玄武岩电助熔窑炉温度控制系统与方法与流程

本发明涉及玄武岩高温池窑液体的温度控制，具体涉及一种玄武岩电助熔窑炉温度控制系统与方法。

背景技术：

玄武岩连续纤维是以玄武岩矿石为原料，在1450℃-1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维，除具有高强度、高模量等特点外，还具有耐高/低温性、耐酸碱、抗氧化、抗辐射、绝热隔音、防火阻燃等优异性能，因此，玄武岩纤维可以广泛应用于消防、环保、航空航天、军工、汽车船舶制造、工程塑料及建筑等领域。

玄武岩纤维的生产是熔化、拉丝的连续作业过程，玄武岩矿石原料熔化的好坏直接影响玄武岩拉丝作业，由于玄武岩的难熔、粘度大，目前广泛采用钼电极作为电窑炉的电极，钼电极可以承受1～3A/cm²的电流密度，通过对溶液进行电加热使温度均匀，而由于玄武岩溶液的导热性极差，溶液垂直方向和水平方向的温度差异很大而且热量传导属于大滞后对象，根据电加热理论可知电极产生的热量80％位于电极周围10倍半径内，常规的PID控制温度时，当温度下降时，会增大输出，此时由于玄武岩溶液的导热性极差，因此电加热的能量需要经过很长的时间才可以传导至测温点，从而导致常规PID控制不断增大输出，直至调到最大输出，经过长时间的温度传导后，当测温点温度达到设定温度时，PID控制器将减小输出，此时由于玄武岩溶液的特性，温度又需要经过很长时间才可以降低，从而PID控制器又减小输出直至调到最小输出。经过实践证明若想通过调整PID的参数来匹配玄武岩溶液这种特性是非常困难的，而且PID控制器的输出会不断的呈现最大最小输出来回震荡，因此常规的PID控制已无法较好的对玄武岩溶液的温度进行控制，因此本发明介绍一种温度控制设备，对玄武岩熔炉的溶液温度进行控制，从而使玄武岩液体的电助熔熔化效果更好，原料均质化更优。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术的不足，提供一种玄武岩电助熔窑炉温度控制系统与方法,用于解决目前PID控制方式已无法较好的对玄武岩溶液的温度进行控制的技术问题。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种玄武岩电助熔窑炉温度控制系统，包括PLC控制器、智能调功器、多档位变压器、电极、电流互感器和热电偶；所述电极设置于熔窑炉内；所述热电偶插入熔窑炉内的玄武岩溶液内，用于采集玄武岩溶液温度；所述电极与所述多档位变压器电连接；所述电流互感器安装在多档位变压器的二次侧，用于对多档位变压器二次侧电流进行采样；所述PLC控制器分别与所述智能调功器、电流互感器和热电偶电连接，所述智能调功器分别与多档位变压器和电流互感器电连接。

为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：

根据本发明的一个实施方案，包括温度环控制模式和电流环控制模式，所述电流环控制模式是通过智能调功器、多档位变压器、2根电极和电流互感器形成电流环，所述温度环控制模式是通过PLC控制器、智能调功器、多档位变压器、2根电极、电流互感器、玄武岩溶液和热电偶形成温度环，其电流环控制模式为：在不考虑玄武岩溶液温度的情况下，使通过2根电极的电流恒定，通过智能调功器对其进行控制；所述温度环控制模式为：在电流环控制模式的基础上，PLC控制器使用公式算法对玄武岩溶液的温度进行控制，PLC控制器通过热电偶采集的温度对比，控制智能调功器的设定电流，智能调功器根据新的设定电流调整多档位变压器的电压，从而控制2根电极之间的电压，最后达到2根电极之间的电流等于智能调功器的设定电流，最终达到调整玄武岩溶液的温度等于设定温度。

根据本发明的另一个实施方案，在温度环控制模式下，所述智能调功器控制的电流：

其中，I——电流设定；

C——玄武岩溶液比热；

W——电极插入深度/宽度；

L——电极间的间距；

Q——漏板流量；

T1——溶液温度；

T2——漏板温度；

P(T1)——电阻率；

H——溶液高度；

b——修正系数。

根据本发明的另一个实施方案，修正系数b综合了烟气温度和窑炉外壳温度因素,具体公式为b＝C2*1.1*Q2*T3+Aw*Tw*ɑw(其中C2为烟气体积比热，Q2为天然气流量，T3为烟气温度，Aw为窑炉外壳面积，Tw为窑炉外壳表面温度，ɑw为散热系数)。

根据本发明的另一个实施方案，修正系数b的求解：在窑炉单独使用电流环进行控制的时候且玄武岩溶液液体温度半个小时内未发生波动时，将已知量设定电流I、玄武岩溶液比热C、电极插入深度/宽度W、电极间的间距L、漏板流量Q、溶液温度T1、漏板温度T2、电阻率P(T1)、溶液高度H代入权利要求3中的公式中求得修正系数b；当系统启动温度环控制时使用此修正系数b对新的设定电流I进行计算，修正系数b为一个常数。

根据本发明的另一个实施方案，所述电极为钼电极,电极采用钼含量大于99.93％，含碳量小于0.002％的棒状钼电极。

根据本发明的另一个实施方案，所述多档位变压器提供200V、160V、100V三种电压。

根据本发明的另一个实施方案，所述智能调功器具有过流保护模块、过压报警模块、过热保护模块、SCR故障报警模块、负载断线报警模块。

根据本发明的另一个实施方案，所述PLC控制器为工业级PLC。

本发明还可以是：

一种玄武岩电助熔窑炉温度控制方法，包括以下步骤：

步骤一、烘炉：

在窑炉建成后，需要对窑炉进行烘炉，在烘炉阶段电极不插入窑炉，使用天然气对窑炉进行加热升温，使窑炉的耐火材料温度缓慢上升而不产生断裂变形；

步骤二、加原料和推进电极：

窑炉烘炉完成后，进行加料，随着加料的进行，玄武岩溶液的液位不断上升，当上升至覆盖电极位置后，对电极进行推进，推进完成后，冷却水套接入循环冷却水系统；

步骤三、溶液快速升温：

当电极推进完成后，进行电助熔加热，此时溶液温度较低，电阻较大，需要使用多档变压器的高电压档位进行加热，此时系统处于快速加热状态，温度环处于手动状态，电流环处于自动状态，通过设置额定工作电流对溶液进行加热，此时由于电流环处于自动状态，开始时，由于溶液电阻较大，因此智能调功器会将电压增加至满电压，而电流小于额定工作电流，随着加热的进行，溶液温度的上升，电阻将变小，电流将不断增大，当电流超过额定电流时，智能调功器会调小多档变压器一次侧电压，从而保证电流的恒定，随着溶液温度的继续上升，溶液电阻继续变小，电极两端的电压会不断的减小，当减小到慢速升温档位以下时，再进行下一步换档位；

步骤四、溶液慢速升温：

将多档位变压器的接法切换至慢速升温档位，根据溶液温度的情况缓慢手动增加设定电流，使溶液温度缓慢增加，随着溶液温度的增加，溶液电阻会不断变小，电极两端的电压也将不断变小，当电压小于一设定值时，再进行下一步换档位；

步骤五、稳定恒温控制：

将多档位变压器切换至所述设定值的档位，温度环也将变为自动控制，此时双闭环控制开始共同控制系统工作，根据工艺需要调整溶液设定温度，系统自动工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：

本发明的一种玄武岩电助熔窑炉温度控制系统与方法，可使用多种数据对电流进行设定，而不是传统的单变量控制；传统的单变量控制目标只有一个变量，而引起这个变量的因素很多，特别是这些因数相互作用，很容易引起系统不能稳定下来，根据控制理论可知，若要实现系统的稳定控制，必须使系统形成负反馈控制。而采用了双闭环控制的目标有2个，先稳定住一个变量(电流，让电流形成负反馈)，然后再对另外一个变量进行负反馈控制(温度)，最终实现温度的控制，而且当温度没法稳定的时候可以根据需要撤去温度环，即进行手动控制电流的大小，具有比单变量控制更加灵活更加可靠。(举例说明：当设备发生故障时，若是单闭环控制能做的是将系统切换至手动，即保持电压输出不变，那么此时由于溶液电阻发生变化导致系统的电流发生变化，有可能会造成电流过大，从而造成设备的进一步损坏；而双闭环控制则不会发生这样的事情，双闭环控制切换到手动时，可以只将温度环断开，而电流环还在继续工作，这样溶液电阻发生变化时，系统能够自动调整电压，而不会造成电流过大的情况；另外一种情况是当设备开始升温时，若是单闭环控制则由于系统还未处于稳定状态，需要大量热量，此时控制器会直接将输出电压调节至最大状态，这样会对电极造成巨大的冲击，影响电极的寿命，甚至损坏电极，同时当系统达到稳定的温度时，系统又会将电压调节至最低，这样不断的来回调节电压，将使电极处于不断的冷热冲击中；而双闭环则没有此问题，双闭环控制可以根据电极的电流不断调整输出，使电极在承受范围内不断的对玄武岩溶液进行加热，对电极没有冲击，不容易损坏设备，系统能够更加平稳。)因此整体来说，双闭环控制既能使控制快速响应又能降低超调控制带来的负面效果，从而能使溶液温度快速稳定，不会产生过大的超调(大滞后系统控制特别容易带来大超调)，从而使玄武岩原料熔化更好，不易结晶，拉丝作业稳定，提高了产品产量，减少了废品率。

附图说明

为了更清楚的说明本申请文件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的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。

图1为根据本发明一个实施例的玄武岩电助熔窑炉温度控制系统示意图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

1－PLC控制器，2－智能调功器，3－多档位变压器，4－电极，5－熔窑炉内的玄武岩溶液，6－电流互感器，7－热电偶。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

在连续玄武岩纤维生产中，有一个工序是熔化，也即是将玄武岩原料在窑炉内熔化成液体并流送到漏板。玄武岩液位高度的变化会随着加料量的变化而变化,液位高度变化会引起玄武岩溶液的电阻变化，从而影响控制系统的电流及电加热量，又由于玄武岩溶液的负电阻特性会使控制系统无法稳定，从而造成温度不稳定，最后导致溶液温度下降造成溶液结晶，影响产品质量，影响玄武岩纤维的生产。

根据玄武岩样本的电阻率-温度曲线可以发现玄武岩液体的电阻为负电阻特性，它会带来两个问题：其一、当电极间电压不变时，温度升高会使电阻减小，而电阻减小使得电流增大，功率也会随之增大，温度会更高；当反方向变化时，又会使功率减小，温度会更低。因此这是一种典型的不稳定平衡，也就是说一旦外界条件使温度平衡打破，这种平衡就会偏差越来越大，无法实现稳定；其二、当熔化炉内使用多对电极并联时，这种负电阻特性会使热区的电极之间电流越来越大，而较冷区的电极之间电流越来越小，不但影响工艺，无法达到均匀加热的目的，而且还可能使热区的重负荷电极过早损坏。

本发明采用PLC控制器+智能调功器+多档位变压器+钼电极、玄武岩溶液、电流互感器、热电偶等组成的系统。具体地，如图1所示，一种玄武岩电助熔窑炉温度控制系统，包括PLC控制器1、智能调功器2、多档位变压器3、电极4、电流互感器6和热电偶7；所述电极4设置于熔窑炉内；所述热电偶7插入熔窑炉内的玄武岩溶液5内，用于采集玄武岩溶液温度；所述电极4与所述多档位变压器3电连接；所述电流互感器6安装在多档位变压器3的二次侧，用于对多档位变压器3二次侧电流进行采样；所述PLC控制器1分别与所述智能调功器2、电流互感器6和热电偶7电连接，所述智能调功器2分别与多档位变压器3和电流互感器6电连接。所述多档位变压器3可以提供给次级200V、160V、100V三种电压，分别在玄武岩熔炉快速升温、慢速升温、稳定恒温时使用，所述钼电极使用绝缘子、软铜电缆、冷却水套等安装固定在窑炉上。

本系统包括温度环控制模式和电流环控制模式，控制方式采用的是双闭环控制，同时对玄武岩溶液的温度和通过2根电极4的电流进行控制。其电流环控制模式为：在不考虑玄武岩溶液5温度的情况下，使通过2根电极4的电流恒定，通过智能调功器2对其进行控制；所述温度环控制模式为：在电流环控制模式的基础上，PLC控制器1使用公式算法对玄武岩溶液5的温度进行控制，PLC控制器1通过热电偶7采集的温度对比，控制智能调功器2的设定电流，智能调功器2根据新的设定电流调整多档位变压器3的电压，从而控制2根电极4之间的电压，最后达到2根电极4之间的电流等于智能调功器2的设定电流，最终达到调整玄武岩溶液5的温度等于设定温度。

电流环由智能调功器2、多档位变压器3、2根电极4、电流互感器6组成；温度环由PLC控制器1、电流环(智能调功器2、多档位变压器3、2根电极4、电流互感器6等)、玄武岩溶液5、热电偶7组成。

PLC控制器是工业上常用的PLC控制器，具有高可靠性、高稳定性；温度控制的控制算法、窑炉的液体温度、空间温度、烟气温度、钼电极电流、钼电极电压等均由其完成采集、显示和控制，是整个控制系统的大脑。PLC控制器优选高可靠性高稳定性的工业级PLC。

智能调功器为工业上普遍采用的以双向可控硅为主要器件的调功器，型号可以采用英杰Type-p。智能调功器的主要功能是完成对钼电极的恒流控制，通过调节钼电极间的电压来实现恒定的电流，当负载电阻变小时，负载间的电流将变大，此时智能调功器将减小负载两端的电压，从而减小负载的电流，反之将增大负载间的电压，形成闭环控制，从而使得通过钼电极之间的电流达到恒定，而不会随温度变化而变化。智能调功器优选工业级智能调功器，具有过流保护、过压报警、过热保护、SCR故障报警、负载断线报警等保护功能。以及智能调功器具有模拟量输入接口，用于接受PLC控制器的控制，具有宽电源适应范围，且自带风扇冷却和散热片冷却，具有继电器输出，用于报警信号的输出。智能调功器还具有移相触发、调功定周期、调功变周期、软起软停功能，以及具有恒电流控制功能。智能调功器能够接阻性负载、感性负载。

多档位变压器的主要作用是匹配不同情况下的负载，也即匹配不同温度下钼电极之间的玄武岩导电溶液。玄武岩溶液在不同的温度下的电阻差别很大，那么在同样功率(由玄武岩溶液的出料量决定，也即产量)的情况下所需要的电压差别也很大(由公式P＝U²/R可知)，同时电流差别也很大，若变压器不做成多档位，则变压器需要做成最大电压档位。那么一次侧电压很微弱的电压变化则会引起二次则电压变化很大(为变压器扎数比的倍数)，输出功率因此也变化很大，从而使得玄武岩液体的温度发生震荡，对于控制系统的稳定控制非常不利，而采用多档位的变压器则可以解决不同阶段的电阻匹配，当电阻大时使用大电压档位，使得玄武岩溶液能有效的得到加热；当电阻小时使用小电压档位，使得玄武岩溶液能缓慢的进行加热，可以进行微调，使得系统的控制精度能够得到保证。同时还可以使一次侧与二次侧电气完全绝缘，也使该回路隔离，同时利用其铁芯的高频损耗大的特点抑制高频杂波传入控制回路。

对于电极优先采用为钼电极，钼电极有以下突出优点：①能被玄武岩液体浸润，所以接触电阻小，电极表面可以承受较高的电流密度，约1～3A/cm²,②电极的热损失低；③机械加工方便，可螺纹连接，从而方便电极推进。可进一步采用钼含量大于99.93％，碳含量小于0.002％的棒状钼电极。

综上，本发明温度控制设备采用的是双闭环控制系统，包括温度环控制模式和电流环控制模式，其电流环控制模式为：在不考虑玄武岩溶液温度的情况下，使电极的电流恒定；所述温度环控制模式为：在电流环控制模式的基础上，增加岩溶液温度条件，通过智能调功器控制电流输出。首先进行电流闭环控制，然后进行温度闭环控制。在工业过程控制中温度控制算法主要是PID控制，PID控制对于大多数温度控制具有较好的效果，但对于玄武岩高温溶液温度控制是非常困难的，因此本发明是为如何构建一个连续玄武岩纤维溶液温度控制模型而提出的。

本发明采用的控制原理及方法：

本发明采用的双闭环控制，内部控制环为电流环，当系统受到扰动后，若玄武岩液体温度上升，则玄武岩溶液的电阻会变小(温度变高时，玄武岩溶液含有的离子会更活跃，导电性得到增强，实验数据也证实了此变化)，则智能调功器为了维持电流不变，会自动降低玄武岩溶液的电压(电极两端的电压)，从而实现电流不发生变化，那么智能可控硅的输出功率也会变小(P＝I²R)(电流不变，电阻变小，则功率变小)，外界环境的散热未发生变化，那么玄武岩溶液得到的能量减小，根据能量守恒定律可知，对于玄武岩溶液的输入能量减小输出能量不变，那么玄武岩溶液的能量将减少，从而溶液温度也将下降。简而言之当温度上升时，智能调功器能够降低输出，从而温度又下降，形成负反馈控制，最终达到温度恒定；同理若玄武岩液体温度下降，则玄武岩溶液电阻会变大，则调功器的输出功率也会变大，从而溶液温度上升，形成负反馈控制，使得温度最终达到恒定。此电流控制环由智能调功器来完成。

外部控制环为温度环。当系统受到扰动后，溶液温度会发生变化，通常的控制手段为PID控制，在玻璃纤维等窑炉都得到了很广泛的应用，而由于玄武岩溶液的隔热性、比热大、黏度大，造成电加热功率无法有效快速的均热至溶液中，具有超大滞后性。采用PID控制无法有效的对PID参数进行整定，无法稳定控制，因此本系统不采用传统的PID控制。

温度环在初始化的时候需要一段时间的积累数据，得到溶液温度T1(0)(由插入玄武岩溶液的B型热电偶采集至系统中)、漏板温度T2(0)(由焊接在漏板侧面的R型热电偶采集至系统中)漏板流量Q(0)(由在线检测系统采集至系统中)液位高度H(0)(由液位控制系统测量传送至系统中)电流给定I(0)(由智能调功器设置)，在一个控制周期T后，使用公式代入新的溶液温度T1(n)、漏板温度T2(n)漏板流量Q(n)液位高度H(n)重新计算新的电流给定I(n)并将电流给定I(n)传送给智能调功器，由智能调功器重新对玄武岩溶液的电流进行闭环控制(电流环)，从而调节通过电极的电流，形成电流环控制，从而达到温度控制的目的。PLC对以上数据进行统计和计算，计算智能调功器的设定电流：

其中，I——电流设定；

C——玄武岩溶液比热；

W——电极插入深度/宽度；

L——电极间的间距；

Q——漏板流量；

T1——溶液温度；

T2——漏板温度；

P(T1)——电阻率；

H——溶液高度；

b——修正系数。

修正系数b和烟气温度及窑炉外壳温度有关温度越高，此系数值越大，是同方向比例关系，即烟气温度变高时b需要增大，烟气温度变低时b需要减小；窑炉外壳温度变高时b需要增大，窑炉外壳温度变低时b需要减小。当窑炉稳定运行时这两者的数据变化较小，可以不调整。具体数值需要实践中摸索，不同的炉子不一样。

修正系数b采用燃气消耗流量Q2和烟气温度T3来计算损失热量,燃气消耗量直接决定燃气的燃烧热量，此炉子采用的是双热源供热，即燃气燃烧和电加热，气候环境、季节变化等都会引起烟气温度和窑炉外壳温度的变化，引起整个炉子的散热发生变化，若引入这些数据，则可以计算出燃气燃烧的热量及窑炉的热量损失，系统更容易判断出整个炉子是热量输入和热量损失，从而更好的计算电助熔的功率，更好的实现温度控制，将使模型更加接近实际情况，，从而使得上述公式计算结果更加精确，使得电流控制更精准；

修正系数b会受烟气温度和窑炉外壳温度因素影响，但影响较小其值基本为固定的常数，具体数值需要通过实验来进行检测，在窑炉单独使用电流环进行控制的时候且玄武岩溶液液体温度半个小时内未发生波动时，将已知量设定电流I、玄武岩溶液比热C、电极插入深度/宽度W、电极间的间距L、漏板流量Q、溶液温度T1、漏板温度T2、电阻率P(T1)、溶液高度H代入权利要求3中的公式中可求得修正系数b，当系统启动温度环控制时使用此修正系数b来对新的设定电流I进行计算，修正系数b为一个常数。

本发明的多对电极协同工作，多套设备协同工作，使溶液均热性更好，使用大数据对所有电极协同控制。

本发明的玄武岩电助熔窑炉温度控制流程如下：

步骤一、烘炉：

在窑炉建成后，需要对窑炉进行烘炉，在烘炉阶段钼电极4不插入窑炉，使用天然气对窑炉进行加热升温，使窑炉的耐火材料温度缓慢上升而不产生断裂变形等。

步骤二、加原料和推进钼电极：

窑炉烘炉完成后，需要进行加料，随着加料的进行，玄武岩溶液的液位不断上升，当上升至覆盖钼电极位置后，需要对钼电极4进行推进，推进完成后，冷却水套对接入循环冷却水系统。

步骤三、溶液快速升温：

当钼电极4推进完成后，需要进行电助熔加热，此时溶液温度较低，电阻较大，需要使用多档变压器3的高电压档位进行加热，此时系统处于快速加热状态(全负荷加热)，温度环处于手动状态，电流环处于自动状态，通过设置额定工作电流对溶液进行加热，此时由于电流环处于自动状态，开始时，由于溶液电阻较大，因此智能调功器2会将电压增加至满电压(电源电压)，而电流还远小于额定工作电流，随着加热的进行，溶液温度的上升，电阻将变小，电流将不断增大，当电流超过额定电流时，智能调功器2会调小多档变压器3一次侧电压，从而保证电流的恒定，随着溶液温度的继续升，溶液电阻继续变小，钼电极两端的电压会不断的减小，当减小到160V(慢速升温档位)以下时，我们可以进行下一步换档位了。

步骤四、溶液慢速升温：

将多档位变压器3的接法切换至160V档位，此时我们根据溶液温度的情况缓慢手动增加设定电流，使溶液温度缓慢增加，随着溶液温度的增加，溶液电阻会不断变小，钼电极4两端的电压也将不断变小，当电压小于100V时，我们可以进行下一步换档位了。

步骤五、稳定恒温控制：

将多档位变压器3的接法切换至100V档位，此时我们将温度环也变为自动控制，此时双闭环控制开始共同控制系统工作，根据工艺需要调整溶液设定温度，系统即能自动工作了。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。