液壓伺服比例系統(tǒng)在大型高爐布料控制過(guò)程中的應(yīng)用
隨著冶金工業(yè)的飛速發(fā)展，作為鋼鐵冶煉過(guò)程中的重要組成部分——煉鐵爐也產(chǎn)生了幾次大的變革。從100m3~300m3的小高爐發(fā)展到現(xiàn)在1750m3、3800m3甚至到4200m3大型高爐，從最初的雙料鐘爐頂?shù)浆F(xiàn)在已經(jīng)普遍使用的無(wú)鐘爐頂，無(wú)鐘爐頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)方式也分為串罐式和并罐式, 等等?，F(xiàn)在的無(wú)鐘爐頂主要有BT型、PW型、SS型等幾種形式。
圖1 料流閥調(diào)節(jié)工作示意圖
無(wú)鐘爐頂實(shí)現(xiàn)精確布料的原理
現(xiàn)代化的高爐為了最大限度的提高冶煉效率，均采用了料流調(diào)節(jié)閥加布料溜槽的控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)礦、焦在爐內(nèi)的精確布料，料流調(diào)節(jié)閥和布料溜槽控制布料的原理如圖1和圖2所示。
圖2 布料溜槽工作示意圖
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)纳狭隙泛拖铝隙罚诟郀t接到布料指令后，其下料斗的料流調(diào)節(jié)閥首先按工藝要求開(kāi)到給定的開(kāi)度(即γ角)，這時(shí)爐料按一定的流量經(jīng)布料滾筒后流到布料溜槽上，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(即α角)，同時(shí)布料溜槽還在水平面方向上進(jìn)行著勻速旋轉(zhuǎn)(即β角)。這樣爐料就可以均勻的布到高爐的料面上了。
從上面爐頂布料的基本控制原理可以看出，只要控制好α、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)布料等幾種形式。最多使用的是環(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)，使?fàn)t料均勻的布在爐內(nèi)。根據(jù)環(huán)形布料的環(huán)數(shù)的多少還分為單環(huán)布料和多環(huán)布料，最常用的為一環(huán)到四環(huán)布料。如果在冶煉過(guò)程中出現(xiàn)爐內(nèi)料面不均勻的情況，則可以利用扇形布料或定點(diǎn)布料來(lái)彌補(bǔ)?；蛘郀t長(zhǎng)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)熱等等原因，也需要采用扇形或定點(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，下料斗料流調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度控制(即γ角的控制)是至關(guān)重要的，因?yàn)橹挥?FONT face="Times New Roman">γ角控制的精確，才能有效地控制好下料的料流量，進(jìn)而更準(zhǔn)確的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)。
料流調(diào)節(jié)閥的控制現(xiàn)狀
現(xiàn)在的無(wú)鐘高爐爐頂，其料流調(diào)節(jié)閥的控制基本有三種:
普通電機(jī)加齒輪減速機(jī)構(gòu)來(lái)控制料流調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。這種方式控制設(shè)備簡(jiǎn)單，但精度很難提高，系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間也較長(zhǎng)，不利于提高高爐生產(chǎn)的節(jié)奏。另外，齒輪減速機(jī)構(gòu)中的機(jī)械間隙對(duì)γ角精度的影響也很難消除，因此在大型高爐上基本不使用這種控制方式。
使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)料流調(diào)節(jié)閥。這種驅(qū)動(dòng)方式能較好的保證γ角的精度，但驅(qū)動(dòng)力矩受到一定的限制，另外其動(dòng)作時(shí)間也比較長(zhǎng)，不利于提高生產(chǎn)節(jié)奏，一般在450m3及以下的高爐上應(yīng)用較多。
采用液壓系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)料流調(diào)節(jié)閥。用這種方式最大的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力矩較大，可以使系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間大幅縮短，另外其控制也比較簡(jiǎn)單，即使用兩個(gè)常規(guī)的液控單向閥來(lái)控制液壓缸的開(kāi)度，進(jìn)而達(dá)到控制γ角開(kāi)度的目的，如圖3所示。一般大型高爐大都采用這種方式。
現(xiàn)在的無(wú)鐘高爐爐頂，其料流調(diào)節(jié)閥的控制基本有三種:
普通電機(jī)加齒輪減速機(jī)構(gòu)來(lái)控制料流調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。這種方式控制設(shè)備簡(jiǎn)單，但精度很難提高，系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間也較長(zhǎng)，不利于提高高爐生產(chǎn)的節(jié)奏。另外，齒輪減速機(jī)構(gòu)中的機(jī)械間隙對(duì)γ角精度的影響也很難消除，因此在大型高爐上基本不使用這種控制方式。
使用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)料流調(diào)節(jié)閥。這種驅(qū)動(dòng)方式能較好的保證γ角的精度，但驅(qū)動(dòng)力矩受到一定的限制，另外其動(dòng)作時(shí)間也比較長(zhǎng)，不利于提高生產(chǎn)節(jié)奏，一般在450m3及以下的高爐上應(yīng)用較多。
采用液壓系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)料流調(diào)節(jié)閥。用這種方式最大的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力矩較大，可以使系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間大幅縮短，另外其控制也比較簡(jiǎn)單，即使用兩個(gè)常規(guī)的液控單向閥來(lái)控制液壓缸的開(kāi)度，進(jìn)而達(dá)到控制γ角開(kāi)度的目的，如圖3所示。一般大型高爐大都采用這種方式。
圖3 普通液壓系統(tǒng)控制料流閥的原理圖
但這種方式的缺點(diǎn)也很明顯。其一是普通液壓系統(tǒng)控制的液壓缸，其推力受系統(tǒng)壓力的影響比較大，容易形成沖擊，對(duì)料流閥的壽命有著一定的影響;其次也是比較重要的，就是其精度很難控制，誤差比較大，一般在1.5°~2.0°，有時(shí)竟達(dá)到2.5°~3.5°。 這樣的精度在高爐布大粒度料(例如20mm以上的燒結(jié)礦或焦炭)的時(shí)候可能影響不是太嚴(yán)重，但是在需要布小粒度料的時(shí)候，尤其是小于5mm的碎礦或碎焦時(shí)，就很難控制甚至無(wú)法控制了。利用液壓伺服比例系統(tǒng)控制料流調(diào)節(jié)閥的原理和應(yīng)用
某煉鐵廠1#1750高爐是該公司第一座大型高爐，原來(lái)的爐頂料流調(diào)節(jié)閥采用的是普通液壓缸控制，其γ角精度較低，誤差最大時(shí)達(dá)到2.8°，而且在料流調(diào)節(jié)閥全開(kāi)和全關(guān)時(shí)機(jī)械沖擊較大。為了解決這一問(wèn)題，筆者對(duì)料流調(diào)節(jié)閥的控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，新上了一套液壓伺服比例控制系統(tǒng)，伺服比例閥選用了BOSCH-REXROTH公司的高頻響伺服比例閥，其液壓伺服比例系統(tǒng)的控制如圖4所示:
某煉鐵廠1#1750高爐是該公司第一座大型高爐，原來(lái)的爐頂料流調(diào)節(jié)閥采用的是普通液壓缸控制，其γ角精度較低，誤差最大時(shí)達(dá)到2.8°，而且在料流調(diào)節(jié)閥全開(kāi)和全關(guān)時(shí)機(jī)械沖擊較大。為了解決這一問(wèn)題，筆者對(duì)料流調(diào)節(jié)閥的控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，新上了一套液壓伺服比例控制系統(tǒng)，伺服比例閥選用了BOSCH-REXROTH公司的高頻響伺服比例閥，其液壓伺服比例系統(tǒng)的控制如圖4所示:
圖4 液壓伺服比例系統(tǒng)控制料流閥的原理圖
伺服比例閥通過(guò)自帶的集成放大器，可以連續(xù)的調(diào)節(jié)伺服比例閥的開(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。
高爐爐頂料流調(diào)節(jié)閥開(kāi)度精確控制系統(tǒng)是典型的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。但大慣量的機(jī)械特性是實(shí)現(xiàn)位置精確控制的難點(diǎn)。按固有頻率劃分，該系統(tǒng)機(jī)械裝置應(yīng)當(dāng)屬于低頻系統(tǒng)，固有頻率估算為8Hz。該套裝置的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為閥控缸系統(tǒng)，作為執(zhí)行元件的液壓缸最低固有頻率，經(jīng)計(jì)算為f0＝137Hz，而作為控制元件的伺服閥固有頻率也達(dá)到120Hz以上。閥控缸系統(tǒng)作為中頻系統(tǒng)，可以達(dá)到較高的位置控制精度。閥、缸在系統(tǒng)中均可看作比例環(huán)節(jié)。另外，閘門機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝柔度、結(jié)構(gòu)剛性以及配合精度對(duì)整套系統(tǒng)的最終控制精度也起著重要的作用
本系統(tǒng)采用的液壓缸為閥控(非對(duì)稱)液壓缸機(jī)構(gòu)，如圖5所示。由于活塞兩腔的作用面積不同，故流量是不相同的;而且，流量方程與活塞速度的方向有關(guān)。
圖5 非對(duì)稱閥控液壓缸原理圖
閥控(非對(duì)稱)缸的數(shù)學(xué)模型為:
(1)
式中:Ktα——總壓力流量系數(shù);
把油缸的位移作為輸出(控制)量，考慮忽略兩個(gè)因素:
無(wú)彈簧負(fù)載，Ks=0;·無(wú)阻尼缸，故Bp很小，因而Ktα≤Ae，所以式(1)式可簡(jiǎn)化為:
:(2)
式(1)表示，輸出位移由兩部分產(chǎn)生作用，一是由伺服閥的開(kāi)口造成，二是由外負(fù)載造成。分子中的第一項(xiàng)可看成是無(wú)外負(fù)載時(shí)的速度，分子中的第二項(xiàng)可看成是因外負(fù)載造成的速度降低。
式中:Ktα——總壓力流量系數(shù);
把油缸的位移作為輸出(控制)量，考慮忽略兩個(gè)因素:
無(wú)彈簧負(fù)載，Ks=0;·無(wú)阻尼缸，故Bp很小，因而Ktα≤Ae，所以式(1)式可簡(jiǎn)化為:
:(2)
式(1)表示，輸出位移由兩部分產(chǎn)生作用，一是由伺服閥的開(kāi)口造成，二是由外負(fù)載造成。分子中的第一項(xiàng)可看成是無(wú)外負(fù)載時(shí)的速度，分子中的第二項(xiàng)可看成是因外負(fù)載造成的速度降低。
由式(1)所確定的方塊圖如圖6示
圖6 方塊圖
由于伺服閥的動(dòng)態(tài)性能比較好，可近似認(rèn)為是比例環(huán)節(jié)。所以該位置控制系統(tǒng)可認(rèn)為是由一個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié)和一個(gè)積分環(huán)節(jié)構(gòu)成。
總增益中，伺服閥系數(shù)Ksv、速度系數(shù)Kqa、活塞面積A和反饋系數(shù)Kf已由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(元件本身特性)決定，所以開(kāi)環(huán)總增益K的大小只能通過(guò)調(diào)節(jié)伺服比例閥前置的集成放大器的增益K0來(lái)實(shí)現(xiàn)。K0通過(guò)程序設(shè)定。
綜上述，位置系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)G(S)可寫成::
確定了系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)、閉環(huán)傳遞函數(shù)后，就可以計(jì)算出系統(tǒng)的增益、開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的放大倍數(shù)等，這些參數(shù)的設(shè)置均由電氣PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，電氣采用了施耐德公司的QUANTUM系列PLC控制系統(tǒng)。PLC系統(tǒng)將采集到的爐頂料流調(diào)節(jié)閥的實(shí)際開(kāi)度返回值(由自整角機(jī)或光電編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)換成實(shí)際角度)，以及爐頂控制系統(tǒng)發(fā)出的開(kāi)度給定值和動(dòng)作指令，在經(jīng)過(guò)分析處理后，輸出指令(轉(zhuǎn)換成4~20mA的電信號(hào))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7示。
圖7液壓伺服比例系統(tǒng)電氣控制流程圖
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)γ角的給定值和實(shí)際返回值，并計(jì)算出他們的差值δ, 當(dāng)δ值大于某個(gè)角度(比如2°，這時(shí)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<0.1°，啟動(dòng)液壓鎖(電磁球閥動(dòng)作，使得液控單向閥動(dòng)作，切斷油缸進(jìn)油和出油回路，見(jiàn)圖4,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。圖8是完成以上控制流程的一段局部梯形邏輯程序。
圖8 控制液壓比例伺服系統(tǒng)的PLC局部梯形邏輯
需要注意的是，由于液壓伺服比例系統(tǒng)本身具有較高的放大系數(shù)，以及還有機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的影響，因此如果PID調(diào)節(jié)的各項(xiàng)參數(shù)(如比例、微分、積分系數(shù)，延時(shí)時(shí)間，偏移量等)調(diào)整的不好的話，系統(tǒng)極易產(chǎn)生振蕩，因此在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上得到的各項(xiàng)PID參數(shù)還需要反復(fù)試驗(yàn)，以達(dá)到最好的效果。
應(yīng)用效果
該高爐的爐頂料流調(diào)節(jié)閥經(jīng)過(guò)改造后，實(shí)際效果非常理想。γ角的精度由原來(lái)的2.8°，提高到了不大于0.1°，全行程動(dòng)作時(shí)間小于4s，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。
結(jié)語(yǔ)該高爐的爐頂料流調(diào)節(jié)閥經(jīng)過(guò)改造后，實(shí)際效果非常理想。γ角的精度由原來(lái)的2.8°，提高到了不大于0.1°，全行程動(dòng)作時(shí)間小于4s，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。
隨著這幾年我國(guó)鋼鐵行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，煉鐵原料尤其是燒結(jié)礦的供需矛盾越來(lái)越突出。就一座1750m3的高爐來(lái)說(shuō)，每年的燒結(jié)礦需求約為160萬(wàn)噸，而燒結(jié)礦中0~5mm粒級(jí)的所謂“碎返礦”約占燒結(jié)礦總量的20~30%，即30~40萬(wàn)噸。這部分“碎返礦”原來(lái)的處理方法是返回?zé)Y(jié)機(jī)重新進(jìn)行燒結(jié)，這不僅客觀上降低了燒結(jié)礦的產(chǎn)量，還造成了能源的極大浪費(fèi)，不利于資源的循環(huán)利用。經(jīng)過(guò)對(duì)料流調(diào)節(jié)閥的相應(yīng)改造后，由于其γ角可以在較小的角度上精確控制，這就為高爐添加這部分“碎返礦”提供了必要的條件，經(jīng)過(guò)工藝優(yōu)化后，實(shí)現(xiàn)“碎返礦入爐”。這樣一座1750 m3高爐每年可以多消化燒結(jié)礦30~40萬(wàn)噸，按每噸燒結(jié)礦加工成本40元計(jì)算，年經(jīng)濟(jì)效益就接近1500萬(wàn)元。另外，“碎返礦”精確地布到爐內(nèi)靠近爐壁的位置，還可以降低爐壁溫度，提高高爐的一代爐齡壽命，其間接經(jīng)濟(jì)效益也非常可觀。
因此在大型高爐上提高料流調(diào)節(jié)閥的精度具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。筆者認(rèn)為，在大型高爐爐頂布料控制過(guò)程中，用液壓伺服比例控制系統(tǒng)代替普通液壓控制系統(tǒng)控制料流調(diào)節(jié)閥還是很有推廣價(jià)值的。
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