高爐料流調節閥控制方法及改進(jìn)

　　料流調節閥是高爐無(wú)料鐘爐頂關(guān)鍵設備之一，其控制效果的好壞直接影響高爐的穩定運行。由于料流調節閥運行速度快、控制精度要求高，加之傳統料流調節閥的驅動(dòng)和控制系統存在一定問(wèn)題等諸多方面的原因，長(cháng)期以來(lái)實(shí)現對料流調節閥的精確、可靠控制一直是一個(gè)難題。

　　為滿(mǎn)足現代高爐高效率生產(chǎn)的需要，要求料流調節閥開(kāi)運行速度不能小于15(°)/s、控制角度誤差不能大于0.2°。但在實(shí)際工程中，由于受到傳統液壓比例閥自身的特性和盧森堡PaulWurth冶金技術(shù)有限公司(PW公司)配套控制設備限制等諸多因素的影響，因此既要保證料流調節閥的控制效果能滿(mǎn)足工藝上的要求，又要保證料流調節閥能在各種復雜外部條件下長(cháng)期可靠運行已成為高爐控制的一大難題。

　　本文結合國內多座大型高爐料流調節閥實(shí)際控制經(jīng)驗以及最新發(fā)展趨勢和技術(shù)，首先介紹由液壓比例閥驅動(dòng)的料流調節閥控制方法、策略及經(jīng)驗，然后介紹一種由液壓伺服閥驅動(dòng)的新型料流調節閥系統，該系統具有動(dòng)態(tài)響應特性好、控制精度高、穩定性好等特點(diǎn)，已在國內某大型高爐上成功應用，初步解決了高爐控制中的這一難題。

1、基于比例閥的料流調節閥控制系統

　　目前國內大、中型高爐大都采用PW公司配套提供的料流調節閥及驅動(dòng)裝置，該料流調節閥由液壓比例閥調節驅動(dòng)，采用開(kāi)關(guān)量的高速/低速和停止信號對料流調節閥進(jìn)行有級速度控制。正是PW公司這種不合理的配置，使得在實(shí)際工程應用中實(shí)現對料流調節閥的可靠控制成為了一大難題。為了解決這一難題，我們在工程實(shí)踐中經(jīng)過(guò)反復研究和實(shí)驗，總結出了一種前饋加自適應的控制方式，基本上解決了由比例閥驅動(dòng)的料流調節閥的控制和可靠性難題。

1.1、料流調節閥運動(dòng)過(guò)程分析

　　料流調節閥控制的根本需求是在保證其高速運行的情況下確保其位置控制的精確度和可靠性，為說(shuō)明料流調節閥的控制原理和方法，我們有必要先對料流調節閥的運動(dòng)及停止過(guò)程進(jìn)行分析。

　　圖1所示為PW公司提供的高爐爐頂料流調節閥的速度動(dòng)態(tài)響應曲線(xiàn)。

圖1 PW料流調節閥速度特性曲線(xiàn)

　　從圖1可知，在理想情況下，要在高速時(shí)準確停止料流調節閥，需要采取以下步驟：

　　(1)在一個(gè)預定減速角度δj發(fā)出料流調節閥由高速轉換為低速指令，由圖1可以看出，指令發(fā)出約0.3s后，料流調節閥運動(dòng)速度由15(°)/s下降到5(°)/s，這期間閥門(mén)運動(dòng)的開(kāi)度(閥門(mén)減速慣性角δhtj)大約為(15-5)/2×0.3=1.5°。

　　(2)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的速度穩定期(響應曲線(xiàn)上約為0.1s)，閥門(mén)速度穩定在5(°)/s，該段時(shí)間料流調節閥運行角度(閥門(mén)機械慣性停車(chē)角δltj)大約為0.5°。

　　(3)速度穩定后，在距離停車(chē)角度為δt時(shí)給出停止指令(速度給定值變?yōu)?(°)/s)，閥門(mén)大約經(jīng)過(guò)約0.2s后停止，該段時(shí)間料流調節閥運行角度約為(5/2)×0.2=0.5°。

　　由此可知，要確保料流調節閥的準確停車(chē)，確定合適的減速角度δj和停車(chē)角度δt十分重要。

1.2、前饋控制

　　所謂對料流調節閥停止過(guò)程的前饋控制就是在其停止控制過(guò)程中引入一個(gè)合適的減速角度δj和停止角度δt，通過(guò)對這兩個(gè)角度的控制達到對料流調節閥開(kāi)度準確控制的目的。

　　由于每個(gè)高爐料流調節閥系統和液壓系統的特性、高爐控制系統及通信方式不盡相同，因此其料流調節閥的減速角度δj和停止角度δt也不盡相同。在實(shí)際工程設計中，可以根據廠(chǎng)家提供的料流調節閥特性曲線(xiàn)、高爐控制系統掃描速度以及角度檢測系統的通信速度等預算出一個(gè)值，然后在現場(chǎng)調試中通過(guò)現場(chǎng)實(shí)驗對角度加以校正。

　　δj通�？捎墒�(1)求出：

(1)

　　式中，δhtf為料流調節閥附加減速角，考慮各種延時(shí)因素確定，δhtf≈(2TS+Tti)V1，其中，TS為控制器掃描時(shí)間，ms，Tti為編碼器接口延時(shí)時(shí)間，ms，V1為閥門(mén)低速運動(dòng)初始速度，(°)/s;δhsw為減速穩定角，工程中需根據現場(chǎng)實(shí)際情況調整而定，通常調整為3°左右。最佳減速角需要在以上計算角度的基礎上根據實(shí)際調整確定。

　　δt通�？捎墒�(2)求出：

(2)

　　式中，δm為本次設定停止角;δltf為料流調節閥附加停車(chē)角，考慮各種延時(shí)因素確定。實(shí)際調試中，考慮各種綜合因素后，一般取δltj+δltf在3°左右。

　　采用前饋控制方式后，料流調節閥在機械及液壓系統工作正常、工作狀態(tài)穩定的情況下基本能夠保證0.1°左右的控制精度。但高爐投產(chǎn)后，隨著(zhù)時(shí)間的推移，閥門(mén)的機械及液壓系統特性將發(fā)生一定的變化，這種變化將使控制產(chǎn)生相應的誤差。

1.3、自適應分段線(xiàn)性插值法控制[1]

　　為解決由機械特性改變而影響控制精度的問(wèn)題，我們在前饋控制的基礎上又增加了一種被稱(chēng)為“自適應控制的分段線(xiàn)性插值法”的控制算法。該控制理念包含了2種控制方式：首先是把采用了前饋控制方式的料流調節閥系統看做是一個(gè)黑匣子，依據黑匣子輸入/輸出之間的關(guān)系建立相應的控制模型;然后在控制模型的基礎上采用自適應控制對由于機械特性改變等因素產(chǎn)生的控制誤差進(jìn)行動(dòng)態(tài)補正。

1.3.1、分段插值法

　　在工程實(shí)際中我們經(jīng)常會(huì )遇到這樣一種情況：對于某個(gè)控制對象，其各種控制參數之間存在某種函數y=f(x)關(guān)系，我們雖然知道其在一定范圍內肯定有解，但卻很難或找不到其確定的函數關(guān)系，只能通過(guò)現場(chǎng)實(shí)驗得到xi與yi的對應關(guān)系列表函數。

　　對于以上問(wèn)題可采用多種方法求出對應函數關(guān)系的解，其中較為簡(jiǎn)單實(shí)用的方法就是“分段插值法”。分段插值法就是用某種簡(jiǎn)單、已知的函數p(x)，在一定范圍內近似地表達某一未知的表函數f(x)，通過(guò)對已知近似函數p(x)的求解，就能近似地求出未知函數f(x)的解�？蓪⑻娲�函數p(x)看做如下的一階線(xiàn)性函數

(3)

　　用線(xiàn)性函數(3)替代函數f(x)時(shí)，只要知道表函數f(x)中的任意兩點(diǎn)(xn，yn)，(xn+1，yn+1)就可用以下插值法公式，近似地求出(xn，yn)，(xn+1，yn+1)之間的任何點(diǎn)值。

(4)

　　由此可見(jiàn)，表函數f(x)的對應關(guān)系點(diǎn)(xn，yn)越多，由式(4)所求得的近似值y的精度也就越高。

1.3.2、控制的實(shí)現

　　建立料流調節閥控制模型就是要找出料流調節閥設定開(kāi)度αs與實(shí)際開(kāi)度αa之間的關(guān)系。為此首先要在料流調節閥的有效控制角度內(通常為0～60°)測出一組設定開(kāi)度αs與實(shí)際開(kāi)度αa之間的列表函數，然后將該列表函數擬合成函數αs=f(αa)，從而得到料流調節閥控制模型。

　　依據料流調節閥需要的實(shí)際開(kāi)度αa在模型列表函數中找到αs，如果沒(méi)有與實(shí)際開(kāi)度相符合的點(diǎn)時(shí)，可先找出與αa相鄰的兩點(diǎn)αa與αa，然后定開(kāi)度αs，并以其作為開(kāi)度設定值對料流調節閥進(jìn)行控制。

　　為了修正控制誤差，控制程序記錄料流調節閥本次的設定開(kāi)度αs以及實(shí)際開(kāi)度αa，并得到(αs，αa)的關(guān)系數據。比較αs與αa，如果其差值大于設定的控制誤差(例如0.2°)且容許修改控制模型數據時(shí)，控制程序將用αa替代原模型列表函數中的對應值，從而完成料流調節閥開(kāi)度精度控制的“自適應控制”過(guò)程。

　　現場(chǎng)實(shí)際應用表明：在前饋控制的基礎上采用自適應控制方式后，料流調節閥的控制通常都能取得比較滿(mǎn)意的結果，控制精度一般在0.1°左右，基本上保證了料流調節閥的長(cháng)期穩定工作。

　　2 基于比例閥的料流調節閥控制系統存在的缺陷

　　(1)控制系統的穩定性差

　　“自適應控制的分段線(xiàn)性插值法”雖效果較好并在通常情況下能可靠穩定工作，但當系統不穩定、變化沒(méi)有規律時(shí)，比如：由液壓系統故障造成系統壓力無(wú)規律變化時(shí)將使其難以正常工作。

　　(2)難以滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)調節的需要

　　有實(shí)驗證明[2]，在高爐布料過(guò)程中，對應于恒定的開(kāi)度角α，布料的料流量Q不是恒定的。Q和料批質(zhì)量P、料的粒度D、比重ρ、料罐中的料量W等之間的關(guān)系可近似用式(5)來(lái)描述：

(5)

　　式中，當前布料的P，D，ρ一定，布料過(guò)程中只有W變化，布料過(guò)程中要保證恒定的Q就要改變α。Q變化曲線(xiàn)大致如圖2所示[2]。

圖2 料罐中剩余料量與料流量的關(guān)系

　　要保證Q不變，就需按照圖2曲線(xiàn)變化規律調節α，研究表明，其調節角度一般在±2°左右。傳統比例閥動(dòng)態(tài)響應特性差，即使在5(°)/s的低速情況下，要進(jìn)行±2°的動(dòng)態(tài)調節也十分困難。

　　(3)對控制系統要求比較高

　　料流調節閥有高、低兩個(gè)運行速度，高速時(shí)，其運行速度不小于15(°)/s，低速時(shí)為5(°)/s。如果我們假設控制系統I/O接口板更新速度足夠快，同時(shí)忽略編碼器數據通過(guò)總線(xiàn)傳輸的延遲等因素，當控制精度要分辨出不大于±0.2°的角度時(shí)，其掃描周期應為：

　　高速時(shí) TS≤(0.2/15)×1000=13(ms)

　　低速時(shí) TS≤(0.2/5)×1000=40(ms)

　　由此可見(jiàn)，為保證控制系統能分辨出±0.2° 的控制精度，最少要求系統CPU掃描周期不大于40ms，如果考慮到其他因素，則周期通常應不大于20ms。這給高爐控制系統提出了一定的配置要求。當采用不同的控制系統時(shí)，由于系統性能不同，對料流調節閥的控制效果就會(huì )有一定影響。

　　為了克服上述缺點(diǎn)，中冶賽迪工程技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)出了基于液壓伺服閥控制的料流調節閥控制系統。

3、基于伺服閥的料流調節閥控制系統

3.1、伺服閥特性

　　液壓伺服閥動(dòng)態(tài)響應速度快、控制精度高，之前被廣泛應用于軋機的壓下控制等要求高精度、快速響應的場(chǎng)合中。圖3給出了伺服閥和比例閥的響應曲線(xiàn)。

圖3 伺服閥和比例閥響應曲線(xiàn)

　　通過(guò)分析可得到如下結論：

　　(1)比例閥對階躍信號的響應延遲時(shí)間約為20ms，伺服閥約為0.5ms，因而伺服閥對輸入信號的靈敏度約為比例閥的40倍;

　　(2)比例閥對階躍信號的響應從0～100%用時(shí)大約為80ms，而伺服閥用時(shí)大約為9ms，因而伺服閥調節速度約為比例閥的9倍;

　　(3)伺服閥動(dòng)態(tài)響應速度約為比例閥的7倍。

　　由以上結論得知，伺服閥在死區、動(dòng)態(tài)響應和快速調節方面較比例閥更具有優(yōu)勢。

3.2、硬件組成

　　我們采用高爐主控PLC對料流調節閥系統進(jìn)行控制，其系統框圖如圖4所示，圖中1為PLC控制器本體，要求PLC的CPU采用帶浮點(diǎn)運算單元的32b處理器，其正常掃描周期不大于20ms，從而確保迅速準確地對伺服閥進(jìn)行控制;2為控制器電源接口，包括外部輸入電源接口以及控制器對外供閥門(mén)放大器板和編碼器等外部設備供電的電源接口;3為PLC輸出的速度控制指令及伺服閥閥芯位移反饋的模擬量信號接口(此模擬量接口采用高速模塊);4為料流調節閥閥位檢測編碼器7和8與PLC之間通信的高速網(wǎng)絡(luò )接口;6為由液壓伺服閥驅動(dòng)的料流調節閥，其可根據主控系統輸出的4～20mA控制信號對閥門(mén)進(jìn)行速度控制，同時(shí)可根據需要，將閥芯位移信號反饋到主控系統。

圖4 伺服閥控制系統構成框圖

　　由圖4可以看到，該控制系統具有快速、高精度控制所需的高速控制器和高速信號接口，可對各種信號和控制程序進(jìn)行高速處理。系統對外接口采用了網(wǎng)絡(luò )方式，能夠方便、快速地將各種信號通過(guò)網(wǎng)絡(luò )送到控制系統。

3.3、控制軟件

　　圖4中的5為料流調節閥位控制模塊，該模塊為料流調節閥控制的核心控制模塊，其特點(diǎn)是能夠在基本不產(chǎn)生超調的情況下對料流調節閥進(jìn)行快速、精確的定位和位置跟隨控制。該控制模塊將料流調節閥開(kāi)度控制過(guò)程分為兩個(gè)階段：第1階段為驅動(dòng)料流調節閥高速開(kāi)啟階段，在該階段中，模塊將根據料流調節閥的實(shí)際開(kāi)度和設定開(kāi)度之間的關(guān)系，產(chǎn)生一個(gè)高速開(kāi)啟信號使料流調節閥快速開(kāi)啟，當料流調節閥距目標值小于一定數值后對料流調節閥的控制則進(jìn)入第2階段;在第2階段中，在模塊算法的控制下，閥門(mén)速度隨目標的接近而減小，當開(kāi)度小于設定誤差后，料流調節閥進(jìn)入對設定值的跟隨狀態(tài)。該控制模塊具有控制精度高，閥門(mén)響應速度快且不受閥門(mén)機械特性和液壓系統特性變化影響等特點(diǎn)，能夠保證系統長(cháng)期、可靠地工作。

3.4、控制效果

　　圖5是在國內某大型高爐上采用的伺服閥控制系統的料流閥動(dòng)作曲線(xiàn)圖。由圖5可以看出：

　　(1)料流調節閥設定開(kāi)度角度為46.5°，由伺服閥驅動(dòng)的料流調節閥由動(dòng)作指令發(fā)出到閥門(mén)開(kāi)到46.305°(不大于工藝要求0.2°的控制精度)所耗費的時(shí)間約為2.2s。而傳統的由比例閥驅動(dòng)的料流調節閥通常需要4s以上。由此可見(jiàn)，由伺服閥驅動(dòng)的料流調節閥調節速度是比例閥驅動(dòng)的料流調節閥調節速度的1.8倍。

　　(2)由速度設定曲線(xiàn)可以看到，在料流調節閥開(kāi)的過(guò)程中，開(kāi)始速度設定為最大值，閥門(mén)為全速開(kāi)，當閥門(mén)開(kāi)到一定角度(由模塊算法計算給定)后，速度設定在控制模塊的控制下快速下降到一個(gè)較小的值，從而使料流調節閥快速減速，然后慢速跟隨設定速度的動(dòng)作狀態(tài)，由此保證了閥門(mén)動(dòng)作過(guò)程的快速性、準確性和可靠性。

圖5 由液壓伺服閥驅動(dòng)的料流調節閥控制效果

4、結論

　　由上面的論述我們得出結論：該控制系統無(wú)論在運動(dòng)速度、控制靈敏度、控制精度和可靠性等方面均比基于比例閥的料流控制系統有較大優(yōu)勢，用于控制高爐料流調節閥完全可以滿(mǎn)足工藝快速、精確的控制要求。

　　由液壓伺服閥驅動(dòng)的料流調節閥及其控制系統已于2009年在國內某大型高爐上得到了應用，其快速性、精確度和穩定性等方面均取得了較好效果。我們將繼續對伺服閥控制系統進(jìn)行進(jìn)一步的研究和實(shí)踐，以實(shí)現高爐恒流量布料的要求。

參考文獻：

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　　[2]顧德仁，李肇毅.高爐料流調節閥重量控制初探[J].寶鋼技術(shù)，1995(2)：25-28.