热轧产线通用机械智能节能控制系统和方法与流程

本发明涉及冶金行业领域的产线节能，特别涉及一种热轧产线通用机械智能节能控制系统和方法。

背景技术：

冶金行业是能耗大户，其中的通用机械，如风机、水泵、压缩机，是各产线电耗的主要设备，据不完全统计，这三种设备占企业总电耗的37％以上，系统地节能有助于企业的节能减排和增强竞争力。热轧生产线生产钢板、钢卷及各种型材，通过对高温轧件进行挤压成型，并冷却得到成品。加热轧件需要供空气(氧气)并排除废气，高温轧件表面的氧化铁皮和轧制中产生的烟尘也需要清除，与轧件接触设备还需冷却来保证其连续生产，在形成成品时还需通过风冷或水冷降温以便运输和存放，同时，设备运转和做功过程中也会产生大量热量，需要及时带走以保证设备正常运转，因此产线上具有多套提供风、水、气的通用机械系统，包括净循环水系统、浊循环水系统(含除鳞水系统、层流冷却水系统、轧机冷却水系统、辊道冷却水系统、浊环水处理系统)、加热炉送引风机系统、主电机冷却风机系统、轧机除尘风机系统、压缩空气系统等，它们作为产线的辅助生产系统，始终长期连续运行，能耗十分可观。通常情况下，设计这些系统时需按生产线的最大需求量进行设计，致使系统输送能力有富余。生产状况的变化、环境的变化、设备状态的变化，使得产线对水、风、气的经济需求是经常变化的，但实际情况是这些通用机械系统的运行与产线的运行状况往往是脱节的，经常维持某种状况运行，如保持母管压力稳定，启动后就始终运行，所有调节阀门全部开启等等，致使浪费了很多不必要的能量。而且，水、风、气的控制系统和轧钢生产线的自动化控制系统也往往是各自独立的，缺少信息交互，致使供需经常不平衡，能源消耗有浪费。

附图1是现有轧机主电机冷却风机的系统图。为了带走轧机主电机1运行中产生的热量，在其顶上设置了多台主电机冷却风机2，这些主电机冷却风机2由配电柜3提供电源，并在控制单元4的控制下长期恒速运行。通常在轧机主电机1启动前，主电机冷却风机2就启动运行，直至轧机主电机1停止若干时间后才停止。主电机冷却风机2往往只有启停控制。实际上轧机主电机1一般只在轧钢时负荷很大，其它时候负荷低，发热量也少，需要带走的热量相应也少，可主电机冷却风机2却始终高速运转，能耗基本不变。如果将主电机冷却风机2的运转速度与轧机主电机1的负荷状况、环境状况匹配起来，则可节省大量电能。

附图2是现有轧线层流冷却水工艺流程图。层流冷却水系统为精轧机后层流冷却水区域的轧件降温。层流冷却水来自冷水池5，由层流冷却供水泵6加压后送车间内高位水箱7，再经高位水箱7流至层流冷却喷头8喷出。冷却完轧件后的层流冷却水再经由铁皮沟9回到热水池11中，热水池11中的水再由热水泵10送至过滤器12和冷却塔13，回到冷水池5中，完成整个水循环过程。正常情况下，当层流冷却区域有轧件通过时才需要层流冷却水，当没有轧件通过时则不需要冷却水，而且，不同的轧件和生产工艺对冷却水的需要也不相同。当不需要层流冷却水时，层流冷却供水泵6除补充高位水箱7存水外，其余的水由高位水箱7内的溢流管流出，也由铁皮沟9流回至热水池11，这就造成这段时间层流冷却供水泵6耗费的能源多数被浪费掉。如果将层流冷却供水泵6的运行与层流冷却水需求匹配起来，则可节省大量电能。

综上所述，为了进一步降低热轧产线通用机械系统的能源消耗，有必要将轧线对水、风、气的经济需求与供给这些介质的通用机械系统的运行紧密结合起来，这就涉及轧线通用机械的智能节能控制系统和方法。

实际上，通过一次性采集生产工艺信息、轧件信息、轧件位置信息、温度信息、压力信息、轧机负载信息，就可以实现对水、风、气供给系统的综合控制，如根据轧线上轧件信息和轧件的位置信息就可以预知即将需要的除鳞水系统中的除鳞水量和除鳞泵变频器的运行频率，同时也可以预判轧机除尘系统中的除尘风机将需在多长时间后达到正常转速，还可以决定控冷的压缩空气系统中的压缩空气的调节阀需在什么时间开启或开多大开度，等等，而不必设置如除鳞泵节能控制系统、轧机除尘风机节能控制系统、压缩空气节能控制系统等多套控制系统，但每套系统都需重复采集同样的信息。正是基于这样的一次性采集、综合应用，实现节能的思路，本发明提出了一种热轧产线通用机械智能节能控制系统和方法。

技术实现要素：

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种热轧产线通用机械智能节能控制系统和方法，用于解决热轧生产线上，生产状况的变化、环境的变化、设备状态的变化所引起的轧线对水、风、气的生产需求的变化，未能与水、风、气能介供给系统密切关联起来而导致的水、风、气能介供给系统能耗高的问题，也同时解决了那种通过设立多套单独针对某种介质的节能控制系统，但需重复采集同样信号所引起的投资成本较高的问题。

为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提供的一种热轧产线通用机械智能节能控制系统，包括现场监控单元、智能节能控制单元和通信单元，其中：

所述现场监控单元，用于收集热轧产线的实时数据信息并接收控制指令对被控对象进行控制；

所述智能节能控制单元，用于接收轧线数据，并分析得到控制信息，对轧线通用机械系统进行控制，做到按需供给水、风、气；

所述通信单元，用于将所述现场监控单元所采集的热轧产线的实时数据传送给所述智能节能控制单元，并把所述智能节能控制单元所发出的控制指令传送给所述现场监控单元。

优选的，所述现场监控单元收集的热轧产线的实时数据信息包括生产工艺信息、轧件信息、轧件实时位置信息、实时温度信息、实时压力信息、轧机负载信息和通用机械系统信息。

优选的，所述智能控制单元内部包含数学模型，所述数学模型包括管路阻力模型、加热炉送引风机系统输出风量与运行台数和转速的关系模型、各除鳞点用水量与喷射压力的关系模型、各轧机负荷与其发热量的关系模型、轧件温度与层流冷却水量关系模型、层流冷却水系统送水量与运行台数和转速的关系模型。

优选的，所述通用机械系统包括水泵系统、风机系统和压缩机系统，其中：

所述水泵系统包括轧线净循环冷却水系统和浊循环冷却水系统；

所述风机系统包括加热炉送引风机系统、主电机冷却风机系统和轧机除尘风机系统；

所述压缩机系统包括压缩空气系统。

进一步的，所述浊循环冷却水系统包括除鳞水系统、层流冷却水系统、轧机冷却水系统、辊道冷却水系统和浊环水处理系统。

优选的，所述控制信息包括调速装置的速度或频率，调节阀的开度或位置，通用机械的开启数量。

优选的，所述智能节能控制单元包括人机交互接口，用于实现智能自动运行或进行人工干预。

本发明还提供了一种热轧产线通用机械智能节能控制方法，包括以下步骤：

S1:根据轧线上的生产工艺信息、轧件信息、轧件实时位置信息、实时温度信息、实时压力信息、轧机负载信息、通用机械系统信息，通过数学模型分析确定出轧线对水、风、气的生产需求；

S2:给出对应供给系统通用机械的调速信息和调节阀开度或位置的前馈控制信息；

S3:结合通用机械系统实时反馈信息进行调节控制，使轧线净循环冷却水系统、浊循环冷却水系统、加热炉送引风机系统、主电机冷却风机系统、轧机除尘风机系统、压缩空气系统在保证工艺要求下持续节能运行。

进一步的，步骤S3中所述反馈信息包括压力、温度和液位。

进一步的，步骤S3中所述浊循环冷却水系统包括除鳞水系统、层流冷却水系统、轧机冷却水系统、辊道冷却水系统和浊环水处理系统。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1)本发明提供的热轧产线通用机械智能节能控制系统做到了将轧线实时信息与水、风、气能介供给系统的运行紧密结合起来，能够同时实现水、风、气能介供给系统的整体节能降耗；

2)本发明提供的热轧产线通用机械智能节能控制系统通过一次性收集轧线生产信息，经综合性分析，给出水、风、气能介供给系统的智能节能控制指令，避免了通过建立多套系统，重复收集同样的信号所导致的费用增加；

3)本发明提供的热轧产线通用机械智能节能控制系统实现轧线对水、风、气能介供给系统的统一控制，有助于进一步优化系统实现更经济的运行；

4)本发明提供的热轧产线通用机械智能节能控制方法有助于推广应用到类似产线上实现智能节能控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：

图1为现有轧机主电机冷却风机的系统图；

【图1中符号标记】1-轧机主电机；2-主电机冷却风机；3-配电柜；4-控制单元；

图2为现有轧线层流冷却水工艺流程图；

【图2中符号标记】5-冷水池；6-层流冷却供水泵；7-高位水箱；8-层流冷却喷头；9-铁皮沟；10-热水泵；11-热水池；12-过滤器；13-冷却塔；

图3为本发明提供的热轧产线通用机械智能节能控制系统结构设计示意图。

【图3中符号标记】14-感测元件；15-轧线自动化系统；16-除鳞喷射阀；17-轧件；18-轧线；19-送风机；20-加热炉；21-除鳞箱；22-引风机；23-现场监控单元；24-粗轧机；25-主电机；26-主电机冷却风机；27-除尘风机；8-除尘器；29-烟囱；30-烟尘收集罩；31-高位水箱；32-层流冷却喷头；33-控冷喷头；34-卷取机；35-铁皮沟；36-空气压缩机；37-热水泵；38-过滤器；39-冷却塔；40-热水池；41-精轧机；42-冷水池；43-人机交互接口；44-智能节能控制单元；45-调节阀；6-层流冷却水泵；47-轧机冷却水泵；48-低压浊环供水泵；49-除鳞泵；50-通信单元；

图4为本发明提供的热轧产线通用机械智能节能控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例的附图更详细地描述本发明的技术方案。然而，本发明可以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层级区域的尺寸及相对尺寸。

本发明的主要思想是：通过集中实时采集热轧生产线的生产工艺信息、轧件信息、轧件实时位置信息、实时温度信息、实时压力信息、轧机负载信息、通用机械系统信息，根据数学模型分析，确定出轧线对水、风、气的生产需求，给出对应供给通用机械系统的调速信息和调节阀开度或位置等前馈控制信息，并结合通用机械系统实时反馈信息给出调节控制指令，从而实现轧线信息的充分利用和在满足轧线工艺需求的前提下实现水、风、气能介供给系统的节能降耗和集中监控。

实施例一

参考图3所示，该热轧产线通用机械智能节能控制系统包括：现场监控单元23，智能节能控制单元44和通信单元50。

所述现场监控单元23，用于从轧线18上实时获取数据信息，所述数据信息包括但不限于生产工艺信息(如轧件出炉温度、烧嘴进口风压、空燃比、炉内压力范围、轧件轧制道次和除鳞道次、各除鳞点喷头参数、轧机性能参数、轧制节奏、辊道速度、各段辊道长度宽度等)、轧件信息(如长、宽、高尺寸，重量，钢种等)、轧件实时位置信息、实时温度信息(如轧件温度、环境温度、主电机内部温度、冷却水供水回水温度等)、实时压力信息、轧机实时负载信息(包含粗轧机24和精轧机41)、通风机械系统信息(如设备参数、压力、流量、温度、运行台数、运行转速、风(阀)门开度、运行电流等)等。上述数据信息的获得方式，除通过感测元件14检测获得外，还可通过轧线自动化系统15采集，人工经人机交互接口43录入，计算机模型计算获得。

所述现场监控单元23，还能接收智能节能控制单元44发出的，并通过通信单元50发来的控制指令，对被控对象进行控制。一种实施例中，智能节能控制单元44可直接发控制指令给现场监控单元23。

所述智能节能控制单元44，用于接收轧线18实时数据，并分析得到控制信息，对轧线18相关通用机械系统进行控制，做到按需供给水、风、气。所述智能控制单元44内部包含数学模型，这些模型包括但不限于各种管路阻力模型、加热炉送引风机系统输出风量与运行台数和转速的关系模型、各除鳞点用水量与喷射压力的关系模型、各轧机负荷与其发热量的关系模型、轧件温度与层流冷却水量关系模型、层流冷却水系统送水量与运行台数和转速的关系模型等。

所述智能节能控制单元44进一步包括：可由上述模型分析得出轧线18对水、风、气能介的生产需求，并给出对应供给通用机械系统的调速信息和调节阀开度或位置等前馈控制信息，并能结合通用机械系统实时反馈信息给出调节控制指令。

所述智能节能控制单元44所能控制的通用机械系统包括但不限于：水泵系统、风机系统和压缩机系统，其中：

所述水泵系统包括轧线净循环冷却水系统和浊循环冷却水系统，所述浊循环冷却水系统进一步包括除鳞水系统、层流冷却水系统、轧机冷却水系统、辊道冷却水系统、浊环水处理系统；

所述风机系统包括加热炉送引风机系统、主电机冷却风机系统和轧机除尘风机系统；

所述压缩机系统包括压缩空气系统。

所述智能节能控制单元44中的控制信息包括调速装置的速度或频率，调节阀的开度或位置，通用机械的开启数量等。所述智能节能控制单元44与所述通用机械系统所结合的实时反馈信息，包括但不限于压力、温度、液位。

所述智能节能控制单元44中还进一步包括人机交互接口43，可实现智能自动运行，也可进行人工干预，既能显示各个系统的状态信息、趋势信息，还具有事件记录功能。

所述通信单元50，用于将现场监控单元23，或经与轧线自动化系统15通信，所采集的热轧产线的实时数据传送给智能节能控制单元44，并把智能节能控制单元44所发出的控制指令传送给现场监控单元23。所述通信单元50包括软件和硬件的组合，可以采用有线，如光纤以太网、普通以太网、现场总线、硬线等，及无线连接形式进行通信。

在一套热轧产线通用机械智能节能控制系统中可以有多台通信单元50和多台现场监控单元23。

结合本实施例，该热轧产线通用机械智能节能控制系统的运行过程如下：

1、智能节能控制单元44在收集到加热炉20所需的送风风压等信息后，根据管路阻力模型得到送风机19应输出的风量，再通过送风机19的风量与运行台数和转速的关系模型，得出送风机19的控制信息，结合送风机19系统中的压力反馈，经现场监控单元23向送风机19系统发送调速和/或开停机指令，从而实现加热炉送风机系统的送风风量按需供给，同时实现系统节能；

2、智能节能控制单元44在收集到加热炉20的炉内压力等信息后，根据管路阻力模型得到引风机22应输出的风量，再通过引风机22的风量与运行台数和转速的关系模型，得出引风机22的控制信息，结合引风机22系统中的压力反馈，经现场监控单元23向引风机22系统发送调速和/或开停机指令，从而实现加热炉引风机系统的风量按需抽取，同时实现系统节能；

3、智能节能控制单元44在收集到轧件17的实时位置、辊道速度、钢种等信息后，判断出轧件17将在数秒到达除鳞箱21，再根据除鳞水系统的压力信号，判断需要立即提升低压浊环供水泵48系统的供水能力，则通过向现场监控单元23发送调速指令或阀门开启指令或启泵指令，使低压浊环水系统满足供给要求。同时，也通过现场监控单元23向除鳞泵49发出转速提升指令，向除鳞喷射阀16发送开启指令。当除鳞结束时及时向除鳞喷射阀16发送关闭指令，并向低压浊环供水泵48和除鳞泵49发送调速指令或阀门关闭指令或停泵指令，使除鳞水系统的供给满足生产要求，同时实现系统节能；

4、智能节能控制单元44在收集到轧件17的实时位置、辊道速度、钢种等信息后，判断出轧件17将在数秒到达粗轧机24(或精轧机41)，并通过轧机负荷与其发热量的关系模型，分析得出该次轧制将产生多少热量，需要通过主电机冷却风机26带走多少热量，从而通过现场监控单元23向主电机冷却风机26发出转速提升指令，使主电机冷却风机系统的风量满足主电机25的冷却要求，同时实现系统节能；

5、智能节能控制单元44在收集到轧件17的实时位置、辊道速度、钢种等信息后，判断出轧件17将在数秒到达粗轧机24(或精轧机41)，并通过轧机负荷与其发热量的关系模型，分析得出该次轧制将产生多少热量，需要通过轧机冷却水系统带走多少热量，从而通过现场监控单元23向轧机冷却水泵47发出调速指令或阀门开启指令或启泵指令，使轧机冷却水系统满足主电机25的冷却要求，同时实现系统节能；

6、智能节能控制单元44在收集到轧件17的实时位置、辊道速度、钢种等信息后，判断出轧件17将在数秒到达精轧机41，从而通过现场监控单元23向除尘风机27发出调速指令，使轧机除尘风机系统的除尘风量满足生产工艺要求，同时实现系统节能,轧机除尘风机系统的工艺流程为：含尘空气由烟气收集罩30收集并被送至除尘器28中除去大部分的烟尘，再经由除尘风机27送出至烟囱29排向大气；

7、智能节能控制单元44在收集到轧件17的实时位置、辊道速度、钢种、实时温度、高位水箱31的液位等信息后，判断出轧件17将在数秒到达层流冷却区域，并通过轧件温度与层流冷却水量关系模型，分析得出所需的层流冷却水量，进而由层流冷却水系统送水量与运行台数和转速的关系模型得出控制信息，并结合高位水箱31的液位反馈和卷取机34处轧件17的温度反馈信息，通过现场监控单元23向层流冷却水泵46发出调速指令或阀门开启指令或启泵指令，使层流冷却水系统满足轧件17的冷却要求，同时实现系统节能,层流冷却水系统的工艺流程为：冷水池42中的冷却水由层流冷却水泵46抽取，经由调节阀45，被送至高位水箱31暂时存储，当需要层流冷却时，由层流冷却喷头32喷出，吸收热量后或自高位水箱31溢流后流至铁皮沟35，由铁皮沟35收集的热水回到热水池40，热水再经处理(如除去粗颗粒、油污，添加阻垢剂、灭藻剂等)后由热水泵37升压后被送至过滤器38过滤后，再送至冷却塔39进行冷却，冷却后的水再回到冷水池42，完成整个水循环过程；

8、智能节能控制单元44在收集到轧件17的实时位置、辊道速度、钢种、实时温度等信息后，判断出轧件17将在数秒到达压缩空气冷却区域，结合控冷喷头33处的压力信息，分析得出所需的压缩空气流量，从而通过现场监控单元23向空气压缩机36发出调速指令或阀门开启指令，使压缩空气系统供应满足轧件17的冷却要求，同时实现系统节能；

9、智能节能控制单元44在收集到热水池40(水源来自由铁皮沟35收集的层流冷却水、低压浊环冷却水、轧机冷却水)实时液位信息后，判断出液位将超出工艺确定的范围，从而通过现场监控单元23向热水泵37发出调速指令或阀门开启指令或启泵指令，使浊环冷却水系统中的热水池40的液位满足工艺要求，同时实现系统节能。

由热轧产线通用机械智能节能控制系统的运行过程可以看出，很多轧线信息一次采集后可为多套通用机械系统同时使用，既满足了将轧线实时信息与水、风、气能介供给系统的运行紧密结合起来，实现整体节能降耗的要求，也避免了建立多套系统并多次重复收集同样的信号导致的费用增加，同时，也为同样的技术向其它领域推广提供借鉴意义。

实施例二

参考图4，本发明另外公开了一种热轧产线通用机械智能节能控制方法，包括以下步骤：

S1:根据轧线上的生产工艺信息、轧件信息、轧件实时位置信息、实时温度信息、实时压力信息、轧机负载信息、通用机械系统信息，通过数学模型分析确定出轧线对水、风、气的生产需求；

S2:给出对应供给系统通用机械的调速信息和调节阀开度或位置的前馈控制信息；

S3:结合通用机械系统实时反馈信息进行调节控制，使轧线净循环冷却水系统、浊循环冷却水系统、加热炉送引风机系统、主电机冷却风机系统、轧机除尘风机系统、压缩空气系统在保证工艺要求下持续节能运行。

其中，步骤S3中所述反馈信息包括压力、温度和液位。同时，步骤S3中所述浊循环冷却水系统包括除鳞水系统、层流冷却水系统、轧机冷却水系统、辊道冷却水系统和浊环水处理系统。

本技术领域的技术人员应理解，本发明可以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。