CN101714002A - 高炉无料钟炉顶旋转溜槽旋动位置自动控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高炉无料钟炉顶旋转溜槽旋动位置自动控制装置及方法，控制装置，对溜槽的主传动角度进行控制，其特征在于，包括：信息采集设备，将溜槽位置传送到PLC控制系统；溜槽倾动控制系统设备，包括：监控计算机以及PLC控制系统；执行机构传动设备，包括：溜槽主传动旋动电动机，用于驱动溜槽的主传动角度旋动位置。本发明提出了一种在连续旋动布料方式时，具有的继电器调节特性的闭环偏差位置控制系统和在手动旋动布料方式时具有的轴定位控制特性的闭环位置随动系统，对β角的旋动位置进行自动调节。

Description

高炉无料钟炉顶旋转溜槽旋动位置自动控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种高炉无料钟炉的自动控制装置及方法，尤其涉及高炉无料钟炉顶设备的旋转溜槽的旋动控制装置和方法。

背景技术

高炉无料钟炉顶旋转溜槽位置自动控制，以下简称为对溜槽β角的自动位置控制，直接应用在高炉生产冶炼的技术领域，主要满足高炉生产对炉料稳定操作，均匀分布的要求及解决在高炉生产过程中为调节炉况，进行双环、多环、螺旋和手动进行扇形和定点布料位置控制的问题。

β角精确控制可以改善工艺过程控制质量，提高高炉的装料效率。可以获得多种布料方式，实现炉喉圆周方向和径向的炉料的均匀分布及某点的炉料分布，促进炉况顺行，并为处理炉料管道、偏行等事故创造条件。

传统的高炉无料钟炉顶设备也存在一些缺点。如对原料的粒度要求较严格；机械传动较复杂；炉料沿圆周方向分布不均；用于密封及冷却的氮气消耗量大等。

针对传统型无料钟炉顶设备存在的缺点，一种溜槽主传动(β角)由交流电动机传动和制动器相结合的无料钟布料溜槽旋动系统和溜槽副传动(α角)采用动作液压缸的组合式无料钟炉顶设备成功地用于高炉上，但是采用交流电动机传动和制动器相结合的无料钟布料器溜槽旋动行程控制系统，受溜槽转动惯量的影响，溜槽旋停不准确，旋动精度不高，无法在线准确监控β角的方位角，不能满足高炉生产对双环、多环、螺旋和手动进行扇形和定点布料位置控制精确要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中布料器溜槽旋动系统采用行程控制带来的找准角度偏差和减少布料器频繁起制动的惯性冲击给高炉布料带来的影响，充分发挥该型无料钟布料器的优点，确保对β角自动位置控制的运行方式。

本发明提一种高炉无料钟炉顶旋转溜槽旋动位置自动控制装置，对溜槽的主传动角度进行控制，其特征在于，包括：信息采集设备，将溜槽位置传送到PLC控制系统；溜槽倾动控制系统设备，包括：监控计算机以及PLC控制系统；执行机构传动设备，包括：溜槽主传动旋动电动机，用于驱动溜槽的主传动角度旋动位置。

上述信息采集设备包括：溜槽检修位置接近开关，将溜槽位置传送到PLC控制系统；增量式编码器，设置在布料器上，对溜槽主传动角的旋动角度和圈数进行检测，并将信号传送到PLC控制系统。

上述执行机构传动设备还包括：变频器柜，根据PLC控制系统的信号，控制溜槽主传动旋动电动机旋动。

此外，PLC控制系统包括：DI输入模块，与溜槽检修位置接近开关连接，溜槽检修位置传送到DI输入模块；轴定位模块，与增量式编码器连接，接收溜槽主传动旋动角度和圈数，轴定位模块将传送过来的脉冲信号变换为主传动旋动角度实测值，并将实测值发送到CPU模块，CPU模块将计算后的控制信号传再传送给轴定位模块，轴定位模块的输出端与变频柜连接。

此外，PLC控制系统还包括DO输出模块，与继电器及接触器柜连接，继电器及接触器柜与制动器连接，使制动器处于长期打开状态，制动器不参与控制；高速计数器模块，与增量式编码器连接，仅在轴定位模块故障时投入使用。

此外，监控计算机对无料钟炉顶布料方式进行设定。

本发明还提供一种高炉无料钟炉顶旋转溜槽旋动位置自动控制方法，其特征在于：信息采集设备捡出溜槽主传动旋动角度和圈数，输出对应的脉冲信号；角度和圈数的脉冲信号引至轴定位模块；变换后的主传动旋动角度实测值和存贮在CPU模块中的布料控制程序相比较，根据系统选择的旋动运行方式对主传动旋动角度进行控制；按照预定的布料方式，通过轴定位模块使溜槽旋动电动机旋转。

当达到工艺要求的圈数和角度时，溜槽旋动电动机进入位置控制区域，当溜槽主传动旋动角度为正偏差时，由轴定位模块使溜槽主传动旋动角度电动机控制溜槽向主传动旋动角度的负方向旋动；当溜槽主传动旋动角度位置为负偏差时，溜槽主传动旋动角度电动机控制溜槽向主传动旋动角度的正方向旋动。

轴定位模块故障时，设置在布料器上的编码器检测并转换β角实测值和圈数值，转换值输入到高速计数器模块中，转换值经系统的位置控制算法模型计算后，按照预定的布料方式，与设定值进行位置比较后，由PLC系统和继电器及接触器柜对溜槽主传动旋动角度进行控制。

此外，系统设定不灵敏区，当摆角偏差超过一定值时，系统才开始动作进行位置调节。

本发明提出了一种在连续旋动布料方式时，具有的继电器调节特性的闭环偏差位置控制系统和在手动旋动布料方式时具有的轴定位控制特性的闭环位置随动系统，对β角的旋动位置进行自动调节。

附图说明

图1是本发明高炉无料钟炉顶溜槽主传动旋动角自动控制装置的组成框图；

图2是本发明溜槽主传动(β角)摆角给定突然变到另一角度时，溜槽主传动(β角)复现输入给定的变化过程；

图3显示本发明轴定位模块的输出电压与溜槽电动机旋转方向关系图；

图4为不灵敏区设置示意图；

图5为带不灵敏区的控制流程图。

1-溜槽布料器回转浮动框架及溜槽；

2-溜槽旋动电动机；          3-溜槽旋动机构制动器；

4-溜槽检修位置1～3接近开关；5-光电编码器；

6-DI(数据输入)输入模块；    7-DO(数据输出)输出模块；

8-轴定位模块；              9-CPU模块；

10-高速计速器模块；         11-继电器及接触器柜；

12-变频器柜；

13-PLC(可编程序逻辑控制器)系统；

14-监控计算机。

具体实施方式

根据本发明，为了防止溜槽位置跟踪不准确，保持布料溜槽β角位置控制精确，提供了一种高炉无料钟炉顶旋转溜槽旋动位置自动控制装置，如图1所示，包括：

溜槽倾动控制系统设备，包括：监控计算机14以及PLC控制系统13。

执行机构传动设备，包括：变频器柜12；继电器及接触器柜11；溜槽主传动(β角)旋动电动机2；溜槽主传动(β角)旋动机构制动器3。

其中：

溜槽主传动旋动电动机2、用于驱动溜槽1的主传动旋动位置；

制动器3，长期出于打开状态，紧急情况下对溜槽1进行制动；

溜槽检修位置接近开关4，将溜槽检修位置传送到PLC控制系统；在图1的实施例中，三个溜槽检修位置由接近开关4引至DI输入模块6；

增量式编码器5，设置在布料器上，对溜槽β角旋动角度和圈数进行检测；

PLC控制系统13包括：

DI输入模块6，与溜槽检修位置接近开关4连接，溜槽检修位置传送到DI输入模块6；

轴定位模块8，与增量式编码器5连接，接受溜槽主传动旋动角度和圈数，轴定位模块8将传送的脉冲信号变换为主传动旋动角度实测值，并将实测值发送到CPU模块9；CPU模块9将计算后的控制信号传再传送给轴定位模块8，轴定位模块8的输出端与变频柜12连接；

变频器柜12，根据轴定位模块8传送的信号，控制溜槽主传动旋动电动机2旋动；

DO输出模块7，此时DO输出模块7使制动器3处于长期打开状态，制动器3不参与控制；紧急状态下，当轴定位模块8因故不能参与控制时，DO输出模块7对制动器3进行连锁控制，即溜槽旋动时制动器3打开，溜槽不动时制动器3制动；当变频器柜12因故检修，溜槽旋动电动机2可切换至由DO输出模块7和继电器及接触器柜11组合控制方式。

高速计数器模块10，与增量式编码器5连接，仅在轴定位模块8故障时投入使用。

监控计算机14，对无料钟炉顶布料方式进行设定，将布料器溜槽的布料环数、螺旋布料的步进步数、扇形布料的圆心角、定点布料的方位角、溜槽副传动α角和溜槽β角之间的关系存贮在CPU模块9的布料控制程序内，在高炉生产中，这些被存贮参数，通过对环形布料、不均匀环形布料、螺旋布料、均匀重叠螺旋布料、不均匀螺旋布料、环形和螺旋形混合布料其中之一种布料方式的选择，可以合理分布炉料，促进炉况顺行并且为处理炉料管道、偏行等事故创造条件。

溜槽主传动旋动角度和圈数由装置在布料器上的增量式编码器5捡出并输出对应的脉冲信号，角度和圈数的脉冲信号由分路器引至轴定位模块8和高速计数器模块10(高速计数器模块10，仅在轴定位模块8故障时投入使用)中，变换后的β角实测值和存贮在CPU模块中的布料控制程序相比较，根据系统选择的旋动运行方式对β角进行控制，运行方式共有手动旋动和自动旋动两种工作方式，其共同工作原理为：

当溜槽旋动时，设置在布料器上的编码器检测并转换β角实测值和圈数值，转换值经系统的位置控制算法模型计算后，按照预定的布料方式，通过轴定位模块8以及变频器柜12使溜槽旋动电动机旋转。当达到工艺要求的圈数和角度时，溜槽旋动电动机进入位置控制区域，当溜槽β角为正偏差时，由轴定位模块8经变频器柜12使溜槽β角电动机2控制溜槽向β角的负方向旋动，反之溜槽β角位置为负偏差时，溜槽β角电动机2控制溜槽向β角的正方向旋动。最终使溜槽主传动旋动角度与设定β角一致。

轴定位模块8故障时，装置在布料器上的编码器检测并转换β角实测值和圈数值，转换值输入到高速计数器模块10中，转换值经系统的位置控制算法模型计算后，按照预定的布料方式，与设定值进行位置比较后，根据系统设定的不灵敏区和动作时间，由PLC系统和继电器及接触器柜11对β角进行连锁控制。为避免溜槽主传动驱动电动机频繁动作，溜槽β角采用设置不灵敏区的继电器调节特性的偏差控制系统。偏差控制系统是以脉冲形式完成的。

本发明控制系统的流程为：操作人员→监控计算机14→布料器工作方式选择→PLC系统13→轴定位模块8→变频器柜12→溜槽旋动电动机2→布料溜槽1。

本发明旋动位置信号采集的流程为：溜槽检修位置接近开关4作为控制条件信号进入DI PLC输入模块6；增量式编码器5检测并转换的β角实测值和圈数值，作为位置实测信号分两路分别进入布料器溜槽旋动PLC控制系统的轴定位模块8和高速计数器模块10中。

旋动位置的两个重要电气参数的自动测量：

第一个是旋动角度参数的测量，即由一台小直齿轮减速机带动的增量式编码器5同步发送，将角度变化信号输入PLC轴定位模块8和高速计数器模块10。

第二个是三个检修位置的旋动角度的检测即由在布料器上安装的接近开关4，将β方位角的信号输入PLC数字量输入模块6，用以校准或更换布料器溜槽的操作。

布料溜槽旋动技术指标：

1.旋动角度的传动方式：置于布料器密封箱盖上的驱动电动机→摆线针轮减速机→直齿小齿轮→带有外齿圈的回转支承→旋转圆筒→溜槽摆角。

2.溜槽转速：8.12r/min。

3.电动机转速：1500r/min。

4.运行方式：连续/间歇。

5.定点误差：≤±1°。

6.布料方式：

连续旋动：环形布料、不均匀环形布料、螺旋布料、均匀重叠螺旋布料、不均匀螺旋布料、环形和螺旋形混合布料。

手动旋动：手动布料采用轴定位模块自动位置闭环控制和采用轴定位模块自动位置闭环控制进行定点布料，扇形布料。

布料溜槽旋动控制：

在高炉正常生产的情况下，布料器的实际布料周期工作时间(包括布料准备和结尾)约为高炉生产时间的一半。

溜槽旋动电动机以手动旋动布料方式工作时，采用以PLC轴定位模块8和变频器柜12供电的为主的闭环控制系统对溜槽β角进行轴定位控制和溜槽旋动电动机进行控制。

当采用PLC轴定位模块8和以变频器柜12供电的为主的手动闭环位置随动系统对溜槽β角进行轴定位控制时，制动器3不工作。布料溜槽旋动控制系统为位置闭环反馈系统，系统中位置给定、控制、位置检测和位置反馈及执行机构环节由监控计算机14、布料器溜槽β方位角控制PLC系统13、轴定位模块8、变频器柜12、溜槽主传动(β角)旋动电动机2组成。

布料溜槽用以校准或更换时，溜槽驱动电动机不得运行。

布料溜槽旋动位置随动系统的轴定位模块8在系统中实现数字校正作用，硬件结构由溜槽检修位置接近开关4、增量式编码器5、监控计算机14、PLC控制系统的D工输入模块6和轴定位模块8、DO输出模块7、CPU模块9、变频器柜12、溜槽主传动旋动电动机2、溜槽主传动(β角)旋动机构制动器(随动系统不采用)、布料溜槽1组成。

布料溜槽旋动随动控制系统的给定为典型位置阶跃输入，系统结构为一阶或二阶无差度系统，当随动系统的溜槽主传动(β角)摆角给定突然变到另一角度时，溜槽主传动(β角)复现输入给定的变化过程如下图2所示。图中T_p为调节时间，T_p时间以内β角的响应称为动态响应，而T_p以后动态响应结束，系统进入稳态运行。

本发明的调整方法：

1.位置自动控制装置

“位置自动控制”即“APC”。“APC”是指旋转溜槽主传动(β角)的位置控制，是用增量式编码器对溜槽位置进行跟踪，当溜槽一旦转到“APC”区域，便由连接在布料溜槽β角传动机械轴上的增量式编码器检测其位置。当出现位置偏差时，编码器即将该偏差送入轴定位模块，位置偏差经运算后，作为“APC”的速度给定电压，此电压加到变频器的给定输入端，使旋转溜槽主传动(β角)电动机正传或反转，最终使旋转溜槽停在设定位置上。

装在布料溜槽β角传动机械轴上的增量式编码器检测溜槽位置，当与设定位置相比出现位置偏差为正时，APC速度基准电压使旋转溜槽主传动(β角)电动机反转，将溜槽停在设定位置上；当与设定位置相比出现位置偏差为负时，则APC速度基准电压使旋转溜槽主传动(β角)电动机正转，将溜槽停在设定位置上；到达设定位置时，轴定位模块输出将依据量程为零或为模块量程的中间值。若溜槽在正转时超过设定位置，则增量式编码发出正超脉冲数，轴定位模块的输出电压使溜槽电动机反转，使溜槽移向所设定的位置；若溜槽在反转时超过设定位置，则增量式编码发出反转超脉冲数，轴定位模块的输出电压使溜槽电动机正转，使溜槽移向所设定的位置。动作过程图3。

2.“APC”区域的设定

旋转溜槽主传动(β角)电动机转速从1500r/min下降到375r/min时开始，并在限幅值为2.5倍电流的情况下，进行制动，旋转溜槽从375r/min到停止所用的时间t：

$t=\frac{{\mathrm{GD}}^2\×n}{375\×250\%\×T_m+T_r}$

GD²-换算到旋转溜槽主传动(β角)电动机轴上的飞轮矩

n-旋转溜槽主传动(β角)电动机转速

250％-旋转溜槽主传动(β角)电动机电流限幅值

T_m-旋转溜槽主传动(β角)电动机额定转矩

T_r-旋转溜槽主传动(β角)电动机摩擦转矩

t₁＝t+t_I-考虑到旋转溜槽主传动(β角)电动机上升、下降的滞后时间t_I

t_I-滞后时间暂时设定为0.02秒

t₁-实际设定的电动机转速从n到停止所经历的时间

这时旋转溜槽的加速度α为负数，其值为：

-旋转溜槽始端旋转轨迹直径

η-旋转溜槽减速比

V-旋转溜槽始端旋转速度

以V横减速使旋转溜槽从n转速到完全停止并停在设定点处，这段时间内所走过的距离S为：

$S=\frac{V^2}{2\mathrm{\α}}$

轴定位模块8故障时，由PLC系统和变频器柜12对β角进行连锁控制。布料溜槽旋动电动机与制动器配合工作。

为避免溜槽β角电动机频繁动作，设置不灵敏区。偏差控制系统是以脉冲形式完成的。当摆角偏差超过±2°时，系统才开始动作进行位置调节。当β角偏小时，系统使溜槽电动机正转，加大摆角，达到给定的摆角值时，电动机停止，制动器3接通制动。反之，当实际的旋动摆角偏大时，系统使电动机反转，减小摆角，达到给定的摆角值时，电动机停止不动，制动器3接通制动，溜槽停止不动，调节过程结束。不灵敏区见下图：

根据高炉炼铁生产工艺要求，当布料器溜槽处于检修位置时，溜槽旋动电动机不得运行。

当PLC轴定位模块8和变频器柜12供电的为主的闭环控制系统故障时，可手工投切到由继电器及接触器柜11连锁控制的闭环控制系统。

调整方法为：

1.按布料器溜槽旋动点β角给定值进行调整时的带不灵敏区的PID控制算法为：

当时，|E|≤e不执行PID指令；

当时，|E|＞e执行PID指令；

式中E-偏差，E＝SV-PV；

不灵敏区(偏差)区间。

式中e是一个可调参数，具体数值根据溜槽的调试情况而定。

SV-设定值

PV-输入值

调试时因注意：

E值过小起不到避免系统振荡的作用；

E值过大，系统会产生较大的滞后；

图5显示了带不灵敏区的PID程序流程图。

以上仅为本发明的最佳实施方式，本领域普通技术人员可在实施方式的提示下进行各种改变，因此专利权保护范围以权利要求的内容为准。

Claims (10)

1.一种高炉无料钟炉顶旋转溜槽旋动位置自动控制装置，对溜槽(1)的主传动角度进行控制，其特征在于，包括：

信息采集设备，将溜槽位置传送到PLC控制系统(13)；

溜槽倾动控制系统设备，包括：监控计算机(14)以及PLC控制系统(13)；

执行机构传动设备，包括：溜槽主传动旋动电动机(2)，用于驱动溜槽(1)的主传动角度旋动位置。

2.根据权利要求1所述的溜槽旋动位置自动控制装置，其特征在于：

信息采集设备包括：

溜槽检修位置接近开关(4)，将溜槽位置传送到PLC控制系统(13)；

增量式编码器(5)，设置在布料器上，对溜槽主传动角的旋动角度和圈数进行检测，并将信号传送到PLC控制系统(13)。

3.根据权利要求1所述的溜槽旋动位置自动控制装置，其特征在于：

执行机构传动设备还包括：变频器柜(12)，根据PLC控制系统(13)的信号，控制溜槽主传动旋动电动机(2)旋动。

4.根据权利要求2所述的溜槽旋动位置自动控制装置，其特征在于：

PLC控制系统(13)包括：

DI输入模块(6)，与溜槽检修位置接近开关(4)连接，溜槽检修位置传送到DI输入模块(6)；

轴定位模块(8)，与增量式编码器(5)连接，接收溜槽主传动旋动角度和圈数，轴定位模块(8)将传送过来的脉冲信号变换为主传动旋动角度实测值，并将实测值发送到CPU模块(9)，CPU模块(9)将计算后的控制信号传再传送给轴定位模块(8)，轴定位模块(8)的输出端与变频柜(12)连接。

5.根据权利要求4所述的溜槽旋动位置自动控制装置，其特征在于：

PLC控制系统(13)还包括DO输出模块(7)，与继电器及接触器柜(11)连接，继电器及接触器柜(11)与制动器(3)连接，使制动器(3)处于长期打开状态，制动器(3)不参与控制；

高速计数器模块(10)，与增量式编码器(5)连接，仅在轴定位模块(8)故障时投入使用。

6.根据权利要求1所述的溜槽旋动位置自动控制装置，其特征在于：

监控计算机(14)对无料钟炉顶布料方式进行设定。

7.一种高炉无料钟炉顶旋转溜槽旋动位置自动控制方法，其特征在于：

信息采集设备捡出溜槽主传动旋动角度和圈数，输出对应的脉冲信号；

角度和圈数的脉冲信号引至轴定位模块(8)；

变换后的主传动旋动角度实测值和存贮在CPU模块中的布料控制程序相比较，根据系统选择的旋动运行方式对主传动旋动角度进行控制；

按照预定的布料方式，通过轴定位模块(8)使溜槽旋动电动机(2)旋转。

8.根据权利要求7所述的溜槽旋动位置自动控制方法，其特征在于：

当达到工艺要求的圈数和角度时，溜槽旋动电动机(2)进入位置控制区域，当溜槽主传动旋动角度为正偏差时，由轴定位模块(8)使溜槽主传动旋动角度电动机(2)控制溜槽向主传动旋动角度的负方向旋动；当溜槽主传动旋动角度位置为负偏差时，溜槽主传动旋动角度电动机(2)控制溜槽向主传动旋动角度的正方向旋动。

9.根据权利要求7所述的溜槽旋动位置自动控制方法，其特征在于：

轴定位模块(8)故障时，设置在布料器上的编码器检测并转换β角实测值和圈数值，转换值输入到高速计数器模块(10)中，转换值经系统的位置控制算法模型计算后，按照预定的布料方式，与设定值进行位置比较后，由PLC系统和继电器及接触器柜(11)对溜槽主传动旋动角度进行控制。

10.根据权利要求9所述的溜槽旋动位置自动控制方法，其特征在于：

系统设定不灵敏区，当摆角偏差超过一定值时，系统才开始动作进行位置调节。

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