CN1811641A - 节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置及其节能控制方法 - Google Patents

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刘强
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Abstract

节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置及其节能控制方法，包括信号采集装置、电能质量控制器，可编程控制器、可视化操作装置、模糊控制器、车间控制站、工程师控制站和能源管理站，各部分之间实行电连接或信号连接；本发明突破钢铁工业现有控制技术，集成了网络通信技术、计算机硬件技术、变频技术、智能模糊控制技术、嵌入式***技术、现场总线技术、组态软件技术及数据库技术，融入了先进节能算法和建立钢铁能源优化模型。本发明具有设计合理、技术含量高、稳定可靠、节能效果好、管理方便，分析准确、诊断、维修方便的特点。

Description

节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置及其节能控制方法
(一)技术领域
本发明涉及一种能源管理、能效分析及预测的智能化节能控制装置，尤其是一种节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置及其节能控制方法。
(二)背景技术
从1980年以来，中国钢铁工业能源消耗一直占全国总能耗的10％左右，随着中国经济的发展，全国总能耗在逐年增长，钢铁工业能耗也呈上升趋势，但中国钢铁能源利用率和国际水平相比相差甚远，钢铁工业具有很大的节能潜力。目前，中国的钢铁工业控制技术***主要是分布式集散控制***、PLC控制***及传统的智能仪表控制***，这些***仅仅是实现钢铁工业各生产线的集中控制，没有能源优化模型，不能实现对钢铁企业能源进行集中管理、分析及预测，因此钢铁企业对能源管理无法实现能源综合平衡、合理分配及优化控制，更是无法提供经济运行节能方案。
虽钢铁行业目前大多都采用了变频技术及计算机技术，但目的只是为了实现单一的集中控制，监控主设备运行状况、操作命令及设置***参数等，不具有能源优化模型及先进节能技术，钢铁企业设备不能按需耗能，使能源合理利用。
(三)发明内容
针对钢铁行业现有技术的不足，本发明提供一种设计合理、技术含量高、稳定可靠、节能效果好、管理方便，分析准确，诊断、维修方便的节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置。
一种节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置，包括信号采集装置、电能质量控制器，可编程控制器、可视化操作装置、模糊控制器、车间控制站、工程师控制站和能源管理站，信号采集装置包括数据采集模块与采集温度信号、湿度信号、压力信号、流量信号、液位信号、风速信号和电能信号的传感器，信号采集装置通过屏蔽电缆与对应的传感器连接，信号采集装置和可编程控制器通过***总线连接，电能质量控制器和电流互感器及A相、B相、C相电压输出线连接，电能质量控制器通过RS485通讯和可编程控制器连接，模糊控制器通过电缆和可编程控制器D/A模块连接，可编程控制器通过RS485总线和车间控制站连接，车间控制站通过通讯电缆接入企业区域网和工程师控制站连接，工程师控制站通过通讯电缆和能源管理站连接。
所述的信号采集装置是综合数据采集模块，综合数据采集模块与可编程控制器连接；综合数据采集模块使用欧姆龙生产CS1W-AD081；传感器包括温、湿度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器、风速传感器，电流互感器，温度传感器用欧姆龙生产的E52-P6D型Pt100热电阻，湿度传感器用BTHS-3型支持0-10V/4-20MA标准信号输出的传感器，压力传感器使用昆仑海岸的JYB-K系列，流量传感器使用昆仑海岸的LUGB系列，液位传感器使用昆仑海岸的JCS系列，风速传感器使用前景惠邦温室控制技术公司的LT/FS系列，电流互感器是德力西的LM系列。
所述的电能质量控制器是由电能质量检测器和谐波控制器组成，电能质量检测器通过RS485总线和可编程控制器连接，谐波控制器和可编程控制器的模拟量模块连接，电能质量检测器是金洲科瑞的利马先锋-III/DM-200，谐波控制器是金洲科瑞的利马先锋-III/JZ-Q谐波滤波器。
所述的可编程控制器由电源模块、中央控制器、数字量模块、模拟量模块及通讯模块组成，可编程控制器和电源模块、数字量模块及模拟量模块直接相连，通讯模块与中央控制器通过欧姆龙***总线连接，同时与可视化操作装置通过串行通讯电缆连接，可编程控制器用欧姆龙生产的CS1系列。
所述的可视化操作装置由高性能嵌入式一体化工控机、笔记本硬盘和打印机组成，笔记本硬盘通过PCMCIA接口与嵌入式一体化工控机连接，打印机通过打印机电缆与嵌入式一体化工控机的USB接口连接，高性能嵌入式一体化工控机用昆仑通态公司生产的TPC105-TC33，笔记本硬盘和打印机采用市售产品。
所述的模糊控制器由模糊控制模块及变频器组成，模糊控制模块通过欧姆龙***总线与可编程控制器连接，同时通过屏蔽通讯电缆和变频器连接，变频器采用西门子MicroMaster 440系列或ABB ACS800系列或芬兰瓦肯的NX系列或三垦P系列。
所述车间控制站是由工控机和打印机组成，工控机是研华科技的IPC610H整机，打印机是HP 1010，打印机通过电缆和工控机连接，自主研发的能效分析控制软件安装在车间控制站的工控机上，可编程控制器与车间控制站工控机是通过485总线连接，车间控制站与工程师控制站是通过企业局域网连接。
所述工程师控制站是由服务器和打印机组成，工程师控制站服务器是选用DELL服务器，自主研发的能效分析控制软件安装在工程师控制站的服务器上，工程师控制站通过局域网和车间控制站及能源管理站连接。
所述能源管理站是由电脑和打印机组成，自主研发的能效分析控制软件安装在能源管理站的计算机上，能源管理站通过开放的数据接口和工程师控制站连接。
本发明工作过程如下：
***启动，进入能效分析控制软件控制画面，工作人员可选择节能运行方式和工频运行方式。在节能运行方式下：通过***信号采集装置采集现场信号与专家数据库***参数比较，通过可编程控制器运算出偏差，由偏差决定***选择智能模糊节能控制方式1或智能模糊节能控制方式2。智能模糊节能控制方式1：当偏差＜0时，选择智能模糊节能控制方式1，在保证终端负载需求的情况下，专家数据库参数和当前运行参数比较运算，得到偏差，然后将偏差数据反馈，再经过比例积分微分(PID)运算，得出最佳运行参数，再经过模糊控制器整定输出给控制设备，从而使设备始终运行在最佳状况，达到最优控制。智能模糊节能控制方式2：当偏差＞＝0时，选择智能模糊节能控制方式2，在保证终端负载需求的情况下，专家数据库参数和当前运行参数比较运算，得到偏差，然后将偏差数据回馈，再经过比例积分微分(PID)运算，得出最佳运行参数，再经过模糊控制器整定输出给控制设备，从而使设备始终运行在最佳状况，达到最优控制。能效分析控制软件对钢铁企业的每台设备的能源消耗按天统计、月统计及年统计，并且根据用户给定能源价格计算能源成本，并自动生成报表及曲线；能效分析控制软件对所有能耗进行分析，与同期能耗进行比较，并且运算出能效数据通过总线输出给可编程控制器，为可编程控制器进行能耗控制提供依据，能效数据可以曲线和棒图的形式表示；能效分析控制软件把设备能耗数据及其它重要参数自动生成时报表、日报表、月报表及年报表进行管理，还提供故障预警、报警、自诊断、打印功能，保障***稳定安全运行。能效分析控制软件记录设备启动及停止时间、设备节能及工频运行累计时间，计算节电率及节约成本，使用户实时掌握***设备能耗情况，方便成本管理、控制。
上述节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置的节能控制方法如下：
(1)设备启动，确定节能控制或工频控制；
(2)节能控制时，根据控制信号判断模糊节能控制方式或手动节能控制方式；
(3)在模糊节能控制方式下，***数据采集装置采集现场参数，对温、湿度、流量、压力、液位、风速、供电电压，电流、电能质量等环境参数进行分析，同时进行能效分析；
(4)对步骤(3)和(7)的分析结果综合计算偏差；
(5)根据步骤(4)得出的偏差，确定模糊控制方式：偏差＞＝时，选择智能模糊控制方式1，偏差＜0时，选择智能模糊控制方式2；
(6)由步骤(5)决定设备智能模糊控制方式1，***进行智能模糊控制计算，并自动采集设备运行参数；
(7)由步骤(6)或(8)采集的设备运行参数，综合环境及***参数进行相应处理，得出运行偏差并将运行偏差发送给步骤(4)；
(8)由步骤(5)决定备智能模糊控制方式2，***进行智能模糊控制计算，并自动采集设备运行参数；
(9)由步骤(5)选择手动节能控制方式，***由工作人员操作方式运行；
(10)设备输出最优值；
(11)停止信号，控制过程结束；不停止信号返回步骤(3)。
本发明一方面实现对钢铁工业各***能耗设备的集中控制，优化各子***之间的协调工作，使钢铁工业各***能效达到最佳状况，从而提高钢铁工业的能源效率；另一方面对能源信号进行在线自动监测和补正计算，能效分析控制软件对能源数据进行收集、统计、计算和汇总分析能源数据，为用户提供曲线、报表管理及故障预测，及时向调度人员和领导提供能源信息和情报，以便做出相应的节能决策，提高钢铁工业设备的管理整体水平及能源管理水平。
本发明突破钢铁工业现有控制技术，集成了网络通信技术、计算机硬件技术、变频技术、智能模糊控制技术、嵌入式***技术、现场总线技术、组态软件技术及数据库技术，融入了先进节能算法和建立钢铁能源优化模型。
本发明具有设计合理、技术含量高、稳定可靠、节能效果好、管理方便，分析准确、诊断、维修方便的特点。
(四)附图说明
图1是本发明的结构方框图。
图2是本发明的控制程序流程图。
图3是本发明的总电原理图。
图4是本发明中车间控制站结构图。
图5是发明中能源管理站的结构图。
其中，1、能源管理站2、工程师控制站3、车间控制站4、打印机5、可视化操作装置6、通讯接口7、电源装置8、可编程控制器9、智能模糊控制器10、信号采集装置11、电能质量控制器12、传感器13、互感器14、滤波器15、电抗器16、变频器17、智能模糊模块；POWER SUPPLY：电源，PT&DATA CENTER：嵌入式一体化工控机，A/D：模数转换模块；D/A：数模转换模块；SCU41：通讯模块；Transduce：变频器；ATU：RS232转RS485模块，M：电机；N、U、V、W：三相四线电源；R、S、T、：变频器三相电源进线端子；USB：通行串行总线；Rs232：串行总线；PLC：可编程控制器；CIF12：RS232C转换适配器；QF：断路器；
(五)具体实施方式
实施例1：
本发明的结构如图1、图3、图4和图5所示，控制程序流程图如图2所示，包括信号采集装置10、电能质量控制器11，可编程控制器8、可视化操作装置5、模糊控制器9、车间控制站3、工程师控制站2和能源管理站1，信号采集装置10包括数据采集模块与采集温度信号、湿度信号、压力信号、流量信号、液位信号、风速信号和电能信号的传感器，信号采集装置10通过屏蔽电缆与对应的传感器连接，信号采集装置10和可编程控制器8通过***总线连接，电能质量控制器11和电流互感器及A相、B相、C相电压输出线连接，电能质量控制器11通过RS485通讯和可编程控制器8连接，模糊控制器9通过电缆和可编程控制器D/A模块连接，可编程控制器8通过RS485总线和车间控制站3连接，车间控制站3通过通讯电缆接入企业区域网和工程师控制站2连接，工程师控制站2通过通讯电缆和能源管理站1连接。
所述的信号采集装置10是综合数据采集模块，综合数据采集模块与可编程控制器8连接；综合数据采集模块使用欧姆龙生产CS1W-AD081。传感器包括温、湿度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器、风速传感器，电流互感器，温度传感器用欧姆龙生产的E52-P6D型Pt100热电阻，湿度传感器用BTHS-3型支持0-10V/4-20MA标准信号输出的传感器，压力传感器使用昆仑海岸的JYB-K系列，流量传感器使用昆仑海岸的LUGB系列，液位传感器使用昆仑海岸的JCS系列，风速传感器使用前景惠邦温室控制技术公司的LT/FS系列，电流互感器是德力西的LM系列。
所述的电能质量控制器11是由电能质量检测器和谐波控制器组成，电能质量检测器11通过RS485总线和可编程控制器8连接，谐波控制器和可编程控制器8的模拟量模块连接，电能质量检测器11是金洲科瑞的利马先锋-III/DM-200，谐波控制器是金洲科瑞的利马先锋-III/JZ-Q谐波滤波器。
所述的可编程控制器8由电源模块、中央控制器、数字量模块、模拟量模块及通讯模块组成，可编程控制器8和电源模块、数字量模块及模拟量模块直接相连，通讯模块与中央控制器通过欧姆龙***总线连接，同时与可视化操作装置通过串行通讯电缆连接，可编程控制器8用欧姆龙生产的CS1系列。
所述的可视化操作装置5由高性能嵌入式一体化工控机、笔记本硬盘和打印机组成，笔记本硬盘通过PCMCIA接口与嵌入式一体化工控机连接，打印机通过打印机电缆与嵌入式一体化工控机的USB接口连接，高性能嵌入式一体化工控机用昆仑通态公司生产的TPC105-TC33，笔记本硬盘和打印机采用市售产品。
所述的模糊控制器9由模糊控制模块及变频器组成，模糊控制模块通过欧姆龙***总线与可编程控制器8连接，同时通过屏蔽通讯电缆和变频器连接，变频器采用西门子MicroMaster 440系列。
所述车间控制站3是由工控机和打印机组成，工控机是研华科技的IPC610H整机，打印机是HP 1010，打印机通过电缆和工控机连接，自主研发的能效分析控制软件安装在车间控制站3的工控机上，可编程控制器8与车间控制站3工控机是通过485总线连接，车间控制站3与工程师控制站2是通过企业局域网连接。
所述工程师控制站2是由服务器和打印机组成，工程师控制站服务器是选用DELL服务器，自主研发的能效分析控制软件安装在工程师控制站的服务器上，工程师控制站2通过局域网和车间控制站及能源管理站连接。
所述能源管理站1是由电脑和打印机组成，自主研发的能效分析控制软件安装在能源管理站1的计算机上，能源管理站1通过开放的数据接口和工程师控制站2连接。
上述节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置的节能控制方法如下：
(1)设备启动，确定节能控制或工频控制；
(2)节能控制时，根据控制信号判断模糊节能控制方式或手动节能控制方式；
(3)在模糊节能控制方式下，***数据采集装置采集现场参数，对温、湿度、流量、压力、液位、风速、供电电压，电流、电能质量等环境参数进行分析，同时进行能效分析；
(4)对步骤(3)和(7)的分析结果综合计算偏差；
(5)根据步骤(4)得出的偏差，确定模糊控制方式：偏差＞＝时，选择智能模糊控制方式1，偏差＜0时，选择智能模糊控制方式2；
(6)由步骤(5)决定设备智能模糊控制方式1，***进行智能模糊控制计算，并自动采集设备运行参数；
(7)由步骤(6)或(8)采集的设备运行参数，综合环境及***参数进行相应处理，得出运行偏差并将运行偏差发送给步骤(4)；
(8)由步骤(5)决定备智能模糊控制方式2，***进行智能模糊控制计算，并自动采集设备运行参数；
(9)由步骤(5)选择手动节能控制方式，***由工作人员操作方式运行；
(10)设备输出最优值；
(11)停止信号，控制过程结束；不停止信号返回步骤(3)。
本发明一方面实现对钢铁工业各***能耗设备的集中控制，优化各子***之间的协调工作，使钢铁工业各***能效达到最佳状况，从而提高钢铁工业的能源效率；另一方面对能源信号进行在线自动监测和补正计算，能效分析控制软件对能源数据进行收集、统计、计算和汇总分析能源数据，为用户提供曲线、报表管理及故障预测，及时向调度人员和领导提供能源信息和情报，以便做出相应的节能决策，提高钢铁工业设备的管理整体水平及能源管理水平。
本发明突破钢铁工业现有控制技术，集成了网络通信技术、计算机硬件技术、变频技术、智能模糊控制技术、嵌入式***技术、现场总线技术、组态软件技术及数据库技术，融入了先进节能算法和建立钢铁能源优化模型。
本发明具有设计合理、技术含量高、稳定可靠、节能效果好、管理方便，分析准确、诊断、维修方便的特点。
实施例2：本发明的结构和节能控制程序与实施例1相同，不同之处在于，模糊控制模块中的变频器采用ABB ACS800系列。
实施例3：本发明的结构和节能控制程序与实施例1相同，不同之处在于，模糊控制模块中的变频器采用芬兰瓦肯的NX系列。
实施例4：本发明的结构和节能控制程序与实施例1相同，不同之处在于，模糊控制模块中的变频器采用三垦P系列。

Claims (10)

1、一种节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置，其特征在于，包括信号采集装置、电能质量控制器，可编程控制器、可视化操作装置、模糊控制器、车间控制站、工程师控制站和能源管理站，信号采集装置包括数据采集模块与采集温度信号、湿度信号、压力信号、流量信号、液位信号、风速信号和电能信号的传感器，信号采集装置通过屏蔽电缆与对应的传感器连接，信号采集装置和可编程控制器通过***总线连接，电能质量控制器和电流互感器及A相、B相、C相电压输出线连接，电能质量控制器通过RS485通讯和可编程控制器连接，模糊控制器通过电缆和可编程控制器D/A模块连接，可编程控制器通过RS485总线和车间控制站连接，车间控制站通过通讯电缆接入企业区域网和工程师控制站连接，工程师控制站通过通讯电缆和能源管理站连接。
2、如权利要求1所述的节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置，其特征在于，所述的信号采集装置是综合数据采集模块，综合数据采集模块与可编程控制器连接；综合数据采集模块使用欧姆龙生产CS1W-AD081；传感器包括温、湿度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器、风速传感器，电流互感器，温度传感器用欧姆龙生产的E52-P6D型Pt100热电阻，湿度传感器用BTHS-3型支持0-10V/4-20MA标准信号输出的传感器，压力传感器使用昆仑海岸的JYB-K系列，流量传感器使用昆仑海岸的LUGB系列，液位传感器使用昆仑海岸的JCS系列，风速传感器使用前景惠邦温室控制技术公司的LT/FS系列，电流互感器是德力西的LM系列。
3、如权利要求1所述的节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置，其特征在于，所述的电能质量控制器是由电能质量检测器和谐波控制器组成，电能质量检测器通过RS485总线和可编程控制器连接，谐波控制器和可编程控制器的模拟量模块连接，电能质量检测器是金洲科瑞的利马先锋-III/DM-200，谐波控制器是金洲科瑞的利马先锋-III/JZ-Q谐波滤波器。
4、如权利要求1所述的节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置，其特征在于，所述的可编程控制器由电源模块、中央控制器、数字量模块、模拟量模块及通讯模块组成，可编程控制器和电源模块、数字量模块及模拟量模块直接相连，通讯模块与中央控制器通过欧姆龙***总线连接，同时与可视化操作装置通过串行通讯电缆连接，可编程控制器用欧姆龙生产的CS1系列。
5、如权利要求1所述的节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置，其特征在于，所述的可视化操作装置由高性能嵌入式一体化工控机、笔记本硬盘和打印机组成，笔记本硬盘通过PCMCIA接口与嵌入式一体化工控机连接，打印机通过打印机电缆与嵌入式一体化工控机的USB接口连接，高性能嵌入式一体化工控机用昆仑通态公司生产的TPC105-TC33，笔记本硬盘和打印机采用市售产品。
6、如权利要求1所述的节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置，其特征在于，所述的模糊控制器由模糊控制模块及变频器组成，模糊控制模块通过欧姆龙***总线与可编程控制器连接，同时通过屏蔽通讯电缆和变频器连接，变频器采用西门子MicroMaster 440系列或ABB ACS800系列或芬兰瓦肯的NX系列或三垦P系列。
7、如权利要求1所述的节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置，其特征在于，所述车间控制站是由工控机和打印机组成，工控机是研华科技的IPC610H整机，打印机是HP 1010，打印机通过电缆和工控机连接，自主研发的能效分析控制软件安装在车间控制站的工控机上，可编程控制器与车间控制站工控机是通过485总线连接，车间控制站与工程师控制站是通过企业局域网连接。
8、如权利要求1所述的节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置，其特征在于，所述工程师控制站是由服务器和打印机组成，工程师控制站服务器是选用DELL服务器，自主研发的能效分析控制软件安装在工程师控制站的服务器上，工程师控制站通过局域网和车间控制站及能源管理站连接。
9、如权利要求1所述的节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置，其特征在于，所述能源管理站是由电脑和打印机组成，自主研发的能效分析控制软件安装在能源管理站的计算机上，能源管理站通过开放的数据接口和工程师控制站连接。
10、如权利要求1所述的节能型钢铁工业能效跟踪控制管理装置的控制方法，其特征在于，具体方法如下：
(1)设备启动，确定节能控制或工频控制；
(2)节能控制时，根据控制信号判断模糊节能控制方式或手动节能控制方式；
(3)在模糊节能控制方式下，***数据采集装置采集现场参数，对温、湿度、流量、压力、液位、风速、供电电压，电流、电能质量等环境参数进行分析，同时进行能效分析；
(4)对步骤(3)和(7)的分析结果综合计算偏差；
(5)根据步骤(4)得出的偏差，确定模糊控制方式：偏差＞＝时，选择智能模糊控制方式1，偏差＜0时，选择智能模糊控制方式2；
(6)由步骤(5)决定设备智能模糊控制方式1，***进行智能模糊控制计算，并自动采集设备运行参数；
(7)由步骤(6)或(8)采集的设备运行参数，综合环境及***参数进行相应处理，得出运行偏差并将运行偏差发送给步骤(4)；
(8)由步骤(5)决定备智能模糊控制方式2，***进行智能模糊控制计算，并自动采集设备运行参数；
(9)由步骤(5)选择手动节能控制方式，***由工作人员操作方式运行；
(10)设备输出最优值；
(11)停止信号，控制过程结束；不停止信号返回步骤(3)。
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