施例环冷机分段多目标控制系统的环冷机冷却风箱被严密分隔为4段，分别称为1～4#封闭冷却段，每一个封闭冷却段对应一台冷却鼓风机。每个封闭冷却段段初设置物料温度检测装置，用来采集温度。每个封闭冷却段台车的物料厚度与该台车进料口处的料厚相同，可以通过环冷机运行速度推算台车位置从而计算得到每个封闭冷却段对应台车的物料厚度。将1～4#封闭冷却段的物料冷却状态分别记为向量参数P1～P4，其中Pi＝{第i段料厚，第i段料温}，i＝1,2,3,4。

本实施例环冷机分段多目标控制系统的环冷机冷却鼓风机通过风管将外部空气输送到环冷台车中。每台风机的进气风管上设置风量检测装置和风压检测装置。将1～4#风机的鼓风状态分别记为向量参数F1～F4，其中Fi＝{第i段风量，第i段风压}，i＝1,2,3,4。

本实施例环冷机分段多目标控制系统各个封闭冷却段的鼓风机均对应连接独立的分段多目标控制器，每个独立控制器设置相应的鼓风机控制单元，所述的鼓风机控制单元包括鼓风机频率控制单元、鼓风机风压控制单元，分段多目标控制器通过鼓风机频率控制单元、鼓风机风压控制单元控制鼓风机的频率、风压运行参数，鼓风机控制单元根据台车经过各封闭冷却段段初的温度检测装置检测的物料温度、进料口进料装置检测的物料厚度，以及设定的台车经过该段后段尾的物料温度，向对应段所述鼓风机输出鼓风机的运行参数；环冷机连接有环冷机控制器，所述的环冷机控制器上设置有环冷机变频调速装置的控制单元，所述环冷机控制单元根据料重检测装置检测的物料重量与设定重量的差值调节环冷机的运行速度；所述的各个独立的分段多目标控制器以及环冷机控制器均连接到同一台联合控制器上，联合控制器上分别设置对应各个独立的分段多目标控制器以及环冷机控制器的分段多目标控制器控制单元、环冷机控制器控制单元，联合控制器以物料的最终冷却温度为整体控制目标，并通过相应的控制单元向对应的各个控制器发出相应信号。

本实例中环冷机分段多目标控制系统的检测元件所采集的数据均通过数据采集转化模块送至各个控制器进行存储和运算。该环冷机分段多目标控制系统通过数据通讯模块与上游的烧结自动化系统和下游的成品筛分自动化系统进行数据交换，保证整个工艺流程的协同运行。该环冷机分段多目标控制系统在工业控制计算机上设置操作界面，供操作人员进行参数设置和状态监控。

本实施例环冷机分段多目标控制系统环冷机用调速变频装置、冷却鼓风机用调速变频装置可以有多种配置方式，例如：两台环冷机电机共用一台变频器；冷却鼓风机电机有些采用工频运行，有些采用变频运行方式或者多台鼓风机共用一台变频调速装置；当鼓风机采用工频或者多台鼓风机共用一台变频调速装置时，可以通过调节风门，实现风量的控制，相应的分段多目标控制器的控制参数由鼓风机频率转换为鼓风机风量控制参数，分段多目标控制器的鼓风机频率控制单元转换为鼓风机风量控制单元。这些不同的设备配置均可以采用本发明提供的环冷机分段多目标控制系统及控制方法进行设备控制，所有在本技术领域人员易想到的设备间的变形组合均包含在本发明的权利要求中。

实施例2

本实施例环冷机分段多目标控制方法是针对实施例1的环冷机分段多目标控制系统进行的控制方法。

对1～4#封闭冷却段的物料分别通过机理建模或数据建模建立对应的物料冷却分段模型，用来模拟和预测区域的过程参数。所述的分段模型计算公式为：

其中，Q为冷却风量(也即鼓风机风量)，P为鼓风机压力，h为台车上的物料料厚，k₁，k₂为经验系数，T₁为该段物料冷却前温度(也即台车经过封闭冷却段段初时的物料温度)，T₂为该段物料冷却后温度(也即台车经过封闭冷却段段后段尾的物料温度)，T₁’为鼓风废气温度，T₂’为环境温度，c₁为物料T₁温度下的比热，c₂为物料T₂温度下的比热，c’为空气比热，k为热交换系数。

本实施例环冷机分段多目标控制方法首先确立各封闭冷却段的目标：设定1#分段多目标控制器的控制目标为控制余热系统接入风管的气体温度；2#分段多目标控制器的控制目标为加快冷却节奏，防止物料温度过高，并具体设定物料在2#封闭冷却段的出料温度；3#分段多目标控制器的控制目标为合理利用自然冷却面积，降低鼓风机耗电量；4#分段多目标控制器的控制目标为保证冷却效果也就是保证物料的最终冷却温度并降低鼓风机耗电量。

本实施例环冷机分段多目标控制方法各封闭冷却段目标确定后，通过环冷机进料口温度作为第一段物料段初的物料温度，物料的料厚、环冷机运行速度以及设定第一段余热系统的气体温度作为鼓风机废气温度，根据经验设定第一段物料的段尾温度，并根据以上数据结合环境温度带入第一段的分段模型计算公式计算分析第一封闭冷却段对应的鼓风机参数，包括鼓风机风量、风压。其中风量通过调节与鼓风机连接的变频调速器实现。第二段鼓风机运行参数的确定是根据预设好的第一段段尾的物料温度作为第二段段初的物料温度，并根据经验设定废气的物料温度，连通其他已知参数带入第二段的分段模型计算公式计算分析第二封闭冷却段对应的鼓风机参数；通过经验设定第三段的物料段尾温度、以及废气温度，进一步得到第三封闭冷却段对应的鼓风机参数；第四段同样根据经验设定废气温度，进一步得到第四封闭冷却段对应的鼓风机参数。

各封闭冷却段的鼓风机参数预设后，物料经过第一段封闭冷却段后，检测余热利用系统的废气温度，并通过物料经过第二段段初的测温装置检测的温度作为第一段段尾的实际段尾物料温度作为反馈数据，对比设定的温度与实际温度的温度差，如果实际温度的温度差在预定阈值范围内，则不做调整，其中所述的预定阈值范围为温差不大于10℃；如果温度差不在预定阈值范围内，则调节第一封闭冷却段对应鼓风机的参数，以保证下一台车运行到该段时物料能达到预设温度；当第一段段尾的物料实际温度与设定温度的差值不在预定阈值范围内时，根据第二段段初的实际物料温度与结合第二段物料冷却模型计算公式，调整第二段鼓风机运行参数，已保证该台车运行完第二段封闭冷却段后能够得到第二段的段尾预设温度；物料走完第二段封闭冷却段之后，以第三段段段初测得物料温度作为物料的第二段段尾的实际温度，并于低温段段尾的设定温度进行比较，根据温度差做与上一段类似的调整，依次类推，最终保证最后的出料温度尽可能的与设定的出料口温度接近。

进一步，根据环冷机出料口处测得的物料重量，以及物料的冷却效果调节环冷机的运行速度。

本实施例环冷机分段多目标控制系统及控制方法对1～4#封闭冷却段分别设置不同控制目标的分段控制器。通过4个分段多目标控制器的单独工作，为环冷机不同封闭冷却段设置了不同的工作目标，使冷却过程呈现出明显的分段型运行特征。

本实施例环冷机分段多目标优化控制控制方法通过联合控制器对分段多目标控制器、环冷机控制器进行联合控制。根据工艺生产要求，包括环冷机物料冷却量要求，冷却完成后物料最终温度要求；根据余热发电系统的要求，余热风管的热风温度要满足发电系统的温度需要；根据节能降耗要求，整个系统的耗电量需要尽量降低；基于以上生产要求，联合控制器会统筹分配各分段控制器的控制任务和目标控制参数，并通过物料冷却分段模型来加以测试，协调各分段控制器的工作，保证整个环冷机的协同运行。

同时本实施例环冷机分段多目标控制方法，也可以通过环冷机进料口温度、物料厚度，在各个封闭冷却段鼓风机运行参数不变的条件下，预测物料经过各个封闭冷却段后的物料状态。具体的将第一段对应的环境温度、台车经过各封闭冷却段时段初的物料温度、物料厚度、台车在该段的运行速度以及鼓风机的运行参数带入鼓风机运行模型，预测台车经过第一封闭冷却段后的段尾物料温度；

将预测到第一封闭冷却段后段尾的温度作为第二段段初温度，再带入物料厚度、环境温度、台车运行速度、以及第二段鼓风机的运行参数，预测台车经过第二段冷却后段尾的物料温度；

利用预测到的第二封闭冷却段段尾的物料温度作为第三段段初的物料温度，同样的方式预测第三段段尾的物料温度；

依次类推，预测出物料经过各个封闭冷却段后的物料冷却温度。

同时也可以根据每段段初的实际温度，在该段鼓风机运行参数不变的条件下，预测物料经过该段后的物料状态。

本发明环冷机分段多目标控制系统及控制方法的每个封闭冷却段的分段控制器和环冷机联合控制器协同工作，可以实现多目标优化，每个分段控制器的控制目标不限于上述情况，可以将该封闭冷却段的物料冷却进度、烟气温度、冷却风机节能指标等作为控制目标进行分段独立控制；联合控制器以最终物料冷却效果作为控制目标，通过物料冷却分段模型来预测各封闭冷却段的工作情况，以此协调控制各分段多目标控制器的工作状态，保证各子项控制目标与总控制目标的共同优化。例如：可以在第一个或第二个封闭冷却段，以余热利用系统的热风温度要求作为目标进行控制；在后续的封闭冷却段以节约电能为目标进行控制；总体上，以调节出料口物料温度和最大化有效冷却面积为目标进行控制。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种环冷机分段多目标控制方法，其特征在于：将环冷机分为若干相互隔绝的封闭冷却段，所述的封闭冷却段至少包括一台鼓风机；

采集或获取各封闭冷却段运行状态数据，所述运行状态数据包括：环境温度、台车运行到各封闭冷却段段初时的物料温度、物料厚度、台车在该段的运行速度，设定鼓风废气温度、设定台车运行到各封闭冷却段段尾时的物料温度；

将所述的各封闭冷却段的运行状态数据、设定的鼓风废气温度、设定的台车运行到各封闭冷却段段尾时的物料温度带入对应封闭冷却段的分段模型计算公式，得到鼓风机的运行参数，所述计算公式如下：

其中，Q为冷却风量(也即鼓风机风量)，P为鼓风机压力，h为台车上的物料料厚，k₁，k₂为经验系数，T₁为该段物料冷却前温度(也即台车经过封闭冷却段段初时的物料温度)，T₂为该段物料冷却后温度(也即台车经过封闭冷却段段后段尾的物料温度)，T₁’为鼓风废气温度，T₂’为环境温度，c₁为物料T₁温度下的比热，c₂为物料T₂温度下的比热，c’为空气比热，k为热交换系数；

鼓风机按计算的参数运行，测量实际台车运行到对应封闭冷却段段尾时的物料温度，将所测得的台车运行到对应封闭冷却段段尾时的物料温度与设定的台车运行到该封闭冷却段段尾时的物料温度进行比较，计算温差；

若所述温差在预定阈值范围内，则不做处理；

若温差不在预定阈值范围内，则调整该段鼓风机运行的参数。

2.根据权利要求1所述的环冷机分段多目标控制方法，其特征在于：若台车在其中一段封闭冷却段所测得的段尾物料温度与该段设定的台车经过段尾时的物料温度差不在预定阈值范围内，则调整该封闭冷却段相邻下一段的鼓风机运行参数。

3.根据权利要求1所述的环冷机分段多目标控制方法，其特征在于：将第一段封闭冷却段对应的运行状态数据以及鼓风机的运行参数带入第一段分段模型计算公式，预测台车经过第一封闭冷却段后段尾的物料温度；

将预测的第一段封闭冷却段后段尾的物料温度作为第二段段初的物料温度，连同物料厚度、环境温度、台车运行速度、以及第二段封闭冷却段鼓风机的运行参数带入第二段分段模型计算公式，预测台车经过第二段封闭冷却段后段尾的物料温度；

利用预测的第二段封闭冷却段后段尾的物料温度作为第三段段初的物料温度，同样的方式预测台车经过第三段封闭冷却段后段尾的物料温度；

依次类推，预测出台车经过各个封闭冷却段后段尾的物料温度。

4.根据权利要求1所述的环冷机分段多目标控制方法，其特征在于：检测出料口料重，设定出料重量，计算出料口料重与设定出料重量的重量差，基于所述的重量差，调整环冷机的运行速度。

5.根据权利要求1所述的环冷机分段多目标控制方法，其特征在于：鼓风机的运行参数包括：鼓风机运行频率、鼓风机风量、鼓风机风压。

6.根据权利要求1所述的环冷机分段多目标控制方法，其特征在于：所述环冷机按每段设置一台鼓风机进行独立分段，第一段封闭冷却段的所述设定鼓风废气的温度为余热利用系统的废气温度。

7.一种环冷机分段多目标控制系统，其特征在于：将环冷机分为若干相互隔绝的封闭冷却段，所述的封闭冷却段至少包括一台鼓风机；

在环冷机进料口、出料口、各封闭冷却段段初分别设有物料温度检测装置；

所述进料口处设有料厚检测装置；

其中所述各个封闭冷却段的鼓风机分别连接分段多目标控制器；

所述分段多目标控制器内设有鼓风机控制单元；

所述鼓风机控制单元，根据台车经过各封闭冷却段段初的温度检测装置检测的物料温度、进料口进料装置检测的物料厚度，以及设定的台车经过该段后段尾的物料温度，向对应段所述鼓风机输出鼓风机的运行参数。

8.根据权利要求7所述的环冷机分段多目标控制系统，其特征在于：所述环冷机与环冷机控制器相连，所述环冷机控制器内设置有环冷机控制单元，所述出料口设置有料重检测装置，所述环冷机控制单元根据料重检测装置检测的物料重量与设定重量的差值调节环冷机的运行速度。

9.根据权利要求7所述的环冷机分段多目标控制系统，其特征在于：所述鼓风机控制单元包括鼓风机频率控制单元、鼓风机风量控制单元、鼓风机风压控制单元。

10.根据权利要求7所述的环冷机分段多目标控制系统，其特征在于：所述的各封闭冷却段的分段多目标控制器以及环冷机控制器均与联合控制器连接，所述的联合控制器对应设置有控制各封闭冷却段的分段多目标控制器的控制单元以及控制环冷机控制器的控制单元。