CN115065710A - 一种加热炉智慧温控pc端及移动端远程云测控*** - Google Patents

一种加热炉智慧温控pc端及移动端远程云测控*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种加热炉智慧温控PC端及移动端远程云测控***，包括数据采集模块、云端存储模块、远程模型模块、PC客户端模块和移动客户端模块；数据采集模块将轧机端数据采集到加热炉控制端中，将数据传输到云端存储模块，PC客户端和移动客户端进行读取。PC客户端对现场数据进行监控并利用远程模型模块对炉温和钢温之间的耦合关系进行解耦，得到当前工况下的炉内各钢坯温度，求得钢坯达到目标出炉温度时的最佳的烧钢炉温；移动客户端只对现场工况关键数据进行显示和统计分析，对各阀进行上限设置。本发明可随时对现场加热炉参数进行观察操作，及时处理问题保证加热炉空燃比稳定，同时实现远程智慧烧钢使其达到最佳的烧钢温度避免过烧和欠烧。

Description

一种加热炉智慧温控PC端及移动端远程云测控***
技术领域
本发明涉及大数据和数据可视化技术领域，尤其涉及一种加热炉智慧温控PC端及移动端远程云测控***。
背景技术
现代的钢坯加热炉产线越来越大型化、复杂化，远程监控可以使技术人员无需亲临现场就可以监视并控制生产***和现场设备运行状态及各种参数，从而减少值守工作人员，最终实现远端的无人或少人值守，同时降低生产成本，提高劳动生产率，随着现代工业技术的快发展，人工智能、云数据等手段在工业生产中得到了广泛的应用，对钢坯加热炉的要求也越来越趋近于数字化、智能化。加热炉的主要作用是：通过对钢坯进行预热、加热、均热改变钢坯的微观组织使其从冷钢坯转变成能够轧制的热钢坯。
目前，对于加热炉来说主要面临两个问题：一是环保问题，合理配置空燃比使其在生产过程中不出现燃气或煤气燃烧不充分而产生黑烟的现象，并且保证氮氧化物达到环保标准；二是降低能源消耗，在满足轧机轧制所要求的钢坯表面温度分布的前提下，最大限度的减少加热炉能耗和钢坯表面氧化烧损，钢坯在生产过程中主要有加热能源损耗和轧制能源损耗，二者之间存在一定的比例关系，当轧制温度降低时，轧制能耗有所增加，加热能耗有所降低，当钢坯温度过高时有可能达到钢坯熔点出现粘钢现象，不仅影响生产还造成能源的浪费，因此钢坯加热过程中在满足轧制要求温度时，合理控制钢坯温度对节能降耗、节省成本、以及减少生产中出现欠烧或粘钢现象具有重要作用。在加热炉***中合理控制空燃比尤为关键，空燃比匹配不好可能会造成钢坯在加热换向时产生黑烟，氮氧化物超标污染环境，甚至出现欠烧(出钢温度低，不满足轧制温度)和过烧现象或者使某些传感器超过其量程出现虚假数据甚至引起传感器的损坏，目前现场主要凭借人工经验去调整各个加热段的空燃比并且时刻观察操作***中各个传感器的是否异常并人工去调整，既浪费员工时间又不能保证当前燃烧是最佳的燃烧状态(氮氧化物符合标准、能源消耗最少节约成本、满足轧制温度要求)。现如今，部分工厂已经采用加热炉自动烧钢***，但目前的大部分自动烧钢***需要人为的去输入炉温设定值和空燃比设定值，根据人为输入的空燃比和设定炉温去烧钢，与完全人工控制相比，它只需要输入空燃比和设定温度，根据PID各个阀门会自动调节，使其各段的空燃比及热电偶检测的炉温趋近于设定值，但空燃比和设定温度依然凭借人工经验，并没有从根本上达到钢坯最佳的燃烧状态。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种加热炉智慧温控PC端及移动端远程云测控***，通过云数据平台对数据进行存储，建立PC及移动客户端从云平台读取数据，对现场生产状态及运行参数进行远程监控，PC客户端在监控的同时可以远程操控现场，同时根据燃气流量、空气流量、空燃比、炉温等建立钢坯温度预报及炉温设定模型，并将设定炉温通过云平台传送到现场控制***中使其加热炉达到最佳的燃烧状态实现远程闭环控制，移动客户端对向现场重要数据进行监督，对煤气消耗量和出钢数进行统计分析归纳，让工作人员在保证出钢温度的情况下，降低生产成本，同时对各个管道和汽包的压力进行上限设定，及时预警。
本发明采用的技术方案如下：
本发明所提出的一种加热炉智慧温控PC端及移动端远程云测控***，包括数据采集模块、云端存储模块、远程模型模块、PC客户端模块和移动客户端模块；
所述数据采集模块：用于对加热炉端数据和轧机端数据进行采集，一方面进行本地显示和调用，另一方面上传到云端存储模块进行远程测控；
所述云端存储模块：用于对数据采集模块采集的数据进行云端存储，并被远程设备所读取；
所述远程模型模块：用于对远程实现自动智慧烧钢，建立炉温设定、钢温预报等数学模型并将其放在云端存储模块中，从中进行读取计算，实现远程闭环控制；
所述PC客户端模块：用于对云端模块进行数据读取，将现场数据进行远程显示和控制，同时将远程模型模块计算的结果进行显示和远程设定，实现远程显示和控制；
所述移动客户端模块：用于对云端存储模块进行数据读取，并同远程模型模块计算的结果共同显示，只起到对现场进行远程监控作用。
进一步的，所述数据采集模块包括对加热炉端数据和轧机端数据的采集；加热炉端数据包括空燃比、热电偶温度、燃气流量、空气流量、风机频率、总管压力、烟气温度，通过OPC对其进行采集；轧机端数据包括轧制压力、压下量、出钢温度，通过Socket对其采集；最后将二者采集的数据共同传输到云端存储模块。
进一步的，所述云端存储模块包括云端服务器、5G数据采集器和5G数据接收器；
所述云端服务器：用于对5G数据采集器采集上来的远程数据和远程数学模型计算结果进行存储，作为远程监测和控制的中介；
所述5G数据采集器：用于将数据采集模块采集的数据传输到云端服务器的数据库中；
5G数据接收器：用于对PC客户端模块和移动客户端模块从云端服务器中读取数据，各个终端设备连接接收器对现场数据实现远程读取。
进一步的，所述远程模型模块包括SQL数据库、炉温设定模型单元和钢温预报模型单元；
所述SQL数据库：用于对远程数据和模型计算结果进行存储，供远程数据分析和远程数据历史查询；
所述炉温设定模型单元：用于根据燃气流量、空燃比、炉温建立模型，得到加热炉各段设定温度，通过手动或者自动方式将其传送到现场***实现远程自动烧钢；
所述钢温预报模型单元：用于根据出钢信号、出钢温度、炉温建立模型，得到炉内无法检测各根钢坯温度以及钢温分布，对其显示实现远程检测，同时将计算结果与出钢温度进行比对，优化炉温设定模型；
进一步的，所述PC客户端模块的界面由现场一级界面和模型二级界面组成；
通过连接大屏幕的方式对现场一级界面进行远程监控及远程操作，同时在PC客户端模块建立钢温预报和炉温设定模型，得到加热炉内无法检测到的钢坯升温曲线及烧某种规格钢坯时最佳炉温加热曲线，同时模型通过自学习不断对模型计算值进行修正，使钢坯出炉温度达到目标出钢温度；
所述模型二级界面用于显示模型计算炉温设定值、炉温设定曲线、钢温升温曲线、推钢周期、目标出炉温度以及炉内各根钢的信息及每根钢坯沿宽度方向的温度分布，并通过云端存储模块将炉温设定值远程传送到现场实现远程闭环控制。
进一步的，所述移动客户端模块界面由现场数据显示界面和煤耗查询界面组成；
现场数据显示界面用于对各段炉温、阀开度、汽包数据、各段煤气流量和空气流量进行显示，同时对各个阀门进行压力预警，当超过上限时通过手机响铃及振动的方式对人员进行提醒；
煤耗查询界面中加入统计功能，对每班组天然气消耗量、每天天然气消耗量以及对每班组钢坯量、每天出钢量进行统计、显示和查询，从而得到每根钢坯的煤气消耗量，随时随地对现场进行查看是否异常从而及时调整。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明通过云数据平台建立PC及移动客户端，使技术人员无需亲临现场就可以监视并控制生产***和现场设备运行状态及各种参数，节约人员成本，提高生产效率，同时在PC客户端对钢温和炉温之间的关系进行解耦，得到加热炉内各根钢坯温度及各段设定炉温，实现闭环自动烧钢，提高生产力降低生产成本，在移动客户端对传感器进行阀值设定并对加热钢坯数和煤气消耗量进行统计，及时提醒工作人员对现场进行调整。
附图说明
图1为本发明一种加热炉智慧温控PC端及移动端远程云测控***的模块组成示意图；
图2为远程模型模块中的数学模型的流程图；
图3为移动客户端模块的界面图；
图4为PC客户端模块的界面图；
图5为本发明一种加热炉智慧温控PC端及移动端远程云测控***的数据编码规则图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
本发明所提出的一种加热炉智慧温控PC端及移动端远程云测控***，如图1所示，所述***包括数据采集模块、云端存储模块、远程数学模型模块、PC客户端模块和移动客户端模块；数据采集模块对加热炉端和轧机端数据进行采集，通过数据接收器将数据传到云端存储模块进行存储并被放在云端存储模块的远程模型模块所调用，并将其计算结果进行存储。云端存储模块上的数据通过数据接收器被PC端和移动端所调用，进行远程监测、控制、查询等。
在数据采集模块中轧机操作端通过Socket通讯将钢坯号、钢坯出钢温度、钢坯长度、钢坯宽度、目标出钢温度等数据传送到加热炉操作端，同时与加热炉端数据例如燃气流量、空气流量、空燃比等数据绑定一起，作为整体采用接收器通过OPC上传到云端存储模块。在数据采集器和数据接收器中为了响应速度，云端存储通过5G数据采集器将数据传送到云服务器并被5G数据接收器被PC客户端模块和移动客户端模块调用。
云端存储模块用于对数据采集模块采集的数据进行云端存储，并被远程设备所读取。
在远程模型模块中主要包括钢温预报模型和炉温设定模型。炉温设定模型单元用于根据燃气流量、空燃比、炉温等建立模型，得到加热炉各段设定温度，通过手动或者自动方式将其传送到现场***实现远程自动烧钢。钢温预报模型单元用于根据出钢信号、出钢温度、炉温等建立模型，得到炉内无法检测各根钢坯温度以及钢温分布，对其显示实现远程检测。同时将计算结果与出钢温度进行比对，优化炉温设定模型。同时模型计算结果存储到云端存储模块的SQL数据库中供PC客户端模块和移动客户端模块进行历史查询。
在PC客户端模块界面中主要包括现场一级界面中全部传感器显示、二级界面中的模型计算的设定炉温、钢坯升温曲线、炉温设定曲线和炉内各个钢坯信息等，PC客户端模块可以连接大屏幕实时监控同时远程操作实现闭环控制。
在移动客户端模块的界面中主要包括关键数据显示单元、各个传感器上限值显示单元、煤耗查询单元等，主要对加热炉各段煤气流量、空气压力、空烟温度、煤烟温度、热电偶检测值、汽包压力和液位进行显示，同时对各个阀门进行压力预警，当超过上限时通过手机响铃及振动的方式对人员进行提醒，在煤耗查询界面中加入统计功能，对每班组天然气消耗量、每天天然气消耗量以及对每班组钢坯量、每天出钢量进行统计和显示和查询从而得到每根钢坯的煤气消耗量，随时随地对现场进行查看是否异常从而及时调整，只起到监控作用，方便工作人员随时进行查看，降低生产成本，提高劳动生产率。
附图2给出了远程模型模块中数学模型的流程图。在远程模型模块中建立钢坯预报和炉温设定数学模型。根据公式(1)对热电偶检测的各段炉温进行拟合得到当前工况下的炉温分布，根据公式(2)计算出钢坯温度场得到带钢整体温度分布从而得出加热炉内钢坯温度，根据目标出钢温度建立目标函数，如公式(3)所示，通过调整炉温使加热炉内钢坯温度趋近于目标出钢温度，最终求得满足轧制要求的各段设定炉温。
Ti(x)＝a0+a1x+a2x2 (1)
式中
a0、a1、a2—炉温分布函数系数；
Ti(x)-炉温；
x-距离加热炉入口处的长度。
Figure BDA0003624685530000071
式中
qi-1——钢坯第i-1层热流密度
qi+1——钢坯第i+1层热流密度
t-时间；
Δt-时间间隔；
A-钢坯单元格面积；
ρ-钢坯密度；
C-钢坯导热系数。
G(x)＝min(TM-TP) (3)
式中
G(x)-目标函数；
TM-钢坯目标出炉温度；
TP-模型计算钢坯温度。
得到加热炉达到最佳燃烧温度，并通过云端存储模块传递给现场的加热炉端，实现远程闭环控制。移动客户端模块对现场数据进行显示的同时对各管道传感器进行阈值设定，根据推钢周期对加热钢坯数及煤气消耗量进行统计。对炉内钢坯温度进行预报同时得出加热当前钢坯规格所需炉温，从而实现远程闭环控制自动烧钢，首先从云平台读取钢坯信息、空气流量、煤气流量、各段炉温、目标出钢温度等数据被机理数学模块单元读取，对钢坯沿宽度和厚度方向进行网格划分，考虑对流和辐射根据二维非稳态导热方程
Figure BDA0003624685530000072
和边界条件方程
Figure BDA0003624685530000073
{其中a为比热容，λ为钢坯导热系数，t为钢坯温度，tf为炉温}建立二维钢坯温度场模型得到钢坯横向温度分布Td(x)，对钢坯每个网格温度进行加权得到最终钢坯温度，根据每根钢坯在炉时间的不同可以计算出加热炉中各根钢坯温度，从而得到加热炉中钢坯升温曲线，同时根据出钢目标温度与模型计算温度建立上述(3)所示的目标函数运用鲍威尔求得G(x)的最小值从而获得满足轧制要求的较优的设定炉温，同时根据大数据利用指数平滑法(4)对模型计算的设定炉温进行修正。
Figure BDA0003624685530000081
式中
Tzj+1-根据j各钢坯自学习后的j+1次温度计算值；
Tmj+1-j+1次模型计算的温度数值；
Tmj-第j次模型计算炉温值；
Tsj-第j次炉温实际值；
Xj-第j各钢坯自学习的修正系数值；
α-平滑系数。
附图3给出了移动客户端模块的界面图。移动客户端模块的界面中主要由现场关键数据显示主界面和煤耗查询界面组成，移动客户端界面主要对现场数据进行显示、统计和查询，并不实现远程操作，在主界面中主要对加热炉各段煤气流量、空气压力、空烟温度、煤烟温度、热电偶检测值、汽包压力和液位进行显示，同时对各管道和汽包液位和压力进行上限设置，当实际值超过上限值时，通过响铃及振动的方式提醒工作人员及时处理。在煤耗查询界面中，根据推钢信号对每个班组、每天、每月烧钢数进行统计，方便查看每个班组的生产效率及产量是否符合生产计划，同时运用统计学原理对煤气的消耗量进行统计，根据烧钢数可知每根钢所需的煤气量，根据实际需求进行调整，避免煤气浪费降低生产成本。
附图4给出了PC客户端模块的界面图。PC客户端模块的界面由现场一级数据显示界面和数学模型展示界面，在现场一级数据显示界面中主要对各段温度、煤气流量、空气流量、换向时间及各个阀门开度等进行远程监控和远程操作，当某个传感器出现故障时进行语音提示。数学模型展示界面中主要对设定炉温，钢坯升温曲线、理想炉温曲线，推钢周期、钢坯信息等进行显示，在主页面点击智慧烧钢时将模型计算出的炉温值传送到云平台进而传到现场***实现远程闭环控制，在钢坯追踪界面中显示炉内钢坯，点击任意钢坯则会显示该钢坯的长、宽、在炉时间、当前温度等信息，工作人员通过观察炉内钢坯温度来判断是否符合轧机轧制的钢坯温度从而进行调整，同时输入任意根数钢坯，会显示钢坯沿宽度的方向分布，根据钢坯端部与中部之间的温差对炉温进行调整。
在图5中示出了一种加热炉智慧温控PC端及移动端远程云测控***数据编码规则图。在加热炉中数据量比较大，在云储存中云平台需要的数据点位非常多，为了保证在有限的数据点位情况下存储大量数据采用以下规则，将3个数据甚至更多数据转变成二进制并通过取反方式对其加密，并通过“+”运算符将数据进行连接并转换成字符串将其存储在PLC所建立的数据块中，通过云储存储模块中的5G数据采集器将其存储到云端服务器，通过这种规则减少云平台数据点位的浪费，同时对数据进行加密保证数据安全。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种加热炉智慧温控PC端及移动端远程云测控***，其特征在于：所述***包括数据采集模块、云端存储模块、远程模型模块、PC客户端模块和移动客户端模块；
所述数据采集模块：用于对加热炉端数据和轧机端数据进行采集，一方面进行本地显示和调用，另一方面上传到云端存储模块进行远程测控；
所述云端存储模块：用于对数据采集模块采集的数据进行云端存储，并被远程设备所读取；
所述远程模型模块：用于对远程实现自动智慧烧钢，建立炉温设定、钢温预报等数学模型并将其放在云端存储模块中，从中进行读取计算，实现远程闭环控制；
所述PC客户端模块：用于对云端模块进行数据读取，将现场数据进行远程显示和控制，同时将远程模型模块计算的结果进行显示和远程设定，实现远程显示和控制；
所述移动客户端模块：用于对云端存储模块进行数据读取，并同远程模型模块计算的结果共同显示，只起到对现场进行远程监控作用。
2.根据权利要求1所述的一种加热炉智慧温控PC端及移动端远程云测控***，其特征在于：所述数据采集模块包括对加热炉端数据和轧机端数据的采集；加热炉端数据包括空燃比、热电偶温度、燃气流量、空气流量、风机频率、总管压力、烟气温度，通过OPC对其进行采集；轧机端数据包括轧制压力、压下量、出钢温度，通过Socket对其采集；最后将二者采集的数据共同传输到云端存储模块。
3.根据权利要求2所述的一种加热炉智慧温控PC端及移动端远程云测控***，其特征在于：所述云端存储模块包括云端服务器、5G数据采集器和5G数据接收器；
所述云端服务器：用于对5G数据采集器采集上来的远程数据和远程数学模型计算结果进行存储，作为远程监测和控制的中介；
所述5G数据采集器：用于将数据采集模块采集的数据传输到云端服务器的数据库中；
5G数据接收器：用于对PC客户端模块和移动客户端模块从云端服务器中读取数据，各个终端设备连接接收器对现场数据实现远程读取。
4.根据权利要求3所述的一种加热炉智慧温控PC端及移动端远程云测控***，其特征在于：所述远程模型模块包括SQL数据库、炉温设定模型单元和钢温预报模型单元；
所述SQL数据库：用于对远程数据和模型计算结果进行存储，供远程数据分析和远程数据历史查询；
所述炉温设定模型单元：用于根据燃气流量、空燃比、炉温建立模型，得到加热炉各段设定温度，通过手动或者自动方式将其传送到现场***实现远程自动烧钢；
所述钢温预报模型单元：用于根据出钢信号、出钢温度、炉温建立模型，得到炉内无法检测各根钢坯温度以及钢温分布，对其显示实现远程检测，同时将计算结果与出钢温度进行比对，优化炉温设定模型。
5.根据权利要求4所述的一种加热炉智慧温控PC端及移动端远程云测控***，其特征在于：所述PC客户端模块的界面由现场一级界面和模型二级界面组成；
通过连接大屏幕的方式对现场一级界面进行远程监控及远程操作，同时在PC客户端模块建立钢温预报和炉温设定模型，得到加热炉内无法检测到的钢坯升温曲线及烧某种规格钢坯时最佳炉温加热曲线，同时模型通过自学习不断对模型计算值进行修正，使钢坯出炉温度达到目标出钢温度；
所述模型二级界面用于显示模型计算炉温设定值、炉温设定曲线、钢温升温曲线、推钢周期、目标出炉温度以及炉内各根钢的信息及每根钢坯沿宽度方向的温度分布，并通过云端存储模块将炉温设定值远程传送到现场实现远程闭环控制。
6.根据权利要求5所述的一种加热炉智慧温控PC端及移动端远程云测控***，其特征在于：所述移动客户端模块界面由现场数据显示界面和煤耗查询界面组成；
现场数据显示界面用于对各段炉温、阀开度、汽包数据、各段煤气流量和空气流量进行显示，同时对各个阀门进行压力预警，当超过上限时通过手机响铃及振动的方式对人员进行提醒；
煤耗查询界面中加入统计功能，对每班组天然气消耗量、每天天然气消耗量以及对每班组钢坯量、每天出钢量进行统计、显示和查询，从而得到每根钢坯的煤气消耗量，随时随地对现场进行查看是否异常从而及时调整。
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