直接還原轉底爐轉速控制系統設計

張錦亮

(1：北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京100029；2：中冶長材軋鋼工程技術中心 北京100029)

1 前言

直接還原轉底爐是近年來治金行業新興的一種無機固廢處理直接還原加熱爐，能夠有效處理冶金污泥粉塵、紅土鎳礦、復雜難選礦等物料，環形旋轉爐床由于幾百噸的自重，驅動多采用多臺液壓馬達同步驅動。直接還原轉底爐工藝控制最核心部分之一就是還原物料的周期，即必須按照生產工藝的要求的時間完成一個旋轉周期，控制時間精度要求高，誤差小。要求控制系統做到無極調速、設定方便、控制精確。

2 液壓系統原理

如圖1所示，正常工作時，嚙合油缸將驅動裝置推入，使傳動齒輪與爐盤柱齒銷可靠嚙合。當下達正向旋轉指令，四臺液壓比例閥受控閥芯打開，高壓油由A口進入液壓馬達，B口流出，推動液壓馬達正向旋轉，傳動齒輪帶動爐盤正向轉動；當下達反向旋轉指令，高壓油由B口流入液壓馬達，A口流出，推動液壓馬達反向旋轉，傳動齒輪帶動爐盤反向轉動；此系統實際運行時，兩用兩備，1#與3#液壓馬達同步驅動爐底旋轉時，2#與4#液壓馬達處于備用狀態，反之亦然。

圖1 液壓系統原理圖

3 控制系統結構

控制系統采用Schneider Premium[1]，CPU采用TSX P57 3634M。高速計數器模塊TSX CTY 2C一塊，IO模塊若干，在機主架和擴展機架之間采用BusX總線擴展模塊TSX REY 200(遠程站分別放置在液壓站和電氣室)。系統結構圖見圖2。

圖2 控制系統結構圖

3.1 控制系統硬件

輸入輸出模塊包括：

①模擬量輸入，用于采集液壓馬達進出口壓力，液壓站油箱溫度、壓力，油箱液位等信號；

②模擬量輸出，輸出信號至比例放大板，作為控制液壓馬達轉速的給定；

③數字量輸入，采集MCC室內所有開關和接觸器輔助觸點信號的采集；

④數字量輸出，用于控制液壓站內所有電磁閥的啟停和MCC室內接觸器的啟動以及指示燈等的輸出。

⑤高速計數模塊，用于采集測速編碼器數值。

⑥CANopen通訊卡，用于與ATV71變頻通訊，控制變頻器運行及采集變頻器運行參數。

3.2 控制系統實現的功能

①液壓馬達進出口壓差檢測、轉底爐轉速檢測、旋轉一周檢測、轉底爐轉速設定及自動調節、液壓站控制、裝出料設備控制。

②在主控操作室的操作臺上和上位機的HMI畫面上，對每臺設備均設有手動和自動操作按鈕，確保系統的操作的靈活性。③轉速設定方便、手自動無擾切換。④程序實時診斷編碼器故障并報警。

4 現場信號檢測與控制原理

由測速編碼器實時采集爐底當前轉速，PLC通過計數功能模塊與編碼器相連，接收轉底爐當前實時轉速，在PLC內部則表現為連續變化的雙整數，通過PLC程序處理，以每秒編碼器變化的具體數值反映轉底爐當前轉速，同時也是實時判斷編碼器是否正常工作的依據；通過工程調試，實測出轉底爐旋轉一圈編碼器的累計碼值，通過程序處理，根據工藝需求的的還原時間計算出轉底爐在設定還原時間條件下的理論轉速(單位時間編碼器理論變化量)，PLC內采用PID控制算法，比例系數自動調整和速度限幅，自動控制電液比例閥的給定值，使爐底實際旋轉速度實時跟隨給定速度；旋轉一周檢測接近開關來用于實時校正實際旋轉一周編碼器的總脈沖數。

5 程序設計

PLC程序開發采用施耐德UnityPro，UnityPro為創建用戶程序提供了如下五種編程語言[2]，FBD(功能塊圖)、LD(梯形圖語言)、SFC(順序控制)、IL(指令列表)、ST(結構化文本)。本程序采用ST結構化文本，程序流程圖如圖3。

圖3 直接還原轉底爐轉速控制程序流程圖

程序代碼如下：

IF INIT_POWER THEN(*PLC重啟初始化賦值*)

%MW62：=50； (*默認還原時間50min，由HMI設定*)

%MF400：=0.5； (*比例作用增益*)

%MF402：=10.0； (*比積分時間*)

%MW60：=2； (*爐瞬時轉速采樣周期(秒)*)

IF HYD_FAULT OR FURNACE_REV THEN (*液壓站故障或爐底反轉復位自動投入*)

INIT_SET：=INT_TO_REAL(%MW200*50+5000)；(*還原周期設定，%MW200是手動操作時，HMI手動給定比例閥開度百分數*)END_IF；

PID_SETSP：=66071.0/INT_TO_REAL(%MW62*60/%MW60)；(*PID設定點計算，66072.0為工程調試中所測爐底旋轉360度編碼器累計計數值*)

%MF300：=INT_TO_REAL(%MW60)；(*爐瞬時轉速采樣周期(秒)*)

ENCODER_VALUE：=ENCODER_CUR_MEASURE；(*編碼器當前數值*)

FP1(CLK：=%S6，Q=>SEC_PULSE)； (*秒脈沖*)

INIT_ENCODER_V：=ENCODER_VALUE； (*記錄編碼器初始值*)

PID_PV：=DINT_TO_REAL(V_NS_ENCODER)；

%MF302：=66072.0/900.0*%MF300；(*最大速度限制*)

%MF304：=66072.0/3600.0*%MF300；(*最小速度限制*)

(*PID參數賦值*)

OUT：=PID_OUT_R，

MA_O=>PID_MA_O，

INFO=>PID_INFO，

STATUS=>PID_STATUS)；

PID_OUT：=REAL_TO_INT(PID_OUT_R)；

IF FURNACE_FWD THEN

FURNACE_SPEED_GIVE_1：=PID_OUT；(*1號比例閥開度給定*)

FURNACE_SPEED_GIVE_2：=PID_OUT；(*2號比例閥開度給定*)

FURNACE_SPEED_GIVE_3：=PID_OUT；(*3號比例閥開度給定*)

FURNACE_SPEED_GIVE_4：=PID_OUT；(*4號比例閥開度給定*)

IF FURNACE_STOP_STATUS THEN (*還原爐處于停止狀態*)

FURNACE_SPEED_GIVE_1：=0； (*1號比例閥開度給定*)

FURNACE_SPEED_GIVE_2：=0； (*2號比例閥開度給定*)

FURNACE_SPEED_GIVE_3：=0； (*3號比例閥開度給定*)

FURNACE_SPEED_GIVE_4：=0； (*4號比例閥開度給定*)

END_IF；

6 結論

此控制系統于2011年在沙鋼固廢處理生產線直接還原轉底爐投入使用，實現了連續、穩定、可靠的工業化生產運行至今；該項目應用的蓄熱式轉底爐直接還原清潔冶煉技術(SRF)及裝備達到國際領先水平[3]。實踐驗證該控制系統設計合理、運行可靠、成本低廉、便于操作和維護，為實現直接還原工藝提供了有力的技術保證。