韋東
（攀枝花鋼筑有限公司煉鐵廠攀枝花617023）
【摘要】闡述了無(wú)料鐘爐頂布料控制原理。無(wú)料鐘爐頂料流調(diào)節(jié)閥、溜槽驅(qū)動(dòng)均釆用液壓伺服系統(tǒng)控制，使系統(tǒng)的輸出精確地跟隨指令值變化，響應(yīng)時(shí)間短及定位精度高，滿足了無(wú)料鐘爐頂多環(huán)布料控制要求。
【關(guān)鍵詞】伺服系統(tǒng)；料流調(diào)節(jié)閥；溜槽驅(qū)動(dòng)；位置控制；響應(yīng)速度
1引言
攀鋼釩1號(hào)1200 m3高爐于2017年9月第4次大修后投產(chǎn),4號(hào)1350 m3高爐于2018年9月第2次大修后投產(chǎn)，均采用并罐無(wú)料鐘爐頂裝料設(shè)備，該爐頂能滿足多功能布料和爐頂壓力0.2 MPa的高壓操作，以利改善料柱透氣性,提高煤氣能量利用，延長(zhǎng)爐襯壽命。布料方式以多環(huán)布料為主，也可實(shí)現(xiàn)單環(huán)布料、定點(diǎn)布料和扇形布料。
2無(wú)料鐘爐頂布料控制原理
無(wú)料鐘高爐爐頂結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。
高爐爐料燒結(jié)礦、球團(tuán)礦或焦炭等經(jīng)過(guò)槽下配料工藝后先進(jìn)入到爐頂?shù)牧瞎蓿诟郀t接到布料指令后，其料罐的下密封閥打開(kāi),料流調(diào)節(jié)閥首先按工藝要求開(kāi)到給定的開(kāi)度（見(jiàn)圖1中γ角），這時(shí)爐料按一定的流量流到布料溜槽上，此時(shí)布料溜槽已經(jīng)按工藝要求升到一定的傾動(dòng)角度（見(jiàn)圖1中a角），同時(shí)布料溜槽還在水平面方向上進(jìn)行勻速旋轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖1中β角）。這樣爐料就能按要求布到高爐內(nèi)。
根據(jù)爐頂布料的基本控制原理可知，只要控制好a、β、γ三個(gè)角度,就可以把爐料按任意的形式布到爐內(nèi)。一般來(lái)說(shuō)高爐的布料方式有環(huán)形布料、扇形布料和定點(diǎn)布料等形式。最常使用的是環(huán)形布料，即一批料以不同的傾動(dòng)角度布到爐內(nèi)，形成以爐中心為圓心的數(shù)個(gè)圓環(huán)。如果在冶煉過(guò)程中出現(xiàn)爐內(nèi)料面異常的情況，則可以利用扇形布料或定點(diǎn)布料來(lái)彌補(bǔ);或者根據(jù)爐況需要,為改善透氣性、保護(hù)爐壁使其溫度不致過(guò)熱等,也可以 采用扇形或定點(diǎn)布料的方法來(lái)改善爐內(nèi)爐料的分布狀態(tài)。
在爐頂布料控制中，布料溜槽驅(qū)動(dòng)控制（即a角的控制）和料罐料流調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度控制（即7角的控制）至關(guān)重要，因?yàn)橹挥衋角控制精確,爐料才能準(zhǔn)確布在想要的檔位（環(huán)形）上。只有γ角控制精確，才能有效地控制好下料的料流量,確保在設(shè)定的布料圈數(shù)剛好布完料,進(jìn)而更準(zhǔn)確地控制好每批料布料的厚度、環(huán)數(shù)及布料的起點(diǎn)和終點(diǎn)等。
1號(hào)、4號(hào)高爐大修前料罐料流調(diào)節(jié)閥、布料溜槽驅(qū)動(dòng)采用變頻器控制（伺服系統(tǒng)只作為輔助手段，后棄之不用），但由于變頻器控制屬于開(kāi)環(huán)控制，所以難以達(dá)到理想的控制精度。這次1號(hào)、4號(hào)高爐大修,采用了伺服系統(tǒng)來(lái)控制料流調(diào)節(jié)閥、布料溜槽驅(qū)動(dòng)。
3伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
“伺服”是英語(yǔ)單詞“SREVO”音譯過(guò)來(lái)的，單詞SERVO本身的意思是“伺服、隨動(dòng)、跟隨”。顧名思義，伺服系統(tǒng)也稱為隨動(dòng)系統(tǒng)或跟隨系統(tǒng)，它的根本任務(wù)是按指令值實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的控制，使系統(tǒng)的輸出精確地跟隨指令值變化。伺服系統(tǒng)與變頻器的重要區(qū)別在于它屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，因此它的響應(yīng)時(shí)間短,定位精度高。
3.1 組成
典型的伺服系統(tǒng)由三個(gè)基本部分組成:伺服電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器，見(jiàn)圖2。
對(duì)1號(hào)、4號(hào)高爐布料器伺服系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主機(jī)或PLC是指高爐的DCS系統(tǒng),控制器是帶FM354功能塊的西門(mén)子Step7-300PLC，驅(qū)動(dòng)器是日本三洋PY系列伺服驅(qū)動(dòng)器。整個(gè)系統(tǒng)的控制原理是這樣的:上位機(jī)根據(jù)生產(chǎn)需要，給出一個(gè)溜槽的位置指令,PLC的DI模塊接受這一指令并傳給CPU, CPU通過(guò)計(jì)算,將結(jié)果通過(guò)A0模塊輸入到伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)。驅(qū)動(dòng)器接受這一 ±10伏的信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部的計(jì)算，將輸入的R,S,T三相電源轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)大小的U,V,W三相電源輸出給伺服電動(dòng)機(jī)，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的速度來(lái)定位溜槽。
3.2控制器
控制器PLC是由一個(gè)電源模塊PS、一個(gè)CPU、兩個(gè)16 x 24VDC數(shù)字輸入模塊DI、兩個(gè)16x 24VDC數(shù)字輸出模塊DO、一個(gè)± 10V模擬量輸出模塊A0以及一個(gè)定位功能塊FM354組成。控制器
主要有以下功能：
（1） 執(zhí)行伺服控制柜分合閘操作。CPU通過(guò)DO模塊給出24V分合閘信號(hào)，柜內(nèi)的24V繼電器得電，線圈吸合,完成分合閘。
（2） 執(zhí)行工作組、備用組之間切換。
（3） 接受DCS的角度給定。DCS給出的是二進(jìn)制BCD碼，通過(guò)DI模塊的12個(gè)點(diǎn)將12位二進(jìn)制數(shù)傳給CPU。
（4） 輸出±10V模擬量。CPU計(jì)算后的結(jié)果是模擬量，它通過(guò)A0模塊傳給驅(qū)動(dòng)器。
（5） 輸出伺服驅(qū)動(dòng)器工作（使能）指令。也是通過(guò)24V繼電器完成。還有一個(gè)DO模塊是將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)以及實(shí)際溜槽位置送回上位機(jī)DCS系統(tǒng)。FM354±有一個(gè)碼盤(pán)接口，絕對(duì)值編碼器測(cè)量出的值與實(shí)際值成5： 1的關(guān)系，這樣做是為了提高精確度。因?yàn)椋?dāng)溜槽每轉(zhuǎn)動(dòng)1°，編碼器就轉(zhuǎn)5°，
控制編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)精度為1°時(shí)，實(shí)際溜槽的精度即為0.2°,大大增加了精確度。FM354接受編碼器的值,并將它轉(zhuǎn)換為溜槽的實(shí)際值（也就是將它除以5）,然后回送給CPU。CPU接受這一信號(hào)，與上位機(jī)給定的信號(hào)比較，然后經(jīng)過(guò)PI計(jì)算，通過(guò)A0模塊將結(jié)果送給伺服驅(qū)動(dòng)器。其控制原理見(jiàn)圖3。
3.3驅(qū)動(dòng)器
伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)自帶的集成放大器，可以連續(xù)地調(diào)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)器比例閥的開(kāi)度，這是與普通的液控單向閥的最大不同。由于伺服比例閥的開(kāi)度是連續(xù)可調(diào)的，因此供給油缸的油的流量也是連續(xù)可調(diào)的，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)油缸的速度、推力的連續(xù)調(diào)節(jié)和控制。
伺服驅(qū)動(dòng)器有以下幾個(gè)給定源：
（1） 來(lái)自操作臺(tái)的±10V信號(hào)。
（2） 來(lái)自DCS的± 10V信號(hào)。
（3） 來(lái)自PLC的AO模塊的土 10V信號(hào)。
它們之間的切換通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn),其優(yōu)先級(jí)是自上而下。
伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)CN,接口接收PLC的指令，并根據(jù)通過(guò)C2接口傳回的增量式編碼器測(cè)量的電動(dòng)機(jī)輸出量進(jìn)行計(jì)算，得出一個(gè)電壓信號(hào),根據(jù)這一信號(hào)，將U,V,W變換為相應(yīng)大小的電壓，輸出給伺服電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)便以相應(yīng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器上的手操器也能對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，例如修改參數(shù)、給出指令等。當(dāng)溜槽到位,需要停止時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器U,V,W的輸岀轉(zhuǎn)矩克服外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩,達(dá)到零速度，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的能量通過(guò)放電電阻來(lái)消耗掉。其控制原理見(jiàn)圖4。
液壓伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)能充分利用液壓系統(tǒng)推力大、動(dòng)作速度快的特點(diǎn)，最大限度的消除系統(tǒng)壓力變化對(duì)推力的影響，又能把控制精度大幅提高， 同時(shí)減小對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的沖擊。
3.4伺服電動(dòng)機(jī)
4#高爐用的伺服電動(dòng)機(jī)是交流伺服電動(dòng)機(jī)，它與普通電動(dòng)機(jī)的重要區(qū)別在于它是永磁電動(dòng)機(jī)， 不是普通的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，因此，電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)不能通過(guò)改變相序來(lái)實(shí)現(xiàn),必須在控制器上設(shè)定相應(yīng)的參數(shù),從而確定轉(zhuǎn)向，如果將伺服電動(dòng)機(jī)相序改變，可能燒毀電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)上裝有增量式編碼器,通過(guò)它可以測(cè)出伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的速度和轉(zhuǎn)子、定子的相對(duì)位置，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)器上的CN2接口傳給驅(qū)動(dòng)器。絕對(duì)值編碼器裝在與電動(dòng)機(jī)相連的機(jī)械裝置上，通過(guò)它可以測(cè)岀溜槽的實(shí)際位置, 并通過(guò)PLC的FM354模塊傳給CPU。
3.5電氣控制系統(tǒng)
采用了西門(mén)子公司的S7-300系列PLC控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)采集爐頂料流調(diào)節(jié)閥的實(shí)際開(kāi)度返回值（由絕對(duì)式光電編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)換成實(shí)際角度），接收爐頂控制系統(tǒng)發(fā)出的γ角開(kāi)度大小和動(dòng)作指令。
在經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)分析處理后，把開(kāi)度指令轉(zhuǎn)換成4~20 mA的電信號(hào)發(fā)給伺服比例閥的集成放大器，用來(lái)控制伺服比例閥的開(kāi)度。為了使系統(tǒng)既能有較大的推力和快速性,又能夠達(dá)到較理想的準(zhǔn)確度，在控制方式上采用了 PID開(kāi)環(huán)控制和PID閉環(huán)控制相結(jié)合的方法。其程序流程如圖5所示
PID調(diào)節(jié)的全稱是比例積分微分控制調(diào)節(jié)器。PLC控制系統(tǒng)首先檢測(cè)7角的給定值和實(shí)際返回值，并計(jì)算出他們的差值5,當(dāng)6值大于某個(gè)角度（比如2°）,這時(shí)是給定伺服比例閥較大的開(kāi)度值, 使油缸高速大推力運(yùn)行;當(dāng)δ值小于某個(gè)角度、即γ角接近給定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入PID調(diào)節(jié)控制狀態(tài)，即隨著δ值的減小，控制系統(tǒng)給定伺服比例閥的開(kāi)度值也按比例減小，直至為零。當(dāng)料流調(diào)節(jié)閥到達(dá)給定位置后（γ角的給定值與實(shí)際返回值之差小于0.1°）,啟動(dòng)液壓鎖（電磁球閥動(dòng)作,使液控單向閥動(dòng)作，切斷油缸進(jìn)油和出油回路）,使油缸定位，這樣使得液壓油缸推動(dòng)料流調(diào)節(jié)閥既能快速的到位，又能減小對(duì)設(shè)備的機(jī)械沖擊，并保證較高的精度。
4結(jié)束語(yǔ)
攀鋼釩1號(hào)和4號(hào)高爐無(wú)料鐘爐頂溜槽、料流調(diào)節(jié)閥經(jīng)過(guò)伺服系統(tǒng)改造后，從實(shí)際使用結(jié)果來(lái)看,a角、β角的精度達(dá)到了 0.1°,并且全行程動(dòng)作時(shí)間小于6s,系統(tǒng)在整個(gè)行程上動(dòng)作平穩(wěn)，不再產(chǎn)生較大的機(jī)械沖擊。溜槽、料流調(diào)節(jié)閥均能快速準(zhǔn)確到位，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速的目標(biāo), 滿足了無(wú)料鐘爐頂高爐多環(huán)布料的工藝要求。
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