多段位脉冲燃烧控制系统及方法
【专利摘要】多段位脉冲燃烧控制系统及方法，包括：测温热电偶、可编程序控制器、烧嘴控制器、空气电动蝶阀、燃气电磁阀、空/燃比例阀、点火变压器、烧嘴；所述可编程序控制器分别与测温热电偶、烧嘴控制器输入端、空气电动蝶阀相连，所述的烧嘴控制器输出端分别与燃气电磁阀、点火变压器、烧嘴相连，所述烧嘴与点火变压器通过点火电极相连，所述的空/燃比例阀通过管道分别与空气电动蝶阀、燃气电磁阀、烧嘴相连。其具有使炉温分布更均匀，控温精度高，调节线性比大，设计成本低等优点。
【专利说明】
多段位脉冲燃烧控制系统及方法
技术领域
[0001] 本发明属于冶金燃烧技术领域，尤其涉及一种多段位脉冲燃烧控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 脉冲燃烧是在工业炉窑中广泛使用的一种燃烧控制技术，目前现场采用的脉冲燃 烧主要技术特点如下:烧嘴通常工作于两种状态，一种是大火或满负荷燃烧状态，即根据工 艺要求，对烧嘴的输出功率、燃料与空气混合比、火焰喷出速度等一次性调至最佳输出状 态；另一种是小火或熄火状态。脉冲燃烧过程中，通过调整各烧嘴大、小火工作周期和时间 比，实现温度调节。
[0003] 当需要升温时，烧嘴大火或满负荷工作时间加长，小火或熄火时间减小；需要降温 时，烧嘴大火或满负荷输出时间减小，停止时间加长。采用该燃烧控制方式，在实际生产中， 控温区内大火状态下的强供热容易造成工件局部过热现象，使工件受热不均，即烧嘴大火 状态输出功率较大，且大火输出状态固定，加热过程中，靠近烧嘴一侧的工件表面会迅速升 温，使工件内部温差短时间内迅速变大，影响产品热处理质量;尤其对于一些工业炉窑，测 温点设在炉侧，烧嘴的大火燃烧状态会严重干扰相邻控温区的温度检测。而采用连续燃烧 方式，烧嘴输出功率可调，但调节比受限，尤其在炉窑低负荷燃烧控制过程中，容易造成燃 料燃烧不充分，气流流动性差，炉内温度场分布不均等现象。
【发明内容】
[0004] 为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种多段位脉冲燃烧控制系统及 方法，其具有使炉温分布更均匀，控温精度高，调节灵活，设计成本低等优点。
[0005] -方面，本发明提供了一种多段位脉冲燃烧控制系统，包括:测温热电偶、可编程 序控制器、烧嘴控制器、空气电动蝶阀、燃气电磁阀、空/燃比例阀、点火变压器、烧嘴;所述 可编程序控制器分别与测温热电偶、烧嘴控制器输入端、空气电动蝶阀相连，所述的烧嘴控 制器输出端分别与燃气电磁阀、点火变压器、烧嘴相连，所述烧嘴与点火变压器通过点火电 极相连，所述的空/燃比例阀通过管道分别与空气电动蝶阀、燃气电磁阀、烧嘴相连。
[0006] 进一步的，所述的烧嘴控制器和烧嘴为多个，且每个烧嘴均配备燃气管道上的燃 气电磁阀、空气管道上的电动调节蝶阀、空/燃比例阀、点火变压器。
[0007] 进一步的，所述的可编程序控制器，包括温度调节单元和脉冲分频器，所述温度调 节单元、脉冲分频器以模块形式存于可编程序控制器中，测温热电偶采集温度作为温度调 节单元输入，温度调节单元输出作为脉冲分频器的输入。
[0008] 更进一步的，所述的脉冲分频器包括:烧嘴大火工作周期设定单元、烧嘴小火工作 时间计算单元、烧嘴启动时序单元。
[0009] 作为更进一步的，多个烧嘴，通过可编程序控制器内的脉冲分配器控制，工作于可 设的多种脉冲输出功率下。
[0010] 另一方面，本发明还提供了多段位脉冲燃烧控制方法，包括：
[0011] 第一步：测温热电偶检测炉窑控温区温度，将其传送至可编程序控制器的温度调 节单元；
[0012] 第二步：可编程序控制器通过温度调节单元得到输出控制量，经转换处理后为一 个百分比数值，送至脉冲分频器；
[0013] 第三步:脉冲分频器将此输出值转换成各烧嘴的不同段位信号，即确定各烧嘴不 同工况下的输出功率，该值通过可编程序控制器输出模板输出；
[0014] 第四步:通过空/燃比例阀实现燃气与空气供给量的随动调节。
[0015] 具体的，第三步中，可编程序控制器为两路输出，一路是:与烧嘴控制器相连，烧嘴 控制器与燃气电磁阀和点火变压器相连，控制烧嘴启停;另一路是:与空气管道上的电动蝶 阀相连，给出位置信号，实现烧嘴不同功率输出。
[0016] 具体的，脉冲分频器的脉冲分频方法，包括烧嘴大小火切换控制的步骤和烧嘴循 环启动控制的步骤。
[0017] 更具体的，所述的烧嘴大小火切换控制的步骤具体为:设炉窑某控温段有1#-N#个 烧嘴:通过定时器tl启动并控制其大火工作周期，tl定时时间到，启动定时器tN+l，所述定时 器如 +1为延时断定时器，控制1#烧嘴小火工作时间，定时器tN+1定时时间到，重新启动定时器 tl，如此循环;2#-N#烧嘴大火、小火切换过程分别通过定时器t2和tN+2、t3和tN+3、t4和tN+4控 制，其过程与1#烧嘴相同；
[0018] 已知大火、小火段位烧嘴输出功率，则大火、小火燃烧占空比计算公式为：
[0019]
[0020] P 乃 ^
[0021] 其中，τΡ，Tb，Ts分别为脉冲燃烧周期、烧嘴大火工作周期、烧嘴小火工作周期;ουτ Ρ 为脉冲分频值;OUTb为大火输出功率;OUTs为小火输出功率。
[0022] 更具体的，所述的烧嘴循环启动控制的步骤具体为:设炉窑某控温段有1#-N#个烧 嘴，定时器七为延时断定时器，t启动1#烧嘴工作的同时，启动定时器t 2N+1，定时器〖2~+1为延 时断定时器，定时器〖2_定时时间到，启动定时器t 2，定时器t2启动2#烧嘴工作；同时，t2N+1 启动定时器t2N+2,定时器t2N+2为延时断定时器，用于控制3#烧嘴的延时启动过程；以此类推， 控制各烧嘴的分时启动，大小火间隔燃烧；
[0023]已知脉冲分频值0UTP，大火输出功率0UTb、小火输出功率OUTs，脉冲燃烧周期T P，各 个烧嘴延时启动时间为：
[0024]
[0025] 其中，η为控温区烧嘴个数，上式为本发明延时时间设定，该值根据工况可通过上 位机进行调整。
[0026] 本发明由于采用以上技术方法，能够取得如下的技术效果:温度控制更均匀，调节 线性度好，设计成本低，同时还可以通过PC机进行人工干预和控制，从而使工业炉窑燃烧过 程更加平稳，控温精度更高，有效提升产品质量，使其更具市场价值。
【附图说明】
[0027]为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，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。
[0028]图1为本发明的电气接线图；
[0029]图2为本发明的多段位脉冲分频原理图。
【具体实施方式】
[0030] 为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
[0031] 实施例1
[0032] -方面，本发明提供了一种多段位脉冲燃烧控制系统，包括:测温热电偶、可编程 序控制器、烧嘴控制器、空气电动蝶阀、燃气电磁阀、空/燃比例阀、点火变压器、烧嘴;所述 可编程序控制器分别与测温热电偶、烧嘴控制器输入端、空气管道上的空气电动蝶阀相连， 所述的烧嘴控制器输出端分别与燃气管道上的燃气电磁阀、点火变压器、烧嘴相连，所述烧 嘴与烧嘴控制器是通过检测电极相连，所述烧嘴与点火变压器通过点火电极相连，所述的 空/燃比例阀分别与空气电动蝶阀、燃气电磁阀、烧嘴相连。
[0033] 所述的可编程序控制器，包括温度调节单元和脉冲分频器，所述温度调节单元、脉 冲分频器以模块形式存于可编程序控制器中，测温热电偶采集温度作为温度调节单元输 入，温度调节单元输出作为脉冲分频器的输入。所述的脉冲分频器包括:烧嘴大火工作周期 设定单元、烧嘴小火工作时间计算单元、烧嘴启动时序单元。
[0034] 另一方面，本发明还提供了多段位脉冲燃烧控制方法，包括：
[0035] 第一步：测温热电偶检测炉窑控温区温度，将其传送至可编程序控制器的温度调 节单元；
[0036] 第二步:可编程序控制器通过温度调节单元得到输出控制量，该控制量即为脉冲 分频值，经转换处理后为一个百分比数值，送至脉冲分频器；
[0037]第三步:脉冲分频器将此输出值转换成各烧嘴的不同段位信号，通过可编程序控 制器输出模板输出；可编程序控制器为两路输出，一路是：与烧嘴控制器相连，烧嘴控制器 与燃气电磁阀和点火变压器相连，控制烧嘴启停；另一路是：与空气管道上的电动蝶阀相 连，给出位置信号，实现各烧嘴不同段位或功率信号的输出。
[0038]第四步:通过空/燃比例阀实现燃气与空气供给量的随动调节。
[0039] 实施例2
[0040] -方面，本发明提供了一种多段位脉冲燃烧控制系统，包括:测温热电偶、可编程 序控制器、烧嘴控制器、空气电动蝶阀、燃气电磁阀、空/燃比例阀、点火变压器、烧嘴、工业 PC机;所述可编程序控制器分别与测温热电偶、烧嘴控制器输入端、空气管道上的空气电动 蝶阀相连，所述的烧嘴控制器输出端分别与燃气管道上的燃气电磁阀、点火变压器、烧嘴相 连，所述烧嘴与烧嘴控制器是通过检测电极相连，所述烧嘴与点火变压器通过点火电极相 连，所述的空/燃比例阀分别与空气电动蝶阀、燃气电磁阀、烧嘴相连，脉冲燃烧运行过程可 通过PC机实时监控。所述的可编程序控制器，包括温度调节单元和脉冲分频器，所述温度调 节单元、脉冲分频器以模块形式存于可编程序控制器中，测温热电偶采集温度作为温度调 节单元输入，温度调节单元输出作为脉冲分频器的输入;温度调节单元和脉冲分频器采用 PLC为基件。所述的脉冲分频器包括:烧嘴大火工作周期设定单元、烧嘴小火工作时间计算 单元、烧嘴启动时序单元。
[0041] 所述的烧嘴控制器和烧嘴为多个，且每个烧嘴均配备燃气管道上的燃气电磁阀、 空气管道上的电动调节蝶阀、空/燃比例阀、点火变压器。
[0042] 多个烧嘴，通过可编程序控制器内的脉冲分配器控制，工作于可设的多种脉冲输 出段位下。
[0043] 另一方面，本发明还提供了多段位脉冲燃烧控制方法，请参阅图1，包括：
[0044] 第一步：测温热电偶检测炉窑控温区温度，将其传送至可编程序控制器的温度调 节单元；
[0045] 第二步:可编程序控制器通过温度调节单元得到输出控制量，该控制量即为脉冲 分频值，经转换处理后为一个百分比数值，送至脉冲分频器；
[0046] 第三步:脉冲分频器将此输出值转换成各烧嘴的不同段位信号，通过可编程序控 制器输出模板输出；可编程序控制器为两路输出，一路是：与烧嘴控制器相连，烧嘴控制器 与燃气电磁阀和点火变压器相连，控制烧嘴启停；另一路是：与空气管道上的电动蝶阀相 连，给出位置信号，实现烧嘴不同功率输出；
[0047] 第四步:通过空/燃比例阀实现燃气与空气供给量的随动调节。
[0048] 所述燃气管道上设有手动球阀，为二级安全设置;火焰检测电极、点火变压器、点 火电极与烧嘴控制器配合实现烧嘴的安全点火过程;工业PC机可实现燃烧过程的参数调节 和实时监控。
[0049] 脉冲分频器的脉冲分频方法，包括烧嘴大小火切换控制的步骤和烧嘴循环启动控 制的步骤。
[0050] 所述的烧嘴大小火切换控制的步骤具体为:设炉窑某控温段有1#_爾个烧嘴:通过 定时器tl启动并控制其大火工作周期，tl定时时间到，启动定时器tN+l，所述定时器tN+l为延 时断定时器，控制1 #烧嘴小火工作时间，定时器tN+Ι定时时间到，重新启动定时器11，如此循 环;2#-N#烧嘴大火、小火切换过程分别通过定时器t2和tN+2、t3和tN+3、t4和tN+4控制，其过程 与1#烧嘴相同；
[0051 ]已知大火、小火段位烧嘴输出功率，则大火、小火燃烧占空比计算公式为：
[0052]
[0053]
[0054]其中，TP，Tb，Ts分别为脉冲燃烧周期、烧嘴大火工作周期、烧嘴小火工作周期;0UT P 为脉冲分频值;OUTb为大火输出功率;OUTs为小火输出功率。
[0055]所述的烧嘴循环启动控制的步骤具体为:设炉窑某控温段有1#_N#个烧嘴，定时器 为延时断定时器，^启动1#烧嘴工作的同时，启动定时器t2N+1，定时器^+1为延时断定时 器，定时器-+1定时时间到，启动定时器t2，定时器t2启动2#烧嘴工作；同时，t 2N+&动定时 器t2N+2，定时器t2N+2为延时断定时器，用于控制3#烧嘴的延时启动过程;以此类推，控制各烧 嘴的分时启动，大小火间隔燃烧；
[0056]已知脉冲分频值0UTP，大火输出功率0UTb、小火输出功率0UTs，脉冲燃烧周期T P，各 个烧嘴延时启动时间为：
[0057]
[0058]其中，η为控温区烧嘴个数。
[0059] 实施例3
[0060]本实施例作为实施例2中脉冲分频器的脉冲分频方法的举例说明，请参阅图2:
[0061 ]以窑炉某控温段四个烧嘴的多段位脉冲分频过程为例，阐明工作过程。TP，Tb，1^分 别为脉冲燃烧周期、烧嘴大火工作周期、烧嘴小火工作周期；四个烧嘴按一定时间顺次延时 启动，tw为各烧嘴延时启动时间，即当前启动烧嘴相对于前一个烧嘴延迟启动的时间。T P， Tb，Ts，tw通过工业PC机可调，trt4为用于控制四个烧嘴大火工作的定时器，定时时间T b; t5_ ts为控制四个烧嘴小火工作定时器，定时时间Ts;t9-t12S控制各烧嘴延时启动定时器，定时 时间t w。
[0062] ①烧嘴大小火切换控制的步骤具体为：
[0063] 以1#烧嘴大小火切换工作过程为例，通过定时器^启动并控制其大火工作周期， 定时器t定时时间到，启动定时器t5，即1#烧嘴由大火工作状态转为小火工作状态，定时器 t5为延时断定时器，控制1#烧嘴小火工作时间，t5定时时间到，重新启动定时器t，即小火工 作状态又转换为大火状态，如此循环。2#_4#烧嘴大火、小火切换过程分别通过定时器tdP 七6、七3和七7山和七8控制。过程与1#烧嘴类似。
[0064] 已知大火、小火烧嘴输出功率，大火、小火占空比计算公式为：
[0065]若烧嘴控制器输出脉冲分频值0UTP已知;设定大火输出功率0UTb，即占满负荷燃烧 功率比值，通过PLC借助电动蝶阀实现位置限制；设定小火输出功率0UTs，同样通过PLC借助 电动蝶阀实现位置限定，则有
[0066]
[0067]
[0068]
[0069]
[0070]故根据脉冲分频值〇UTP，烧嘴大火输出功率0UTb，小火输出功率0UT s，脉冲分频程 序设定脉冲燃烧周期TP，可自动计算出大火、小火燃烧占空比。
[0071 ]②烧嘴循环启动控制的步骤具体为：
[0072]以1#-4#烧嘴启动过程为例，定时器^为延时断定时器，定时器^启动1#烧嘴工作 的同时，启动定时器t9，定时器t9为延时断定时器，定时器t9定时时间到，启动定时器t2，定 时器t2启动2#烧嘴工作，即1#烧嘴启动后经过tw时间后，启动2#烧嘴；同时，定时器t 9启动定 时器t1Q，t1Q为延时断定时器，用于控制3#烧嘴的延时启动过程。以此类推，控制各烧嘴的分 时启动，大小火间隔燃烧，可更充分地搅动炉内燃烧气氛，提高炉温均匀性。四个烧嘴的启 动控制过程如图2所示。
[0073] 各个烧嘴延时启动时间的给出：
[0074]
[0075]其中η为控温区烧嘴个数，即已知脉冲分频值0UTP，通过设定大火输出功率0UTb、小 火输出功率OUTs，脉冲燃烧周期TP，则可自动计算烧嘴延时启动时间Tw，上式为本例延时启 动时间设置，根据工况Tw可通过上位机予以调整。
[0076] 本申请通过设置烧嘴不同的大火、小火置位输出状态，可实现多段位可调的脉冲 燃烧过程。而不是仅让烧嘴处于满负荷和熄火燃烧状态。需说明的是，该脉冲燃烧下的小火 状态也可设置为熄火状态，根据工艺需要设置。
[0077] 本发明目的之一在于针对工业炉窑燃烧控制过程在实际生产中存在的问题，提供 一种可以均匀、高效控制炉温的位式脉冲燃烧控制技术;针对满负荷大火燃烧造成的工件 局部过热及受热不均的情况，对烧嘴进行限位脉冲输出，使脉冲输出位多段可调节。该多段 位脉冲燃烧还可避免连续燃烧在低负荷状态的燃烧不充分及调节比受限等情况。PC机监控 界面方便人机对话及参数实时调整。同时通过可编程序控制器PLC对脉冲分配器设计，降低 硬件成本。与以往脉冲燃烧技术方法相比，该多段位脉冲燃烧方法可有效降低设计成本，提 高温度调节的线性度、使控温区温度更均匀性，提高燃烧效率，有效提升热处理产品质量， 增加其市场价值。
[0078] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其 发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 多段位脉冲燃烧控制系统，其特征在于，包括:测温热电偶、可编程序控制器、烧嘴控 制器、空气电动蝶阀、燃气电磁阀、空/燃比例阀、点火变压器、烧嘴;所述可编程序控制器分 别与测温热电偶、烧嘴控制器输入端、空气电动蝶阀相连，所述的烧嘴控制器输出端分别与 燃气电磁阀、点火变压器、烧嘴相连，所述烧嘴与点火变压器通过点火电极相连，所述的空/ 燃比例阀通过管道分别与空气电动蝶阀、燃气电磁阀、烧嘴相连。2. 根据权利要求1所述的多段位脉冲燃烧控制系统，其特征在于，所述的烧嘴控制器和 烧嘴为多个，且每个烧嘴均配备燃气管道上的燃气电磁阀、空气管道上的电动调节蝶阀、 空/燃比例阀、点火变压器。3. 根据权利要求1所述的多段位脉冲燃烧控制系统，其特征在于，所述的可编程序控制 器，包括温度调节单元和脉冲分频器，所述温度调节单元、脉冲分频器以模块形式存于可编 程序控制器中，测温热电偶采集温度作为温度调节单元输入，温度调节单元输出作为脉冲 分频器的输入。4. 根据权利要求1所述的多段位脉冲燃烧控制系统，其特征在于，所述的脉冲分频器包 括:烧嘴大火工作周期设定单元、烧嘴小火工作时间计算单元、烧嘴启动时序单元。5. 根据权利要求1所述的多段位脉冲燃烧控制系统，其特征在于，多个烧嘴，通过可编 程序控制器内的脉冲分配器控制，工作于可设的多种脉冲输出功率下。6. 多段位脉冲燃烧控制方法，其特征在于，包括： 第一步：测温热电偶检测炉窑控温区温度，将其传送至可编程序控制器的温度调节单 元； 第二步：可编程序控制器通过温度调节单元得到输出控制量，经转换处理后为一个百 分比数值，送至脉冲分频器； 第三步:脉冲分频器将此输出值转换成各烧嘴的不同功率信号，通过可编程序控制器 输出模板输出； 第四步:通过空/燃比例阀实现燃气与空气供给量的随动调节。7. 根据权利要求6所述的多段位脉冲燃烧控制方法，其特征在于，第三步中，可编程序 控制器为两路输出，一路是:与烧嘴控制器相连，烧嘴控制器与燃气电磁阀和点火变压器相 连，控制烧嘴启停;另一路是:与空气管道上的电动蝶阀相连，给出位置信号，控制烧嘴不同 功率的输出。8. 根据权利要求6所述的多段位脉冲燃烧控制方法，其特征在于，脉冲分频器的脉冲分 频方法，包括烧嘴大小火切换控制的步骤和烧嘴循环启动控制的步骤。9. 根据权利要求8所述的多段位脉冲燃烧控制方法，其特征在于，所述的烧嘴大小火切 换控制的步骤具体为:设炉窑某控温段有1#_N#个烧嘴:通过定时器t启动并控制其大火工 作周期，tl定时时间到，启动定时器tN+l，所述定时器tN+l为延时断定时器，控制1 #烧嘴小火 工作时间，定时器tN+ι定时时间到，重新启动定时器ti，如此循环;2#_N#烧嘴大火、小火切换 过程分别通过定时器t2和tN+2、t3和tN+3、t4和tN+4控制，其过程与1#烧嘴相同；已知0UTPS脉冲分频值;OUTb为大火输出功率;OUTs为小火输出功率，则大火、小火燃烧 占空比计算公式为： 大火燃烧占空比 小火燃烧占空比其中，TP，Tb，Ts分别为脉冲燃烧周期、烧嘴大火工作周期、烧嘴小火工作周期。10.根据权利要求8所述的多段位脉冲燃烧控制方法，其特征在于，所述的烧嘴循环启 动控制的步骤具体为:设炉窑某控温段有1#_N#个烧嘴，定时器七为延时断定时器，t启动1# 烧嘴工作的同时，启动定时器t 2N+1，定时器t2N+1*延时断定时器，定时器〖2~+1定时时间到，启 动定时器t 2,定时器t2启动2#烧嘴工作；同时，定时器〖2~+1启动定时器t 2N+2,定时器t2N+2为延 时断定时器，用于控制3#烧嘴的延时启动过程；以此类推，控制各烧嘴的分时启动，大小火 间隔燃烧； 已知脉冲分频值〇UTP，大火输出功率OUTb、小火输出功率OUTs，脉冲燃烧周期TP，各个烧 嘴延时启动时间为： 其中，η为控温区烧嘴个数。
【文档编号】F23N1/02GK105864819SQ201610343611
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】胡玲艳
【申请人】大连大学