阅读说明：本技术 一种废钢预热控制系统及控制方法 (Scrap steel preheating control system and control method ) 是由 弭飞飞 陈高强 魏国 刚占库 涂赣峰 于 2020-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明属于固废利用技术领域,具体涉及一种废钢预热控制系统及控制方法,系统包括上位机、控制器、信号采集组件和动作控制组件,信号采集组件包括温度采集单元、压力采集单元、流量采集单元和火焰检测单元,动作控制组件包括管路调节阀门、管路气动阀门、行程开关、动作控制电机和打火装置,上位机和控制器之间通过交换机连接,动作控制电机通过变频器或软启动器也连接在交换机上,信号采集组件和管路调节阀门、管路气动阀门、行程开关、打火装置均分别与控制器连接,信号采集组件用于采集废钢预热装置各部位的温度、压力和流量,动作控制组件用于对废钢预热装置各部位进行控制调节,本发明自动化程度高,运行成本低。(The invention belongs to the technical field of solid waste utilization, and particularly relates to a scrap steel preheating control system and a control method, wherein the system comprises an upper computer, a controller, a signal acquisition assembly and an action control assembly, the signal acquisition assembly comprises a temperature acquisition unit, a pressure acquisition unit, a flow acquisition unit and a flame detection unit, the action control assembly comprises a pipeline adjusting valve, a pipeline pneumatic valve, a travel switch, an action control motor and an ignition device, the upper computer and the controller are connected through a switch, the action control motor is also connected on the switch through a frequency converter or a soft starter, the signal acquisition assembly, the pipeline adjusting valve, the pipeline pneumatic valve, the travel switch and the ignition device are respectively connected with the controller, the signal acquisition assembly is used for acquiring the temperature, the pressure and the flow of each part of the scrap steel preheating device, and the action control assembly is used for controlling and adjusting each part of the scrap steel preheating device, the invention has high automation degree and low operation cost.)

一种废钢预热控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于固废利用技术领域，具体涉及一种废钢预热控制系统及控制方法。

背景技术

现今采用电弧炉炼钢的生产成本，电能消耗是最大一块，特别是我国电能紧张的形势，使电弧炉炼钢的成本大大增加。在电弧炉冶炼过程中，炉料的熔化阶段供电时间最长，电能消耗最大，在一个冶炼周期内，熔化期占了一半以上；主要原因是加入的冷废钢温度过低，想要达到通电将炉料熔化的目的，不得不加大电能输入，导致冶炼周期长、电极消耗高以及冶炼电耗高。

采用废钢预热技术具有可以有效缩短冶炼周期、降低冶炼消耗，运行费用低，维护管理方便等优点；到目前为止，现有技术中主要是利用电炉高温烟气预热废钢；利用电炉高温烟气预热废钢的方式主要有两种：直接预热方式和间接预热方式；直接预热方式的特点是把从电炉抽出的烟气接用来预热废钢，而间接预热方式是用抽出的烟气先将空气加热，然后用被加热了的空气预热废钢。

废钢预热最新工艺方式采用氧气、煤气通过一定比例混合燃烧产生的高温火焰直接对废钢喷吹，显而易见高温、高流量对废钢预热的方式比原有的烟气预热更节约预热时间，提高预热效率，也更有益于配合现场冶炼生产节奏。此方式主要因为燃烧气中利用煤气，氧气等多种气体，在现场进行预热过程中极容易产生***，需要一种控制系统来解决上述技术难题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种废钢预热控制系统及控制方法，自动化程度高、运行成本低。

本发明是这样实现的，提供一种废钢预热控制系统，用于对废钢预热装置进行控制，包括上位机、控制器、信号采集组件和动作控制组件，信号采集组件包括温度采集单元、压力采集单元、流量采集单元和火焰检测单元，动作控制组件包括管路调节阀门、管路气动阀门、行程开关、动作控制电机和打火装置，上位机和控制器之间通过交换机连接，动作控制电机通过变频器或软启动器也连接在交换机上，信号采集组件和管路调节阀门、管路气动阀门、行程开关、打火装置均分别与控制器连接，信号采集组件用于采集废钢预热装置各部位的温度、压力和流量，动作控制组件用于对废钢预热装置各部位进行控制调节。

优选地，所述废钢预热装置包括上料单元、预热单元和卸料单元，所述动作控制电机包括包盖升降电机和氧燃枪升降电机，上料单元用于将废钢运送到预热器，预热单元包括预热器、包盖和氧燃枪，包盖通过包盖升降电机控制上下运动，氧燃枪通过氧燃枪升降电机控制上下运动，氧燃枪的燃烧口垂直向下，所述打火装置与氧燃枪的燃烧口连接，所述火焰检测单元设置在包盖旁，用于检测火焰，预热单元还包括冷却水管路、煤气管路、氧气管路、丙烷管路、氮气管路和烟气管路，冷却水管路、煤气管路、氧气管路、丙烷管路、氮气管路均与氧燃枪连接，烟气管路与排烟总管连接，打火装置点燃丙烷，丙烷火点燃煤气，氮气用于煤气管路的吹扫，保证设备的安全，煤气和氧气混合燃烧，火焰由燃烧口喷出，对废钢直接预热，冷却水用于冷却氧燃枪，预热完成后预热器将废钢运送给卸料单元。

进一步优选，所述温度采集单元分别设置在所述冷却水管路进口、冷却水管路出口、所述煤气管路上、所述氧气管路上以及所述包盖内壁上，所述压力采集单元分别设置在煤气管路上、氧气管路上、所述氮气管路上、所述丙烷管路上以及冷却水管路上，所述流量采集单元分别设置在煤气管路上、氧气管路上、氮气管路上和冷却水管路上；

所述管路调节阀门分别设置在煤气管路和氧气管路上，所述管路气动阀门分别设置在煤气管路上、氧气管路上、丙烷管路上、氮气管路上、冷却水管路上和所述烟气管路上；所述行程开关分别设置在所述氧燃枪上下两个极限位置、所述包盖上下两个极限位置和所述预热器到位位置。

进一步优选，所述上位机包括一个主上位机和多个从上位机，主上位机和从上位机均分别与所述交换器连接，主上位机用于执行现场监控及修改，从上位机用于过程值采集、监控及报表打印，所述交换器采用TCP/IP协议或Profibus的工业网络。

进一步优选，所述主上位机和所述从上位机中安装Siemens WinCC组态软件，作为图形化监视控制终端，主上位机和从上位机分别分配不同的权限。

进一步优选，所述控制器为Simatic S7-1500或S7-300PLC，采用PLC的TCP/IP、Profinet接口。

进一步优选，所述温度采集单元为温度变送器，所述压力采集单元为压力变送器，所述流量采集单元为流量计。

本发明还提供一种利用上述的废钢预热控制系统进行废钢预热的控制方法，包括如下步骤：

1)所述行程开关读取现场包盖和氧燃枪的位置，所述温度采集单元读取冷却水管路进口、冷却水管路的出口、所述煤气管路内、所述氧气管路内以及预热器内的介质温度，所述压力采集单元读取煤气管路内、氧气管路内、氮气管路内、丙烷管路内以及冷却水管路内的介质压力；

2)将采集的数据信息传输给所述控制器，控制器将数据传递给所述上位机，同时判断废钢预热装置各项数据是否正常；

3)若不正常给出报警信号或提示信息，对现场废钢预热装置进行检查或检修，之后重复步骤1)和步骤2)；

4)若正常，上位机控制启动废钢预热装置的各个部分，上料单元将废钢运输至预热器内，氧燃枪升降电机控制氧燃枪下降至预热器内，包盖升降电机控制包盖下降至预热器上端，所述打火装置进行打火，所述火焰检测单元检测是否打火成功，火焰对废钢进行直接加热，各信号采集组件实时采集预热过程中的信号，预热完成后，包盖升降电机控制包盖上升，氧燃枪升降电机控制氧燃枪上升，预热器将预热好的废钢运输至卸料单元内，完成废钢预热。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供的废钢预热控制系统自动化程度高，运行成本低，PLC测控终端实行模块化设计，其体积小，重量轻，工作安全可靠，并具有在线自检和程序掉电保护功能。

附图说明

图1为本发明提供的废钢预热控制系统模块图；

图2为废钢预热系统模块图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1，本发明提供一种废钢预热控制系统，用于对废钢预热装置进行控制，包括上位机、控制器、信号采集组件和动作控制组件，信号采集组件包括温度采集单元、压力采集单元、流量采集单元和火焰检测单元，动作控制组件包括管路调节阀门、管路气动阀门、行程开关、动作控制电机和打火装置，上位机和控制器之间通过交换机连接，动作控制电机通过变频器或软启动器也连接在交换机上，信号采集组件和管路调节阀门、管路气动阀门、行程开关、打火装置均分别与控制器连接，信号采集组件用于采集废钢预热装置各部位的温度、压力和流量，动作控制组件用于对废钢预热装置各部位进行控制调节。

本系统主要具备以下功能：

1、信息采集

该功能主要由控制器来完成，信号采集组件通过扫描来采集设备当前所处的状态和各类报警信息，其采样扫描周期小于10ms。

2、编码传输

用于将控制器所采集到各类信息进行编码并经通讯网络传至上位机操作系统，以供进一步处理。

3、设备控制

该功能是上位机根据废钢预热的运行状况而对其各设备进行远程协调控制，经网络传送到控制器；由控制器负责执行各种操作命令并采集命令执行期间的操作信息返回给上位机。其控制方式有单个对象控制和模式控制两种，采用选择、确认、执行三步来操作，当操作被禁止时，系统将给出提示信息提醒操作员注意。

4、状态监视

在上位机的显示器上以图形化的显示出废钢预热所有控制设备的状态画面。以实时监视废钢预热各控制设备的当前状态。

5、故障报警

在系统检测到故障信息后立即弹出显示在故障报警窗口中，以不同的颜色等级方式显示出相应的故障信息、故障点和故障时间；同时，自动将该故障信息存入故障信息数据库。

6、文档生成

该功能用于对系统内各项信息进行归纳、分析和整理，并生成所需的各项报表，如操作记录，报警记录，同时依据现场用户要求可设置是日报、月报和年报等方式。

7、数据统计与分析

该功能用于将系统内测量的模拟信息记录到模拟量历史数据库中，同时可根据用户的需要，将记录在数据库中的数据信息进行统计与分析，以生成实时趋势图和历史趋势图，并可随时调用查找对比等。

参考图2，所述废钢预热装置包括上料单元、预热单元和卸料单元，所述动作控制电机包括包盖升降电机和氧燃枪升降电机，上料单元用于将废钢运送到预热器，预热单元包括预热器、包盖和氧燃枪，包盖通过包盖升降电机控制上下运动，氧燃枪通过氧燃枪升降电机控制上下运动，氧燃枪的燃烧口垂直向下，所述打火装置与氧燃枪的燃烧口连接，所述火焰检测单元设置在包盖旁，用于检测火焰，预热单元还包括冷却水管路、煤气管路、氧气管路、丙烷管路、氮气管路和烟气管路，冷却水管路、煤气管路、氧气管路、丙烷管路、氮气管路均与氧燃枪连接，烟气管路与排烟总管连接，打火装置点燃丙烷，丙烷火点燃煤气，氮气用于煤气管路的吹扫，保证设备的安全，煤气和氧气混合燃烧，火焰由燃烧口喷出，对废钢直接预热，冷却水用于冷却氧燃枪，预热完成后预热器将废钢运送给卸料单元。

具体的，所述温度采集单元分别设置在所述冷却水管路进口、冷却水管路出口、所述煤气管路上、所述氧气管路上以及所述包盖内壁上，所述压力采集单元分别设置在煤气管路上、氧气管路上、所述氮气管路上、所述丙烷管路上以及冷却水管路上，所述流量采集单元分别设置在煤气管路上、氧气管路上、氮气管路上和冷却水管路上；

所述管路调节阀门分别设置在煤气管路和氧气管路上，所述管路气动阀门分别设置在煤气管路上、氧气管路上、丙烷管路上、氮气管路上、冷却水管路上和所述烟气管路上；所述行程开关分别设置在所述氧燃枪上下两个极限位置、所述包盖上下两个极限位置和所述预热器到位位置。

利用上述的废钢预热控制系统对废钢预热进行控制时，包括如下步骤：

1)所述行程开关读取现场包盖和氧燃枪的位置，所述温度采集单元读取冷却水管路进口、冷却水管路的出口、所述煤气管路内、所述氧气管路内以及预热器内的介质温度，所述压力采集单元读取煤气管路内、氧气管路内、氮气管路内、丙烷管路内以及冷却水管路内的介质压力；

2)将采集的数据信息传输给所述控制器，控制器将数据传递给所述上位机，同时判断废钢预热装置各项数据是否正常；

3)若不正常给出报警信号或提示信息，对现场废钢预热装置进行检查或检修，之后重复步骤1)和步骤2)；

4)若正常，上位机控制启动废钢预热装置的各个部分，上料单元将废钢运输至预热器内，氧燃枪升降电机控制氧燃枪下降至预热器内，包盖升降电机控制包盖下降至预热器上端，所述打火装置进行打火，所述火焰检测单元检测是否打火成功，火焰对废钢进行直接加热，各信号采集组件实时采集预热过程中的信号，预热完成后，包盖升降电机控制包盖上升，氧燃枪升降电机控制氧燃枪上升，预热器将预热好的废钢运输至卸料单元内，完成废钢预热。

具体的，在控制过程中，冷却水管路通断和温度流量要实时监测，均将冷却水管路进、出口阀门信号传入控制器，系统自动监测保证循环冷却水进、出口阀为打开状态。通过在冷却水进、出口设置温度检测单元和流量检测单元将信号传入控制器，通过控制器就可以检测冷却水的进、出水温度和流量是否正常。在控制器中当冷却水温有报警时，系统要断氧气和煤气，以防设备过热。现场在无预热任务时，为防止冷却水在冬季冰冻，将冷却水阀门可调小。主要工序在预热过程中，在预热开始前将已经加入废钢的钢包车驶入预热工位等待预热，预热前需要判断现场所有条件是否满足预热条件，现场将各预热前的条件均利用各种检测装置将信号传入控制器，在控制器中进行设置判断条件，节约人力和时间成本且保证可靠性。其中煤气、氧气和丙烷气体的检测和控制比较关键，直接影响现场生产安全和工作情况。预热过程的每一步都需要认真校核和评估。现场预热以炉膛内被烘烤的废钢温度和烟气的温度为基准控制点，安装在炉盖上的温度采集单元和烟气管路内的温度采集单元将烟气温度信号传入控制器，控制器根据废钢预热氧燃比的设置方式，并通过PID调节输出控制阀门从而控制煤气的流量，氧气流量，进而达到控制温度的目的。由于用到了PID调节，阀门可根据设定温度和实际温度做自适应调节。实现了自动控制烟气实际温度在设定温度范围内。

氧气和煤气的混合燃烧是预热的重要部分，燃烧要根据烟气温度做自动调节，当烟气温度升高时，氧气煤气流量减少；当烟气温度降低时，氧气煤气流量增大。还可以控制煤氧的配比系数，控制火焰距废钢的距离，要保证火焰的力度可以穿透废钢，尽可能减少废钢的氧化，否则将导致金属收得率降低，无法满足下一步工艺要求。控制时要先将煤气和氧气的量调到一个适当值，即在能达到较好燃烧效果的情况下，这个值越低越好。这样既能节约介质能源，又能保证有效预热，同时降低烟气温度保证有效利用燃烧产生的热能，也保证烟气管道安全。如果出现火焰冲出钢包和包盖外，则要增加排烟阀门开度，或降低煤气氧气流量，或二者同时进行调节。在控制室及介质管路现场要监测现场有毒有害气体泄漏情况，及时发出声光报警和提示。如果现场发生煤气、氧气、丙烷任一种气体泄漏并且达到设置的高高报警时，则需要及时判断并采取关闭介质管路阀门并停止预热，需经检测排除故障后再进行生产，否则容易产生易燃易爆和中毒事故。

为了对整个操作系统实现不同的功能，作为改进，所述上位机包括一个主上位机和多个从上位机，在本实施例中，包括从上位机Ⅰ和从上位机Ⅱ，主上位机和从上位机均分别与所述交换器连接，主上位机用于执行现场监控及修改，从上位机用于过程值采集、监控及报表打印，所述交换器采用TCP/IP协议或Profibus的工业网络。

所述主上位机和所述从上位机中安装Siemens WinCC组态软件，作为图形化监视控制终端，主上位机和从上位机分别分配不同的权限。Siemens WinCC组态软件作为图形化监视控制终端，用于实现废钢预热控制系统所有设备统一监控。

选用的SIMATIC WinCC使用最新软件技术。WinCC是Windows Control Center的简写，实现了自动化系统与IT系统之间的互联互通。WinCC按照价格和性能分级、能高效控制自动化过程的过程可视化系统。画面的切换操作采用图形动态连接，画面中所设置的功能完善，只需对画面操作就可完成监控整个机组，操作方法简单方便。当有故障报警出现时，可以通过察看报警画面，一目了然的对现场出现状况的时间、现场在岗人员、解决问题时间、以及判断问题出现后系统自动调节时间等等信息，真正实现自动化程度高水准。

所述控制器为Simatic S7-1500或S7-300PLC，采用PLC的TCP/IP、Profinet接口。

本发明采用TIA Portal 15.1控制器编程软件进行控制系统开发，该软件支持梯形图、功能块，语句表等多编程语言进行系统开发。

所述温度采集单元为温度变送器，所述压力采集单元为压力变送器，所述流量采集单元为流量计。

上面结合附图对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。