圓盤造球智能化生產控制系統及其控制方法與流程
2023-11-06 07:17:22
本發明涉及監控系統技術領域，特別涉及一種圓盤造球智能化生產控制系統及其控制方法。
背景技術：
隨著資源不斷的枯竭和國際鐵礦石價格的不斷攀升，高爐使用的原燃料質量不斷出現劣化。對於大型高爐，高爐的操作、鐵水質量均與原料有著非常密切的關係，其中原材料對高爐操作的順利運行、穩定起著非常重要的作用。造球機是為高爐提供球團礦物料的設備，造球機的成球合格率及礦石物料的部分比例會直接影響到高爐的生產質量。
目前，造球工段生產過程過於依賴人工操作，加水量、加料量、造球盤轉速、造球盤傾角由操作人員憑經驗和眼力調整，無法保證生球水分達標，也不能保證較高且穩定的生球球徑合格率，這不僅造成生產浪費也會影響燒結工段的生產效益。
目前國內外對粒度檢測的方法主要包括機械的篩網篩分法、雷射衍射法、電感應法等(後兩者主要針對塵埃顆粒)，隨著數字圖像處理技術在粒度識別領域中的應用，顆粒測量技術向著範圍廣、測量準確度和精確度高、重現性好、速度快的方向發展。
近年來，隨著數字圖像處理技術的廣泛應用，非接觸式的視頻在線自動檢測技術逐漸興起。非接觸式是指通過工業相機採集物料圖像，可以實時進行物料的現場監控和檢測。因此有必要配套相應的能化生產控制系統和控制方法，進一步提高成球合格率，提升產品質量。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種有效控制成球合格率的圓盤造球智能化生產控制系統。
本發明的另一目的是提供一種實現圓盤造球智能化生產並控制生球合格率在預期內的控制方法。
為此，本發明技術方案如下：
一種圓盤造球智能化生產控制系統，
包括上位機控制單元、現場控制單元、檢測單元和執行單元；所述上位機控制單元包括設置在控制室內且依次連接的第二光纖收發器、高速處理伺服器和顯示器；所述現場控制單元包括第一光纖收發器、交換機、觸控螢幕、可編程邏輯控制器和MPI‐ETH轉換器；所述檢測單元包括粒徑檢測裝置、紅外水分檢測儀、電磁流量計和工藝參數接收裝置；所述執行單元包括送料電機、旋轉電機變頻器、電動執行閥、傾角控制裝置和報警裝置；其中，所述第一光纖收發器與所述第二光纖收發器之間通過光纖連接；所述第一光纖收發器與所述交換機之間、所述第二光纖收發器與所述高速處理伺服器之間、所述MPI‐ETH轉換器與所述交換機之間、所述觸控螢幕與交換機之間均通過網線連接；所述可編程邏輯控制器與所述MPI‐ETH轉換器之間通過數據傳輸線連接；所述高速處理伺服器與所述顯示器之間通過VGA視頻線連接。
所述可編程邏輯控制器通過MPI線纜與所述MPI‐ETH轉換器的MPI端連接。
所述粒徑檢測裝置設置在造球盤成球區上方；所述紅外水分檢測儀設置在原料傳送帶及生球輥篩上方；所述電磁流量計設置在加水管路上。
所述送料電機與圓盤造球裝置的物料傳送帶傳動軸連接；所述旋轉電機變頻器與圓盤造球裝置造球圓盤下方控制轉軸轉動的旋轉電機連接；所述電動執行閥安裝在圓盤造球裝置的造球加水主管路上；所述傾角控制裝置與圓盤造球裝置的角度調節螺杆連接；所述報警裝置安裝在現場箱上。
一種圓盤造球智能化生產控制方法，包括對圓盤造球過程中的各項工藝參數的調節，具體調節順序依次為調節向造球圓盤的加水量、調節造球圓盤的轉速、調節原料投放速度和調節造球圓盤傾角。
一種配合上述圓盤造球智能化生產控制系統的圓盤造球智能化生產控制方法，具體步驟如下：
S1、設定生球產品合格率接受範圍為A％～B％，將粒徑檢測設備檢測出的上一批生球物料的粒徑分布數據結合設定的合格生球粒徑範圍(D1～D2)計算出上一批生球物料粒徑的合格率a：
若合格率a≤A％時，進入步驟S2；
若合格率a＞A％時，返回步驟S1；
其中，生球產品合格率接受範圍依據原料特性、設備及生產工況等因素進行人為設定，通過將生球產品合格率接受範圍的上限和下限作為閾值引入控制方法具體判斷中去，使生球產品合格率與預期值相符；
S2、判斷截止上一批生球物料的隨造球時間變化的小球比例曲線斜率K1與隨造球時間變化的大球比例曲線斜率K2：
其中，生球物料的小球比例曲線斜率K1具體指在一批生球物料中隨造球時間變化每張成球圖像經過處理和計算後粒徑D≤D1的成球數量佔生球總量的比例的變化量；大球比例曲線斜率K2具體指在一批生球物料中隨造球時間變化每張成球圖像經過處理和計算後粒徑D＞D2的成球數量佔生球總量的比例的變化量；
若K1≤0且K2＞0，即生球物料粒徑偏大，則進入步驟S3；
若K1＞0且K2≤0，即生球物料粒徑偏小，則進入步驟S6；
若K1＞0且K2＞0，即生球物料粒徑為離散變化狀態，則進入步驟S9；
S3、通過位於生球輥篩上方的紅外水分檢測儀採集生球物料的含水量，並與預設的生球物料含水量進行比較，以判斷生球過程中加水量偏小、偏大或適宜：
其中，當採集生球物料的含水量小於預設的生球物料含水量時，判斷為生球過程中加水量偏小，當採集生球物料的含水量大於預設的生球物料含水量時，判斷為生球過程中加水量偏大；
若加水量適宜或偏小，則進入步驟S4；
若加水量偏大，則調節電動執行閥減小加水流量至與預設加水量一致，並通過粒徑檢測設備採集T分鐘後一批生球物料粒徑的合格率b1：
若合格率b1≥B％，則返回步驟S1；
若合格率a＜b1＜B％則進入步驟S5；
若合格率b1≤a，則進入步驟S4；
S4、調節電動執行閥使加水量與預設加水量一致，並調節旋轉電機變頻器使造球盤的轉速減速0.1r/min；通過粒徑檢測設備採集T分鐘後的一批生球物料粒徑的合格率d1：
若合格率d1≥B％，則返回步驟S1；
若合格率A％＜d1＜B％，則再次調節旋轉電機變頻器使造球盤的轉速減速0.1r/min，後延遲T分鐘返回步驟S1；
若合格率d1≤A％，則啟動報警裝置並生成增加給料量提示，並延遲T分鐘返回步驟S1。
S5、調節電動執行閥使加水量低於預設加水量0.15％，並通過粒徑檢測設備採集T分鐘後的生球物料粒徑的合格率c1：
若合格率c1≥B％，則返回步驟S1；
若合格率c1≤b1，則返回步驟S4；
若合格率b1＜c1＜B％，則調節電動執行閥使加水量低於預設加水量0.25％，後延遲返回步驟S1；
S6、通過位於生球輥篩上方的紅外水分檢測儀採集生球物料的含水量，並與預設生球物料含水量進行比較，以判斷生球過程中加水量偏小、偏大或適宜：
其中，當採集生球物料的含水量小於預設的生球物料含水量時，判斷為生球過程中加水量偏小，當採集生球物料的含水量大於預設的生球物料含水量時，判斷為生球過程中加水量偏大；
若加水量適宜或偏多，則進入步驟S7；
若加水量偏大，則調節電動執行閥減小加水流量至與預設加水量一致，並通過粒徑檢測設備採集T分鐘後的生球物料粒徑的合格率b2：
若合格率b2≥B％，則返回步驟S1；
若合格率a＜b2＜B％，則進入步驟S8；
若合格率b2≤a，則進入步驟S7；
S7、調節電動執行閥使加水量與預設加水量一致，並調節旋轉電機變頻器使造球盤的轉速加速0.1r/min；通過粒徑檢測設備採集T分鐘後的生球物料粒徑的合格率d2：
若合格率d2≥B％，則返回步驟S1；
若合格率A％＜d2＜B％，則再次調節旋轉電機變頻器使造球盤的轉速加速0.1r/min，後延遲T分鐘返回步驟S1；
若合格率d2≤A％，則啟動報警裝置並生成減少給料量提示，後返回步驟S1。
S8、調節電動執行閥使加水量高於預設加水量0.15％，並通過粒徑檢測設備採集T分鐘後的生球物料粒徑的合格率c2：
若合格率c2≥B％，則返回步驟S1；
若合格率c2≤b2，則返回步驟S7；
若合格率b2＜c2＜B％，則調節電動執行閥使加水量高於預設加水量0.25％，後延遲T分鐘返回步驟S1；
S9、通過位於生球輥篩上方的紅外水分檢測儀採集生球物料的含水量，並與預設生球物料含水量進行比較，以判斷生球過程中加水量偏小、偏大或適宜：
其中，當採集生球物料的含水量小於預設的生球物料含水量時，判斷為生球過程中加水量偏小，當採集生球物料的含水量大於預設的生球物料含水量時，判斷為生球過程中加水量偏大；
若加水量偏小，則調節電動執行閥使加水量與預設加水量一致，並調節旋轉電機變頻器使造球盤的轉速減速0.1r/min，後延遲T分鐘返回步驟S1；
若加水量偏大，則調節電動執行閥使加水量與預設加水量一致，並調節旋轉電機變頻器使造球盤的轉速加速0.1r/min，後延遲T分鐘返回步驟S1。
其中，步驟S1～S9中所述T分鐘為系統所需要的穩定時間，即變更控制條件後對系統的有效生效時間；T分鐘一般為10～15分鐘。
與現有技術相比，該圓盤造球智能化生產控制系統能夠準確監控造球機成球區域造球質量和狀態、出現異常物料並及時報警；同時依據控制系統的各項檢測結果配合本申請的控制方法實現造球生產工藝的智能調節，實現將成球合格率控制在預期合格率範圍之內，有效提高生球合格率，提升產品質量。
附圖說明
圖1為本發明的實施例的圓盤造球智能化生產控制系統的結構示意圖；
圖2為本發明的實施例的圓盤造球智能化生產控制方法的流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施例對本發明做進一步的說明，但下述實施例絕非對本發明有任何限制。
一種配合圓盤造球裝置使用的圓盤造球智能化生產控制系統，如圖1所示，該圓盤造球智能化生產控制系統包括上位機控制單元、現場控制單元、檢測單元和電動執行單元；其中，上位機控制單元包括設置在控制室內且依次連接的第二光纖收發器3、高速處理伺服器1和顯示器2；現場控制單元包括第一光纖收發器4、交換機5、觸控螢幕6、可編程邏輯控制器7和MPI‐ETH轉換器8；檢測單元包括粒徑檢測裝置9、紅外水分檢測儀10、電磁流量計11和工藝參數收發裝置12；電動執行單元包括送料電機13、旋轉電機變頻器14、電動執行閥15、傾角調節裝置16和報警裝置17。
第二光纖收發器3與高速處理伺服器1之間通過網線連接；網線的長度為1～5m。高速處理伺服器1和顯示器2之間通過VGA視頻線連接，顯示器2用於顯示高速處理伺服器1採集和經計算處理後的結果數據。
第一光纖收發器4和第二光纖收發器3之間通過光纖連接，用於將現場採集到的相關信息通過光纖傳輸至控制室的高速處理伺服器中進行數據處理並通過顯示屏實時顯示，或將控制室內操控人員發布的生產指令傳輸給現場控制單進行相應工藝參數的調節。
第一光纖收發器4、觸控螢幕6和MPI‐ETH轉換器8通過交換機5實現相互連通，使上位機控制單元和現場控制單元均可以對生產工藝的預設參數進行調節；其中，觸控螢幕6包括具有人機互動設置功能的觸控螢幕，用於現場操作和人工生產參數修正，實現產能過低或滿足操作權限時人工對生產工藝參數進行調節，經觸控螢幕6修正的參數發送至可編程邏輯控制器7的同時傳送至高速處理伺服器1進行存儲備份；具體地，第一光纖收發器4與交換機之間、觸控螢幕6與交換機5之間和MPI‐ETH轉換器8與交換機5之間均通過網線連接，網線的長度為1～5m；可編程邏輯控制器7通過西門子MPI線纜與ETH‐MPI轉換器8的MPI埠連接。
檢測單元用於對現場圓盤造球過程中與造球合格率相關的多項實際工藝數值進行採集。其中，粒徑檢測裝置9用於對造球盤上的實時造球的粒徑進行檢測並將相應粒徑及粒徑分布的檢測數據反饋給可編程邏輯控制器7；該粒徑檢測裝置9可以選用現有設備也可以採用與本申請同日申請的視頻生球粒徑儀對粒徑進行實時檢測。如採用與本申請同日申請的視頻生球粒徑儀，即將視頻生球粒徑儀的成像設備設置在造球球盤上方，成像設備通過網線連接至第一光纖收發器4，將採集的成球圖像通過光纖發送至設置在控制室內的圖像處理裝置，通過圖像處理計算出相關的生球平均粒徑和粒徑分布數據，並傳送至高速處理伺服器1中，用於現場控制單元對生成的粒徑分布數據進行採集。
紅外水分檢測儀10、電磁流量計11和工藝參數收發裝置12均通過數據傳輸線連接至可編程邏輯控制器7。其中：
紅外水分檢測儀為兩臺，包括分別設置在原料送料傳送帶上的紅外水分檢測儀和設置在生球輥篩上方的紅外水分檢測儀10；該系統中的兩條紅外水分檢測儀均採用非接觸式在線監測模式，分別對原料水分和實際送入造球盤的原料水分進行檢測；目前，市場現售的非接觸式在線監測模式的紅外水分檢測儀的測量精度達到0.01％，其可以直接向上位機控制單元或可編程邏輯控制器7輸出4～20mA模擬量信號；其中，設置在原料送料傳送帶上方的紅外水分檢測儀用於對原料水分進行檢測並將數據傳輸至高速處理伺服器1，以計算出造球過程中適宜的加水量；設置在生球輥篩上方的紅外水分檢測儀10用於對實際造球過程中的原料水分進行檢測，並將檢測數據輸送至可編程邏輯控制器7，用於後續對造球工藝參數進行調整時作為判斷依據；
電磁流量計11安裝在圓盤造球裝置的加水管路上，用於檢測加水管路中水流量；具體地，本系統採用重慶川儀自動化股份有限公司流量儀表分公司生產的f1088型號的電磁流量計11，其可以直接向可編程邏輯控制器7輸出4～20mA模擬量信號；
工藝參數收發裝置12用於接收對造球過程中的原料投放速度預設值進行採集並發送給可編程邏輯控制器7。在一般生產實踐過程中，原料投入比例一般由單獨生產系統進行控制，因此，通過工藝參數收發裝置12將造球控制系統和生產系統進行關聯；工藝參數收發裝置12同時具有向生產系統發送原料投放速度修改提示的功能，用於當其他參數調節作用不明顯時，提出原料投放速度修改的申請。其他工藝預設參數：圓盤傾角按照圓盤最優工作參數人為進行設定；生球合格率範圍、生球粒徑合格範圍、加水管路的加水量和圓盤轉速的預設值通過上位機控制單元進行設定並傳輸至可編程邏輯控制器7中；
相對於檢測單元作為該生產控制系統的數據輸入單元，電動執行單元為數據輸出單元，實現通過可編程邏輯控制器7對圓盤造球裝置的生產工藝參數進行調節；其中：
送料電機13與圓盤造球裝置的物料傳送帶傳動軸連接，用於控制傳送帶的帶速，實現對每批生球產品的給料量的控制；
旋轉電機變頻器14與圓盤造球裝置造球圓盤下方控制轉軸轉動的旋轉電機連接；通過旋轉電機變頻器14調節旋轉電機轉速，實現造球圓盤的轉速調節；
電動執行閥15安裝在圓盤造球裝置的加水管路的流量控制閥門上，用於調節加水管路中的水流流量，實現對沒批物料加水量的控制；
傾角控制裝置16與圓盤造球裝置的角度調節螺杆連接，實現對造球圓盤傾角的調節。
報警裝置17包括蜂鳴器，其安裝在現場箱上，用於當造球粒徑的合格率低於期望值下限時觸發低產能報警，提醒現場操作人員通過觸控螢幕6的觸控螢幕對生產參數進行修正。
一種上述圓盤造球智能化生產控制系統配合使用的圓盤造球智能化生產控制方法，採用神經網絡控制模型將採集原料投放速度、來料粒度、加水量、圓盤傾角、圓盤轉速等設置為初始控制參數；生產過程由粒徑檢測設備對生球粒徑情況進行實時處理和監控，並由上位機控制單元將實時處理數據傳送至可編程邏輯控制器，由可編程邏輯控制器按照合理範圍內同等條件下水多則生球粒徑大，圓盤轉速快生球粒徑大的規律對造球加水和圓盤轉速進行周期性調節，以將生球粒徑合格率控制在期望值以上。
當生球粒徑合格率低於期望值下限時觸發低產能報警，可通過設置在控制室內或現場的人機界面設備進行生產參數修正。
因此，該圓盤造球智能化生產控制方法，實質上即為對圓盤造球過程中的各項工藝參數的調節，具體調節順序依次為調節向造球圓盤的加水量、調節造球圓盤的轉速、調節原料投放速度和調節造球圓盤傾角。
針對某一批原料粒徑均勻分布狀況和生產需求，確定生球產品合格率不低於80％，因此，根據預期產品合格率並結合生產控制過程中的使用範圍，將生球產品合格率接受範圍為83％～88％。
如圖2所示，為圓盤造球智能化生產控制方法的具體步驟：
S1、設定生球產品合格率接受範圍為83％～88％，將粒徑檢測設備檢測出的上一批生球物料的粒徑分布數據結合設定的合格生球粒徑範圍(D1～D2)計算出上一批生球物料粒徑的合格率a：
若合格率a≤83％時，進入步驟S2；
若合格率a＞83％時，返回步驟S1；
S2、判斷截止上一批生球物料的小球比例曲線斜率K1與大球比例曲線斜率K2：
若K1≤0且K2＞0，即生球物料粒徑偏大，則進入步驟S3；
若K1＞0且K2≤0，即生球物料粒徑偏小，則進入步驟S6；
若K1＞0且K2＞0，即生球物料粒徑為離散變化狀態，則進入步驟S9；
S1、將粒徑檢測設備檢測出的上一批生球物料的粒徑分布數據結合設定的合格生球粒徑範圍計算出上一批生球物料粒徑的合格率a：
若合格率a≤83％時，進入步驟S2；
若合格率a＞83％時，返回步驟S1；
S2、判斷截止上一批生球物料的小球比例曲線斜率K1與大球比例曲線斜率K2：
若K1≤0且K2＞0，即生球物料粒徑偏大，則進入步驟S3；
若K1＞0且K2≤0，即生球物料粒徑偏小，則進入步驟S6；
若K1＞0且K2＞0，即生球物料粒徑為離散變化狀態，則進入步驟S9；
S3、通過位於生球輥篩上方的紅外水分檢測儀採集生球物料的含水量，並與預設的生球物料含水量進行比較，以判斷生球過程中加水量偏小、偏大或適宜：
其中，當採集生球物料的含水量小於預設的生球物料含水量時，判斷為生球過程中加水量偏小，當採集生球物料的含水量大於預設的生球物料含水量時，判斷為生球過程中加水量偏大；
若加水量適宜或偏小，則進入步驟S4；
若加水量偏大，則調節電動執行閥減小加水流量至與預設加水量一致，並通過粒徑檢測設備採集15分鐘後生球物料粒徑的合格率b1：
若合格率b1≥88％，則返回步驟S1；
若合格率a＜b1＜88％則進入步驟S5；
若合格率b1≤a，則進入步驟S4；
S4、調節電動執行閥使加水量與預設加水量一致，並調節旋轉電機變頻器使造球盤的轉速減速0.1r/min；通過粒徑檢測設備採集15分鐘後的生球物料粒徑的合格率d1：
若合格率d1≥88％，則返回步驟S1；
若合格率83％＜d1＜88％，則再次調節旋轉電機變頻器使造球盤的轉速減速0.1r/min，後延遲返回步驟S1；
若合格率d1≤83％，則啟動報警裝置並生成增加給料量申請，並返回步驟S1；
若增加給料量申請通過工藝參數收發裝置發送至生產系統得到批准，則由生產系統給出新的給料比例，並相應轉化為送料電機轉速調整量發送給可編程邏輯控制器7進行調節；
S5、調節電動執行閥使加水量低於預設加水量0.15％，並通過粒徑檢測設備採集15分鐘後的生球物料粒徑的合格率c1：
若合格率c1≥88％，則返回步驟S1；
若合格率c1≤b1，則返回步驟S4；
若合格率b1＜c1＜88％，則調節電動執行閥使加水量低於預設加水量0.25％，後延遲返回步驟S1；
S6、通過位於生球輥篩上方的紅外水分檢測儀採集生球物料的含水量，並與預設生球物料含水量進行比較，以判斷生球過程中加水量偏小、偏大或適宜：
其中，當採集生球物料的含水量小於預設的生球物料含水量時，判斷為生球過程中加水量偏小，當採集生球物料的含水量大於預設的生球物料含水量時，判斷為生球過程中加水量偏大；
若加水量適宜或偏多，則進入步驟S7；
若加水量偏大，則調節電動執行閥減小加水流量至與預設加水量一致，並通過粒徑檢測設備採集15分鐘後的生球物料粒徑的合格率b2：
若合格率b2≥88％，則返回步驟S1；
若合格率a＜b2＜88％，則進入步驟S8；
若合格率b2≤a，則進入步驟S7；
S7、調節電動執行閥使加水量與預設加水量一致，並調節旋轉電機變頻器使造球盤的轉速加速0.1r/min；通過粒徑檢測設備採集15分鐘後的生球物料粒徑的合格率d2：
若合格率d2≥88％，則返回步驟S1；
若合格率83％＜d2＜88％，則再次調節旋轉電機變頻器使造球盤的轉速加速0.1r/min，延遲15分鐘後返回步驟S1；
若合格率d2≤83％，則啟動報警裝置並生成減少給料量申請，延遲15分鐘後返回步驟S1；
同上，若增加給料量申請通過工藝參數收發裝置發送至生產系統得到批准，則由生產系統給出新的給料比例，並相應轉化為送料電機轉速調整量發送給可編程邏輯控制器7進行調節；
S8、調節電動執行閥使加水量高於預設加水量0.15％，並通過粒徑檢測設備採集15分鐘後的生球物料粒徑的合格率c2：
若合格率c2≥88％，則返回步驟S1；
若合格率c2≤b2，則返回步驟S7；
若合格率b2＜c2＜88％，則調節電動執行閥使加水量高於預設加水量0.25％，延遲15分鐘後返回步驟S1；
S9、通過位於生球輥篩上方的紅外水分檢測儀採集生球物料的含水量，並與預設生球物料含水量進行比較，以判斷生球過程中加水量偏小、偏大或適宜：
其中，當採集生球物料的含水量小於預設的生球物料含水量時，判斷為生球過程中加水量偏小，當採集生球物料的含水量大於預設的生球物料含水量時，判斷為生球過程中加水量偏大；
若加水量偏小，則調節電動執行閥使加水量與預設加水量一致，並調節旋轉電機變頻器使造球盤的轉速減速0.1r/min，延遲15分鐘後返回步驟S1；
若加水量偏大，則調節電動執行閥使加水量與預設加水量一致，並調節旋轉電機變頻器使造球盤的轉速加速0.1r/min，延遲15分鐘後返回步驟S1。
其中，步驟S1～S9中所述的「延遲」時間T為15分鐘，為保證變更控制條件後對系統生效時間的最小時間。
當對造球圓盤的加水量、造球圓盤的轉速、原料投放速度進行調節後依然不能將生球合格率調節至預期狀態時，繼而通過傾角控制裝置16對造球盤的傾角進行調節。