（控制理论与控制工程专业论文）高炉无料钟布料控制系统的研究.pdf

摘要 无料钟炉顶是现代高炉的代表形式，无料钟炉顶控制系统是高炉控制系统的重要组 成部分。随着钢铁工业的发展，各国对高炉精细操作要求越来越高，对高炉上部的调剂 手段，特别是炉顶布料越来越重视。 本文来源于前进高炉自动化大改造工程，原有的高炉布料控制系统在工艺和控制模 式上都存在很多问题，造成了原料的浪费和故障率的增加，严重影响了整个系统的自动 化水平，高炉产量和质量受到很大的制约和影响，利用高炉布料规律和先进的计算机技 术、控制方法、通讯技术等对原有的系统进行改造，对提高系统的自动化水平，提高高 炉利用率具有重要意义。 为了达到控制要求，本文在对现有系统考察的基础上，提出了新的软硬件设计方案， 针对目前普遍存在的布料溜槽定位不精确和p i d 参数不能在线自整定的问题，采用p l c 分散控制系统和变频调速装置对溜槽倾角和旋转角进行控制，设计了模糊p i d 控制器， 并通过m a t l a b 与常规p i d 控制进行仿真比较，验证了该方法的有效性；对料流调节 阀的开度进行了自学习控制研究，实现了多环布料。 同时，本文在p l c 内编写程序实现了模糊控制，通过调试验证了仿真结果的j 下确性， 最后总结了调试过程中注意的问题。 关键词：模糊p i d ，无料钟炉顶，布料，自学习 a b s t r a c t t h eb e l l - l e s st o pb fi st h er e p r e s e n t a t i v ef o r mo fm o d e mb l a s tf u m a c e a n dt h eb e l l l e s s t o pc o n t r o ls y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to fb l a s tf u m a c ec o n t r o ls y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fi r o ni n d u s t r y , v a r i o u sc o u n t r i e sa r ep r e s e n t i n gah i g h e rd e m a n do nt h eb l a s tf u r n a c ef i n e o p e r a t i o na n dt h e ya r ep a y i n gm o r ea t t e n t i o nt ot h eu p p e rp a r ta d j u s tm e a n so fb f , e s p e c i a l l y b u r d e nd i s t r i b u t i o n t h i sa r t i c l eo r i g l n a t e sf r o mq i a nj i nb l a s tf u r n a c ea u t o m a t i o nr e c o n s t r u c t i o np r o j e c t t h e o r i g i n a lb u r d e nd i s t r i b u t i o nc o n t r o ls y s t e me x i s t e dm a n yp r o b l e m si nt h ec r a f ta n dt h ec o n t r o l m e t h o d ，w h i c hc o n t r i b u t e dt oaw a s t eo fr a wm a t e r i a l ，t h eh i g hr a t eo ff a i l u r ea n dt h el o w a u t o m a t e dl e v e lo fo v e r a l ls y s t e ms e r i o u s l y i ti sv e r yu s e f u lt or a i s et h ea u t o m a t i o nl e v e la n d t h eu s i n gr a t i oo ft h eb fs y s t e mb yu s i n gb u r d e nd i s t r i b u t i o nr u l e s ，m o d e mc o m p u t e r t e c h n o l o g y , c o n t r o lm e t h o da n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt or e b u i l dt h eo r i g i n a ls y s t e m i no r d e rt om e e tt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s ，t h i st h e s i s p r o p o s e s an e ws o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e s i g np r o p o s a lb a s e do nt h ee x a m i n a t i o nt ot h ee x i s t i n gs y s t e m i nv i e wo ft h e p r o b l e m sw h i c ha r eu n i v e r s a le x i s t i n ga tp r e s e n t ，t h a ti sb u r d e nd i s t r i b u t i o nc h u t ed o e sn o t l o c a t ep r e c i s e l ya n dp i dp a r a m e t e rc a n n o td os e l f - r e g u l a t i n go n l i n e ，t h i st h e s i su s e sp l c d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e ma n dv a r i a b l ef r e q u e n c ya n da d j u s t a b l es p e e di n s t a l l a t i o nt oc o n t r o l t h ei n c l i n a t i o na n g l ea n dr o t a t i o na n g l e s e q u e n t i a l l y , af u z z yp i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e da n d c o m p a r e dw i t h c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e rt h r o u g hm a t l a bs i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t t h e r e s u l ts h o w e st h a tf u z z yp i dm e t h o di sb e t t e r t h e n , t h em u l t i l o o pb u r d e nd i s t r i b u t i o nw a sr e a l i z e db yr e s e a r c h i n gt h eo p e nl i m i to f d u m p i n g v a l v eu s i n gs e l f - s t u d ym e t h o d a tt h es a m et i m e ，t h ef u z z yp i dp r o g r a mi sr e a l i z e di np l c ，t h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i o n r e s u l ti sc o n f i r m e dt h r o u g ht h ed e b u g g i n g t h eq u e s t i o n sw h i c hs h o u l db ep a y e da t t e n t i o nt o i nt h ed e b u g g i n gp r o c e s sa r es u m m a r i z e d k e yw o r d s ：f u z z y p i d ，b e l l - l e s st o p ，b u r d e nd i s t r i b u t i o n ，s e l f - s t u d y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗墨墨盘堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 量藏 、一 签字日期：a t p g 年弓月多 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文 的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：墨舭 、 导师挠趣始 签字日期：如年弓月多日 签字日期：霄年3 月3 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高炉无料钟布料工艺流程概述 高炉炼铁，是用还原剂( 焦炭、煤等) 在高温下将铁矿石或含铁原料还原成液态生铁 的过程。整个生产系统由高炉上料系统、高炉本体系统、热风炉系统( 又称送风系统) 、 煤气除尘系统、渣处理系统和喷吹燃料系统组成。其中上料系统是高炉冶炼最关键的一 环，炉顶布料系统又是上料系统中的主要部分【l j 。无钟炉项的问世对改善高炉布料，提 高炉顶压力，充分利用煤气、化学能和热能及延长高炉寿命起到了重要作用1 2 1 。目前投 入工业生产的无料钟炉项设备有并罐式和串罐式两大类，本文研究的系统采用的是串罐 式无钟炉顶，其结构如图1 1 所示。 图1 1串罐式无料钟炉顶装置示意图 1 一上料斜桥；2 一挡板；3 一受料漏斗；4 一上闸阀；5 一上密封阀； 6 一料流调节阀；7 一下密封阀；8 一中心喉管；9 一布料溜槽；1 0 - - 中心导料器 串罐式设备的上下密封阀和料罐均为一套，与并罐式炉顶相比具有以下特点：( 1 ) 能 减少投资1 0 ；( 2 ) 上部结构所需空问小，从而使得维修操作具有较大的空间；( 3 ) 设备 高度与并罐式炉顶基本一致；( 4 ) 极人的保汪了炉料在炉内分布的对称性，这对于保证 高炉的稳定运行是极为重要的；( 5 ) 绝埘的中心排料，从而减少了料罐以及中心喉管的 磨损，但是布料溜槽所受炉料的冲击增尺，从而对溜槽的使用寿命有一定影响。 与炉顶布料设备相关的其他设备彳j ：( 1 ) 料车主卷扬，用来从槽下往炉顶运送焦炭 第一章绪论 和矿石等原料，通常由交流或直流电动机拖动；( 2 ) 探尺装置，由探尺卷扬机拖动与钢 缆相连接的重锤伸入炉内，起到探测料面高度的作用，探尺卷扬机一般由2 2 4 枷左 右的直流电动机驱动，一座高炉一般设有两台探尺装置；( 3 ) 放散阀，在受料斗往料罐 放料前开启，排放料罐内的压力，以便开启上密封阀：( 4 ) 均压阀，在料罐往炉内布料 前开启，给料罐充压，使料罐内的压力略大于炉内压力，以便开启下密封阀。上述设备 与炉顶布料设备都有工艺上的连锁关系。 高炉布料是由布料溜槽来实现的，先由槽下给料机经主皮带或小车运送矿石、焦炭 等到料罐内，待探测料面到设定料线时，布料溜槽按照设定的角度和圈数将原料布于预 定区域。所有布料方式都依靠布料溜槽的各种运动组合来实现，布料溜槽的运动分为溜 槽的旋转和倾动，由两台异步电机拖动，经行星差动减速机和气密箱内的齿轮传到旋转 圆筒及溜槽耳轴上1 3 j ，可以灵活的实现单环、多环、定点、扇形等布料方式。 受料斗往料罐装料的操作顺序是：当料罐放空后，料流调节阀和下密封阀均已关闭， 先开放散阀，以使料罐内压力达到或接近大气压，然后开启上密封阀，开启后再开挡料 阀，当受料斗中的料全部放入料罐以后，再依次关闭上密封阀和挡料阀，完成装料过程。 无料钟炉顶布料操作顺序是：当料线达到预定值后，自动提升探尺，开启均压阀， 启动布料溜槽，待溜槽到预定角度后，依次开启下密封阀和料流调节阀，待料流调节阀 到设定开度，料罐中的炉料通过溜槽往炉内布料，当料罐放空后，关闭料流调节阀，关 闭下密封阀，停止布料溜槽，下放探尺，接受下一批炉料。在料罐布料的同时，受料斗 可以接受槽下的上料。 无钟炉顶布料灵活、准确，料层结构及形状是双钟炉顶无法做到的，通过无钟炉顶 能使高炉布料制度更合理，从而达到增加透气性、提高煤气利用率、强化冶炼、降低焦 比的作用1 4 1 。 1 2 国内外相关技术的研究现状 1 2 1 布料技术的研究现状 随着钢铁工业的发展，高炉容积r 渐扩大，各企业对高炉生产降低成本、提高燃料 和煤气利用率、提高控制的准确性要求越来越高，各国冶金界在高炉炉顶设备、生产工 艺和控制方法等方面作了大量研究工作，取得了很多成果。 ( 1 ) 炉顶设备的沿革 1 8 5 0 年在英国应用的巴利式布料器是第一个兼顾御料和回收煤气的炉顶设备，它认 识到了布料对高炉生产的影响，对高炉布料起到了启蒙作用，开拓了现代料面分布的重 要方向，但在结构上仍然存在严重的缺陷1 3 1 。1 9 0 7 年美国马基公司设计的马基氏布料器 是高炉布料的第二次革命。它采用双钟、双斗的结构，不仅继承了巴利式双大钟大斗的 优点，而且可以克服加料时煤气外漏的缺陷；同时吸收了向朗式布料器旋转的长处，使 小钟、小斗一起旋转( 把炉料按六站分布，每站6 0 度放入大斗中) ，使炉料均匀地分布 在人斗黾，但是这种炉顶的缺陷是沿高炉炉径方向柿料不均匀，随着高炉容积扩大，炉 2 第一章绪论 料无法布到高炉中心。为了克服这种缺陷，人们曾采用“变径炉喉”来试图解决，出现 过三钟、四钟等多种形式的装料设备，它们各有优缺点，但设备复杂，在大型高炉上必 须与结构复杂的变径炉喉配套使用，成本较高，对保持原料粒度也大为不利。德国卢森 堡公司的p w 型无钟布料器克服了马基氏布料器的基本缺陷 2 1 ，它通过行星差动减速机和 气密箱内的传动装置，将两台电动机的旋转合成为布料溜槽的转动和倾动，操作者可以 根据需要控制御料溜槽的倾角和转动弧度，将炉料布到炉喉内任何位置，而无需借助变 径炉喉，这就从根本上克服了大钟布料的局限性。无钟炉顶的发展极为迅速，到八十年 代中期，全世界7 5 0 座高炉中已有1 3 5 在使用无钟炉顶。近几年来更是方兴未艾，改建、 新建的高炉基本都采用了无钟炉顶，我国的高炉也普遍采用了此项技术。 ( 2 ) 控制设备的发展与改进 最初的继电器连锁控制由于系统体积庞大、可靠性差等原因无法满足现代高炉生产 的自动化需求，已基本被p l c 系统所取代。随着电力电子器件、通讯技术和计算机技术 的飞速发展，变频调速技术逐渐应用在高炉布料的控制中；同时p l c 的功能不断加强， 不仅能完成数学运算和逻辑控制，还提供丰富的功能模块，完成p i d 、模糊控制等；监 控软件和现场总线的发展使高炉冶炼的监控系统得到了十足的发展，利用p r o f i b u s 、 a 埘总线等可以方便的建立过程级、监控级和管理级三级管理系统。 ( 3 ) 控制方法 高炉是一个集气、液、固三种状态，各种物理化学反应于一体的大规模分布参数 复杂系统，利用数学模型的高炉过程控制只能收到一定的效果1 5 1 ，往往还要依赖于操作 人员长期的实践经验。高炉冶炼过程自动化控制的复杂性，促使自动化专业人员深入了 解炼铁工艺的过程 6 1 ，对炼铁工艺过程控制模型的深入研究推动了自动控制理论的发 展，从传统的闭环自动化控制研究发展到高炉专家系统的研究，建立了智能化的数学模 型，在炼铁工艺技术、信息技术、计算机技术、自动控制技术和数学模型技术这5 个学 科技术交叉和有机结合基础上，高炉冶炼的自动化控制研究进入了“专家系统”的蓬勃 发展时代。国外较早就研发了高炉专家系统，近年来引入模糊控制、神经网络与专家控 制相结合，构成复合系统，收到了很好的效果。 1 2 2 模糊技术的发展及现状 模糊控制是智能控制的一个重要分支，其主要思想是把现场操作人员的经验知识等 逻辑规则的语言表达转化为相关的控制量，在建立专家知识的基础上模仿人的思维过 程，通过对模糊信息采用“不精确推理”，可以有效地处理控制系统中的不精确和不确 定性，解决许多无法建立精确数学模型系统的控制问题。 模糊控制的研究经历了“理论应用一理论”的交替热潮过程。自1 9 6 5 年z a d e h 教授创建模糊集合论1 7 1 和1 9 7 9 年m a m d a n i1 8 i 成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸气机控 制以来，模糊控制器被广泛应用于热交换过程控制、污水处理过程控制、水泥窑控制以 及汽车速度控制等多种典型场合，取得了良好的控制效果，日本九州大学的户l j ! 博士与 山川教授于1 9 8 3 年分别歹r 发了将模糊推理作为硬件的模糊集成块i9 u 1 1 1 ，后来研制成了 推理机及模糊控制用的“模糊计算机”。模糊集成块的研究除日本外，中、美、英等国 3 第一一章绪论 都在进行，它将朝着体积小、速度快、应用广等方面迅速发展，从而为模糊控制的实时 应用提供了强有力的硬件支持。 近几十年来，模糊控制研究”u 已经在经济、医学尤其是工业应用方面取得了巨大的 发展。最近几年，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集成控制、模糊自适应 控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学习与参数( 或 规则) 自调整模糊系统方面的研究，受到各国学者的重视。目前，将神经网络和模糊控 制技术相结合，取长补短，形成一种模糊神经网络技术，可以组成一组更接近于人脑的 智能信息处理系统，其发展前景十分诱人。 1 3 课题来源和研究意义 1 课题来源 本课题来源于前进炼铁厂4 5 0 ，容积高炉的自动化系统大改造，原有的高炉布料 控制系统在生产工艺和控制模式上都存在很多问题，在一定程度上影响了整个系统的自 动化水平，且人工耗费量大，制约了产量和质量的提高。该项目的高炉控制系统采用最 新思想设计，即仪表与电控设备一体化，基础自动化采用全p i c 方法，组成集中控制 系统，在溜槽的控制中，采用了先进的控制算法，提高系统的抗干扰能力和稳态精度。 2 课题的研究意义 近几十年来高炉设备一直向着大型化的趋势发展，各种强化冶炼手段的不断出现对 炉顶装料设备提出了更高更严格的要求。随着高炉冶炼工艺的不断提高，尤其是无料钟 炉顶投入使用以来，原来只在大型高炉中采用的无料钟炉顶布料技术已逐渐在中小型高 炉中推广应用，使得高炉上部调剂的手段更加丰富。在这种情况下，保证高炉炉况的顺 行，对高炉安全生产、增加产量，降低消耗有着十分重要的意义1 1 3 1 。 如果煤气流分布不均匀，其所拥有的热能和化学能未能充分利用，对高炉的产量和 燃料的消耗带来不良后果，甚至造成悬料、塌料、管道和结瘤等事故。而高炉炉喉料面 形状对高炉煤气流分布有着重要影响1 1 2 1 ，调整炉项布料参数并控制料面形状是调节高炉 煤气流分布的重要措施。因此，要充分发挥无料钟炉顶的优势必须建立在对无料钟炉项 设备一系列布料参数的准确把握上，这对布料设备的控制精度提出了更高的要求1 1 4 1 。 无料钟炉项装置的核心是布料溜槽传动装置，布料溜槽倾角口、旋转角口和料流调 节阀开度y 是布料控制系统中重要的参数，对这些角度的精确控制是完成炉料合理分布 的重要手段。而目前溜槽定位和 ，角控制存在的主要问题有： ( 1 ) 抗干扰能力差，当各阀门状态发生变化、炉料从溜槽中下落时对溜槽的反作 用力突变时，系统p i d 参数难以整定，造成操作和控制的困难； ( 2 ) 精度无法满足生产的要求，是长期以来制约生产效率的重要原因之一： ( 3 ) 各个高炉情况不同，很难形成统一的规律，许多现象难以用传统的数学方法 来准确描述，过程控制很大程度i ：依赖于操作者的实际经验； ( 4 ) 技术发达的国家基本卜都是大型高炉，中小高炉众多是我国的国情。以往只 有在大型高炉上采用无料钟稚料，近几年爿在我国中小高炉中应用，对这方面的技术研 4 第一章绪论 究时间不长。 因此，对无料钟布料方式进行研究，并通过自动化设备和先进的控制算法，对系统 进行精确控制，实现布料方式的多样化是很有价值的。这对当前提高生产水平，获得更 好的经济效益具有十分重要的意义。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题针对高炉冶炼过程中料面形状合理分布，布料溜槽和料流调节阀准确定位 的热点问题，在系统建模、控制方法优化、系统仿真和程序编写、系统调试等方面作 了大量的理论分析和研究工作。将一种改进的控制算法应用到该系统中，经过仿真和 实验证实了方法的有效性。论文主要完成的内容和组织结构如下： 本章在查阅大量文献和去现场考察的基础上，对布料的工艺流程、布料技术的国 内外研究现状及趋势做了详细的研究和论述，对课题的研究意义进行了深入的剖析。 第二章分析了布料控制系统的功能，在此基础上结合实际需求，提出了系统的软 硬件设计方案。在对布料方法和控制方法充分研究的基础上，结合机械设备对精度的 影响，选择了合适的布料方法和控制方法。 第三章对模糊控制器的原理和设计方法进行了深入的研究和详细介绍，为下面章 节模糊控制器的设计打下了基础。 第四章设计了模糊自整定p i d 控制器和f u z z y p i d 复合控制器，给出了详细的设计 过程，并根据第二章建立的模型，在m a t l a b 环境下对系统的各种性能进行了仿真与分 析。 第五章采用西门子$ 7 - 4 0 0 构成系统的控制核心，编写算法实现第四章设计的模糊 控制器程序，完成角度的精确控制，并提出了在系统调试中应注意的问题和解决方法。 最后，对本文的工作进行总结，提出了需要完善的地方和一些有价值的研究方向。 5 第二章高炉布料控制系统总体方案设计 第二章高炉布料控制系统总体方案设计 高炉布料系统是一个采用变频调速的电力拖动自动控制系统，电气传动控制是高炉 控制的难点，直接关系到高炉能否按设计要求进行生产。第一章里分析和阐述了要解决 的问题，为了解决这些问题达到控制目标，本章首先对控制系统的功能进行了分析，研 究影响因素；然后从软硬件两个方面对系统进行了总体方案的设计。 2 1 控制系统功能需求分析 2 1 1 控制系统原理与组成 整个控制系统由两套相同的系统组成，互为备用。由变频调速装置6 s e 7 0 、电机、 主接触器、进线电抗器、出线电抗器、制动单元及外部控制回路组成。外部控制回路包 括超极限、抱闸连锁及手动自动控制方式切换等。自动方式下通过p o f i b u s 总线与p l c 进行通讯，其结构框图如图2 1 所示。 图2 1 控制系统结构框图 各环节的作用如下： ( 1 ) s 7 4 0 0 为系统的控制核心，完成数据的采集和处理以及控制算法的实现； ( 2 ) 变频器用来调节电机的转速； ( 3 ) 电动机用来拖动负载布料溜槽运动； ( 4 ) 布料溜槽通过旋转和倾动两种运动的合成将炉料按要求布入炉内。 行星差动齿轮机为溜槽的两种运动提供动力，并将这两种运动隔离，以使溜槽的旋 转和倾动能够根据装料程序和角度编码器提供的位置分别进行控制和调节。 溜槽旋转：电机通过减速机的输出齿轮驱动上回转支撑l l 引，上【u j 转支撑的下面固定 有旋转套筒，溜槽通过耳轴挂在旋转套筒的下部完成溜槽的旋转。溜槽结构示意图如 图2 2 所示。 6 第_ 二章高炉布料控制系统总体方案设计 布料嚣 一 图2 2 布料溜槽结构示意图 溜槽 溜槽倾动：使用变频调速装置拖动交流电机，电机通过减速机驱动两个轴头，带动 两轴相向或反向同步摆动，固定在轴上的动力臂通过连杆与托圈相连，从而使托圈上下 运动。托圈又与下回转支撑和框架相连，溜槽和曲柄都连接在耳轴上，框座随托圈的上 下运动带动曲柄和耳轴摆动，从而形成溜槽的倾动。本文所研究的高炉容积为4 5 0 m 3 ， 共设有6 个倾角位置，可在1 0 。5 3 。范围内倾动。倾动角度a 可通过计算机进行精密控制， 其示意图如图2 3 所示。 上升 j f 下降 检测l 图2 3 布料溜槽倾动示意图 2 1 2 各参数对高炉布料的影响 高炉无料钟布料是极其复杂的，布料时炉料层层叠叠相互影响，主要受到溜槽倾角、 溜槽转速、料流调节阀开度和布料溜槽结构参数等因素的影响1 1 6 1 ： ( 1 ) 溜槽倾角的影响：炉料在溜槽上受不同的溜槽倾角和溜槽转速的离心力作用， 做变加速滑落运动。当其它参数不变，改变溜槽倾角，则料流的落点即炉料堆尖位置会 发生改变，这影响到炉料径向分布和料面形状。因此，溜槽倾角的调节非常重要。 ( 2 ) 料流调节阀开度的影响：当批重一定时，料流调节阀开度越大，排料速度也越 快，但并非成j 下比关系。当溜槽转速也一定时，料流调节阀开度影响到布料的均匀性和 料层厚度及料面形状，也影响多环和料的操作。 ( 3 ) 布料溜槽结构参数的影响：一般布料溜槽倾角最大为5 0 。左右，溜槽过k 会使 倾角范围相应缩小，而刚顷角每变化| f 复，堆尖移动幅度也增大，这样溜槽倾角的变化 7 第二章高炉布料控制系统总体方案设计 对布料的影响更敏感；而且同一倾角，尺寸越长炉料在其中的运动时间也越长，从而也 影响到炉料在空区的运动和落点位置；溜槽过短，则必须加高倾动中心与料线的距离， 这会造成炉料的破碎，布料时溜槽较平，炉料对溜槽的摩擦力增大，溜槽的寿命缩短1 1 7 1 。 因此要合理设计溜槽长度，结合参考文献【1 6 卜 1 9 f f f l - l - 程实践经验，本课题所研究的 4 5 0 m 3 容积高炉溜槽长度设计为：1 8 2 o m 。 ( 4 ) 溜槽转速的影响：溜槽转速在很大程度上影响炉料运动速度。布料溜槽因旋转 产生离心力，当离心力大到一定程度时，会造成布料混乱，炉料可能飞出溜槽。一般情 况下，生产中各高炉溜槽转速是一定的。 ( 5 ) 炉料在炉喉空区中，在半径方向、半径切线方向和垂直方向上受煤气阻力作用 所做的变加速运动对布料也有一定的影响。 ( 6 ) 每批炉料中矿石和焦炭的体积及其在每个环位布料的多少。 ( 7 ) 每批矿石和焦炭的料线以及探尺在炉喉半径方向上的位置。 2 1 3 控制系统的功能 整个无料钟炉顶由p l c 控制，可以实现以探尺到位为启动信号的炉顶槽下全自动上 料，操作方式分为：“自动”、“手动和“半自动”三种。能实现的控制功能如下： 1 布料溜槽倾动角度( 口) 控制 多环布料时将高炉料面分为若干个料环，每一个料环对应一个溜槽倾角。首先在i p c 上设定焦炭和矿石分开的倾动角度表，并给予一定的操作级别，倾动角度设定好以后直 接发送给p l c ，存放在寄存器中，p l c 根据实际的料线取出焦炭和矿石对应的寄存器中 的角度值。在布料过程中，根据布料矩阵给定的方向顺序读出有布料圈数的角度值并和 实际的倾动角度进行比较，实际的倾动角度大，溜槽就下落，实际的倾动角度小，溜槽 就上倾，溜槽的倾动完全根据设定的角度来运动i l s l 。 2 布料溜槽旋转角度( p ) 控制 布料溜槽的旋转控制包括：旋转方向、旋转角度及料头角控制，角的旋转有左转 和右转两个方向，采用变频器驱动交流电机来完成。为使溜槽磨损均匀，延长使用寿命， 应定期切换一次旋转方向。角设定有6 个起始位置可供选择，间隔6 0 。，分别为0 6 、6 0 、 1 2 0 、1 8 0 。、2 4 0 。、3 0 0 ，每次布料结束后，卢角料头角自动布进6 0 。 3 料流调节阀开度角( ，) 控制 料流调节阀又称节流阀，其开度根据焦矿两条曲线找定，以确保料流时间正确1 2 1 1 ， 具体角度可根据该罐料种、料重及布料圈数来确定。 4 数据采集功能 p l c 将采集排压系统阀门、密封阀、放散阀、受料小车启动状态等信号，完成料流 调节阀、溜槽回转和倾动的位置检测。 5 通汛功能 向槽f 发出炉顶准备好信号，接收料头到位信号以及炉项压力信号，并且与监控系 统和过程计算机进行数据通信。 除此之外还有探尺控制和设备顺序控制功能等。 8 第二章高炉布料控制系统总体方案没计 2 2 控制系统的硬件设计 2 2 1 设计依据 根据高炉冶炼的自动化生产工艺和控制要求1 2 0 1 12 1 i ，本着节省投资、功能优越、操 作简单、维护方便的原则设计高炉自控系统。系统硬件设计需要根据被控对象而定，其 中包括被控对象的工艺要求、设备状况、控制功能等，并据此构成比较先进的控制系统。 1 工艺要求：工艺要求是系统设计的主要依据，也是控制系统所要实现的最终目 标。第一章对工艺流程作了概述，前进高炉的上料系统要实现的是布料溜槽的准确定位， 顺利安全的完成系统要求的功能。 2 设备状况：控制系统的设备状况要满足整个工艺要求，而对控制系统来说设备 又是具体的控制对象。该厂每座高炉的上料系统配有6 辆上料小车，8 台交流异步电动 机，4 台测速电机和1 3 台现场操作箱，整个系统利用p r o f i b u s 总线实现分散式控制。 3 控制功能：系统的控制功能在2 1 3 节进行了详细的介绍。 4 i o 点数和种类：模拟量输入2 4 点，包括电机速度检测信号，角度检测信号， 原料的重量信号等；开关量输入2 6 0 点，包括上料状态信号、变频器工作信号、工作方 式( 手动、自动、半自动) 选择信号、口，声，y 到角度信号等；开关量输出1 4 9 点。 i o 点数的确定要按实际姻点数和种类再加上1 0 一2 0 的备用量。系统配备两台 可编程控制器以备用。 本系统采用p l c 作为高炉冶炼生产的基础自动化控制核心，p l c 通过采集现场的仪 表及相关执行器件的动态信号进行分析，然后根据生产工艺，驱动生产现场的电机、电 磁阀、执行器等实现生产要求。 2 2 2 硬件的选型 1 p l c 机型的选择 控制系统构成以后，需要根据下列指标选择可编程控制器的机型。 ( 1 ) c p u 的能力：包括处理器的个数、c p u 存储的性能、电流消耗、工作环境要 求、寿命等。在选择存储器的容量时应留有一定的余量。 ( 2 ) i 0 点数：因本系统采用分散式控制方式，所以就要求系统所使用的p l c 具有 远程i o 能力，另外还需具备一定的余量。 ( 3 ) 响应速度：响应速度一般从程序的扫描速度来考虑，通常在p l c 的性能指标 中给出每干字的扫描时间。 ( 4 ) 指令系统：主要考虑指令的表达方式和指令的完整性。 基于上述考虑选择西门子公司的s 7 4 0 0 p l c 。是一种适用于中、高档性能范围的可 编程控制器，它所具有的模板的扩展和配置功能使其能够按照不同需求灵活组合，具有 以f 特点1 2 2 1 ： ( 1 ) 运行速度高，c p u 4 1 6 执行一条二进制指令只要o 0 8 “s 。 ( 2 ) 存储容量大，i 0 扩展能力强。 9 第二章高炉布料控制系统总体方案设计 ( 3 ) 模块化无风扇设计，峰固耐用，强大的通讯能力，容易实现的分布式结构以及 用户友好的操作员控制和监控功能使其成为中、高档性能控制领域中理想的解决方案。 ( 4 ) 有很强的通讯能力，容易实现分布式结构和冗余控制系统，集成的m p i 能建立 最多3 2 个站的简单网络。 ( 5 ) 诊断功能强，最新的故障和中断时问保存在f i f o ( 先入先出) 缓冲区中。 ( 6 ) 集成的h m i 服务，用户只需要为h m i 服务定义源地址和目标地址，系统会自 动地传送信息。 2 变频器控制方式的选择 本课题所使用的变频器是西门子公司生产的一种工程型变频器，p l c 对变频器的控 制可采用下列两种方法： ( 1 ) 利用数字量输出模块以开关方式控制变频器的启停，利用d a 模块输出 4 2 0 m a 模拟信号，控制变频器给定频率，从而实现调速。 ( 2 ) 利用变频器通讯接口，将各台变频器并联在三根线上，组成远程i o 网，与p l c 相连，变频器作为p l c 的扫描终端被寻址，通过梯形图编程控制变频器的启停及给定 频率。 本文采用第一种方式，充分发挥了西门子p l c 和变频器矢量控制的优点。硬件选 型的型号如表2 1 所示。 表2 1 硬件选型 序号名称型号数量 1p l cs 7 4 0 01 2变频器6 s e 7 0 2 3 4 e c 6 12 3 电动机 y 1 6 0 m 43 4 编码器 g d 3 2 7 6 8 1 2 3 系统软件设计方案 系统的软件设计方案包括：系统所采用的布料方式的选择，角度控制方法的选择以 及实现系统功能所需要的软件的选择和设计思路。 所选用的s 7 4 0 0 p l c ，其编程软件s t e p 7 是基于w i n d o w s 2 0 0 0 或w i n d o w sn t 的 s 7 3 0 0 4 0 0 配置的标准软件包。能够对硬件和网络进行组态，具有简单、直观、便于修 改等特点。其程序的扫描方式主要是顺序执行，用户可以进行系统配置和程序的编写、 调试；在线诊断硬件配置状态、控制的运行状态和通道的状态等。该软件提供了在线和 离线编程功能，可以在线l 传或下载。利用s t e p 7 可以方便地创建一个自动化解决方案。 2 3 1 控制系统模型的建立 建立被控过程的数学模型足设计控制系统的基础，利用计算机辅助技术进行过程辨 1 0 第二章高炉布料控制系统总体方案设计 识是常用的建模方法之一汹l 。模型的表现形式有：物理模型、图表模型和数学模型。 其中，物理模型是实际过程的一种物理模拟；图表模型是以图形或表格的形式来表现过 程的特性；数学模型是以数学结构的形式来反映实际过程的行为特性。建立数学模型的 基本方法有两种，一种是直接根据物理规律求出动力学方程，称为机理分析法建模；另 一种是测试法，对被控对象施加一定的试验信号，测量过程的输入输出数据，并对其进 行分析和处理，从而辨识出被控对象的数学模型，该方法称为辨识建模。 对于图2 1 所示的系统原理图，加之被控过程的复杂性，难以建立其精确的数学模 型，本文综合采用上述两种方法分别建立被控对象各个环节的近似模型。 ( 1 ) 减速机环节 2 4 1 减速机对随动系统的工作有重大影响，减速机速比的选择和分配将影响到系统的惯 性，并影响到快速性，考虑到减速机的输入量为执行机构电机的转速1 1 ，其单位一般为 r m i n 。而输出量应为机械转角吒( o ) ，若时间t 以s 为单位，则 吒= 詹等出= 争d t ( 2 - 1 ) 取上式的拉斯变换 以o ) 一z - ( s )( 2 - 2 ) 所以减速机的传递函数可表示为： 吸 ) ；_ 6 。笠 ( 2 3 ) 其中，七。为减速机的放大系数，为1 1 2 0 0 。这样把转角与转速的关系包含在内，减速器 可以当成一个积分环节。 ( 2 ) 变频器环节【2 5 卜i 2 9 l 文献【2 5 卜【2 9 】对变频器的计算机仿真提出了一些方法：开关函数法、状态方程法等。 变频器是高度非线性系统，不可能通过解析方法予以详尽描述。文献中【2 7 】提出了一种 变频器的开关矩阵模型，以此来研究谐波对电机性能的影响，但在研究变频调速异步电 机的动态行为时可以忽略谐波的影响，因此可以将变频器等效为具有晶闸管触发滞后延 迟的一阶惯性环节。其传递函数 攀：量( 2 4 ) 一= 一 - - l 玑( s ) 1 + t s 、7 式中以为电压控制信号，玑为输出电压信号，为了确定参数砭和互，一个比较简便的 方法是测出它对阶跃输入信号的响应，所得到的阶跃响应曲线也称飞升曲线 2 3 1 ，再根 据飞升曲线辨识出被控对象的数学模型。飞升曲线法的原理和步骤如下： 对于一阶惯性环节，其单位阶跃响应时域公式为： y ( f ) = k ( 1 一e ) ( 2 5 ) 而对应的响应过程如图2 4 所示： 第二章高炉布料控制系统总体方案设计 图2 ，4 一阶惯性环节的阶跃响应曲线 从图中可知， k y ( t 一)( 2 - 6 ) 可取响应稳态值为k ，如果t = t ，n - ! y ( f ) 【- 1 - k ( 1 一er ) 【r - - k 0 一e 。) 一o 6 3 2 1 k ( 2 7 ) 所以可以先寻找纵坐标为0 6 3 2 1 k 的点，则其横坐标即为丁的值。这就是简单系统的阶 跃参数辨识法。在求得一阶环节的参数后，需进一步对所求得的模型进行仿真，以观察 模型输出与实验飞升曲线的符合程度，并以此验证所求模型的准确性。 实验法步骤如下：变频器空载情况下，在p l c 内编写一个简单的程序，将变量的 输出结果送到变频器，给输入值一个阶跃信号，即把输入变量值由0 改为1 。观察变频 器信号的变化，将得到的电压信号经过频压转换以后，得到的阶跃响应曲线如图2 5 所 示。 图2 5 实验测得的被控对象阶跃响应曲线 为了找到0 6 3 2 1k ，方法一：在m a t l a b 环境下编乍；程序：方法二，在图上过原点 做曲线的切线，和稳态值有个交点，过该交点向横轴做垂线，原点到垂足之间的距离就 第二二章高炉布料控制系统总体方案殴计 g l o ) 。矗；磊( 2 - 8 ) 由于描述异步电机动态过程的是一组非线性微分方程，要用一个传递函数来准确的 器2 c 杀脚_ i j 盘3 n p u 己42 s a o ) 1 毫1 4 丽k m a 防 ，l p 。 q r 。23 n p u 己 其中，2 等2 毪导为异步电动机的传递系数，乙，甏异步电动机拖动 的输入为炉料未接触溜槽瞬间的速度“，输出为溜槽倾角口。二者之间的关系由下式确 吒”；等一警( g 一旦y ：弦一等掣( 2 - l o ) 其中为炉料从料流调节阀流出时的平均速度，v o o a s i n 6 扣2 代；a 为炉料的流动 系数，一般取为0 3 5 0 8 ； 6 闸阀开口中心线与水平面夹角，一般6 5 0 。，对于串罐无钟炉顶6 = 9 0 。； r 闸阀的半径，m ； h 。闸阀开口到溜槽轴的距离，n l ； c = c o a p 2 为常数； c d 阻力因数，一般取c d = 0 6 ； a 每块料最大横截面积； p 妒喉内煤气密度； 微偏线性化以后，求上式的拉斯变换，忽略哥氏力，进行数学等效，系统传函近似 为一阶惯性环节，删= 击小詈( g 一三屹) ，z 一半，粗略计算传函近似如 下： g 删= 怒( 2 - 1 1 ) ( 5 ) 反馈环节 1 3 第二章高炉布料控制系统总体方案设计 考虑到反馈滤波作用，反馈环节传递函数可写成【2 3 i ： g f ( s ) = 土l + t o 。s ( 2 - 1 2 ) 取乙= o 0 0 5 s ，口2 孟。 ( 6 ) 系统干扰环节 系统干扰环节的模型难以建立，根据文献1 2 1 的论述，它们近似为一阶惯性环节， 扰动分为负载扰动和随机扰动，在仿真的过程中，加入了正弦干扰，白噪声等随机干扰 环节验证系统在扰动情况下的鲁棒性。 综上所述，系统的动态结构框图如图2 6 所示。 图2 6 系统闭环动态结构框图 将上图等效成单位负反馈系统，由于t o 和t 一般都比乙小得多，可以当作小惯性 群近似的看作一个惯性环节，其时间常数为： 瓦= 7 二+ 互+ 丁 系统传递函数最终简化为： 2 3 2 布料方式的选择 图2 7 系统闭环动态结构简化图 ( 2 - 1 3 ) 1 高炉布料方法概述 在高炉布料过程中常用的布料方法有如下几种1 1 】： ( 1 ) 环形布料，又分单环和多环布料两种形式。由于旋转溜槽的倾角可任意调节， 所以可在炉喉的任一半径做单环、多环布料，将焦炭和矿石布在不同半径上以调整煤气 分布。 1 4 第一：章高炉布料控制系统总体方案设计 所谓单环布料就是每罐料只选择一个倾角，而多环布料就是取若干个溜槽倾角档 位，把一批炉料按指定重量分配，连续布入炉内。多环布料又有两种方式，一种是溜槽 倾动角在布料过程中按每圈炉料重量进行控制，然后改变一次溜槽倾角；另外一种是溜 槽布完规定的圈数后改变一次角度，即每个倾角可以布一圈也可以布多圈料，每罐料最 多可布9 圈。基本控制过程为：设定料重为w 吨，要求布料溜槽旋转n 圈时炉料正好撒 完，炉内料线断面上沿高炉直径方向设定多个环位，布料操作时根据不同料种、不同炉 况要求，在其中选定若干个环位进行布料，溜槽在旋转过程中由外环向高炉中心线倾动， 每个环位上布满1 1 圈后自动跳到另一个环位上，直到布完n 圈为止。 ( 2 ) 螺旋布料，布料时溜槽绕高炉中心做等速的旋转运动，溜槽由外向里改变倾角， 摆动速度由慢变快，主副电机同时旋转，每转一圈跳变一个倾角，这种布料方式能把炉 料布到炉喉截面任意部位，并且可以根据生产要求调整料层厚度，获得平坦的料面。 ( 3 ) 定点布料，角固定的布料形式称为定点布料。当炉内某部位发生“管道或 “过吹”1 5 1 时，需用定点方式。 ( 4 ) 扇形布料，卢角在规定范围内反复变化的布料形式称为扇形布料。当炉内产生 偏析或局部崩料时，采用该布料方式，布料时溜槽在指定的弧段内摆动。 通过对以上各种布料方式的分析可知，多环稀料技术可以在现有原燃料条件下合理 分布炉料，增加风量，改善煤气利用率，有利于提高煤比，从而降低焦比和生产成本， 应长期坚持使用多环布料。定点布料和扇形布料是非常情况下的补充布料方式，在炉况 不j 下常时使用。因此采用多环布料和定点、扇形布料相结合的方法，各种布料方式示意 图如图2 8 所示。 一水冷妯鸵箱 图2 8 布料方式示意幽 m ，啦亩q 碱 v 州膏q 面j 娜瞍i i i l _ j 己 纠；! 翻蕾j 辐 辑艇栉1 性 ，诤札晦 记 冉树 2 多环布料