CN2674499Y - 一种水冷却壁在线监测控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于铁或钢的熔炼设备和热加工设备的水冷却系统的温度、流量的监测控制装置。由ST－W数字温度探测器(8)、ST－Lxx数字流量探测器和流量调节器(9)、ST－A温度信号采集器(5)、ST－B数字流量数据采集器(6)，构成数字温度和流量数据采集系统装置，配计算机(2)、LONWORKS总线网络的网络服务器(1)和网络转换器(4)、计算机软件和控制软件。通过温度和流量探测器(8)、(9)及温度和流量采集器构成数据采集装置，测量和采集现场温度和流量数据、通过网络转换和服务器(4)、(1)传输和转换数据信号，利用计算机和软件计算结果，再通过(4)、(1)发送控制信号，控制水冷却壁的工况。用于高炉、超高功率电弧炉和连铸等水冷却装置的监控。

Description

一种水冷却壁在线监测控制装置

技术领域：

本实用新型属于铁或钢的熔炼设备和热加工设备的水冷却系统的温度、流量的监测控制装置。

背景技术：

高炉是高温、高压、密闭的熔炼设备。高炉热负荷重心区域的下移，焦比的降低，生产率的提高，对高炉炉体的冷却设备，尤其是高炉下部冷却壁的质量、冷却壁的监测控制提出了更严格的要求，因此，实现水冷却壁的长寿命已成为能否实现高炉长寿命的关键。高炉长寿命的相关因素较多，其中监测和控制高炉水冷系统，及时调节冷却系统冷却强度，以控制冷却水温升、冷却壁的温度分布，尤其是及时监测高炉炉缸、风口，炉身各部的冷却系统的水温、热负荷，水流量的情况，是最重要的影响因素，可及时地为高炉各部提供调节数据，控制冷却壁的正常工作状况，以保证高炉各部水冷却壁的正常运行，提高高炉的使用寿命，保证安全生产。

现代超高功率电孤炉，多数采用管式水冷挂渣炉壁和偏心炉底出钢口的冷却器及其它冷却装置。由于电孤炉强化冷炼技术的采用，极大地提高电孤炉的生产率，缩短其废钢熔化时间和冶炼时间。超高功率电孤炉的短流程的生产线包括超高功率电孤炉、精炼炉和连铸，其中电孤炉水冷挂渣炉壁是不可缺少的技术措施。为了保证电炉水冷挂渣炉壁长寿命，安全运行，必须设计高质量的水冷挂渣炉壁和相应的在线检测控制系统是重要的措施。在连铸设备系统中，结晶器的水冷却和二冷区的冷却及其它的部件的冷却系统的监测控制是保证连铸设备的正常运行，提高钢坯的质量是极为重要的环节。

虽然，高炉、电孤炉和连铸或其它高温设备的冷却元件的结构是各具有不同的特点，而其水冷却系统中的水温检测系统、流量监测系统、高温固体、液体温度的检测系统，计算机数据处理，计算机网络构成的监测控制系统等都具有其共同特点。其现有的水冷却装置中，温度监测系统使用的温度传感器采用PT100电阻杆，温度采集器由8086单片机，CD4051多路开关和运算放大电路组成。一个采集器可采集16个温度数据。流量检测系统由超声波流量传感器和UC流量采集器组成，超声波流量采集器是由AT89C15单片机，DC600V脉冲发生器，信号处理器，逻辑控制电路，RS-485通信接口组成。该检测系统实现了高炉水冷炉壁系统的在线监测。但是，该系统尚未完全实现数字化测量，在温度测量电路和数字转换过程中带来一定的误差。为此必须采用高精度传感器，因而测量装置的成本增加。由于该系统选择的每个温度传感器的测量误差不等，而导致的传感器互换性差，因此，为了更换每个温度传感器，则对整个测量系统的误差，必须通过实验，测量和调整通道软件并进行修正。由于超声波流量传感器的结构复杂，超声波流量传感器的压电晶体探头包括发射和接收两个探头，两个探头间距较大，给现场安装带来一定的困难。现有温度监测控制系统中，计算机和网络系统数据采集速度较慢，单位时间采集的数据量较少。因此，影响系统的控制效果。

发明内容：

本实用新型的目的在于采用全数字的温度传感器，数字流量传感器，及相应的数字采集器，奔腾II以上的计算机和高速网络系统，构成全数字的在线水冷却监测控制装置系统，提高了监测装置系统的测量精度，以便允许选择成本低的、精度级别较低的互换性强的温度和流量传感器，构成高速、高效、高精度，实用、成本较低的在线水冷却系统的温度和流量监测控制系统装置。

本发明实用新型的技术方案包括数字温度监测和控制装置，数字流量监测控制装置，奔腾II以上的计算机网络系统，计算软件和控制软件系统。本实用新型数字温度监测控制装置和数字流量监测控制装置，参见图1，由ST-W数字温度探测器(8)置于水冷却壁和水冷却管路系统中，总线端子盒(7)，ST-A温度信号数据采集器(5)，构成数字温度数据采集系统装置。由ST-Lxx数字流量探测器或流量变送器(9)对应置于水冷却壁和水冷却管路系统中，ST-B数字流量数据采集器(6)，流量调节器，构成数字流量数据采集系统装置。将以上两个数据采集系统装置，分别通过LONWORKS现场总线网络，包括网络数据转换器(4)，企业网络服务器(1)，打印机(3)，奔腾II以上的管理计算机(2)，配以测温计算软件，热流计算软件，温度和流量控制软件，ADO和ODBC数据库访问技术，Microsoft Acess本地数据库和SQL SREVER  程数据库连结，构成水冷却壁在线数字监测控制装置系统。计算机采用WIN 98/WINME/WIN 2000操作系统，通过计算机串行接口，按照安全可靠传输协议，与现场数据采集装置系统，经通讯网络系统获取实例数据和计算参数发送控制命令传输数据，以控制水冷却系统的温度，热流参数相应地调节冷却水流量，实现水冷却壁监测控制和节能安全地运行。

本实用新型温度检监测装置包括ST-W型数字温度控制器，总线端子盒，I-WIRE总线中继器，ST-A温度数据采集器，LONWORKS总线网络，网络数据转换器，企业系统管理计算机，网络服务器。由20个以上的ST-W数字温度探测器接入一个总线端子盒，连接I-WIRE总线中继器，再接入温度数据采集器构成数字温度数据采集单元。由两个以上的数字温度数据采集单元，可连接着300个以上的数字温度探测器。每个单元的温度数据采集器分别连接着LONWORKS总线网络，经网络数据转换器，连接工业系统管理计算机，网络服务器和打印机。

本实用新型水流量检测装置，包括ST-Lxx数字流量探测器，I-WIRE总线中继器，ST-B流量数据采集器，LONWORKS总线网络，网络数字转换器，企业系统管理计算机，网络服务器。由16个以上的ST-Lxx数字流量探测器，接入流量数据采集器构成一个数字流量数据采集单元。由两个以上的流量数据采集单元可连接着300个以上的数字流量探测器，多个流量数据采集单元通过I-WIRE总线中继器分别连接LONWORKS总线网络，经网络数据转换器，连接企业管理计算机，网络服务器和打印机。

本实用新型在线监测控制装置包括ST-W数字温度探测器，ST-Lxx数字流量探测器，ST-B流量数据采集器，数字流量调节器，总线端子盒，I-WIRE总线中继器，LONWORKS总线网络，网络数据转换器，企业管理计算机，网络服务器，打印机。将数字温度探测器和数字流量探测器，流量调节器，安装在各分支水冷却炉壁的进、出水管和水冷却炉壁的相应的位置上。各分支进、出水管安装流量调节器，数字温度探测器和相应的数字流量探测器，分别与温度数据采集器和流量数据采集器，通过总线端子盒，总线中继器，总线网络，网络数据转换器，网络服务器，企业管理计算机相连。

本实用新型温度探测器包括温度传感器元件，专用固化ID通讯信号元器件，探测器保护套，填充料。将温度传感器元件对中置入探测器保护套内，在其保护套的间隙内充填填充料，再将温度传感器与通讯信号元器件相连构成。其中探测器保护套的材料为1Cr13～4Cr13不锈钢，Cr-Ni不锈钢，耐热钢、铜及其合金等材料。

本实用新型1-WIRE总线中继器，使每台温度数据采集器或流量数据采集器，相应分别连接着20个以上的温度数据采集器或流量数据采集器，其间连接的电缆长度可达200米以上。

本实用新型温度采集器包括电源转换模块，LONWORKS模块和控制模块，主扳，电源保护器，电源输入端子，传感器接线端子，网络接线端子。

本实用新型温度数据采集器系统装置，包括电源转换模块(11)、电源保护模块(10)、LONWORKS网络控制模块(13)、LONWORKS总线网络(12)、总线驱动器(14)、地址开关控制器(15)、报警电路(16)、存储器(17)、保护电路(18)连接到温度探测器。总线网络与网络控制模块相连，再将网络控制模块分别与地址开关控制器、报警电路、存储器、总线驱动器等并联连接，再通过保护电路串联连接到温度传感器构成。

本实用新型温度探测器的安装示意图3，温度探测器包括温度传感器(21)、温度探测器的保护套(22)，安装在各分支水冷管道(19)或各分支水冷壁上，并将其安装在水冷管道设置的安装孔(20)上，采用密封紧固的连接结构，将温度探测器固定在水冷却管或水冷却壁上。

本实用新型的流量探测器或流量变送器的安装示意图4，在冷却壁的各相应的安装位置，按照流量变送器或流量探测器指示的安装方向和方法，将流量变送器(23)的两端接口与冷却水管的两端接口相应固定密封连接。

本实用新型ST-A温度数据采集器，是温度传感器和企业系统管理计算机的纽带，采用了LONWORKS技术，内含3个高速的8位CPU，保证了系统高速信息交换和数据采集，并采用了E²PROM技术，保证数据和参数不丢失，易于系统升级。LONWORKS现场总线通讯技术采用多种媒介通讯，支持多种网络拓扑结构。温度和流量数据采集器的机壳防爆，适应现场的高温，灰尘等恶劣环境；且有过压、过流、雷击保护电路。每个温度数据采集器可连接20个以上的数字温度传感器，总计设置320个温度或流量传感器，系统装置每30秒可检测每一个温度或流量采集器的数据。

本实用新型ST-B流量数字采集器是连接流量传感器和企业系统管理计算机的纽带，同样用LONWORKS技术，内含3个CPU，采用E²PROM技术，网络数据传输采用了现场通讯技术，支持网络拓扑结构。每台流量数据采集器通过16个通道与流量传感器连接，传输数据。

本实用新型监测控制系统的计算软件和控制软件，采用ADOS ActiveXData Object和ODBC数据库访问技术，管理远程和本地的数据库。本地数据库用Microsoft的Access数据库，远程数据库用SQL SERVER数据库，温度和流量测量软件，温度计算软件，热流计算软件，流量计算软件及相应控制软件。该软件系统实现数据实时采集、显示、存储数据，实时报警、查询，显示流量、温度、温差实时曲线，历史曲线，热流分析。软件可以为其它系统(MES，ERP等)提供相应的数据。

本实用新型监测控制系统，可以监测水温和流量实时数据，通过LONWORKS网络传送到计算机，组态软件接收到数据后，计算出冷却水温差和热流，并且生成各种报表，曲线图等，在值班室CTR画面上显示检测，计算实时数据和历史数据及实时报警结果。也可根据现场工艺设置温度，温差，流量的控制或报警上，下限，产生报警或控制信号。当采集的参数高于或低于控制目标值时，包括工艺确定的温度，温差，热流，流量等参数，则系统控制软件根据监测参数，和各分支水冷却管及水冷却壁的数据，确定调整水流量的参数值，随即发出控制指令和调整参数。通过流量调节来以实现达到的控制目标。系统装置也具备在线修改装置参数的功能，同时，可变换温度，流量的上、下限控制或报警参数。该系统便于增加，更换或减少设置的温度探测器和流量探测器，也可以变更其数量。在软件方面，通过更改参数数据库，使得温度探测器和流量探测器与被测点一一对应。

本实用新型监测控制装置中的温度传感器元件，可选择DS18B20，DS18222型的数字温度传感器。

本实用新型温度、流量监测控制系统装置与现有技术比较，本实用新型采用全数字技术，在温度和流量数据采集器电路中以LONWORKS模块取代非数字系统的A/D转换器，以数字温度和流量传感器取代非数字温度和流量传感器，从而降低了数据采集器电路中及其A/D转换器所引起的测量误差和非数字温度和流量传感器带来的误差，而且克服了温度和流量测量传感器的互换性差的缺点，从而提高了温度传感器和流量传感器的精度和互换性。由于选用的温度和流量的数据采集器电路和数字转换器的精度高，从而允许选用精度级别较低的数字温度和流量传感器，既满足测量系统的精度要求，又降低了制造探测器装置的成本。

在流量传感器选型，应该选择结构简单，精度较高的ST-Lxx数字流量探测器，和ST-B流量数据采集器，与现有技术比较即克服了非数字流量计误差大、参数不稳定和系统误差较大的缺点，又克服了现有技术选择超声波流量传感器的结构复杂，安装不便，价格昂贵的缺点。

本实用新型数字化的温度和流量的传感器，温度和流量的数据采集器，数字流量调节器，选择奔腾II以上的计算机先进的LONWORKS总线网络和模块，网络数据转换器和网络服务器装置系统。该系统具有采集数据快速，准确，采集信号和控制信号传输速度迅速，准确，灵敏度高，运行安全、可靠的特点。由于选用数字化技术和合理的设计，从而降低了采集数据和测量系统误差，可以放宽选择温度和流量传感器的精度，提高了温度和流量传感器的互换性，以使该系统成本降低20-30％。

本实用新型完全克服了现有技术的非互换性，可以应用同型号温度或流量传感器进行互换，从而避免了现有技术中，每更换一支传感器，必须通过实验和修正传感器测量通道软件所造成的困难。

本实用新型的数字温度传感器，温度数据采集器和整个监测控制系统精度高，传输速度快，因此，每个温度数据采集器可以与大于20个温度传感器连接，而且增加了现场的温度传感器和流量传感器的数量，还可以在水冷却壁上增设温度传感器的测量。由于增加测量数量和增加对于工作条件恶劣的水冷炉壁的温度检测，不仅进一步增加测量的精度，而且，重点监测水冷却炉壁的易坏部位，相应进行温度、热流和调节水流量和水压，以便缓解或者避免水冷炉壁的过早或非正常损坏。

本实用新型采用了LONWORKS现场总线技术，具有同一性，开放性和互操作性，便于维护，装置系统安全，可靠，稳定，精度高。设备布线简单，安装方便，可不停产施工。组态软件支持，人机界面友好，操作简单。设备投资少，为现有技术装置投资的30％-40％。由于具有上述特点，故不仅适用于高炉水冷技术系统，连铸水冷却系统，也适用热负荷很高的超高功率电孤炉的管式水冷挂渣炉壁的冷却系统的监测和控制，可以在工业炉、锅炉、电厂、化工厂、冶金等领域获得广泛的应用。

附图说明：

本实用新型附图1为数字水冷却系统在线监测控制系统方框简图。

图1所示的(1)企业网络服务器，(2)企业系统管理计算机，(3)打印机，(4)网络数据转换器，(5)温度数据采集器，(6)流量数据采集器，(7)温度传感器接线端子盒，(8)数字温度探测器，(9)数字流量探测器。数字温度和流量探测器(8)、(9)，分别与温度和流量采集器(5)、(6)构成用于数据测量和采集单元；用于测量和采集现场的温度和流量数据，通过网络服务器和转换器(1)、(4)传输和转换数字信号单元；利用计算软件和计算机(2)的计算结果，再通过网络服务和转换器(1)、(4)发送数字控制信号，调节流量调节阀，用以控制水冷却壁的工况。

附图2为温度数据采集器结构方框简图。

图2温度数据采集器系统，包括电源转换模块(11)，电源保护模块(10)LONWORKS网络控制模块(13)，LONWORKS总线网络(12)，总线驱动器(14)，地址开关控制器(15)，报警电路(16)，存储器(17)，保护电路(18)连接到温度探测器，构成数据采集系统装置。

图3表示数字温度探测器的安装示意图，水冷却管(19)，安装位置孔(20)，数字温度传感器(21)，温度探测器保护套(22)，构成温度测量装置。

图4表示流量变送器或探测器安装示意图，流量变送器(23)，水冷却管的两端接管(24)，构成流量测量装置。

具体实施方式：

本实用新型实施例在容量为350m³，750m³，1250m³高炉水冷炉壁的冷却系统，设置了温度，流量实时监测控制系统装置，在高炉的炉身、炉腰、炉腹、风口、炉缸的水冷却炉壁，水冷却器，或各水冷却壁分支的进、出冷却水管上，相应地设置了ST-W数字温度探测器，ST-Lxx脉冲数字流量探测器，数字流量调节器，ST-A温度数据采集器，ST-B流量数据采集器，总线端子盒，I-WIRE总线中继器，LONWORKS总线网络，网络数据转换器，奔腾II企业管理计算机，网络服务器，打印机。将数字温度探测器和脉冲数字流量探测器，数字流量调节器分别在各个分支水冷却进、出水管或水冷却壁相应位置安装，其中脉冲数字流量探测器，数字流量调节器仅在各分支冷却水进水管安装，每20个以上的数字温度探测器通过总线端子盒与一个温度数据采集器连接，每16个以上的数字流量探测器与1个流量数据采集器连接，该系统安装数字温度探测器为100-320个，脉冲数字流量探测器为100-256个，温度数据采集器5-16个，流量数据采集器5-16个，由相应数量的总线端子盒分别与温度数据采集器间的连接的电缆长度达200m，与流量数据采集器间的连接电缆长达300m。配套软件选用ADO和ODBC数据库访问技术，选用Microsoft的Access数据库，SQLSERVER远程数据库，使数据储存安全，查询迅速快捷，界面直观，操作简便，数据处理均在后台运行。软件具有实时采集、显示、存储、报警、流量、温度曲线，和热流分析历史数据和曲线查询及显示。通过该系统检测的温度，流量数据及软件计算获得温度分布和水冷却壁的热流分布，可以预测高炉水冷却壁的工作状况和炉壁耐火材料腐蚀程度，利用采集的数据计算的水冷却壁的温度分布和热流分布，依其温度和热流结果，给出控制信号，通过流量调节阀调节水流量，以合理地控制水冷却壁的温度分布和热流分布。依此相应地调整炼铁工艺参数，达到强化冶炼，提高高炉利用系统，降低焦比，节电，节水，提高高炉水冷却壁的使用寿命，从而达到长寿命安全地运行。

本实用新型通过选用高精度的数据采集器、数据转换器和选用总线网络、网络数据的转换器和服务器，则允许选用精度较低的数字探测器，可保证数据采集、传输、计算、和控制的性能及精度。因此，克服了现有技术中必须选用高精度的传感器和其精度差导致的互换性差的缺点，本实用新型既满足了检测和控制的精度需要，又简化了装置、增加了每个采集器携带的探测器的数量，提高其互换性，保证了精度、降低了成本。从而成为实现实用新型的优化方式。

本用新型可以用于超高功率电孤炉管式水冷却壁的温度，流量的监测和控制装置系统，连铸系统包括水冷却结晶器软水密闭循环系统和二冷区的开放的循环冷却系统的监测和控制，还适用于其他高温设备，轧钢，加热炉，焦化等过程的水冷系统的监测和控制，也适用于石油化工，玻璃，水泥生产过程的循环水冷却水系统的监测控制。

Claims (4)

1、一种水冷却壁在线监测控制装置，包括温度传感器，水流量计，数据采集器，计算机管理系统，其特征在于用ST-W数字温度探测器，ST-Lxx数字流量探测器，ST-A温度数据采集器，ST-B数字流量数据采集器，总线端子盒，I-WIRE总线中继器；总线网络，包括网络数据转换器，企业系统管理计算机，网络服务器；将数字温度探测器或数字流量探测器和数字流量调节器，安装在各分支水冷却炉壁的进，出水管或水冷却炉壁相应位置上；各分支进，出水管安装的数字温度探测器或相应的数字流量探测器、数字流量调节器，分别与温度数据采集器或流量数据采集器连接，构成数据采集装置；通过总线端子盒，总线中继器，网络数据转换器，网络服务器和计算机的连接，构成传输数据、计算、转换数字信号和发送控制信号的装置；在数据采集装置和转换、发送控制信号装置之间、通过总线端子盒、总线中继器、网络数据转换器相互连接，构成在线监测控制装置。

2、根据权利要求1所述的监测控制装置，其特征在于温度探测器包括温度传感器元件，专用固化ID通讯信号器元件，探测器保护套，填充料；将温度传感器置入保护套内，以填充料充满和充实保护套与温度传感器间隙，再连接温度传感器和专用固化ID通讯信号器元件。

3、根据权利要求1所述的监测控制装置，其特征在于L-WIRE总线中继器，使每台温度数据采集器或流量数据采集器，相应连接着16个以上的数字温度探测器或数字流量探测器，其间连接着的电缆长度可达200米以上。

4、根据权利要求1所述的监测控制装置，其特征在于温度数据采集器，包括电源转换模块，总线网络模块和控制模块，电源保护模块，存储器，电源输入端子，传感器输入端子，网络接线端子；总线网络与网络控制模块相连，再将网络控制模块分别与地址开关控制器、报警电路、存储器、总线驱动器并联连接、再通过保护电路串联连接到温度传感器。

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