全自動高爐除塵風機變頻節能控制系統的製作方法

2023-09-18 07:47:50 4

專利名稱：全自動高爐除塵風機變頻節能控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及自動控制及節能技術領域，具體地說就是一種全自動高爐除塵風機變 頻節能控制系統，從而實現工業節能以及延長除塵風機的使用壽命。
背景技術：
目前中小煉鐵廠出鐵口及罐口的除塵大部分採用人工手動操作的方式，因而不能 實現整個系統的同步控制。這種手動操作方式一方面在煉鐵廠這樣的工作環境惡劣、工作 強度極大的狀況下，出於安全考慮，操作工人對除塵系統不進行幹預，造成出鐵口主風門及 罐口風門每天M小時都處於全開狀態，除塵風機每天M小時滿負荷工作；另一方面，即使 對除塵系統進行幹預，也只能控制各門電磁閥的開關狀態，而除塵風機的電機亦處於每天 M小時滿負荷的運行狀態。操作工人打開或關閉某風門的電磁閥時，只是引起了其它風門 處負壓的變化，而在每個風門的負壓已經滿足除塵要求時，額外增加負壓造成了不必要的 浪費。同時，由於煉鐵廠所採用的除塵風機的電機都為高電壓大功率電機，每天M小時滿 負荷運行所造成的電能損耗非常巨大。在提倡低碳經濟的時代，迫切需要採用現代控制技 術對當前煉鐵廠的這種落後的操作方式進行改造。現代先進的控制方式包括智能控制、非線性控制、自適應控制、模糊控制、魯棒控 制等等。煉鐵廠的電磁環境複雜，同時監控對象又具有時變性、非線性、隨機性的特性，但都 難以建立精確的數學模型。變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另 一頻率的電能控制裝置。工業中使用的電機大部分均為感應式交流電機(簡稱為電機)，電 機的轉速η可表示為電機的極數ρ和電源的頻率f的函數n = 60f/p。電機的工作原理和 結構決定了電機的極數為2的整數倍，當電機結構確定後，其極數隨之確定。因此不能通過 改變級數值來調整電機的速度，相反而應該通過調整電機驅動電源的頻率來隨意調整電機 的轉速。以控制頻率為目的的變頻器，是作為電機調速設備的優選設備。

發明內容
本發明的目的在於提出了一種全自動高爐除塵風機變頻節能控制系統，實現對高 爐除塵風機的節能控制。本發明採取的技術方案如下該系統包括工控機；連接於工控機和除塵風機之間的變頻控制系統，控機通過 變頻控制系統調節除塵風機的轉速；布置在出鐵區的溫度傳感器，溫度傳感器採集出鐵區 的溫度信號並將其傳送給工控機；布置在出鐵區的攝像頭，攝像頭採集出鐵區的圖像信號 並將其傳送給工控機；布置在各罐口風門的溫度傳感器，溫度傳感器採集各罐口風門處的 溫度信號並將其傳送給工控機；工控機還與主風門和各罐口風門的電磁閥相連接，控制其 開啟和關閉，同時電磁閥也將主風門和各罐口風門的位置信號傳送給工控機；與工控機相 連接的控制箱，控制箱能夠通過工控機控制主風門和各罐口風門的電磁閥的開啟和關閉。相對於現有技術而言，基於多傳感採集和模糊控制理論的變頻控制技術和全自動排風控制系統能夠實現對高爐除塵風機的節能控制功能。


圖1為節能控制系統整體結構示意圖；圖2為節能控制系統另一種實施例示意圖；圖3為操作臺控制箱示意圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實 施方式對本發明作進一步詳細的說明。本發明由用於實時現場監測的多路傳感器、視頻和控制點，用於對實時信號進行 採集處理的中心處理器和各個執行單元(包括變頻器、電磁閥等)構成，其具體結構如圖1 所示，包括工控機；連接於工控機和除塵風機之間的變頻控制系統，控機通過變頻控制系 統調節除塵風機的轉速；布置在出鐵區的溫度傳感器，溫度傳感器採集出鐵區的溫度信號 並將其傳送給工控機；布置在出鐵區的攝像頭，攝像頭採集出鐵區的圖像信號並將其傳送 給工控機；布置在各罐口風門的溫度傳感器，溫度傳感器採集各罐口風門處的溫度信號並 將其傳送給工控機；工控機還與主風門和各罐口風門的電磁閥相連接，控制其開啟和關閉， 同時電磁閥也將主風門和各罐口風門的位置信號傳送給工控機；與工控機相連接的控制 箱，控制箱能夠通過工控機控制主風門和各罐口風門的電磁閥的開啟和關閉。本發明是對多路紅外傳感信號、視頻信號、多點控制信號以及實時反饋信號進行 採集，由中心控制器處理並向執行單元發送執行命令的一種智能節能控制系統。中心處理 器所用的控制軟體是基於NI數據採集卡且以LABVIEW為開發平臺的多傳感、多點視頻、多 點控制的信號採集程序、融合模糊控制技術的自適應閾值算法程序、並行容錯程序以及串 口通信程序來實現變頻控制的節能系統。節能控制系統整體結構示意圖如圖1所示。該系 統控制採用一控一的方式，即由一個傳感器(或按鈕開關)控制一個風門電磁閥的工作狀 態，在布局上傳感器(或按鈕開關)與風門電磁閥一一對應。同時除塵電機的轉速與電磁 閥的工作狀態在系統總體控制下同步改變。當南出鐵口出鐵時，現場操作人員按下位於南 出鐵口區的控制箱按鈕，主控系統採集到這個信息後，一方面向變頻控制系統發出提高除 塵風機運轉頻率的信息，使除塵風機工作到高轉速大排風量狀態；另一方面向南出鐵區的 主風門和罐口風門的電磁閥發送一組開啟信號，使南出鐵區的主風門及罐口風門的排風量 達到最大。在此過程中，從內部邏輯上確保位於北出鐵區的主風門及罐口風門的電磁閥處 於關閉狀態。當南出鐵口出鐵完畢後，南出鐵口的紅外溫度傳感器監測到出鐵口由高溫到 低溫的狀態變化。主控計算機實時監測紅外溫度傳感器發來的溫度信號，當判斷其低於閾 值電壓，並結合南出鐵口的攝像頭給出出鐵完畢的信號之後即可操作出鐵完畢程序。此時， 一方面主控計算機向變頻控制系統發出降低除塵風機運轉頻率的信息，使除塵風機工作到 低轉速小排風量狀態；另一方面向南出鐵區的主風門和罐口風門的電磁閥發送一組關閉信 號，使南出鐵區的主風門及罐口風門的排風量達到最小。由此實現最佳的節能效果。北(南)紅外溫度傳感器分別監控北(南)出鐵口的狀態，並將出鐵口的溫度以 電壓的形式發送到主控計算機。主控計算機實時採集這一信號，並判斷其是否超過設定的4閾值。考慮到通過紅外測得的鐵水溫度值受環境因素的影響比較大，因此在溫度上升和下 降時設定不同的閾值溫度，以形成一定的溫度保護範圍。主控計算機以紅外溫度傳感器的 數值為基礎，結合分別在北(南)出鐵區設定的攝像頭的輸出信號，利用模糊算法綜合分析 後給出需要發送到變頻控制系統和主風門及罐口風門電磁閥的控制信號，由此控制除塵風 機的運轉狀態和主風門及罐口風門電磁閥的開啟狀態，並將除塵風機運轉狀態和主風門及 罐口風門電磁閥開啟狀態信息實時採集到主控計算機進行分析、存儲和顯示。同時為了現 場運行的安全，在系統關鍵部件的設計中均採用1+1備份的方式，確保在主部件工作出現 故障的情況下零中斷切換到備份部件，確保控制系統整體的正常運行。本發明使用PID算法綜合處理視頻信號、傳感器信號與電磁閥的到位、過轉矩信 號以及工人的操作信號來控制電磁閥的開關和除塵風機的運轉狀況，從而達到了從電機到 電磁閥的同步工作，大大地節約了電能的損耗和工人的勞動強度。整個控制系統中採用的 自適應模糊控制系統不僅能很穩定地完成煉鐵廠環境惡劣條件下的工作，降低工人的勞動 強度，大量降低煉鐵廠的能耗，同時還能提高整個系統的使用壽命，大大提高煉鐵廠的經濟 效益。首先，本系統中大量採用的紅外傳感器均為軍品級的產品，能夠穩定地工作在煉鐵廠 這樣多煙塵、高溫度條件下。其次，煉鐵廠內供電線路中的電壓從220v到IOkv甚至更高， 所以採用了繼電器將外部電壓轉換為系統的安全電壓，確保了整個系統的安全性。再次，在 本發明的信號線路中採用了屏蔽電纜，隔除了外部電磁幹擾，保證了系統不會在外部幹擾 信號下產生誤動作。煉鐵廠的整個過程實現閉環控制，能夠改變人工操作的隨意性，不科學、不經濟 性，進而達到智能化除塵控制的目的。為了確保設備在變頻器出現故障的情況下仍能正常 運行，本系統設計了旁路電路。一旦變頻器出現故障，則自動切換到工頻運行，保證系統的 正常運行。本發明採用的是自適應模糊控制方式，不需要精確的數學模型，其魯棒性強，控制 效果好，容易克服非線性因素的影響，控制方法易於掌握，非常適用於煉鐵等複雜的現場環 境。所謂的模糊控制是指藉助模糊數學模擬人的思維方法，將工廠操作人員的經驗加以總 結，運用語言變量和模糊邏輯理論進行推理和決策，對複雜對象進行控制。模糊控制既不是 指被控過程是模糊的，也不意味控制器是不確定的，它是表示知識和概念上的模糊性，但它 完成的工作是完全確定的。本發明採用PID算法實現模糊控制可望達到極佳的控制效果。本發明設計的控制 系統中，模糊控制器把所採集到的紅外傳感信息、視頻信息、按鈕開關狀態信息三者有機地 聯繫起來，實現綜合信息處理，使系統既具有靈活的推理機制、啟發性知識與產生式規則表 示，又具有多層次、多種類型的控制規律選擇。基於PID算法具有友好人-機界面的模糊控 制方式不依賴於精確的數學模型，其魯棒性強，控制效果好，可很好地適應煉鐵廠這樣複雜 的環境。實施例一針對某鋼鐵集團有限公司煉鐵廠8號高爐的運行狀況，設計的基於模糊控制的全 自動高爐除塵風機變頻節能控制系統，如圖1所示，主要由10個紅外傳感器，2個視頻監控 器，2個操作平臺控制箱(如圖3)，1臺中心控制器(工控機)，1臺變頻器，1臺三星櫃，1臺 具有IOOOkw功率的風機，10個電磁閥等構成。
在南北控制臺的主風門和罐口風門分別安裝5臺紅外傳感器、1個視頻監控器和1 個操作平臺控制箱。中心控制器(工控機)的軟體控制系統是基於美國NI公司的LABVIEW 編程軟體開發而成的。本系統通過NI數據採集卡的多傳感、多點視頻、多點控制的信號採 集、融合模糊控制技術的自適應閾值算法、並行容錯算法來實現實時、高效的變頻控制。在 南或北出鐵口出鐵時，傳感器和視頻在採集到出鐵信號時，信號通過中心控制器(工控機) 處理後，中心控制器分別給出鐵口電磁閥輸出開啟信號和變頻器輸送與之對應的工作頻率 信號。在這兩個信號傳輸的過程中，安裝在電磁閥中的傳感器實時採集電磁閥的工作狀況， 如果在電磁閥打開的過程中出現過轉矩的情況，那麼中心控制器將立即給出停止開啟電磁 閥的命令，並通過顯示器顯示和報警通知現場操作人員，以便於及時處理。當電磁閥在完全 打開的情況下，安裝在電磁閥的傳感器採集到開到位信號，此時中心控制器會立即給出停 止打開命令。系統開始正常工作。當鐵水流到罐口時，安裝在罐口的紅外傳感器在採集到 信號後，將信號傳送到中心控制器。此時，中心控制器將按照出鐵口的控制步驟對變頻器的 工作頻率和相應罐口的電磁閥做相同的控制，不過此時罐口的除塵口徑與出鐵口的除塵口 徑相差較大，所以本發明通過計算口徑比例，來使中心控制器對變頻器輸出的頻率恰好與 增加的除塵口徑所需要的電機功率相匹配，從而達到最佳的節能效果，同時又不影響除塵 效果。在每個罐口停止灌鐵水時，傳感器在採集到停止灌鐵的信號時，中心控制器將向相應 的電磁閥發送關閉命令同時對變頻器發出相應的頻率命令。在出鐵完畢後，紅外傳感器和視屏監視器採集到出鐵完畢信號時，中心控制器將 發出關閉電磁閥的命令和變頻器輸出頻率降低的信號。在關閉電磁閥的過程中，安裝在電 磁閥中的傳感器實時採集電磁閥的工作狀態，如果出現過轉矩的情況，中心處理器將立即 在顯示屏上顯示過轉矩信息同時通過報警器告知現場工人進行及時處理。當電磁閥正常關 閉完畢後，在安裝在電磁閥中的傳感器採集到關到位信號以後，中心控制器將立即給出停 止關閉命令。同時中心控制器將給變頻器發出相應頻率命令，使電機運行在低轉速狀態下。基於多傳感器集總控制軟體，考慮到煉鐵廠惡劣的工作環境，如果在出鐵前(即 紅外傳感器和視頻監視器未採集到出鐵信號)，操作臺有大量的煙塵，工人可以通過控制箱 (如圖3)的按鈕來控制電磁閥的開關以及變頻器的工作狀態。操作臺上每個控制箱安裝了 5個控制按鈕，分別對應北(或南)的5個電磁閥。當工人在按下出鐵口(根據實際情況， 在非出鐵時間只有出鐵口會出現大量煙塵的情況)按鈕(1#)時，視頻監視器將立即開始採 集出鐵口的煙塵信號，如果通過視頻監視器採集到的信號確認達到了多煙塵條件，此時中 心控制器就會立即給出打開出鐵口電磁閥的命令，同時給變頻器發出相應的輸出頻率的命 令；如果視頻監視器未採集到煙塵信號，那麼系統將不對工人的這次操作做出響應，即判斷 工人的這次操作為誤操作。在系統對工人在未出鐵前做出的除塵操作做出響應後，系統將 每隔5分鐘通過視頻監視器對煙塵信息作一次採樣，如果系統此時判斷為有煙塵，則系統 繼續進行除塵工作，相反則做出停止除塵工作的判斷(即關閉電磁閥和調整變頻器的輸出 頻率)。當工人按下某一罐口對應的按鈕時，此時中心控制器立即通過罐口對應的傳感器採 集罐口的出鐵信號，如果此時傳感器採集到了罐口灌注鐵水信號，則中心控制器立即發出 打開電磁閥門和調整變頻器輸出頻率的命令；如果此時傳感器沒有採集到罐口灌注鐵水信 號，則此時系統不對工人此次的操作做出任何響應，即判斷工人的這次操作為誤操作。實施例二
針對某鋼鐵集團有限公司煉鐵廠8號高爐的運行狀況，該系統由2個紅外傳感器， 2個視頻監控器，2個操作平臺控制箱，1臺中心控制器(工控機)，1臺變頻器，1臺三星櫃， 1臺具有IOOOkW功率的風機，10個電磁閥等構成，操作平臺控制箱(如圖3)上裝有與出鐵 口電磁閥和罐口電磁閥一一對應的控制按鈕。當出鐵口出鐵時，出鐵口處的紅外傳感器和視頻監控器採集到出鐵信號，信號通 過中心控制器(工控機)處理後，中心控制器分別給出鐵口電磁閥輸出開啟信號和變頻器 輸送與之對應的工作頻率信號。當電磁閥在完全打開的情況下，安裝在電磁閥的傳感器採 集到開到位信號，此時中心控制器會立即給出停止打開命令。當鐵水流到第一個罐口時， 現場工作人員按下第一個罐口按鈕0#)。此時中心處理器在採集到工人的此次操作命令 後，向第一個罐口電磁閥發出打開命令同時向變頻器輸出增加電機相應轉速的命令信號。 當第一個罐口灌滿鐵水後，工人再次按下第一個罐口按鈕(2#)，接著按下第二個罐口按鈕 (3#)。此時中心處理器向第一個罐口電磁閥發出關閉命令，向第二個罐口發出打開命令，以 此類推，直到第四個罐口灌滿鐵水。此時出鐵口出鐵完畢，當中心處理器在收到紅外傳感器 和視頻監控器的出鐵完畢信號時，向第四個罐口電磁閥發出關閉信號同時向變頻器發出降 低電機轉速的命令信號，使電機處在低轉速狀態。當在未出鐵時，現場工作人員可以在煙塵 過大(在未出鐵狀態下，只有出鐵口會出現煙塵過大的情況)時按下出鐵口按鈕(1#)，中心 處理器在接收到出鐵口按鈕信號時，開始通過視頻監控器的信號判斷是否出現煙塵過大的 情況，如果判斷為煙塵情況，則此時中心處理器立即向出鐵口電磁閥發出打開命令，同時向 變頻器輸出調節電機響應轉速的命令信號；如果判斷為無煙塵狀態，則不對此次操作做出 響應。在未出鐵的除塵過程中，中心處理器每隔5分鐘通過視頻監控器所採集到的信號做 一次現場煙塵情況的判斷，如果判定為煙塵狀態，則繼續工作，如果判定為誤煙塵狀態，則 立即停止工作。在整個系統運行過程中，安裝在電磁閥中的傳感器實時採集電磁閥的工作 狀況，如果在電磁閥打開的過程中出現過轉矩的情況，那麼中心控制器將立即給出停止開 啟電磁閥的命令，並通過顯示器顯示和報警通知現場操作人員，以便於及時處理。以上對本發明所提供的一種全自動高爐除塵風機變頻節能控制系統進行詳細介 紹，本文中應用了具體實施例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明 只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本 發明的思想，在具體實施方式
及應用範圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應 理解為對本發明的限制。
權利要求
1.一種全自動高爐除塵風機變頻節能控制系統，其特徵在於，包括 工控機；連接於工控機和除塵風機之間的變頻控制系統，工控機通過變頻控制系統調節除塵風 機的轉速；布置在出鐵區的溫度傳感器，溫度傳感器採集出鐵區的溫度信號並將其傳送給工控機；布置在出鐵區的攝像頭，攝像頭採集出鐵區的圖像信號並將其傳送給工控機； 工控機還與主風門和各罐口風門的電磁閥相連接，控制其開啟和關閉。
2.根據權利要求1所述的一種全自動高爐除塵風機變頻節能控制系統，其特徵在於 還包括布置在各罐口風門的溫度傳感器，溫度傳感器採集各罐口風門處的溫度信號並將其 傳送給工控機。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的一種全自動高爐除塵風機變頻節能控制系統， 其特徵在於還包括與工控機相連接的控制箱，控制箱能夠通過工控機控制主風門和各罐 口風門的電磁閥的開啟和關閉。
4.根據權利要求1或權利要求2所述的一種基於模糊控制的全自動高爐除塵風機變頻 節能控制系統，其特徵在於工控機還與主風門和各罐口風門的電磁閥相連接，電磁閥將主 風門和各罐口風門的位置信號傳送給工控機。
全文摘要
本發明公開了一種全自動高爐除塵風機變頻節能控制系統，屬於自動控制及節能領域。本系統包括工控機；連接於工控機和除塵風機之間的變頻控制系統，工控機通過變頻控制系統調節除塵風機的轉速；布置在出鐵區的溫度傳感器，溫度傳感器採集出鐵區的溫度信號並將其傳送給工控機；布置在出鐵區的攝像頭，攝像頭採集出鐵區的圖像信號並將其傳送給工控機；布置在各罐口風門的溫度傳感器，溫度傳感器採集各罐口風門處的溫度信號並將其傳送給工控機；工控機還與主風門和各罐口風門的電磁閥相連接，控制其開啟和關閉。該系統實現了對高爐除塵風機的節能控制。
文檔編號C21B7/22GK102051424SQ20101059722
公開日2011年5月11日 申請日期2010年12月20日 優先權日2010年12月20日
發明者馮亭, 劉鵬, 孟濤, 延鳳平, 彭萬敬, 李琦, 謝燕平, 陶沛琳 申請人:北京交通大學