CN102660656A - 高炉粒化脱水转鼓速度控制系统及方法 - Google Patents

高炉粒化脱水转鼓速度控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高炉粒化脱水转鼓速度控制系统及方法，通过液位传感器、速度传感器、变频器将控制转鼓所需的转鼓液位、转鼓速度、负载转矩信号采集到PLC中，在所述PLC中通过递推平均滤波法对所述采集信号进行滤波处理，以保证信号的可靠性；再根据速度-液位函数模型及速度-转矩函数模型，计算出转鼓所需的速度；最后采用闭环控制方法对转鼓速度进行控制。采用本发明的速度控制系统及方法，能够根据高炉出渣量的大小，自动调节转鼓速度，保证水渣的产品质量及整个控制系统的持续稳定运行。

Description

高炉粒化脱水转鼓速度控制系统及方法
技术领域
 本发明涉及高炉渣处理技术，尤其涉及高炉粒化脱水转鼓速度控制系统及方法。
背景技术
 粒化脱水转鼓是广泛应用于高炉渣处理系统的水渣分离设备，转鼓要满足控制要求，即转鼓的速度必须跟高炉出渣量相匹配。若速度响应过快，炉渣的含水量较多，会影响水渣产品质量；速度响应过慢，则会导致留在转鼓内的炉渣量过多，造成转鼓堵转停机，影响高炉生产。
现有的脱水转鼓速度控制方法，主要有如下两种：
1）采取固定速度的方法，根据生产人员的经验手动改变转鼓的速度，转鼓速度不能根据渣量大小自动调节，不仅对产品质量及整个渣处理控制系统的可靠稳定运行会造成影响，也不符合节能环保要求。
2）采用速度自动调节的方法，但采取的是开环控制，系统稳定性差，对系统机械设备、电气设备的性能要求更高，对于那些透水性差及出铁后期渣量大的高炉渣，往往控制效果不好。
发明内容
 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高炉粒化脱水转鼓速度控制系统及方法，以提高转速控制系统的稳定性及自适应能力，保证水渣的产品质量及控制系统的持续稳定运行。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高炉粒化脱水转鼓速度控制装置，其主要包括：
可编程控制器PLC，用于转鼓电机的启动及速度调节控制；上位机，用于画面监控以实现对转鼓运行状态、运行速度进行监控以及下达转鼓控制指令；所述PLC和上位机通过以太网相连接；
液位检测装置，用于测量转鼓液位，并将其转换为模拟信号输入所述PLC；
速度检测装置，用于测量转鼓速度，并将所述转鼓速度转换成模拟信号输入所述PLC；
变频器，分别与所述PLC和转鼓电机相连，用于实现变频器与所述PLC之间的信号交接，以及根据所述PLC计算出的给定速度值调节转鼓电机的转速。
其中，所述系统进一步包括与变频器相连的就地操作箱，供检修、应急时对转鼓速度进行控制。
所述变频器与所述PLC之间的信号交接的方式为：向所述PLC传送所述变频器的运行、故障、电流、转矩信号，并接收所述PLC下达的指令；或，将PLC作为主站，变频器作为从站，通过现场总线方式实现所述PLC与变频器之间的信号交接。
所述液位检测装置为液位计，其将转鼓液位转换成4～20mA的模拟量信号经控制电缆传入所述PLC。
所述速度检测装置为速度传感器，其将转鼓速度转换成4～20mA的模拟量信号经控制电缆传入PLC。
一种高炉粒化脱水转鼓速度控制方法，包括如下步骤：
A、对PLC采集到的转鼓水位、转矩及速度信号进行滤波的步骤；
B、确定转鼓速度的给定值的步骤；
C、确定反馈偏差                                               
Figure 201210115527X100002DEST_PATH_IMAGE002
的值的步骤；
D、计算PID控制器输出给变频器调节转鼓速度值的步骤；
E、将所述速度偏差
Figure 137249DEST_PATH_IMAGE002
作为PID控制器的输入，PID控制器经过比例、积分、微分计算，将输出值送入变频器，从而实现转鼓速度的自动调节
其中，步骤B所述确定转鼓速度的给定值的过程为：根据转矩-速度曲线给出的速度与负荷转矩的关系
Figure 201210115527X100002DEST_PATH_IMAGE004
函数，以及液位-速度曲线给出的速度与液位的关系
Figure 201210115527X100002DEST_PATH_IMAGE006
函数，将上述两条曲线叠加，得到转鼓所需的给定值。
步骤C中确定反馈偏差
Figure 138572DEST_PATH_IMAGE002
的值的过程具体为：所述给定值
Figure 201210115527X100002DEST_PATH_IMAGE010
与PLC采集的转鼓实际速度之间的偏差
Figure 201210115527X100002DEST_PATH_IMAGE014
。
步骤D所述计算PID控制器输出给变频器调节转鼓速度值的步骤，包括：
D1：根据具体情况，设定一阈值
Figure 201210115527X100002DEST_PATH_IMAGE016
>0；
D2：当偏差值
Figure 201210115527X100002DEST_PATH_IMAGE018
大于此阈值即
Figure 201210115527X100002DEST_PATH_IMAGE020
，采用PD控制避免过大的超调；
D3：当偏差值
Figure 85668DEST_PATH_IMAGE018
小于等于此阈值，采用PID控制；
D4：采用积分分离PID控制算法，得出PID输出至变频器调节转鼓速度值：
   
Figure 201210115527X100002DEST_PATH_IMAGE024
；
其中：
Figure 201210115527X100002DEST_PATH_IMAGE026
比例系数 ，
Figure 201210115527X100002DEST_PATH_IMAGE028
积分时间常数，
Figure 201210115527X100002DEST_PATH_IMAGE030
微分时间常数，
Figure 201210115527X100002DEST_PATH_IMAGE032
为积分项的开关系数 
Figure 201210115527X100002DEST_PATH_IMAGE034
。
本发明所提供的高炉粒化脱水转鼓速度控制系统及方法，具有以下优点：
本发明的速度控制系统，控制室配置PLC、上位机、现场配置速度检测装置、液位检测装置和变频器，采用变频器驱动转鼓电机，变频器输出转矩的变化直接反映转鼓内负载的大小，PLC根据变频器输出转矩及转鼓液位的变化，利用转速与转矩和转速与转鼓液位的函数曲线，计算出速度给定值，根据转鼓的实际速度作为反馈值，两者经过PID运算，结果送变频器调节转鼓速度。因此能够根据高炉出渣量的大小，自动调节转鼓速度，节能环保。而且通过采用改进型积分分离式PID闭环控制方法，能够大大提高转速控制系统的稳定性及自适应能力，从而保证了水渣的产品质量及整个控制系统的持续稳定运行。
附图说明
图1为本发明的高炉粒化脱水转鼓速度控制系统的硬件架构示意图；
图2为本发明的控制系统原理示意图；
图3为速度-转矩函数曲线模型；
图4为速度-液位函数曲线模型；
图5为积分分离PID算法流程框图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的转速控制系统及方法作进一步详细的说明。
如图1所示的转鼓控制系统，其配置有如下设备：
1）主控制室配置可编程控制器（PLC）及上位机，所述PLC用于转鼓电机启动及进行速度调节控制。上位机监控画面能实现对转鼓运行状态、运行速度的监控，并能通过HMI下达转鼓控制指令。所述PLC和上位机通过以太网建立通讯连接。
2）电气室配置与转鼓电机匹配的变频传动柜（变频器）。传动柜进线配置交流 380V 50HZ动力电源。其中，变频器与PLC之间的信号交接（即二者间进行通讯）可以通过两种方式：一是可以通过控制电缆将变频器的运行、故障、电流、转矩等信号传送至PLC的I/O模块，并把PLC下达的指令传送至变频器；二是通过现场总线方式，PLC作为主站，变频器作为从站，通过该总线实现PLC与变频器之间的信号交接。具体形式可以根据不同项目实际情况选择。
3）现场配置液位检测装置，如测量转鼓液位的液位计，将所述转鼓液位转换成4~20mA模拟量信号由控制电缆接入PLC。
4）现场配置速度检测装置，如测量转鼓速度的速度传感器，将转鼓速度转换成4~20mA模拟量信号也由控制电缆接入PLC。
5）设置现场就地操作箱，供检修、应急时实现对转鼓的控制。就地操作箱与传动柜（变频器）之间通过控制电缆实现信号交接。
图2为本发明的控制系统原理示意图，如图2所示，其控制过程包括如下步骤：
步骤21：对采集到的信号进行滤波。为减少噪声和干扰对模拟量信号的影响，保证自动控制可靠，需要对采集到的PLC的转鼓内水位、转鼓转矩及转鼓速度信号进行滤波。软件滤波采用递推平均滤波法。具体策略为：连续采取个采样值（
Figure DEST_PATH_IMAGE038
），作为一个队列；下次采集到的新数据放入对尾，并去掉队首的一次数据；把对列中的个数据进行算术平均计算，计算结果即可用来计算转鼓速度。
步骤22：确定转鼓速度的给定值。转鼓速度的调节取决于2个变量：负荷转矩和转鼓液位。第一条转矩-速度曲线模型（如图3），给出了速度与负荷转转矩的关系
Figure 916714DEST_PATH_IMAGE004
，第二条液位-速度曲线模型（如图4），给出了速度与液位的关系
Figure 585593DEST_PATH_IMAGE006
，图3和图4所示的曲线模型仅为示意，具体到每个设备要现场调试确定。将这二条曲线叠加，就得到转鼓所需的给定值
Figure 201210115527X100002641274DEST_PATH_IMAGE008
。在PLC中编写程序实现上述函数关系。
步骤23：确定反馈偏差的值。所述给定值
Figure 132615DEST_PATH_IMAGE010
与PLC采集的转鼓实际速度
Figure 718317DEST_PATH_IMAGE012
之间的偏差
Figure 148161DEST_PATH_IMAGE014
。
步骤24：采用PID控制器计算控制器输出给变频器调节转鼓速度值。其用到的PID算法是经典的工业控制算法，根据不同的应用场合又有很多改进及智能控制算法。对转鼓这种低速大惯性设备，并且设备在启动、停止及运行过程中出渣量都会有很大波动，短时间内系统输出会有很大的偏差，会造成PID算法积分积累，引起系统较大的超调甚至系统震荡，这在转鼓运行过程中是不允许的。本发明在经典PID控制基础上进行了改进，采用了积分分离PID控制算法，使控制性能有了较大改善。所述积分分离PID算法的实现过程如下：
步骤241：根据具体情况，人为设定一阈值
Figure 389787DEST_PATH_IMAGE016
>0。 
步骤242：当偏差值
Figure 727227DEST_PATH_IMAGE018
大于此阈值即
Figure 435945DEST_PATH_IMAGE020
，采用PD控制避免过大的超调，又可保证系统有较快的响应。
步骤243：当偏差值
Figure 771111DEST_PATH_IMAGE018
小于等于此阈值
Figure 562350DEST_PATH_IMAGE022
，采用PID控制，保证系统的控制精度。
步骤244：积分分离PID控制算法如下：
   
Figure 641164DEST_PATH_IMAGE024
；
其中：
Figure 139141DEST_PATH_IMAGE026
比例系数 ，积分时间常数，
Figure 923744DEST_PATH_IMAGE030
微分时间常数，
Figure 868566DEST_PATH_IMAGE032
为积分项的开关系数 
Figure 221050DEST_PATH_IMAGE034
。相应的程序算法流程框图如图5所示。
步骤25：将速度偏差
Figure 163598DEST_PATH_IMAGE002
作为PID控制器的输入，PID控制器经过比例、积分、微分计算，将输出值送入变频器，从而实现转鼓速度的自动调节。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高炉粒化脱水转鼓速度控制系统，其特征在于，其主要包括：
可编程控制器PLC，用于转鼓电机的启动及速度调节控制；上位机，用于画面监控以实现对转鼓运行状态、运行速度进行监控以及下达转鼓控制指令；所述PLC和上位机通过以太网相连接；
液位检测装置，用于测量转鼓液位，并将其转换为模拟信号输入所述PLC；
速度检测装置，用于测量转鼓速度，并将所述转鼓速度转换成模拟信号输入所述PLC；
变频器，分别与所述PLC和转鼓电机相连，用于实现变频器与所述PLC之间的信号交接，以及根据所述PLC计算出的给定速度值调节转鼓电机的转速。
2. 根据权利要求1所述的高炉粒化脱水转鼓速度控制系统，其特征在于，所述系统进一步包括与变频器相连的就地操作箱，供检修、应急时对转鼓速度进行控制。
3.根据权利要求1所述的高炉粒化脱水转鼓速度控制系统，其特征在于，所述变频器与所述PLC之间的信号交接的方式为：向所述PLC传送所述变频器的运行、故障、电流、转矩信号，并接收所述PLC下达的指令；或，将PLC作为主站，变频器作为从站，通过现场总线方式实现所述PLC与变频器之间的信号交接。
4.根据权利要求1所述的高炉粒化脱水转鼓速度控制系统，其特征在于，所述液位检测装置为液位计，其将转鼓液位转换成4～20mA的模拟量信号经控制电缆传入所述PLC。
5.根据权利要求1所述的高炉粒化脱水转鼓速度控制系统，其特征在于，所述速度检测装置为速度传感器，其将转鼓速度转换成4～20mA的模拟量信号经控制电缆传入PLC。
6.一种高炉粒化脱水转鼓速度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、对PLC采集到的转鼓水位、转矩及速度信号进行滤波的步骤；
B、确定转鼓速度的给定值的步骤；
C、确定反馈偏差                                               
Figure 201210115527X100001DEST_PATH_IMAGE002
的值的步骤；
D、计算PID控制器输出给变频器调节转鼓速度值的步骤；
E、将所述速度偏差
Figure 5291DEST_PATH_IMAGE002
作为PID控制器的输入，PID控制器经过比例、积分、微分计算，将输出值送入变频器，从而实现转鼓速度的自动调节
根据权利要求6所述的高炉粒化脱水转鼓速度控制方法，其特征在于，步骤B所述确定转鼓速度的给定值的过程为：根据转矩-速度曲线给出的速度与负荷转矩的关系
Figure 201210115527X100001DEST_PATH_IMAGE004
函数，以及液位-速度曲线给出的速度与液位的关系函数，将上述两条曲线叠加，得到转鼓所需的给定值
Figure 201210115527X100001DEST_PATH_IMAGE008
。
7.根据权利要求6所述的高炉粒化脱水转鼓速度控制方法，其特征在于，步骤C中确定反馈偏差
Figure 312645DEST_PATH_IMAGE002
的值的过程具体为：所述给定值
Figure 201210115527X100001DEST_PATH_IMAGE010
与PLC采集的转鼓实际速度
Figure 201210115527X100001DEST_PATH_IMAGE012
之间的偏差
Figure 201210115527X100001DEST_PATH_IMAGE014
。
8.根据权利要求6所述的高炉粒化脱水转鼓速度控制方法，其特征在于，步骤D所述计算PID控制器输出给变频器调节转鼓速度值的步骤，包括：
D1：根据具体情况，设定一阈值
Figure 201210115527X100001DEST_PATH_IMAGE016
>0；
D2：当偏差值大于此阈值即，采用PD控制避免过大的超调；
D3：当偏差值
Figure 282262DEST_PATH_IMAGE018
小于等于此阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，采用PID控制；
D4：采用积分分离PID控制算法，得出PID输出至变频器调节转鼓速度值：
   ；
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
比例系数 ，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
积分时间常数，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
微分时间常数，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为积分项的开关系数 
Figure DEST_PATH_IMAGE034
。
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