高炉料流调节阀控制方法及改进.pdf

第 3 5卷第 4期 2 0 1 1年 7月 冶 金自 动 化 Me t a l l u r g i c a l I n du s t r y Au t o ma t i o n Vo 1 ． 3 5 No． 4 J u 1 ．2 01 1 系统 与装置 高炉料流调节 阀控 制方法及改进 雷仲 贤 ， 曾宪文 ， 吉明鹏 1 ．中冶赛迪工程技术股份有限公司 自动化事业部， 重庆 4 0 0 0 1 3 ； 2 ．上海梅山钢铁股份有限公司 摘要 料流调节阀是高炉无料钟炉顶关键设备之一 ， 其控制效果的好坏直接影响高炉的稳定运行。由于料流调 节阀运行速度快、 控制精度要求高， 加之传统料流凋节阀的驱动和控制系统存在一定问题等诸多方面的原因， 长期以来实现对料流调节阀的精确、 可靠控制一直是一个难题。本文对传统的料流调节阀的控制原理 、 策略、 控 制效果及存在的问题等进行了分析和总结。作为改进和创新， 介绍一种新型由液压伺服阀驱动的料流阀调节 系统， 简述该料流调节阀系统的构成和控制原理。最后对两种控制系统的性能进行了比较， 说明了新型料流调 节阀的优点和控制效果。 关键词 高炉； 料流调节阀； 液压比例阀； 液压伺服阀； 前馈控制； 自适应控制 中图分类号 T F 5 4 2 ． 5 ； T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 0 ～ 7 0 5 9 2 0 1 1 0 4 - 0 0 3 8 - 0 5 Co n t r o l m e t ho d o f bl a s t f u r na c e m a t e r i a l flo w r e g ul a t i o n v a l v e a nd i t s i mpr o v e m e n t L E I Z h o n g x i a n ， Z EN G Xi a n w e n ， J I Mi n g p e n g 1 ． A u t o ma t i o n D e p a r t me n t o f CI S DI E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 1 3， C h i n a ； 2 ． B a o s t e e l Me i s h a n I r o n S t e e l C o ． ． L t d ． Ab s t r a c t Ma t e r i a l fl o w r e g u l a t i n g v a l v e o f b e l l l e s s t o p i s o n e o f k e y e q u i p me n t f o r b l a s t f u r n a c e ． I t s c o n t r o l e f f e c t i n fl ue n c e s t a b l e o p e r a t i o n o f b l a s t f u r n a c e d i r e c t l y ． Be c a u s e t h e r e a r e s o me p r o b l e ms i n dr i v e a n d c o n t r o l s y s t e m o f t r a d i t i o n a l ma t e r i a l flo w r e g ul a t i n g v a l v e， a c c u r a t e a n d r e l i a b l e c o n t r o l o f t h e v a l v e i s d i f f i c u l t t o a c h i e v e f o r a l o n g t i me ． Co n t r o l p r i n c i p l e， me t h o d， e f f e c t a n d p r o b l e ms o f t r a d i t i o na l ma t e r i a l flo w r e g u l a t i n g v a l v e a r e a n a l y z e d a n d s u mma r i z e d． As a n i n n o v a t i o n， a n e w t y pe o f ma t e r i a l fl o w r e g u l a t i n g s y s t e m wh i c h i s d r i v e n b y s e r v o h y d r a u l i c v a l v e i s i n t r o d u c e d ． I t s c o n f i g u r a t i o n a n d c o n t r o l p r i n c i p l e a r e d e s c r i be d． Th r o u g h c o mp a r i s o n o f b o t h c o n t r o l s y s t e ms， a d v a nt a g e s a n d c o nt r o l e f f e c t s o f n e w t y p e ma t e r i a l fl o w r e g u l a t i n g v a l v e a r e e x p l a i n e d． Ke y wo r d s b l a s t f u r n a c e； ma t e r i a l flo w r e g u l a t i n g v a l v e； p r o p o r t i o n a l h y d r a u l i c v a l v e； s e r o h y d r a u l i c v a l v e； foe d f o r wa r d c o n t r o l ； a d a p t i v e e o n t r o l O 引言 为满足现代高炉高效率生产的需要， 要求料 流调节 阀开运行速度不能小于 l 5 。 ／ s 、 控制角度 误差不能大于 0 ． 2 。 。但在实际工程 中 ， 由于受到 传统液压 比例 阀 自身的特性和卢森堡 P a u l Wu r t h 冶金技术有限公司 P W 公司 配套控 制设备 限制 等诸多因素的影响 ， 因此既要保证料流调节 阀的 控制效果能满足工艺上的要 求 ， 又要保证料流调 节阀能在各种复杂外部条件下长期可靠运行已成 为高炉控制的一大难题。 本文结合 国内多座大型高炉料流调节阀实际 控制经验 以及最新 发展趋 势和技术 ， 首先介绍 由 收稿 日期 2 0 1 0 1 1 1 1 ； 修改稿收到 日期 2 0 1 1 4 4 - 1 0 作者简介 雷仲贤 1 9 5 6 ． ， 男， 云南昆明人， 教授级高级工程师， 主要从事冶金行业尤其是高炉、 炼钢方面的电气传动、 基础自动化系 统设计 工作 。 第4 期 雷仲贤， 等 高炉料流调节阀控制方法及改进 3 9 液压 比例阀驱动的料流调节 阀控 制方 法 、 策 略及 经验 ， 然后介绍一种 由液压伺 服阀驱动 的新 型料 流调节 阀系统 ， 该系统具 有动态响应特性好 、 控制 精度高、 稳定性好等特点， 已在国内某大型高炉上 成功应用 ， 初步解决了高炉控制中的这一难题 。 1 基于比例阀的料流调节阀控制系统 目前 国内大 、 中型高炉大都采用 P W 公司配 套提供的料流调节 阀及驱 动装 置 ， 该料 流调节 阀 由液压 比例阀调节驱动 ， 采用开关量 的高速／ 低速 和停止信号对料流调节阀进行有级速度控制 。正 是 P W 公司这种不合理 的配置 ， 使得 在实 际工程 应用 中实现对料流调节阀的可靠控制成为了一大 难题 。为了解 决这一难题 ， 我们在工程 实践 中经 过反复研究和实验 ， 总结 出了一种前馈加 自适 应 的控制方式 ， 基本上解决 了 由比例 阀驱动 的料 流 调节阀的控制和可靠性难题 。 1 ． 1 料流调节 阀运动过程分析 料流调节阀控制的根本需求是在保证其高速 运行的情 况下确保 其位 置控 制 的精 确度 和可 靠 性 ， 为说明料流调节 阀的控制原理和方法 ， 我们 有 必要先对 料流调 节 阀的运动及 停止 过程进 行 分 析 。 图 1 所示为 P W 公 司提供 的高炉炉顶料流调 节 阀的速度动态响应 曲线。 ，．、 ① J 鏖 点 墨 o 1 5 ② 一 s ＼ I ，‘0 0 ． 。 0．6 4．0 0 ． 3 1 ． 1 1 _ 3 2 ． O 3 ． 0 3 ． 9 4．2 5 ． 0 阀门开度／ o 定位运动 0 ．3 s 死区 1 ， 0 ．2 S O． 1 0 、 O．5 s 图 1 P W 料流调 节阀速度特性 曲线 Fi g ．t Ve l o c i t y C HI V E S o f t h e PW ma t e r i a l fl o w r e g u l a t i n g v a l v e 从图 1可知 ， 在理想情况下 ， 要在高速时准确 停止料流调节阀， 需要采取以下步骤 1 在一个预定减速角度 i 发出料流调节 阀 由高速转换为低速指令 ， 由图 1可以看 出， 指令发 出约 0 ． 3 s 后 ， 料流调节阀运动速度 由 1 5 。 ／ s 下 降到5 。 ／ s ， 这期间阀门运动的开度 阀门减速惯 性角 大约为 1 55 ／ 2 X 0 ． 31 ． 5 。 。 2 经过一段时间的速度稳定期 响应 曲线上 约为0 ． 1 s ， 阀门速度稳定在 5 。 ／ s ， 该段时间料 流调节 阀运行角度 阀门机械惯性停车角 大 约为 0 ． 5 。 。 3 速度稳定后 ， 在距离停 车角度为 时给 出停止指令 速度给定值变为0 。 ／ s ， 阀门大约 经过约 0 ． 2 s 后停止 ， 该段时问料流调节阀运行角 度约为 5 ／ 2 0 ． 2 0 ． 5 。 。 由此可知， 要确保料 流调节阀的准确停车， 确 定合适的减速角度 i 和停 车角度 十分重要 。 1 ． 2 前馈控 制 所谓对料流调节阀停止过程 的前馈控制就是 在其停止控制过程 中引入一个合适 的减速角度 ； 和停止角度 ， 通过对这两个角度 的控制达 到对 料流调节阀开度准确控制的目的。 由于每个高炉料流调节阀系统和液压系统的 特性 、 高炉控制系统及通信方式不尽相同， 因此其 料流调节阀的减速角度 和停止角度 也不尽相 同。在实际工程设计 中， 可以根据厂家提供 的料 流调节 阀特性 曲线 、 高炉控制系统扫描速度 以及 角度检测系统 的通信速度等 预算 出一个值 ， 然后 在现场调试 中通过现场实验对角度加以校正。 ；通常可由式 1 求 出 6 i 一 6 6 h f 6 h 1 式中 ， 6 为料流调节阀附加减速角 ， 考虑各种延时 因素确定 ， M一 2 T s i ， 其 中， 为控制器扫 描时间， m s ， 为编码器接 口延时时间， m s ， 为阀 门低速运 动初始速度 ， 。 ／ s ； 6 为减速稳定 角 ， 工程 中需根据现场实际情况调整而定 ， 通常调整 为 3 。 左右 。最佳减速角需要在以上计算角度 的基 础上根据实际调整确定 。 6 ． 通常可 由式 2 求 出 m 一 l i 6 l f 2 式中， 为本次设定停止角 ； 为料流调节阀附加 停车角， 考虑各种延时因素确定。实际调试中， 考 虑各种综合因素后 ， 一般取 在 3 。 左右。 采用前馈控 制方式后 ， 料流调节 阀在 机械及 液压系统工作正常、 工作状态稳定的情况下基本 能够保证 0 ． 1 。 左 右的控制精度 。但高炉投产后 ， 随着时间的推移 ， 阀门的机械及液压 系统 特性将 发生一定的变化 ， 这种变化将使控制产生相应 的 误差。 1 ． 3 自适应分段线性插值法控制 为解决由机械特性改变而影响控制精度的问 冶 金自 动化 第 3 5卷 题 ， 我们在前馈控制 的基 础上又增加了一种被称 为“ 自适应控制 的分段线性插值法” 的控 制算 法。 该控制理念包含 了 2种控制方式 首先 是把采用 了前馈控制方式的料流调节阀系统看做是一个黑 匣子 ， 依据黑匣子输入／ 输 出之间的关系建立相应 的控制模型 ； 然后在控制模 型的基础 上采用 自适 应控制对由于机械特性改变等因素产生的控制误 差 进行 动 态补正 。 1 ． 3 ． 1 分段插值法 在工程 实 际 中我们 经常会 遇到 这样 一种情 况 对于某个控制对象 ， 其各种控制参数之问存在 某种函数 Y ． 厂 关系 ， 我们虽然知道其在一定范 围内肯定有解 ， 但却很 难或找不到其确定 的函数 关 系， 只能通过现场实验得到 X 与 Y 的对应关 系 列表函数。 对于以上问题可采用多种方法求出对应函数 关系的解 ， 其中较为简单实用 的方法就是“ 分段插 值法” 。分段插值法就是用某种简单 、 已知 的函数 P X ， 在一定范 围内近似地表达某一未知的表函 数 厂 X ， 通过对 已知近似 函数 P 的求解 ， 就能 近似地求 出未 知函数 f 的解。可将替代 函数 P 看做如下 的一阶线性函数 Y X k x b 3 用线性函数 3 替代 函数l厂 X 时 ， 只要知道表 函数_厂 中的任意两点 ， ， 川 ， Y 就可 用以下插值 法公 式， 近似 地求 出 Y ， ， X ， ， Y 之间的任何点值 。 Y I l X Y 4 I 一 咒 n 由此可见 ， 表函数l厂 的对应关系点 ， Y 越多 ， 由式 4 所求 得 的近似值 y的精度也 就越 高。 1 ． 3 ． 2 控制的实现 建立料流调节 阀控制模型就是要找出料流调 节阀设定开度 O l 与实际开度 O l 之 间的关系。为 此首先要在料流调节阀的有效控制角度 内 通常 为 0～ 6 0 。 测 出 一组设定开度 O ／ 与实 际开度 1 9 ／ 之间的列表 函数 ， 然后将该 列表函数拟合成 函数 OL ．厂 ， 从而得到料流调节 阀控制模型。 依据料流调节 阀需要 的实 际开度 在模型 列表函数中找到 ， 如果没有 与实际开度相符合 的点时， 可先找出与O t 相邻的两点 与O t ， 然后 找出对应的O t 与O t ， 根据式 4 计算出相应的设 定开度 ， 并以其作 为开度设定值对料流调节阀 进行控制 。 为了修正控制 误差， 控制程序 记录料流调 节 阀本 次的设定开度 O t 以及实际开度 ， 并得 到 1 9 ／ ， O ／ 的关系数据 。比较 O L 与 ， 如果其差值 大于设定的控制误差 例如 0 ． 2 。 且容许修改控制 模型数据时， 控制程序将用 替代原模型列表函 数中的对应值 ， 从而 完成 料流调 节阀开度精度控 制的“ 自适应控制” 过程。 现场实际应用表 明 在 前馈控 制的基础上采 用 自适应控制方式后 ， 料流调节阀的控制通常都 能取得 比较满意的结果 ， 控制精度 一般在 0 ． 1 。 左 右， 基本上保证了料流调节 阀的长期稳定工作。 2 基于比例阀的料流调节阀控制系统存在 的缺 陷 1 控制系统的稳定性差 “自适应控制的分段线性插值法” 虽效果较好 并在通常情况下能可靠稳定 工作， 但 当系统不稳 定 、 变化没有规律时 ， 比如 由液压系统故 障造成 系统压力无规律变化时将使其难以正常 工作。 2 难 以满足动态调节的需要 有实验证明 ， 在高炉布料过程 中， 对应于恒 定的开度角 O t ， 布料的料 流量 Q不是 恒定 的。Q 和料批质量 P、 料的粒度 D、 比重 P、 料罐 中的料量 等之间的关系可近似用式 5 来描述 Q ／ ， P， D， P ， 5 式中， 当前布料的 P， D， P一定 ， 布料过程中只有 变化 ， 布料过程 中要保证恒定的 Q就要改变 d 。Q 变化曲线大致如图 2所示 。 要保证 不变 ， 就需按照图 2曲线变化规律 调节 O L ， 研究表 明， 其 调节角度 一般 在 2 。 左 右。 传统 比例 阀动态响应特性差 ， 即使在 5 。 ／ s的低 速情况下 ， 要进行 2 。 的动态调节也十分困难。 3 对控制系统要求 比较高 料流调节 阀有 高 、 低两 个运行速度 ， 高速时 ， 其运行速度 不小 于 1 5 。 ／ s ， 低速 时为 5 。 ／ s 。 如果我们假设控制系统 I ／ 0接 口板更新速度足够 快 ， 同时忽略编码器数据通过 总线传输 的延迟 等 因素 ， 当控制精度要分辨 出不大于 0 ． 2 。 的角度 时， 其扫描周期应为 高速时 ≤ 0 ． 2 ／ 1 5 X 1 0 0 01 3 m s 低速时 ≤ 0 ． 2 ／ 5 X l 0 0 0 4 0 I n S 由此可见 ， 为保证 控制 系统能分辨 出 0 ． 2 。 第4 期 雷仲 贤， 等 高炉料流调节阀控制方法及 改进 4 1 量 删 删 { 罐内烧结矿 质量／ k g a 烧 结矿 ’ 童 娥 罐内焦 炭质最／ k g b 焦 炭 图 2 料罐 中剩余料量与料流量 的关 系 F i g ． 2 Re l a t i o n s h i p b e t we e n r e s i d u a l q u a l i t y a n d ma t e r i a l f l o w q u a l i t y i n t h e h o p p e r 的控制精度 ， 最少要求系统 C P U扫描周期不大于 4 0 m s ， 如果考虑到其他因素 ， 则周期通常应不大于 2 0 ms 。这给 高炉控制 系统 提 出 了一定 的配置要 求 。当采用不 同的控制系统时 ， 由于系统性能不 同 ， 对料流调节 阀的控制效果就会有一定影响。 为了克服上述 缺点 ， 中冶赛迪 工程技术有 限 公司开发出了基于液压伺服 阀控制 的料流调节 阀 控制系统。 3 基于伺服 阀的料流调 节阀控制 系统 3 ． 1伺服阀特性 液压伺服 阀动态响应速度快 、 控制精度高 ， 之 前被广泛应用于轧机 的压下控制 等要求高精度 、 快速响应的场合中。图 3给出了伺服 阀和 比例阀 的响应 曲线 。 1 2 O 1 o 0 8 O 6 O 4 0 2 O 0 O． 2 5 8 1 2 1 8 2 4 3 O 3 6 4 2 48 5 4 6 0 6 6 7 2 7 8 响应 时间／ m s 图 3伺 服 阀和 比例 阀 响 应 曲线 F i g ． 3 R e s p o n s e e u l -v e s b e t we e n s e r v o v a l v e a n d p r o p o r t i o n a l h y d r a u l i c v a l v e 通过分析可得到如下结论 1 比例阀对阶跃信号的响应延迟时间约为 2 0 m s ， 伺服阀约为0 ． 5 m s ， 因而伺服阀对输入信号 的灵敏度约为 比例阀的 4 0倍 ； 2 比例阀对阶跃信号的响应从 0～1 0 0 ％用 时大约为 8 0 m s ， 而伺服 阀用 时大约为 9 ms ， 因而 伺服阀调节速度约为 比例阀的9倍 ； 3 伺服阀动态响应速度约为比例阀的 7倍。 由以上结论得知 ， 伺服阀在死 区、 动态响应和 快速调节方面较比例阀更具有优势。 3 ． 2 硬件组成 我们采用高炉主控 P L C对料流调节 阀系统进 行控制 ， 其系统框图如图 4所示 ， 图中 1为 P L C控 制器本体 ， 要求 P L C的 C P U采用带浮点运算单元 的 3 2 b处理器 ， 其正 常扫描周期不大于 2 0 m s ， 从 而确保迅速准确地对伺服阀进行控制 ； 2为控制器 电源接 口， 包括外部输入 电源接 口以及控制 器对 外供 阀门放大器板和编码器等外部设备供 电的电 源接 口； 3为 P L C输 出的速度控制指令 及伺 服阀 阀芯位移反馈 的模拟量信号接 口 此模拟量接 口 采用高速模块 ； 4为料流调节阀阀位检测编码器 7和 8与 P L C之间通信 的高速网络接 口； 6为由液 压伺服阀驱动的料流调节 阀， 其 可根据 主控 系统 输出的4～ 2 0 m A控制信号对阀门进行速度控制， 同时可根据需 要 ， 将 阀芯位移信号 反馈 到主控 系 统 PL C l l 阀位控制功能 模块 I 2电源接口l 3模拟量接口l 4网络接口 、 供 电 阀门 现场模 电源 控制 拟量反 总线 馈信 号 D C 2 4 V 指令 阀位检测 7 编码器 A v ， 驱动的料流调节阀 l ＼ 、澜付 睑测 图 4 伺服 阀控制 系统构成框 图 F i g ． 4 S c h e me d i a g r a m o f t h e s e r v o v a l v e c o n t r o l s y s t e m 4 2 冶 金自 动化 第3 5卷 由图4可以看到， 该控制系统具有快速、 高精 度控制所需 的高速控制器和高速信号接 口， 可对 各种信号和控制程序进行高速处理。系统对外接 口采用 了网络方式 ， 能够方便 、 快速地将各种信号 通过网络送到控制系统。 3 ． 3 控制软件 图 4中的 5为料流调节阀位控制模块 ， 该模 块为料流调节阀控制 的核心控 制模块 ， 其特点是 能够在基本不产生超调的情况下对料流调节阀进 行快速 、 精确 的定 位和位 置跟随控 制。该控制模 块将料流调节阀开度控制过程分为两个阶段 第 1 阶段为驱动料流调节 阀高速 开启 阶段 ， 在该 阶段 中 ， 模块将根据料流调节 阀的实际开度和设定开 度之间的关系 ， 产生一个高速开启信号使料流调 节阀快速开启 ， 当料流调节 阀距 目标值小于一定 数值后对料流调 节阀的控制则进入第 2阶段 ； 在 第 2阶段 中， 在模块算法的控制下 ， 阀门速度随 目 标的接近而减小 ， 当开度小于设定误差后 ， 料流调 节阀进入对设定值 的跟随状态。该控制模块具有 控制精度高 ， 阀门响应速度快且不 受阀门机械 特 性和液压系统特性变化影 响等特点 ， 能够保证 系 统长期 、 可靠地工作。 3 ． 4 控制效果 图 5是在 国内某大型高炉上采用的伺服 阀控 制系统的料流阀动作曲线图。由图 5可 以看出 1 料流调节 阀设定开度角度为4 6 ． 5 。 ， 由伺 斛 3 7 5 0 3 6 6 3 7 5 0 6 3 6 3 7 5 09 0 6 3 7 5 1 1 7 6 3 75 1 4 4 6 3 7 5 1 7 1 6 3 7 5 1 9 8 6 3 7 5 225 6 3 75 25 2 6 时 lJ ／ m i n s ms 图 5 由液压 伺服阀驱动的料流调节阀控 制效 果 F i g ． 5 E f f e c t c u r v e s o f t h e ma t e r i a l fl o w r e g u l a t i n g v a l v e d r i v e n b y t h e s e r v o v a l v e c o n t r o l s y s t e m 服阀驱动的料流调节 阀由动作指令发出到 阀门开 到 4 6 ． 3 0 5 。 不大于工艺要求 0 ． 2 。 的控制精度 所 耗费的时间约为 2 ． 2 S 。而传统的由比例 阀驱动的 料流调节阀通常需要 4 S以上。由此可见 ， 由伺服 阀驱动的料流调节阀调节速度是 比例 阀驱动的料 流调节阀调节速度的 1 ． 8 倍 。 2 由速度设定曲线可以看到 ， 在料流调节阀 开的过程 中， 开始速度设定为最大值 ， 阀门为全速 开， 当阀门开到一定角度 由模块算法计算给定 后 ， 速度设定在控制模块 的控制下快速下 降到一 个较小的值， 从而使料流调节阀快速减速， 然后慢 速跟随设定速度的动作状态 ， 由此保证 了阀门动 作过程的快速性 、 准确性和可靠性 。 4 结论 由上面的论述我们 得出结 论 该控制 系统无 论在运动速度、 控制灵敏度、 控制精度和可靠性等 方面均比基于 比例阀的料流控制系统有较大优 势 ， 用于控制高炉料流调节 阀完 全可 以满足工艺 快速 、 精确的控制要求 。 由液压伺服 阀驱动的料流调节 阀及其控制系 统已于 2 0 0 9年在 国内某大型高炉上得到了应用 ， 其快速性 、 精确度 和稳定性 等方 面均取得 了较好 效果。我们将继续对伺服阀控制系统进行进一步 的研究和实践 ， 以实现高炉恒流量布料的要求。 参考文献 [ 1 ] 雷仲贤． 用“ 带自适应控制的分段线性插值法” 实现料 流调节阀的精确控制[ J ] ． 钢铁技术 ， 2 0 0 2 3 3 7 - 4 0 ． [ 2 ] 顾德仁， 李肇毅． 高炉料流调节阀重量控制初探[ J ] ． 宝 钢技术， 1 9 9 5 2 2 5 2 8 ． G U De r e n， L I Z h a o y i ． P r e l i mi n a r y s t u d y O i l t h e w e i g h t c o n t r o l mo d e l f o r F C G o f B F[ J ] ． B a o s t e e l T e c h n o l o g y ， 1 9 9 5 2 2 5 2 8 ． I 编辑 魏方 I