CN110332180A - 一种节能型高炉热风炉液压控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种节能型高炉热风炉液压控制系统及方法，属于冶金机械技术领域，液压控制系统包括控制模块和至少一个液压设备，以及连接在液压设备上的供油回路和回油回路；供油回路上顺次设置有液压油源装置和压力传感器，回油回路上设置有比例溢流阀，液压设备上连接有电磁换向阀；液压油源装置包括定量泵和为其提供动力的伺服电机；伺服电机驱动定量泵为液压设备供油，控制模块根据上位机和压力传感器的信号输入控制控制伺服电机的转速和比例溢流阀的回油背压。本申请通过采用伺服电机控制定量泵的泵控容积调速控制回路代替传统的节流阀控制回路，降低了系统的能量损耗和发热，解决了现有技术中的液压控制系统能耗高的问题。

Description

一种节能型高炉热风炉液压控制系统及方法

技术领域

本发明属于冶金机械技术领域，涉及一种节能型高炉热风炉液压控制系统及方法，尤其涉及一种适合在同一时间内只有一个设备动作的液压系统。

背景技术

炼铁高炉热风炉的作用是把鼓风加热到要求的温度，用以提高高炉的效益和效率，是炼铁单元的重要组成部分。热风炉是通过各个阀门的开闭和调节实现“燃烧”、“蓄热”、“送风”等功能的，为保持“蓄热”效果获得高风温，报废以前热风炉是不能停炉的，必须处于工作状态或维持温度状态，所以阀门必须随时能够动作。在国内国外大多数热风炉的这些阀门都是采用液压系统来驱动。

热风炉的阀门根据功能的不同，有热风阀、冷风阀、烟道阀、混风切断阀、倒流休风阀等，阀门型式上主要有蝶阀、闸阀、球阀等，每个高炉都包含多个热风炉，因此，每个高炉的热风炉包含了大小不同、负载情况各异、动作要求有差别的几十个阀门；同时，由于热风炉燃烧的是煤气，绝不能和空气中的氧气混合，有较大危险性，所以热风炉阀门的动作有先后顺序，在同一时间内，没有一个阀门以上同时动作。针对这种工艺要求及冶金行业的特殊性，正常情况下需要热风炉液压系统24小时不间断的连续工作。

到目前为止，国内外正在使用的热风炉液压系统，其泵源通常采用的是恒压变量泵，这种泵能够持续不断的提供压力油来实现热风炉阀门的开闭，在外界阀门动作的间隙期，即没有阀门动作的时候，恒压变量泵保持设定的最高压力，在变量机构的作用下改变斜盘倾角，使流量输出仅维持泄漏流量，起到了节能的作用；动作时，高压油通过液压阀站上液压控制回路的换向、节流、保压控制，起到打开或关闭空气或其它介质管道通路的作用，并在必要时保持打开或关闭状态。

这种控制方式到目前为止已经沿用多年，基本能够满足热风炉系统的工艺要求。热风炉系统的阀门并非一种型式，为了适应负载最大的几个阀门，系统压力必须调整到12～16MPa左右；而负载力较小的，或存在带负载的阀门在开闭动作过程中，必须注意进回油节流的调整，避免有杆腔超压；因此，由于压力负载匹配的要求使得系统设计投资和设备调试的人工成本无法降低，而节流控制又使得阀门动作时的能耗不可避免。另外，该系统还存在换向冲击大，外界温度变化或设备负载情况变化后无法自适应调整动作速度等缺陷。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种节能型高炉热风炉液压控制系统及方法，通过采用伺服电机控制定量泵的泵控容积调速控制回路代替传统的节流阀控制回路，降低了系统的能量损耗和发热，解决了现有技术中的液压控制系统能耗高的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种节能型高炉热风炉液压控制系统，包括控制模块和至少一个液压设备，以及连接在液压设备上的供油回路和回油回路；所述液压设备上连接有电磁换向阀；所述供油回路上顺次设置有液压油源装置和压力传感器，所述回油回路上设置有比例溢流阀；所述液压油源装置包括定量泵和为其提供动力的伺服电机；所述比例溢流阀、电磁换向阀、伺服电机均与控制模块电连接并受其控制。

可选地，还包括事故蓄能器组件，所述事故蓄能器组件的压力油口连接到定量泵的出油口，且其回油口连接到系统的主回油回路或直接回油箱。

可选地，所述控制模块包括伺服电机驱动器和可编程控制器，所述伺服电机驱动器与伺服电机电连接，所述比例溢流阀、电磁换向阀、伺服电机驱动器均与可编程控制器电连接。

可选地，在所述电磁换向阀的回油口上设置有回油单向阀。

可选地，在所述电磁换向阀的进油口上还设置有由于控制回路通断的球阀。

可选地，所述液压设备为蝶阀油缸、球阀油缸和闸阀油缸中的任一种，所述电磁换向阀为两位四通电磁换向阀。

可选地，所述液压设备为带配重闸阀油缸或带负载闸阀油缸。

可选地，所述电磁换向阀为三位四通电磁换向阀。

可选地，所述三位四通电磁换向阀的中位泄压，在所述液压设备的进油口、回油口上均设置有液控单向阀。

可选地，所述控制模块连接有用于测量环境温度的温度传感器，所述控制模块根据液环境温度的变化改变伺服电机的转速和比例溢流阀的背压。

可选地，所述液压设备至少为两个，且液压设备之间为并联，所述液压设备之间按照预定的顺序顺次动作。

一种节能型高炉热风炉液压控制方法，提供可编程控制器、伺服电机、定量泵、压力传感器、比例溢流阀、电磁换向阀和液压设备，电磁换向阀与液压设备相连，压力传感器位于连接定量泵和电磁换向阀之间的管路上，伺服电机驱动定量泵为液压设备供油，可编程控制器根据上位机中录入的液压设备类型识别码及其动作要求，控制伺服电机的转速和设置在回油回路上的比例溢流阀的回油背压，包括以下步骤：

S1在打开阀门时：

S1.1可编程控制器接收上位机给出的打开阀门信号及液压设备类型识别码，电磁换向阀动作，液压设备的无杆腔与供油回路接通；

S1.2可编程控制器根据液压设备类型识别码控制伺服电机的转速按斜坡增加到第一预定值，形成第一速度斜坡；可编程控制器根据液压设备类型识别码控制比例溢流阀的回油背压；

S1.3液压设备的无杆腔进油，液压设备的活塞杆伸出；

S1.4在阀门接近完全打开的状态时，可编程控制器根据液压设备上的限位开关信号控制伺服电机的转速按斜坡减小至第二预定值，形成第二速度斜坡；

S2在待机时：液压设备的活塞杆保持伸出状态，比例溢流阀的输入量为0；可编程控制器根据待机状态的信号和压力传感器的反馈信号，控制伺服电机保持一个低转速，维持系统的压力恒定不变。

S3在关闭阀门时：

S3.1可编程控制器接收上位机给出的关闭阀门信号及液压设备类型识别码，电磁换向阀动作，液压设备的有杆腔与供油回路接通；

S3.2可编程控制器根据液压设备类型识别码控制伺服电机的转速按斜坡增加到第三预定值，形成第三速度斜坡；

S3.3液压设备的有杆腔进油，无杆腔经设置在回油回路上的比例溢流阀回油，定量泵出口的压力自适应负载的变化，液压设备的活塞杆缩回；

S3.4在阀门接近完全关闭的状态时，可编程控制器根据液压设备上的限位开关信号控制伺服电机的转速按斜坡减小至第四预定值，形成第四速度斜坡。

本发明的有益效果在于：

1.本发明通过将传统的节流调速控制改为泵控容积调速控制，即设备负载需要多大压力，泵出口就提供多大压力，极大地降低了系统的能量损耗和系统发热；部分系统可以减小冷却单元功率或完全取消冷却单元，简化了液压控制系统，降低了设备成本。

2.本发明可根据系统中不同液压设备的油缸或马达的动作要求智能控制流量和压力匹配，更贴合每个设备的动作特点，可以有效避免有杆腔超压，能够实现动作启停时的速度斜坡控制，且控制简便。

3.本发明中的液压阀站取消了所有的节流调速元件，简化了阀站的结构，降低了设备成本，调试和维护由传统的“扳手作业”升级为“控制面板作业”，节省了人力，降低了劳动强度。

4.本发明可实现液压系统的智能化和远程化控制，使液压系统的控制更加简单方便，液压油源装置出油口的压力可根据温度、负载情况变化自适应，也便于植入故障诊断系统，根据负载压力的变化来判断设备的润滑情况或部件故障。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明一种节能型高炉热风炉液压控制系统的原理图。

附图标记：定量泵1、伺服电机2、伺服电机驱动器3、可编程控制器4、压力传感器5、比例溢流阀6、液压阀站7、球阀7001、回油单向阀7002、供油单向阀7003、两位四通电磁换向阀7004、三位四通电磁换向阀7005、液控单向阀7006、事故蓄能器组件8、蓄能器本体8001、插装阀8002、顶装电磁阀8003、单向节流阀8004、蝶阀或球阀油缸9、带配重闸阀油缸10、带负载闸阀油缸11。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例：请参阅图1，一种节能型高炉热风炉液压控制系统，包括控制模块、事故蓄能器组件8和至少两个液压设备，以及连接在液压设备上的供油回路和回油回路；液压设备为蝶阀或球阀油缸9；液压设备之间为并连；液压设备上连接有电磁换向阀，电磁换向阀用于控制液压设备的活塞杆移动方向，电磁换向阀为两位四通电磁换向阀7004；供油回路上顺次设置有液压油源装置和压力传感器5，回油回路的主回油回路上设置有比例溢流阀6；液压油源装置包括定量泵1和为其提供动力的伺服电机2；控制模块包括伺服电机驱动器3和可编程控制器4，伺服电机驱动器3与伺服电机2电连接，比例溢流阀6、电磁换向阀、伺服电机驱动器3均与可编程控制器4电连接并受其控制；事故蓄能器组件8的压力油口P连接到定量泵1的出油口，且其回油口连接到回油回路的主回油回路或直接回油箱。

本实施例以热风炉液压系统为例，采用带泵控容积调速功能的节能型液压控制系统，事故蓄能器组件8包括蓄能器本体8001、带顶装电磁阀8003的插装阀8002和单向节流阀8004；液压阀站7包括电磁换向阀、液控单向阀7006、回油单向阀7002、供油单向阀7003和球阀7001。

进一步，液压设备为带配重闸阀油缸10。

进一步，液压设备为带负载闸阀油缸11。

进一步，电磁换向阀为三位四通电磁换向阀7005。

进一步，三位四通电磁换向阀7005的中位泄压，在液压设备的进油口、回油口上均设置有液控单向阀7006。

为了防止供油回路和回油回路中的液压油反向流动，本发明在电磁换向阀的回油口上设置有回油单向阀7002，在两位四通电磁换向阀7004的进油口设置有进油单向阀7003。

为了便于检修维护液压回路，在电磁换向阀的进油口上还设置有由于控制回路通断的球阀7001。

本发明由伺服电机驱动器3控制伺服电机2的转速；伺服电机驱动器3的控制信号由可编程控制器4提供，可编程控制器4能够接收上位机和压力传感器5的信号输入，并根据编程设定控制伺服电机2的转速和比例溢流阀6的回油背压。

本发明中液压阀站7不再设置任何节流或调速阀，但阀组仍具备换向、保压等功能。根据不同阀门的动作要求分别设置不同的叠加阀组：包括每个阀组压力油进油侧的球阀7001、回油侧回油单向阀7002、两位四通电磁换向阀7004的P口前的供油单向阀7003、三位四通电磁换向阀7005的A、B口连接的液控单向阀7006。

本发明的具体工作过程如下：

参照图1，当需要动作热风炉液压阀门时，以图中蝶阀或球阀油缸9为例，在需要打开阀门时，上位机给出信号，两位四通电磁换向阀7004得电，电磁换向阀换向到右侧工位，高压压力油高压液压油通过球阀7001、单向阀7003、两位四通电磁换向阀7004的P口到A口，进入蝶阀或球阀油缸9的无杆腔；油缸有杆腔的液压油则通过两位四通电磁换向阀7004的B口到T口，经比例溢流阀6回油；同时，上位机给出阀门动作识别信号到可编程控制器4，可编程控制器4根据编程设定控制伺服电机2的转速按斜坡增加到设定值V₁，并控制比例溢流阀6的回油背压，油缸按照确定的速度伸出，打开阀门；由于到油缸无杆腔的回路没有节流控制，忽略沿途压损，只要泵出口的压力不超过压力传感器5设定的最高压力，泵出口的压力就是负载需要的压力与回油背压之和，因此油缸动作过程中的无用能耗仅有比例溢流阀6的回油背压，这个背压通常比回油节流的背压低很多，使得油缸动作过程的能耗大大降低；在阀完全打开前，上位机根据油缸上的限位开关信号确定油缸动作即将到位将信号传输到可编程控制器4，可编程控制器4通过伺服电机驱动器3逐渐减小伺服电机2的转速至V₂，形成速度斜坡，使得油缸停位时的冲击大大缓解；阀门打开动作完成后，伺服电机2将与压力传感器5形成压力反馈，保持一个低转速维持定量泵1的出口有一个恒定的压力，保持油缸在伸出状态，比例溢流阀6则输入为0，保持基本接近零的背压，此时为待机状态，相比传统的恒压变量泵的待机状态节能效果更好。

当需要关闭阀门时，上位机给出信号，两位四通电磁换向阀7004失电，电磁换向阀回复到左侧工位，与以上描述类似，泵出口的压力油将进入油缸的有杆腔，油缸无杆腔的液压油则由A口到T口，经比例溢流阀6回油，因两腔面积比的差别，可编程控制器4根据编程设定控制伺服电机2的转速按斜坡增加到一个较小的设定值V₃，泵出口的压力自适应负载的变化，液压设备的活塞杆缩回，关闭阀门；在阀门接近完全关闭的状态时，可编程控制器4根据液压设备上的限位开关信号控制伺服电机2的转速按斜坡减小至预定值V₄，形成第四速度斜坡。

其它类型阀门的开启和关闭过程与蝶阀或球阀油缸打开阀门类似，区别是伺服电机2的转速和比例溢流阀6设定的背压不同，比如有负载的闸阀，比例溢流阀6的背压应略高于阀板自重形成的带负载压力，以控制阀门打开或关闭时的速度。

当热风炉液压系统发生停电等事故时，仍然可以靠蓄能器提供的应急动力源关闭相应的阀门；此时，顶装电磁阀8003失电，阀门关闭时由蓄能器供油管P出口的单向节流阀8004设定一个固定不变的速度，比例溢流阀6则由UPS电源供电，保持在一个阀门关闭需要的最高背压状态。

一种节能型高炉热风炉液压控制方法，提供可编程控制器4、伺服电机2、定量泵1、压力传感器5、比例溢流阀6、电磁换向阀和液压设备，电磁换向阀与液压设备相连，压力传感器5位于连接定量泵1和电磁换向阀之间的管路上，伺服电机2驱动定量泵1为液压设备供油，可编程控制器4根据上位机中录入的液压设备类型识别码及其动作要求，控制伺服电机2的转速和设置在回油回路上的比例溢流阀6的回油背压，包括以下步骤：

S1在打开阀门时：

S1.1可编程控制器4接收上位机给出的打开阀门信号及液压设备类型识别码，电磁换向阀动作，液压设备的无杆腔与供油回路接通；

S1.2可编程控制器4根据液压设备类型识别码控制伺服电机2的转速按斜坡增加到第一预定值，形成第一速度斜坡；可编程控制器4根据液压设备类型识别码控制比例溢流阀6的回油背压；

S1.3液压设备的无杆腔进油，液压设备的活塞杆伸出；

S1.4在阀门接近完全打开的状态时，可编程控制器4根据液压设备上的限位开关信号控制伺服电机2的转速按斜坡减小至第二预定值，形成第二速度斜坡；

S2在待机时：液压设备的活塞杆保持伸出状态，比例溢流阀6的输入量为0；可编程控制器4根据待机状态的信号和压力传感器5的反馈信号，控制伺服电机2保持一个低转速，维持系统的压力恒定不变。

S3在关闭阀门时：

S3.1可编程控制器4接收上位机给出的关闭阀门信号及液压设备类型识别码，电磁换向阀动作，液压设备的有杆腔与供油回路接通；

S3.2可编程控制器4根据液压设备类型识别码控制伺服电机2的转速按斜坡增加到第三预定值，形成第三速度斜坡；

S3.3液压设备的有杆腔进油，无杆腔经设置在回油回路上的比例溢流阀6回油，定量泵1出口的压力自适应负载的变化，液压设备的活塞杆缩回；

S3.4在阀门接近完全关闭的状态时，可编程控制器4根据液压设备上的限位开关信号控制伺服电机2的转速按斜坡减小至第四预定值，形成第四速度斜坡。

其中，第一速度斜坡为伺服电机2的转速从零按照预定的加速度a₁增加至第一预定值V₁，第二速度斜坡为伺服电机2的转速从第一预定值V₁按照预定的加速度a₂减少至第二预定值V₂，第三速度斜坡为伺服电机2的转速从第二预定值V₂按照预定的加速度a₃增加至第三预定值V3，第四速度斜坡为伺服电机2的转速从第三预定值V₃按照预定的加速度a₄减少至第四预定值V4。

本发明不仅可以应用在高炉热风炉、炉顶液压系统，而且，本发明的设计原理在冶金行业各工艺单元液压控制设备的油缸或马达大部分执行元件单独动作的系统都能够使用，上述应用都应落在本发明的保护范围之内。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种节能型高炉热风炉液压控制系统，其特征在于：包括控制模块和至少一个液压设备，以及连接在液压设备上的供油回路和回油回路；

所述液压设备上连接有电磁换向阀；

所述供油回路上顺次设置有液压油源装置和压力传感器，所述回油回路上设置有比例溢流阀；

所述液压油源装置包括定量泵和为其提供动力的伺服电机；

所述比例溢流阀、电磁换向阀、伺服电机均与控制模块电连接并受其控制。

2.根据权利要求1所述的一种节能型高炉热风炉液压控制系统，其特征在于：还包括事故蓄能器组件，所述事故蓄能器组件的压力油口连接到定量泵的出油口，且其回油口连接到系统的主回油回路或直接回油箱。

3.根据权利要求1所述的一种节能型高炉热风炉液压控制系统，其特征在于：所述控制模块包括伺服电机驱动器和可编程控制器，所述伺服电机驱动器与伺服电机电连接，所述比例溢流阀、电磁换向阀、伺服电机驱动器均与可编程控制器电连接。

4.根据权利要求1所述的一种节能型高炉热风炉液压控制系统，其特征在于：所述液压设备为蝶阀油缸、球阀油缸和闸阀油缸中的任一种，所述电磁换向阀为两位四通电磁换向阀。

5.根据权利要求1所述的一种节能型高炉热风炉液压控制系统，其特征在于：所述液压设备为带配重闸阀油缸或带负载闸阀油缸。

6.根据权利要求1所述的一种节能型高炉热风炉液压控制系统，其特征在于：所述液压设备至少为两个，且液压设备之间为并联，所述液压设备之间按照预定的顺序顺次动作。

7.根据权利要求1所述的一种节能型高炉热风炉液压控制系统，其特征在于：所述控制模块连接有用于测量环境温度的温度传感器，所述控制模块根据环境温度的变化改变伺服电机的转速和比例溢流阀的背压。

8.一种节能型高炉热风炉液压控制方法，其特征在于：提供可编程控制器、伺服电机、定量泵、压力传感器、比例溢流阀、电磁换向阀和液压设备，电磁换向阀与液压设备相连，压力传感器位于连接定量泵和电磁换向阀之间的管路上，伺服电机驱动定量泵为液压设备供油，可编程控制器根据上位机中录入的液压设备类型识别码及其动作要求，控制伺服电机的转速和设置在回油回路上的比例溢流阀的回油背压，包括以下步骤：

S1在打开阀门时：

S1.1可编程控制器接收上位机给出的打开阀门信号及液压设备类型识别码，电磁换向阀动作，液压设备的无杆腔与供油回路接通；

S1.2可编程控制器根据液压设备类型识别码控制伺服电机的转速按斜坡增加到第一预定值，形成第一速度斜坡；可编程控制器根据液压设备类型识别码控制比例溢流阀的回油背压；

S1.3液压设备的无杆腔进油，液压设备的活塞杆伸出；

S1.4在阀门接近完全打开的状态时，可编程控制器根据液压设备上的限位开关信号控制伺服电机的转速按斜坡减小至第二预定值，形成第二速度斜坡；

S2在待机时：液压设备的活塞杆保持伸出状态，比例溢流阀的输入量为0；可编程控制器根据待机状态的信号和压力传感器的反馈信号，控制伺服电机保持一个低转速，维持系统的压力恒定不变。

S3在关闭阀门时：

S3.1可编程控制器接收上位机给出的关闭阀门信号及液压设备类型识别码，电磁换向阀动作，液压设备的有杆腔与供油回路接通；

S3.2可编程控制器根据液压设备类型识别码控制伺服电机的转速按斜坡增加到第三预定值，形成第三速度斜坡；

S3.3液压设备的有杆腔进油，无杆腔经设置在回油回路上的比例溢流阀回油，定量泵出口的压力自适应负载的变化，液压设备的活塞杆缩回；

S3.4在阀门接近完全关闭的状态时，可编程控制器根据液压设备上的限位开关信号控制伺服电机的转速按斜坡减小至第四预定值，形成第四速度斜坡。