液壓伺服比例系統在大型高爐布料控制過程中的應用
隨著冶金工業的飛速發展，作為鋼鐵冶煉過程中的重要組成部分——煉鐵爐也產生了幾次大的變革。從100m3~300m3的小高爐發展到現在1750m3、3800m3甚至到4200m3大型高爐，從最初的雙料鐘爐頂到現在已經普遍使用的無鐘爐頂，無鐘爐頂的結構方式也分為串罐式和并罐式, 等等。現在的無鐘爐頂主要有BT型、PW型、SS型等幾種形式。
圖1 料流閥調節工作示意圖
無鐘爐頂實現精確布料的原理
現代化的高爐為了最大限度的提高冶煉效率，均采用了料流調節閥加布料溜槽的控制方式來實現礦、焦在爐內的精確布料，料流調節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(燒結礦、球團礦或焦炭等)經過槽下配料工藝后先進入到爐頂的上料斗和下料斗，在高爐接到布料指令后，其下料斗的料流調節閥首先按工藝要求開到給定的開度(即γ角)，這時爐料按一定的流量經布料滾筒后流到布料溜槽上，此時布料溜槽已經按工藝要求升到一定的傾動角度(即α角)，同時布料溜槽還在水平面方向上進行著勻速旋轉(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三個角度，就可以把爐料按任意的形式布到爐內。一般來說高爐的布料方式有環形布料、扇形布料和定點布料等幾種形式。最多使用的是環形布料，即一批料以不同的傾動角度布到爐內，形成以爐中心為圓心的數個圓環，使爐料均勻的布在爐內。根據環形布料的環數的多少還分為單環布料和多環布料，最常用的為一環到四環布料。如果在冶煉過程中出現爐內料面不均勻的情況，則可以利用扇形布料或定點布料來彌補。或者爐長根據爐況需要，為改善透氣性、保護爐壁使其溫度不致過熱等等原因，也需要采用扇形或定點布料的方法來改善爐內爐料的分布狀態。
在爐頂布料控制中，下料斗料流調節閥的開度控制(即γ角的控制)是至關重要的，因為只有γ角控制的精確，才能有效地控制好下料的料流量，進而更準確的控制好每批料布料的厚度、環數及布料的起點和終點。
料流調節閥的控制現狀
現在的無鐘高爐爐頂，其料流調節閥的控制基本有三種:
普通電機加齒輪減速機構來控制料流調節閥的開度。這種方式控制設備簡單，但精度很難提高，系統的動作時間也較長，不利于提高高爐生產的節奏。另外，齒輪減速機構中的機械間隙對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。
使用伺服電機驅動料流調節閥。這種驅動方式能較好的保證γ角的精度，但驅動力矩受到一定的限制，另外其動作時間也比較長，不利于提高生產節奏，一般在450m3及以下的高爐上應用較多。
采用液壓系統來驅動料流調節閥。用這種方式最大的優點是驅動力矩較大，可以使系統的動作時間大幅縮短，另外其控制也比較簡單，即使用兩個常規的液控單向閥來控制液壓缸的開度，進而達到控制γ角開度的目的，如圖3所示。一般大型高爐大都采用這種方式。
現在的無鐘高爐爐頂，其料流調節閥的控制基本有三種:
普通電機加齒輪減速機構來控制料流調節閥的開度。這種方式控制設備簡單，但精度很難提高，系統的動作時間也較長，不利于提高高爐生產的節奏。另外，齒輪減速機構中的機械間隙對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。
使用伺服電機驅動料流調節閥。這種驅動方式能較好的保證γ角的精度，但驅動力矩受到一定的限制，另外其動作時間也比較長，不利于提高生產節奏，一般在450m3及以下的高爐上應用較多。
采用液壓系統來驅動料流調節閥。用這種方式最大的優點是驅動力矩較大，可以使系統的動作時間大幅縮短，另外其控制也比較簡單，即使用兩個常規的液控單向閥來控制液壓缸的開度，進而達到控制γ角開度的目的，如圖3所示。一般大型高爐大都采用這種方式。
圖3 普通液壓系統控制料流閥的原理圖
但這種方式的缺點也很明顯。其一是普通液壓系統控制的液壓缸，其推力受系統壓力的影響比較大，容易形成沖擊，對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°，有時竟達到2.5°~3.5°。 這樣的精度在高爐布大粒度料(例如20mm以上的燒結礦或焦炭)的時候可能影響不是太嚴重，但是在需要布小粒度料的時候，尤其是小于5mm的碎礦或碎焦時，就很難控制甚至無法控制了。利用液壓伺服比例系統控制料流調節閥的原理和應用
某煉鐵廠1#1750高爐是該公司第一座大型高爐，原來的爐頂料流調節閥采用的是普通液壓缸控制，其γ角精度較低，誤差最大時達到2.8°，而且在料流調節閥全開和全關時機械沖擊較大。為了解決這一問題，筆者對料流調節閥的控制系統進行了改造，新上了一套液壓伺服比例控制系統，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，原來的爐頂料流調節閥采用的是普通液壓缸控制，其γ角精度較低，誤差最大時達到2.8°，而且在料流調節閥全開和全關時機械沖擊較大。為了解決這一問題，筆者對料流調節閥的控制系統進行了改造，新上了一套液壓伺服比例控制系統，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的控制如圖4所示:
圖4 液壓伺服比例系統控制料流閥的原理圖
伺服比例閥通過自帶的集成放大器，可以連續的調節伺服比例閥的開度，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度是連續可調的，因此供給油缸的油的流量也是連續可調的，這樣就實現了對油缸的速度、推力的連續調節和控制。
高爐爐頂料流調節閥開度精確控制系統是典型的位置閉環控制系統。但大慣量的機械特性是實現位置精確控制的難點。按固有頻率劃分，該系統機械裝置應當屬于低頻系統，固有頻率估算為8Hz。該套裝置的驅動機構為閥控缸系統，作為執行元件的液壓缸最低固有頻率，經計算為f0＝137Hz，而作為控制元件的伺服閥固有頻率也達到120Hz以上。閥控缸系統作為中頻系統，可以達到較高的位置控制精度。閥、缸在系統中均可看作比例環節。另外，閘門機械傳動機構的安裝柔度、結構剛性以及配合精度對整套系統的最終控制精度也起著重要的作用
本系統采用的液壓缸為閥控(非對稱)液壓缸機構，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。
圖5 非對稱閥控液壓缸原理圖
閥控(非對稱)缸的數學模型為:
(1)
式中:Ktα——總壓力流量系數;
把油缸的位移作為輸出(控制)量，考慮忽略兩個因素:
無彈簧負載，Ks=0;·無阻尼缸，故Bp很小，因而Ktα≤Ae，所以式(1)式可簡化為:
:(2)
式(1)表示，輸出位移由兩部分產生作用，一是由伺服閥的開口造成，二是由外負載造成。分子中的第一項可看成是無外負載時的速度，分子中的第二項可看成是因外負載造成的速度降低。
式中:Ktα——總壓力流量系數;
把油缸的位移作為輸出(控制)量，考慮忽略兩個因素:
無彈簧負載，Ks=0;·無阻尼缸，故Bp很小，因而Ktα≤Ae，所以式(1)式可簡化為:
:(2)
式(1)表示，輸出位移由兩部分產生作用，一是由伺服閥的開口造成，二是由外負載造成。分子中的第一項可看成是無外負載時的速度，分子中的第二項可看成是因外負載造成的速度降低。
由式(1)所確定的方塊圖如圖6示
圖6 方塊圖
由于伺服閥的動態性能比較好，可近似認為是比例環節。所以該位置控制系統可認為是由一個二階振蕩環節和一個積分環節構成。
總增益中，伺服閥系數Ksv、速度系數Kqa、活塞面積A和反饋系數Kf已由系統結構(元件本身特性)決定，所以開環總增益K的大小只能通過調節伺服比例閥前置的集成放大器的增益K0來實現。K0通過程序設定。
綜上述，位置系統的開環傳遞函數G(S)可寫成::
確定了系統的開環、閉環傳遞函數后，就可以計算出系統的增益、開環和閉環的放大倍數等，這些參數的設置均由電氣PLC控制系統實現，電氣采用了施耐德公司的QUANTUM系列PLC控制系統。PLC系統將采集到的爐頂料流調節閥的實際開度返回值(由自整角機或光電編碼器檢測轉換成實際角度)，以及爐頂控制系統發出的開度給定值和動作指令，在經過分析處理后，輸出指令(轉換成4~20mA的電信號)給伺服比例閥的集成放大器, 用來控制伺服比例閥的開度。為了使系統既能有較大的推力和快速性，又能夠達到較理想的準確度，在控制方式上采用了PID開環控制和PID閉環控制相結合的方法，
其程序流程如圖7示。
圖7液壓伺服比例系統電氣控制流程圖
PID調節的全稱是比例積分微分控制調節器。PLC控制系統首先檢測γ角的給定值和實際返回值，并計算出他們的差值δ, 當δ值大于某個角度(比如2°，這時給定伺服比例閥較大的開度值，使油缸高速大推力運行;當δ值小于某個角度、即γ角接近給定值時，系統自動進入PID調節控制狀態，即隨著δ值的減小，控制系統給定伺服比例閥的開度值也按比例減小，直至為零。當料流調節閥到達給定位置后(γ角的給定值與實際返回值之差<0.1°，啟動液壓鎖(電磁球閥動作，使得液控單向閥動作，切斷油缸進油和出油回路，見圖4,使油缸定位。這樣使得液壓油缸推動料流調節閥既能快速的到位，又能減小對設備的機械沖擊，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的PLC局部梯形邏輯
需要注意的是，由于液壓伺服比例系統本身具有較高的放大系數，以及還有機械系統固有頻率的影響，因此如果PID調節的各項參數(如比例、微分、積分系數，延時時間，偏移量等)調整的不好的話，系統極易產生振蕩，因此在理論計算的基礎上得到的各項PID參數還需要反復試驗，以達到最好的效果。
應用效果
該高爐的爐頂料流調節閥經過改造后，實際效果非常理想。γ角的精度由原來的2.8°，提高到了不大于0.1°，全行程動作時間小于4s，系統在整個行程上動作平穩，不再產生較大的機械沖擊。
結語該高爐的爐頂料流調節閥經過改造后，實際效果非常理想。γ角的精度由原來的2.8°，提高到了不大于0.1°，全行程動作時間小于4s，系統在整個行程上動作平穩，不再產生較大的機械沖擊。
隨著這幾年我國鋼鐵行業的持續發展，煉鐵原料尤其是燒結礦的供需矛盾越來越突出。就一座1750m3的高爐來說，每年的燒結礦需求約為160萬噸，而燒結礦中0~5mm粒級的所謂“碎返礦”約占燒結礦總量的20~30%，即30~40萬噸。這部分“碎返礦”原來的處理方法是返回燒結機重新進行燒結，這不僅客觀上降低了燒結礦的產量，還造成了能源的極大浪費，不利于資源的循環利用。經過對料流調節閥的相應改造后，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，經過工藝優化后，實現“碎返礦入爐”。這樣一座1750 m3高爐每年可以多消化燒結礦30~40萬噸，按每噸燒結礦加工成本40元計算，年經濟效益就接近1500萬元。另外，“碎返礦”精確地布到爐內靠近爐壁的位置，還可以降低爐壁溫度，提高高爐的一代爐齡壽命，其間接經濟效益也非常可觀。
因此在大型高爐上提高料流調節閥的精度具有非常現實的意義。筆者認為，在大型高爐爐頂布料控制過程中，用液壓伺服比例控制系統代替普通液壓控制系統控制料流調節閥還是很有推廣價值的。
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