串罐式無(wú)料鐘布料自動(dòng)控制系統(tǒng)分析

盧俊森

云南移民產(chǎn)業(yè)投融資有限公司 云南 昆明 650051

引言

在冶煉行業(yè)，串罐式無(wú)料鐘爐頂具有布料精確，工藝成熟，可控性好，改善產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，為多數(shù)大中型煉鐵高爐所采用，文章以玉溪永旭鋼鐵廠(chǎng)煉鐵高爐為例，對(duì)串罐式無(wú)料鐘布料系統(tǒng)控制原理進(jìn)行理論分析研究，為煉鐵工藝的改進(jìn)和創(chuàng)新提供參考。

1 爐頂主要設(shè)備系統(tǒng)

高爐無(wú)料鐘布料系統(tǒng)采用了集中供料的形式，即各種爐料（如燒結(jié)礦、球團(tuán)、焦炭等）都由同一套爐頂設(shè)備按要求分布在高爐內(nèi)，主要設(shè)備系統(tǒng)（子系統(tǒng)）有：①固定受料斗（包括上料閘）；②上閥箱；③料罐；④下閥箱；⑤氣密箱；⑥膨脹波紋管，此外還有一些輔助系統(tǒng)，如：水冷系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、干油集中潤(rùn)滑系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)。以上的子系統(tǒng)有的是純機(jī)械設(shè)備，有的是包含有機(jī)械及其控制的電氣或過(guò)程控制軟件系統(tǒng)，熟悉這些子系統(tǒng)的原理及作用，結(jié)合煉鐵生產(chǎn)工藝，掌握系統(tǒng)的調(diào)試技術(shù)，測(cè)試出合適的工作模式和參數(shù)，關(guān)系著產(chǎn)品的質(zhì)量。串罐式無(wú)料鐘爐頂在高爐上位置分布。

2 爐頂裝料系統(tǒng)

高爐爐料完全進(jìn)入受料斗后，柱塞閥、上密封閥和排壓閥會(huì)閉合，而均壓閥會(huì)打開(kāi)以輸入半凈高爐氣。密封閥下的料罐在卸料后，其壓力會(huì)降低到大氣壓之下，通過(guò)打開(kāi)上密封閥、柱塞閥，受料斗的礦料就流到料罐中。料罐下的下閥箱帶有料流調(diào)節(jié)閥的下密封閥，對(duì)不同的爐料可通過(guò)料流調(diào)節(jié)閥來(lái)獲得不同的流量。高爐在裝料前需先用探尺探料，然后打開(kāi)下密閥并將料流調(diào)節(jié)閥開(kāi)到預(yù)先計(jì)算出的位置，料罐中的爐料就順著料流調(diào)節(jié)閥流到溜槽上，達(dá)到在高爐爐膛內(nèi)布料的目的。

3 布料設(shè)備及其控制原理

從上可看出，高爐布料過(guò)程就是對(duì)溜槽的操控過(guò)程，布料是否精確影響出鐵質(zhì)量，布料的精確性由溜槽的運(yùn)行軌跡和動(dòng)作精準(zhǔn)性決定。

3.1 溜槽的驅(qū)動(dòng)與定位

為提高布料的準(zhǔn)確性，采用變頻器來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行是可行的辦法，如本項(xiàng)目就是采用的西門(mén)子G系列變頻器，具備數(shù)字控制技術(shù)和遠(yuǎn)程通信協(xié)議，調(diào)節(jié)方式有多樣。相應(yīng)地，拖動(dòng)電機(jī)采用繞線(xiàn)式可以保證轉(zhuǎn)速精確和力矩輸出的要求，電機(jī)通過(guò)固定變比的減速箱驅(qū)動(dòng)溜槽運(yùn)行，同時(shí)裝上一個(gè)絕對(duì)角度編碼器，用于對(duì)溜槽的位置進(jìn)行測(cè)量控制。為使?fàn)t料能布到預(yù)定的位置上，在高爐內(nèi)從爐子的中心線(xiàn)到爐壁劃分出6個(gè)位置，這6個(gè)位置根據(jù)每座高爐自身的落料曲線(xiàn)（由設(shè)計(jì)或設(shè)備廠(chǎng)家提供）設(shè)定，每個(gè)位置對(duì)應(yīng)著溜槽的6個(gè)傾斜角，這些位置對(duì)應(yīng)的傾斜角以表格的形式貯存在PLC中，形成布料矩陣的一部分。

首次裝料時(shí)，需根據(jù)6個(gè)溜槽傾斜角的原始認(rèn)定值進(jìn)檢測(cè)，當(dāng)然，如果有必要，也可通過(guò)控制臺(tái)或PLC編程面板手動(dòng)修正這些傾角值。另外，高爐不可能始終在相同料層厚度下工作，此時(shí)就得根據(jù)料尺探測(cè)的真實(shí)料層厚度來(lái)修正這些角度值，這樣即使在裝料時(shí)發(fā)生塌料也能很好布料，并不需要改變布料計(jì)劃，也就不必改變預(yù)先設(shè)定的布料參數(shù)值。同時(shí)，PLC還貯存了額外兩組設(shè)定值，一旦料層厚度低于固定范圍，PLC將自動(dòng)選擇第二或第三組設(shè)定值。在自動(dòng)模式下，溜槽會(huì)按布料矩陣和爐料高度決定自身的傾角以使其定位在相應(yīng)的位置上。整個(gè)過(guò)程信號(hào)輸入輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系如下（以本項(xiàng)目的高爐為例，溜槽的正常工作傾角為13°～53°）：0～100%（4～20mA）-＞0～55Hz（變頻器）-＞0～1470rpm（電機(jī)轉(zhuǎn)速）-＞0～2.67°/s（溜槽傾斜速度）。

PLC采用PID控制方式定位溜槽位置，溜槽位置的反饋是靠位置傳感器（也就是絕對(duì)角度編碼器）檢測(cè)，編碼器轉(zhuǎn)一圈為360°對(duì)應(yīng)溜槽傾斜100°，則其分辨率為1000點(diǎn)（或0.1°），若要求溜槽的精度為0.2°，溜槽傾斜速度為2.67°/s，位置測(cè)量分辨率為0.1°，PLC程序執(zhí)行的掃描時(shí)間應(yīng)小于1000ms×0.1°/2.67°/s=37.45ms，這個(gè)時(shí)間在PLC調(diào)試時(shí)需注意。

為使溜槽快速地、準(zhǔn)確地到達(dá)并駐停于指定位置，變頻器須能工作于四個(gè)調(diào)節(jié)象限內(nèi)。當(dāng)目標(biāo)位置與溜槽的當(dāng)前位置較遠(yuǎn)時(shí)，溜槽先以最大速度運(yùn)行，接近目標(biāo)時(shí)減速以便慢速?？吭谥付ㄎ恢蒙蟍1]。如果目標(biāo)位置與當(dāng)前位置比較近，可使溜槽以最大速度的1/3運(yùn)行至目標(biāo)位置，因此，溜槽的起動(dòng)和制動(dòng)應(yīng)根據(jù)變頻器可調(diào)整的工作曲線(xiàn)斜率來(lái)進(jìn)行。

溜槽傾動(dòng)是垂直面上的定位，溜槽的旋轉(zhuǎn)則是水平位置上的定位，溜槽旋轉(zhuǎn)的控制方法與傾動(dòng)的控制方基本相同，而溜槽在自動(dòng)模式下是不停旋轉(zhuǎn)的，除非溜槽的傾動(dòng)達(dá)到了其上、下限，或者是料尺在爐內(nèi)時(shí)溜槽的傾角大于45°，此時(shí)，溜槽立即停止旋轉(zhuǎn)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖1 溜槽傾動(dòng)定位

溜槽旋轉(zhuǎn)的位置傳感器信號(hào)用于設(shè)置每次料罐卸料的起始位置，如：60°、120°、180°、240°、360°，這個(gè)起始位置可由操作者在布料矩陣中選擇。旋轉(zhuǎn)控制的信號(hào)輸入輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系為：0～100%（4～20mA）≥0～55Hz（變頻器）≥0～1470rpm（電機(jī)轉(zhuǎn)速）≥0～13.28rpm（溜槽旋轉(zhuǎn)速度）。旋轉(zhuǎn)位置傳感器分辨率為360點(diǎn)（編碼器旋轉(zhuǎn)一圈）等于溜槽轉(zhuǎn)一圈（360°），故其分辨率可表示為1°，PLC的掃描時(shí)間應(yīng)小于1000ms×1°/79.7°/s=12.54ms，其中79.7°=13.28rpm為溜槽的轉(zhuǎn)速。同傾動(dòng)一樣，旋轉(zhuǎn)的起制動(dòng)應(yīng)根據(jù)變頻器可調(diào)整曲線(xiàn)斜率來(lái)完成，見(jiàn)上圖。

3.2 料流調(diào)節(jié)閥的控制

料流調(diào)節(jié)閥用來(lái)調(diào)節(jié)不同爐料的流量大小，它由液壓缸驅(qū)動(dòng)，而液壓缸由一個(gè)比例閥來(lái)控制，接受PLC發(fā)出的指令，它們構(gòu)成了一個(gè)前向控制的執(zhí)行系統(tǒng)；料流調(diào)節(jié)閥的反饋信號(hào)由位置傳感器發(fā)出，它監(jiān)視料流調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，同時(shí)，還有兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)監(jiān)視料流調(diào)節(jié)閥的開(kāi)閉位置[2]。

位置傳感器的為線(xiàn)性輸出，信號(hào)為4～20mA，對(duì)應(yīng)著液缸的行程。在自動(dòng)模式下，PLC通過(guò)PID算法計(jì)算出料流調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，而每種物料的最大料流值Qmax、最小料流值Qmin、料流對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度轉(zhuǎn)換表均存于PLC內(nèi)，用于比較或直接選取。料流調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度計(jì)算方法如下：

其中： T-落料時(shí)間，由布料矩陣給出

Q-料流速度（m3/s）

W-爐料重量（kg）

K-爐料常數(shù)（kg/m3）

計(jì)算出的料流速度必需先檢查，如果太大（Q＞Qmax），則可加大落料時(shí)間，也就是說(shuō)溜槽旋轉(zhuǎn)圈數(shù)也就相應(yīng)增加。如果計(jì)算也的料流小于最小料流（Q＜Qmin），落料時(shí)間按最小料流計(jì)，也就是：T=W/ Qmin×K。

卸料時(shí)，PLC內(nèi)的專(zhuān)用計(jì)時(shí)器會(huì)測(cè)量真實(shí)的落料時(shí)間，如果落料時(shí)間的實(shí)際值與計(jì)算值的偏差大于預(yù)定值，則料流調(diào)節(jié)閥開(kāi)度轉(zhuǎn)換表內(nèi)的預(yù)先計(jì)算值將被修正，如果偏差大的太多，將會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

料流調(diào)節(jié)閥在閉合前必須完全打開(kāi)，且與下密閥有一個(gè)聯(lián)鎖，也就是下密閥打開(kāi)的情況下，料流調(diào)節(jié)閥必須打開(kāi)。卸料期間內(nèi)，料流調(diào)節(jié)閥的位置不會(huì)改變；當(dāng)溜槽由一環(huán)移至另一環(huán)時(shí)，該閥不會(huì)閉合。為了加快裝填料速度，可根據(jù)溜槽的位置打開(kāi)料流調(diào)節(jié)閥。同樣，為達(dá)到控制精度的要求，必須先調(diào)節(jié)好PLC的掃描循環(huán)時(shí)間。

3.3 均壓和放散

上料閥、上密閥、下密閥、均壓閥、放散閥由各自的液壓缸驅(qū)動(dòng)，它們不需進(jìn)行定位控制，只需按生產(chǎn)工藝的順序進(jìn)行開(kāi)閉邏輯控制即可。爐頂系統(tǒng)配備了壓力傳感器以測(cè)量料罐和高爐內(nèi)的壓力，同時(shí)也可通PLC內(nèi)部計(jì)時(shí)器來(lái)監(jiān)視。按工藝要求及時(shí)序打開(kāi)均壓閥使料罐與爐內(nèi)通道，使壓差降低或接近相等從而實(shí)現(xiàn)均壓過(guò)程，而打開(kāi)放散閥使料罐中的壓力降為零則完成放散過(guò)程。

4 布料方式

每一次卸料，PLC按照高爐的工作順序準(zhǔn)備設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)，這些參數(shù)以表格形式存儲(chǔ)于PLC中，這些表格也稱(chēng)為布料矩陣。只要不改變PLC內(nèi)的布料程序，是可以修正布料矩陣中的參數(shù)的。

根據(jù)控制方式的不同，可以將布料形式分為三種[3]：①螺旋布料，對(duì)應(yīng)的控制方式為自動(dòng)控制模式；②環(huán)形布料，對(duì)應(yīng)的控制方式為遠(yuǎn)程手動(dòng)控制模式；③定點(diǎn)布料，定點(diǎn)布料只能在遠(yuǎn)程手動(dòng)控制模式下運(yùn)行。

4.1 螺旋布料（自動(dòng)控制模式）

螺旋布料時(shí)，溜槽會(huì)在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行傾動(dòng)，從而根據(jù)布料程序給出的參數(shù)向爐內(nèi)布料；按照布料矩陣，布料的螺旋線(xiàn)起始于要求布下第一份爐料的位置，終止于最后選定的位置。

如果按時(shí)間布料，則每個(gè)位置的布料時(shí)間為：t=m×（T/n），其中：

t-特定位置的布料時(shí)間；

m-為該位置選定的布料份數(shù)；

T-總落料時(shí)間（經(jīng)計(jì)算或直接從布料矩陣中讀?。?；

n-本次布料所選定的布料份數(shù)。

溜槽在一個(gè)位置上旋轉(zhuǎn)的時(shí)間將與為該位置所選定的布料份數(shù)成比例。因此，在計(jì)算料流調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度時(shí)，需考慮布下一份爐料可能需要的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。

如果按重量布料，每個(gè)位置的布料重量為：w= t=m×（W/n），其中：

w-特定位置的爐料重量；

m-為該位置選定的布料份數(shù)；

W-料罐中爐料總重（該數(shù)據(jù)由槽下傳來(lái)）；

n-本次布料所選定的布料份數(shù)。

不論按何種方式布料，如果只選擇在一個(gè)位置布料，那么就變成了環(huán)形布料，所給定的的布料份數(shù)將影響落料時(shí)間。

4.2 環(huán)形布料（遠(yuǎn)程手動(dòng)控制模式）

環(huán)形布料僅在某一個(gè)傾動(dòng)位置布料，操作時(shí)應(yīng)先啟動(dòng)溜槽并讓其旋轉(zhuǎn)，操作者在控制臺(tái)上指定溜槽的位置和調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度后即可進(jìn)布料。卸料期間，如果指令讓溜槽移動(dòng)，這樣也可進(jìn)行螺旋布料。

4.3 定點(diǎn)布料

定點(diǎn)布料也就是讓溜槽停在指定的位置進(jìn)行布料，當(dāng)然，可以指定溜槽在其任意一個(gè)位置。

5 電氣聯(lián)鎖

爐頂各設(shè)備之間需按工藝要求設(shè)置電氣聯(lián)鎖，詳見(jiàn)下表：

表1 閥門(mén)聯(lián)鎖表

以上聯(lián)鎖只在自動(dòng)模式下存在，如果在就地模式時(shí)，各設(shè)備之間則沒(méi)有聯(lián)鎖控制。如果爐內(nèi)的壓力過(guò)低，可通過(guò)按鍵開(kāi)關(guān)解除上密閥與下 密閥之間的聯(lián)鎖。

6 結(jié)束語(yǔ)

高爐的整個(gè)上料及卸料過(guò)程結(jié)合了機(jī)械、電力拖動(dòng)、邏輯控制和過(guò)程儀表等控制技術(shù)，爐頂包括的子系統(tǒng)較多，通過(guò)修訂爐頂設(shè)備的控制參數(shù)，能對(duì)煉鐵系統(tǒng)做出多種響應(yīng)，以適應(yīng)不同的工作模式及工藝要求，滿(mǎn)足生產(chǎn)條件復(fù)雜多變的情況。