基于無(wú)人值守的鉻鐵密閉電爐爐頂布料控制系統

隨著(zhù)不銹鋼工業(yè)的迅速崛起和不銹鋼應用領(lǐng)域的擴大，從而使得不銹鋼的產(chǎn)量劇增，高碳鉻鐵做為生產(chǎn)不銹鋼所用鉻的主要來(lái)源，可改變鋼的特性，提高鋼的韌性、耐磨性和防腐性，其需求量也隨之急劇增加。為了適應市場(chǎng)需要和降低生產(chǎn)成本，現階段生產(chǎn)高碳鉻鐵的大型礦熱電爐，開(kāi)發(fā)出了預處理工藝技術(shù)，將高溫含鉻預還原球團與硅石、焦炭、回爐渣按照一定工藝配比，直接送入密閉電爐進(jìn)行冶煉鉻鐵，這種工藝的特點(diǎn)就是電耗低、省焦炭、鉻回收率高，大大降低生產(chǎn)成本。采用這種工藝技術(shù)的密閉電爐冶煉鉻鐵的生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì )產(chǎn)生C0有毒氣體通過(guò)爐頂加料管排放出來(lái)，同時(shí)爐頂配料所加裝預還原球團達到1 200℃的高溫，這樣的環(huán)境條件對人來(lái)說(shuō)具有很大的危險性，為此就需要設計無(wú)人值守的配料及爐頂布料控制系統，降低事故發(fā)生概率，通過(guò)自動(dòng)控制系統，提高鉻鐵產(chǎn)品質(zhì)量。

1 工藝流程簡(jiǎn)述

布料系統工藝流程如圖1所示，當電爐爐頂某個(gè)或某幾個(gè)供料倉發(fā)出求料信號時(shí)，控制系統根據各缺料料倉的料位高度，進(jìn)行缺料程度優(yōu)先級排序，然后控制軌道罐車(chē)啟動(dòng)一次布料流程，按照混合冷料和熱料球團的工藝配比值，自動(dòng)移動(dòng)到混合冷料倉下，通過(guò)給料皮帶進(jìn)行給料，地磅進(jìn)行稱(chēng)量，達到設定值后自動(dòng)停止給料，然后再移動(dòng)到預還原熱料球團倉下，通過(guò)振動(dòng)篩進(jìn)行給料，達到設定值后停止給料，關(guān)閉軌道罐車(chē)的上口插板，軌道掛車(chē)移動(dòng)到優(yōu)先級較高的求料供料倉，打開(kāi)供料倉口電動(dòng)插板，再打開(kāi)罐車(chē)下口插板，將混合料流入該爐頂供料倉，然后關(guān)閉罐車(chē)下口插板，關(guān)閉供料倉口插板，至此完成一批料的布料過(guò)程。然后控制系統根據缺料優(yōu)先級順序，控制軌道罐車(chē)進(jìn)行下一批料的布料過(guò)程。整個(gè)過(guò)程從定位、裝料、再到放料完全無(wú)人值守。

2 系統總體設計

依據現場(chǎng)需要無(wú)人值守的整體工藝特點(diǎn)，系統總體采用三層結構，管理層由管理計算機、工程師站和數據服務(wù)器組成：控制層由PLC核心控制單元、數據采集單元和無(wú)線(xiàn)數傳模塊構成：執行層由各信號采集變送設備和動(dòng)作執行電機組成。系統總體構架如圖2所示。

2.1 系統方案配置

2.1.1 軌道罐車(chē)定位

系統控制的關(guān)鍵環(huán)節之一就是讓軌道罐車(chē)在給料設備位置、爐頂供料倉下料口位置進(jìn)行準確定位，隨著(zhù)激光測距傳感器技術(shù)的發(fā)展和成本的下降，使得激光在工業(yè)自動(dòng)距離位移測量和位置控制領(lǐng)域有了廣泛的應用，本系統設計采用工業(yè)激光測距傳感器，通過(guò)測距的方式對罐車(chē)走行進(jìn)行準確定位，而且可以獲得軌道罐車(chē)連續位置變化。

2.1.2 軌道罐車(chē)遙控

隨著(zhù)元線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域開(kāi)始廣泛的應用，鑒于本系統軌道罐車(chē)是移動(dòng)的設備，而且軌道車(chē)上的電動(dòng)設備(走行控制變頻器、插板電液推桿、電力液壓推動(dòng)器剎車(chē)裝置)需要和地面PLC控制站進(jìn)行數據傳輸和控制，在這種場(chǎng)合下，使用有線(xiàn)電纜進(jìn)行信號傳輸和控制受到了很大的制約，施工布線(xiàn)麻煩。為此系統設計對罐車(chē)的走行、料罐上下口插板的控制選用無(wú)線(xiàn)數傳控制技術(shù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳設備，完成模擬量信號和數字量信號的雙向傳輸。

2.1.3 速度控制

為了確保配料過(guò)程中料種的配比精度，就需要對給料設備的慣性沖量進(jìn)行嚴格控制，使各料種稱(chēng)量值之間的比例最大限度的接近工藝配比，為此系統對給料裝置給料速度采用了變頻速度調節，通過(guò)程序軟件建立速度控制方法的數學(xué)模型，對給料速度按照模型曲線(xiàn)進(jìn)行無(wú)極連續變化控制，既兼顧了配料效率，也使得慣性沖量對配比的影響降到最小程度。同樣，對軌道車(chē)的走行控制也采用了類(lèi)似的變頻控制手法，可以提高軌道車(chē)的走行效率和平穩性。

2.1.4 PLC控制核心

依據整體工藝特點(diǎn)，計算機控制系統設計采用西門(mén)子S7-300系列PLC為系統控制的核心，配置以太網(wǎng)通信模塊、模擬量輸入/輸出模塊、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊，接收來(lái)自上位管理計算機的控制指令和生產(chǎn)任務(wù)計劃指令，并將所控制設備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和模擬數值量上傳給管理層計算機，進(jìn)行數據分析和統計。采集爐頂供料倉的重量信息獲得料倉求料信號，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳遙控方式，采集軌道罐車(chē)的走行速度，進(jìn)而控制軌道車(chē)的走行和上下口插板的開(kāi)合;采集激光測距傳感器的距離信號，對軌道罐車(chē)進(jìn)行準確的定位;采集地磅的稱(chēng)重信號和給料設備的速度信號，以上各模擬量信號通過(guò)4 mA～20 mA傳輸給PLC，供PLC控制軟件分析計算，根據控制要求，經(jīng)過(guò)控制軟件智能調節器的運算及數據處理，給出速度模擬量調節信號，完成自動(dòng)給料及稱(chēng)量，通過(guò)PLC利用現代控制理論，自動(dòng)完成生產(chǎn)過(guò)程關(guān)聯(lián)集控設備的控制和調節。

2.1.5 上位管理軟件

遠程管理計算機采用intouch工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件，完成對生產(chǎn)任務(wù)的編排，生產(chǎn)過(guò)程的顯示、控制、操作和管理，對配料和布料數據進(jìn)行統計分析，產(chǎn)生統計報表和數據動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)。以直觀(guān)動(dòng)態(tài)的方式真實(shí)反映生產(chǎn)現場(chǎng)各設備的位置、動(dòng)作情況、計劃執行情況、故障報警信息，同時(shí)信息數據接入生產(chǎn)局域專(zhuān)網(wǎng)，實(shí)現系統數據共享和上層監督，管理功能框圖如圖3所示意。

2.2 關(guān)鍵支撐技術(shù)

2.2.1 激光測距定位

激光測距是光波測距中的一種測距方式，如果光以速度c在空氣中傳播在A(yíng)、B兩點(diǎn)間往返一次所需時(shí)間為t，則A、B兩點(diǎn)間距離D可用下列表示。

D=ct/2

式中：D-測站點(diǎn)A、B兩點(diǎn)間距離;

c-光在大氣中傳播的速度;

t-光往返A、B一次所需的時(shí)間。

由上式可知，要測量A、B距離實(shí)際上是要測量光傳播的時(shí)間t，根據測量時(shí)間方法的不同，激光測距儀通?？煞譃槊}沖式和相位式兩種測量形式。相位式激光測距精度高，但為了有效的反射信號，需要配置反射鏡，并使測定的目標限制在與儀器精度相稱(chēng)的某一特定點(diǎn)上，在工業(yè)現場(chǎng)的使用具有一定的局限性。

基于本系統是對工業(yè)現場(chǎng)直線(xiàn)移動(dòng)軌道車(chē)定位，選用SENST系列一維工業(yè)激光位移傳感器，利用紅色激光瞄準方式，動(dòng)態(tài)的對移動(dòng)物體的相對距離進(jìn)行測量，通過(guò)采用數字測相脈沖展寬細分技術(shù)，無(wú)需合作目標即可達到毫米級精度，測程已經(jīng)超過(guò)100 m。本系統設計選用量程為0.2 m～70 m的激光測距傳感器，測量精度達±2 mm，分辨率0.1 mm，測量結果以4 mA～20 mA方式傳輸PLC用于計算和控制，完全滿(mǎn)足使用要求。

2.2.2 無(wú)線(xiàn)數傳控制

無(wú)線(xiàn)數傳模塊是數傳電臺的模塊化產(chǎn)品，借助DSP技術(shù)和無(wú)線(xiàn)電技術(shù)實(shí)現高性能專(zhuān)業(yè)數據傳輸，具有數字信號處理、數字調制解調、數據前向糾錯、均衡軟判決等功能?？梢詫⒐I(yè)現場(chǎng)設備輸出的數據(模擬量和開(kāi)關(guān)量)進(jìn)行遠程無(wú)線(xiàn)傳輸和控制。本系統設計選用的無(wú)線(xiàn)數傳模塊采用中國新開(kāi)通的780 M頻段，避免了2.4 GHz和433 MHz頻段內民用無(wú)線(xiàn)設備的干擾，與其他ISM頻段無(wú)線(xiàn)收發(fā)器相比，具有低功耗、高靈敏度和穿透力強、通信質(zhì)量更好等特點(diǎn)。

本系統通過(guò)PLC連接無(wú)線(xiàn)監控器的方式，遠程管理多個(gè)無(wú)線(xiàn)開(kāi)關(guān)量控制器和模擬量控制器，數據傳輸原理如圖4所示。采用GFSK的調制方式;收發(fā)一體，半雙工，數據收發(fā)轉換自動(dòng)完成;信道速率選用19 200 bps;接口方式為RS-485;發(fā)射功率100 MW;工作溫度-40 ℃～+85 ℃。動(dòng)作過(guò)程：當遠程無(wú)線(xiàn)控制器的輸入通道數據信號發(fā)生改變時(shí)，發(fā)送報告到監控器，監控器更新相關(guān)的映像寄存器或狀態(tài)，PLC讀取這些寄存器或狀態(tài)。PLC可以通過(guò)寫(xiě)寄存器或狀態(tài)的方式，直接控制遠程設備的輸出狀態(tài)。

3 系統軟件

3.1 系統控制算法分析

系統的配料和布料過(guò)程是將混合冷料和高溫預還原熱料球團按照工藝配比分批稱(chēng)量后，向電爐爐頂供料倉內投料，屬于典型的間歇工作模式，對于皮帶給料和振動(dòng)篩給料，由于慣性沖量的存在，無(wú)法做到每批料按照設定值進(jìn)行準確的稱(chēng)量，必然存在稱(chēng)量值與設定值的偏差，為了彌補這種離散偏差對整體物料配比工藝的影響，為此在控制軟件上引入了基于速度調節控制的稱(chēng)量數學(xué)模型，提高單批配料過(guò)程的稱(chēng)量精度和效率，同時(shí)采用后批重量補償前批重量的算法，通過(guò)歷史數據優(yōu)化給定，來(lái)矯正每批料稱(chēng)量值的離散偏差，使多批料的總體配比最大限度的接近于工藝設定配比值。

主要控制算法用近似語(yǔ)言描述如下，分號后為注釋?zhuān)?/p>

p(n-1)=c(n-1)-s(n-1); 計算上次配料偏差

s(n)=Q-p(n-1) ; 計算本次給料的控制給定值

其中p表示偏差，c表示實(shí)際稱(chēng)量值，s表示控制給定值(隨動(dòng)變量)，Q表示給定值(常量)，n是一個(gè)時(shí)間標量，具體含義是n-1表示前一次，n表示本次?？紤]到給料機有慣性沖量存在的因素，在控制給料停止的過(guò)程中，設置一個(gè)沖量預補提前量，來(lái)補償給料機停止后物料的慣性沖量，同時(shí)依賴(lài)歷史數據，構造一個(gè)算法，使之每次產(chǎn)生一個(gè)新值，來(lái)盡量的縮小每批料稱(chēng)量值與控制給定值之間的偏差。

3. 2 變頻速度調節控制數學(xué)模型的建立

3.2.1 給料速度控制方法

間歇式分批配料過(guò)程，不僅要控制稱(chēng)量的精度，而且要控制配料的速度，實(shí)現高精度、快速稱(chēng)量是該系統的關(guān)鍵技術(shù)之一，在傳統的雙速給料中，給料裝置振動(dòng)力大或速度快則給料快，但精度難以控制，振動(dòng)力小或速度慢則給料慢，精度可以保證，但稱(chēng)量時(shí)間長(cháng)，效率低，由于本系統的給料裝置屬于非線(xiàn)性，采用雙速給料不是理想的控制方式，為此提出了給料速度控制的方法，如圖5所示，采用閉環(huán)控制，以給料速度為控制參數，根據稱(chēng)量重量控制給料速度，兼顧效率和精度。在稱(chēng)量初期，給料速度穩定在V0，是一個(gè)定值調節系統，當稱(chēng)量值接近設定值時(shí)，速度的趨于逐漸減小，從而變?yōu)殡S動(dòng)調節系統，將傳統的分段速度控制改為無(wú)極連續調節。

3.2.2 給料速度調節控制數學(xué)模型

在皮帶給料和振動(dòng)給料過(guò)程中，根據稱(chēng)量控制設定值，在指定的時(shí)間內完成物料稱(chēng)量，此稱(chēng)量物料過(guò)程是對物料重量的累積關(guān)系。設W為物料的稱(chēng)量值(單位：kg)，V為給料速度(單位：kg/s)，T為給料時(shí)間(單位：s)，則有以下積分關(guān)系：

式中，W’為單位時(shí)間的稱(chēng)料量

設物料的控制稱(chēng)量設定值為Ws，在0到t1時(shí)間段，以恒定V0速度給料，到達t1時(shí)，物料稱(chēng)量值W距設定值Ws的差量為Wx，此后稱(chēng)量速度V開(kāi)始隨著(zhù)稱(chēng)量值的增大逐漸降低，直至趨于零。設

當物料下料累計稱(chēng)量值W未達到時(shí)WS-WX，給料速度為定值調節，當物料累計稱(chēng)量值大于WS-WX，速度控制為隨動(dòng)調節。對于恒速調節階段，易于實(shí)現，對于變速調節階段，由(2)、(3)和(4)式推導得出：

根據速度可以畫(huà)出物料稱(chēng)量值W、給料速度V和稱(chēng)量時(shí)間t的關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示。實(shí)際應用中，根據物料的特性，選擇適當的WX和η值，既可以保證稱(chēng)量精度，也可以兼顧稱(chēng)量速度，具有較強的靈活性和適應性。

4 系統運行及調試

經(jīng)過(guò)前期的設計、開(kāi)發(fā)和調試，最終將系統整體應用到實(shí)際現場(chǎng)中，通過(guò)測試及功能完善，從軌道車(chē)自動(dòng)定位、給料裝置自動(dòng)給料、地磅自動(dòng)稱(chēng)量、軌道車(chē)自動(dòng)走行及放料，整體過(guò)程動(dòng)作連續，嚴格按照工藝要求執行，PLC控制軟件根據系統控制算法，對配料過(guò)程自動(dòng)修正和補償，取得了比較理想的配比工藝曲線(xiàn)，上位機軟件也能夠實(shí)時(shí)、快速地將現場(chǎng)采集的數據結果顯示給操作人員，并進(jìn)行曲線(xiàn)生成和數據統計分析。

5 結束語(yǔ)

系統綜合了工業(yè)測控技術(shù)、無(wú)線(xiàn)數傳控制技術(shù)和現代軟件技術(shù)，使整體系統具有良好的智能性、擴展性，通過(guò)無(wú)人值守控制系統，實(shí)現地面對遠程設備的監控指揮，大大提高了企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的簡(jiǎn)潔性和日常維護效率。