基于無人值守的鉻鐵密閉電爐爐頂布料控制系統(tǒng)

 隨著不銹鋼工業(yè)的迅速崛起和不銹鋼應用領域的擴大，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。為了適應市場需要和降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)階段生產(chǎn)高碳鉻鐵的大型礦熱電爐，開發(fā)出了預處理工藝技術，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行冶煉鉻鐵，這種工藝的特點就是電耗低、省焦炭、鉻回收率高，大大降低生產(chǎn)成本。采用這種工藝技術的密閉電爐冶煉鉻鐵的生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生C0有毒氣體通過爐頂加料管排放出來，同時爐頂配料所加裝預還原球團達到1 200℃的高溫，這樣的環(huán)境條件對人來說具有很大的危險性，為此就需要設計無人值守的配料及爐頂布料控制系統(tǒng)，降低事故發(fā)生概率，通過自動控制系統(tǒng)，提高鉻鐵產(chǎn)品質(zhì)量。

1 工藝流程簡述

布料系統(tǒng)工藝流程如圖1所示，當電爐爐頂某個或某幾個供料倉發(fā)出求料信號時，控制系統(tǒng)根據(jù)各缺料料倉的料位高度，進行缺料程度優(yōu)先級排序，然后控制軌道罐車啟動一次布料流程，按照混合冷料和熱料球團的工藝配比值，自動移動到混合冷料倉下，通過給料皮帶進行給料，地磅進行稱量，達到設定值后自動停止給料，然后再移動到預還原熱料球團倉下，通過振動篩進行給料，達到設定值后停止給料，關閉軌道罐車的上口插板，軌道掛車移動到優(yōu)先級較高的求料供料倉，打開供料倉口電動插板，再打開罐車下口插板，將混合料流入該爐頂供料倉，然后關閉罐車下口插板，關閉供料倉口插板，至此完成一批料的布料過程。然后控制系統(tǒng)根據(jù)缺料優(yōu)先級順序，控制軌道罐車進行下一批料的布料過程。整個過程從定位、裝料、再到放料完全無人值守。

2 系統(tǒng)總體設計

依據(jù)現(xiàn)場需要無人值守的整體工藝特點，系統(tǒng)總體采用三層結(jié)構(gòu)，管理層由管理計算機、工程師站和數(shù)據(jù)服務器組成：控制層由PLC核心控制單元、數(shù)據(jù)采集單元和無線數(shù)傳模塊構(gòu)成：執(zhí)行層由各信號采集變送設備和動作執(zhí)行電機組成。系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖2所示。

2.1 系統(tǒng)方案配置

2.1.1 軌道罐車定位

系統(tǒng)控制的關鍵環(huán)節(jié)之一就是讓軌道罐車在給料設備位置、爐頂供料倉下料口位置進行準確定位，隨著激光測距傳感器技術的發(fā)展和成本的下降，使得激光在工業(yè)自動距離位移測量和位置控制領域有了廣泛的應用，本系統(tǒng)設計采用工業(yè)激光測距傳感器，通過測距的方式對罐車走行進行準確定位，而且可以獲得軌道罐車連續(xù)位置變化。

2.1.2 軌道罐車遙控

隨著元線技術的發(fā)展，在工業(yè)控制領域開始廣泛的應用，鑒于本系統(tǒng)軌道罐車是移動的設備，而且軌道車上的電動設備(走行控制變頻器、插板電液推桿、電力液壓推動器剎車裝置)需要和地面PLC控制站進行數(shù)據(jù)傳輸和控制，在這種場合下，使用有線電纜進行信號傳輸和控制受到了很大的制約，施工布線麻煩。為此系統(tǒng)設計對罐車的走行、料罐上下口插板的控制選用無線數(shù)傳控制技術，通過無線數(shù)傳設備，完成模擬量信號和數(shù)字量信號的雙向傳輸。

2.1.3 速度控制

為了確保配料過程中料種的配比精度，就需要對給料設備的慣性沖量進行嚴格控制，使各料種稱量值之間的比例最大限度的接近工藝配比，為此系統(tǒng)對給料裝置給料速度采用了變頻速度調(diào)節(jié)，通過程序軟件建立速度控制方法的數(shù)學模型，對給料速度按照模型曲線進行無極連續(xù)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，對軌道車的走行控制也采用了類似的變頻控制手法，可以提高軌道車的走行效率和平穩(wěn)性。

2.1.4 PLC控制核心

依據(jù)整體工藝特點，計算機控制系統(tǒng)設計采用西門子S7-300系列PLC為系統(tǒng)控制的核心，配置以太網(wǎng)通信模塊、模擬量輸入/輸出模塊、開關量輸入/輸出模塊，接收來自上位管理計算機的控制指令和生產(chǎn)任務計劃指令，并將所控制設備的開關狀態(tài)和模擬數(shù)值量上傳給管理層計算機，進行數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計。采集爐頂供料倉的重量信息獲得料倉求料信號，再通過無線數(shù)傳遙控方式，采集軌道罐車的走行速度，進而控制軌道車的走行和上下口插板的開合;采集激光測距傳感器的距離信號，對軌道罐車進行準確的定位;采集地磅的稱重信號和給料設備的速度信號，以上各模擬量信號通過4 mA～20 mA傳輸給PLC，供PLC控制軟件分析計算，根據(jù)控制要求，經(jīng)過控制軟件智能調(diào)節(jié)器的運算及數(shù)據(jù)處理，給出速度模擬量調(diào)節(jié)信號，完成自動給料及稱量，通過PLC利用現(xiàn)代控制理論，自動完成生產(chǎn)過程關聯(lián)集控設備的控制和調(diào)節(jié)。

2.1.5 上位管理軟件

遠程管理計算機采用intouch工業(yè)自動化組態(tài)軟件，完成對生產(chǎn)任務的編排，生產(chǎn)過程的顯示、控制、操作和管理，對配料和布料數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，產(chǎn)生統(tǒng)計報表和數(shù)據(jù)動態(tài)曲線。以直觀動態(tài)的方式真實反映生產(chǎn)現(xiàn)場各設備的位置、動作情況、計劃執(zhí)行情況、故障報警信息，同時信息數(shù)據(jù)接入生產(chǎn)局域?qū)＞W(wǎng)，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享和上層監(jiān)督，管理功能框圖如圖3所示意。

2.2 關鍵支撐技術

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、B兩點間往返一次所需時間為t，則A、B兩點間距離D可用下列表示。

D=ct/2

式中：D-測站點A、B兩點間距離;

c-光在大氣中傳播的速度;

t-光往返A、B一次所需的時間。

由上式可知，要測量A、B距離實際上是要測量光傳播的時間t，根據(jù)測量時間方法的不同，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的某一特定點上，在工業(yè)現(xiàn)場的使用具有一定的局限性。

基于本系統(tǒng)是對工業(yè)現(xiàn)場直線移動軌道車定位，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，動態(tài)的對移動物體的相對距離進行測量，通過采用數(shù)字測相脈沖展寬細分技術，無需合作目標即可達到毫米級精度，測程已經(jīng)超過100 m。本系統(tǒng)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(jié)果以4 mA～20 mA方式傳輸PLC用于計算和控制，完全滿足使用要求。

2.2.2 無線數(shù)傳控制

無線數(shù)傳模塊是數(shù)傳電臺的模塊化產(chǎn)品，借助DSP技術和無線電技術實現(xiàn)高性能專業(yè)數(shù)據(jù)傳輸，具有數(shù)字信號處理、數(shù)字調(diào)制解調(diào)、數(shù)據(jù)前向糾錯、均衡軟判決等功能?？梢詫⒐I(yè)現(xiàn)場設備輸出的數(shù)據(jù)(模擬量和開關量)進行遠程無線傳輸和控制。本系統(tǒng)設計選用的無線數(shù)傳模塊采用中國新開通的780 M頻段，避免了2.4 GHz和433 MHz頻段內(nèi)民用無線設備的干擾，與其他ISM頻段無線收發(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。

本系統(tǒng)通過PLC連接無線監(jiān)控器的方式，遠程管理多個無線開關量控制器和模擬量控制器，數(shù)據(jù)傳輸原理如圖4所示。采用GFSK的調(diào)制方式;收發(fā)一體，半雙工，數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換自動完成;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 ℃。動作過程：當遠程無線控制器的輸入通道數(shù)據(jù)信號發(fā)生改變時，發(fā)送報告到監(jiān)控器，監(jiān)控器更新相關的映像寄存器或狀態(tài)，PLC讀取這些寄存器或狀態(tài)。PLC可以通過寫寄存器或狀態(tài)的方式，直接控制遠程設備的輸出狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 系統(tǒng)控制算法分析

系統(tǒng)的配料和布料過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量后，向電爐爐頂供料倉內(nèi)投料，屬于典型的間歇工作模式，對于皮帶給料和振動篩給料，由于慣性沖量的存在，無法做到每批料按照設定值進行準確的稱量，必然存在稱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(diào)節(jié)控制的稱量數(shù)學模型，提高單批配料過程的稱量精度和效率，同時采用后批重量補償前批重量的算法，通過歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化給定，來矯正每批料稱量值的離散偏差，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言描述如下，分號后為注釋：

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表示實際稱量值，s表示控制給定值(隨動變量)，Q表示給定值(常量)，n是一個時間標量，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程中，設置一個沖量預補提前量，來補償給料機停止后物料的慣性沖量，同時依賴歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)造一個算法，使之每次產(chǎn)生一個新值，來盡量的縮小每批料稱量值與控制給定值之間的偏差。

3. 2 變頻速度調(diào)節(jié)控制數(shù)學模型的建立

3.2.1 給料速度控制方法

間歇式分批配料過程，不僅要控制稱量的精度，而且要控制配料的速度，實現(xiàn)高精度、快速稱量是該系統(tǒng)的關鍵技術之一，在傳統(tǒng)的雙速給料中，給料裝置振動力大或速度快則給料快，但精度難以控制，振動力小或速度慢則給料慢，精度可以保證，但稱量時間長，效率低，由于本系統(tǒng)的給料裝置屬于非線性，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(shù)，根據(jù)稱量重量控制給料速度，兼顧效率和精度。在稱量初期，給料速度穩(wěn)定在V0，是一個定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當稱量值接近設定值時，速度的趨于逐漸減小，從而變?yōu)殡S動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的分段速度控制改為無極連續(xù)調(diào)節(jié)。

3.2.2 給料速度調(diào)節(jié)控制數(shù)學模型

在皮帶給料和振動給料過程中，根據(jù)稱量控制設定值，在指定的時間內(nèi)完成物料稱量，此稱量物料過程是對物料重量的累積關系。設W為物料的稱量值(單位：kg)，V為給料速度(單位：kg/s)，T為給料時間(單位：s)，則有以下積分關系：

式中，W’為單位時間的稱料量

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

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

根據(jù)速度可以畫出物料稱量值W、給料速度V和稱量時間t的關系曲線如圖6所示。實際應用中，根據(jù)物料的特性，選擇適當?shù)腤X和η值，既可以保證稱量精度，也可以兼顧稱量速度，具有較強的靈活性和適應性。

4 系統(tǒng)運行及調(diào)試

經(jīng)過前期的設計、開發(fā)和調(diào)試，最終將系統(tǒng)整體應用到實際現(xiàn)場中，通過測試及功能完善，從軌道車自動定位、給料裝置自動給料、地磅自動稱量、軌道車自動走行及放料，整體過程動作連續(xù)，嚴格按照工藝要求執(zhí)行，PLC控制軟件根據(jù)系統(tǒng)控制算法，對配料過程自動修正和補償，取得了比較理想的配比工藝曲線，上位機軟件也能夠?qū)崟r、快速地將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示給操作人員，并進行曲線生成和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

5 結(jié)束語

系統(tǒng)綜合了工業(yè)測控技術、無線數(shù)傳控制技術和現(xiàn)代軟件技術，使整體系統(tǒng)具有良好的智能性、擴展性，通過無人值守控制系統(tǒng)，實現(xiàn)地面對遠程設備的監(jiān)控指揮，大大提高了企業(yè)生產(chǎn)過程的簡潔性和日常維護效率。