韦东
（攀枝花钢筑有限公司炼铁厂攀枝花617023）
【摘要】阐述了无料钟炉顶布料控制原理。无料钟炉顶料流调节阀、溜槽驱动均釆用液压伺服系统控制，使系统的输出精确地跟随指令值变化，响应时间短及定位精度高，满足了无料钟炉顶多环布料控制要求。
【关键词】伺服系统；料流调节阀；溜槽驱动；位置控制；响应速度
1引言
攀钢钒1号1200 m3高炉于2017年9月第4次大修后投产,4号1350 m3高炉于2018年9月第2次大修后投产，均采用并罐无料钟炉顶装料设备，该炉顶能满足多功能布料和炉顶压力0.2 MPa的高压操作，以利改善料柱透气性,提高煤气能量利用，延长炉衬寿命。布料方式以多环布料为主，也可实现单环布料、定点布料和扇形布料。
2无料钟炉顶布料控制原理
无料钟高炉炉顶结构见图1。
高炉炉料烧结矿、球团矿或焦炭等经过槽下配料工艺后先进入到炉顶的料罐，在高炉接到布料指令后，其料罐的下密封阀打开,料流调节阀首先按工艺要求开到给定的开度（见图1中γ角），这时炉料按一定的流量流到布料溜槽上，此时布料溜槽已经按工艺要求升到一定的倾动角度（见图1中a角），同时布料溜槽还在水平面方向上进行匀速旋转（见图1中β角）。这样炉料就能按要求布到高炉内。
根据炉顶布料的基本控制原理可知，只要控制好a、β、γ三个角度,就可以把炉料按任意的形式布到炉内。一般来说高炉的布料方式有环形布料、扇形布料和定点布料等形式。最常使用的是环形布料，即一批料以不同的倾动角度布到炉内，形成以炉中心为圆心的数个圆环。如果在冶炼过程中出现炉内料面异常的情况，则可以利用扇形布料或定点布料来弥补;或者根据炉况需要,为改善透气性、保护炉壁使其温度不致过热等,也可以 采用扇形或定点布料的方法来改善炉内炉料的分布状态。
在炉顶布料控制中，布料溜槽驱动控制（即a角的控制）和料罐料流调节阀的开度控制（即7角的控制）至关重要，因为只有a角控制精确,炉料才能准确布在想要的档位（环形）上。只有γ角控制精确，才能有效地控制好下料的料流量,确保在设定的布料圈数刚好布完料,进而更准确地控制好每批料布料的厚度、环数及布料的起点和终点等。
1号、4号高炉大修前料罐料流调节阀、布料溜槽驱动采用变频器控制（伺服系统只作为辅助手段，后弃之不用），但由于变频器控制属于开环控制，所以难以达到理想的控制精度。这次1号、4号高炉大修,采用了伺服系统来控制料流调节阀、布料溜槽驱动。
3伺服系统的实现
“伺服”是英语单词“SREVO”音译过来的，单词SERVO本身的意思是“伺服、随动、跟随”。顾名思义，伺服系统也称为随动系统或跟随系统，它的根本任务是按指令值实现对执行机构运动的控制，使系统的输出精确地跟随指令值变化。伺服系统与变频器的重要区别在于它属于闭环控制系统，因此它的响应时间短,定位精度高。
3.1 组成
典型的伺服系统由三个基本部分组成:伺服电动机、驱动器、控制器，见图2。
对1号、4号高炉布料器伺服系统来说，主机或PLC是指高炉的DCS系统,控制器是带FM354功能块的西门子Step7-300PLC，驱动器是日本三洋PY系列伺服驱动器。整个系统的控制原理是这样的:上位机根据生产需要，给出一个溜槽的位置指令,PLC的DI模块接受这一指令并传给CPU, CPU通过计算,将结果通过A0模块输入到伺服驱动器内。驱动器接受这一 ±10伏的信号，通过内部的计算，将输入的R,S,T三相电源转变为相应大小的U,V,W三相电源输出给伺服电动机，通过改变电动机的速度来定位溜槽。
3.2控制器
控制器PLC是由一个电源模块PS、一个CPU、两个16 x 24VDC数字输入模块DI、两个16x 24VDC数字输出模块DO、一个± 10V模拟量输出模块A0以及一个定位功能块FM354组成。控制器
主要有以下功能：
（1） 执行伺服控制柜分合闸操作。CPU通过DO模块给出24V分合闸信号，柜内的24V继电器得电，线圈吸合,完成分合闸。
（2） 执行工作组、备用组之间切换。
（3） 接受DCS的角度给定。DCS给出的是二进制BCD码，通过DI模块的12个点将12位二进制数传给CPU。
（4） 输出±10V模拟量。CPU计算后的结果是模拟量，它通过A0模块传给驱动器。
（5） 输出伺服驱动器工作（使能）指令。也是通过24V继电器完成。还有一个DO模块是将系统运行状态以及实际溜槽位置送回上位机DCS系统。FM354±有一个码盘接口，绝对值编码器测量出的值与实际值成5： 1的关系，这样做是为了提高精确度。因为，当溜槽每转动1°，编码器就转5°，
控制编码器转动精度为1°时，实际溜槽的精度即为0.2°,大大增加了精确度。FM354接受编码器的值,并将它转换为溜槽的实际值（也就是将它除以5）,然后回送给CPU。CPU接受这一信号，与上位机给定的信号比较，然后经过PI计算，通过A0模块将结果送给伺服驱动器。其控制原理见图3。
3.3驱动器
伺服驱动器通过自带的集成放大器，可以连续地调节伺服驱动器比例阀的开度，这是与普通的液控单向阀的最大不同。由于伺服比例阀的开度是连续可调的，因此供给油缸的油的流量也是连续可调的，这样就实现了对油缸的速度、推力的连续调节和控制。
伺服驱动器有以下几个给定源：
（1） 来自操作台的±10V信号。
（2） 来自DCS的± 10V信号。
（3） 来自PLC的AO模块的土 10V信号。
它们之间的切换通过继电器实现,其优先级是自上而下。
伺服驱动器通过CN,接口接收PLC的指令，并根据通过C2接口传回的增量式编码器测量的电动机输出量进行计算，得出一个电压信号,根据这一信号，将U,V,W变换为相应大小的电压，输出给伺服电动机，电动机便以相应的转速转动。驱动器上的手操器也能对驱动器进行控制，例如修改参数、给出指令等。当溜槽到位,需要停止时，伺服驱动器U,V,W的输岀转矩克服外部负载转矩,达到零速度，电动机制动产生的能量通过放电电阻来消耗掉。其控制原理见图4。
液压伺服驱动器系统能充分利用液压系统推力大、动作速度快的特点，最大限度的消除系统压力变化对推力的影响，又能把控制精度大幅提高， 同时减小对机械系统的冲击。
3.4伺服电动机
4#高炉用的伺服电动机是交流伺服电动机，它与普通电动机的重要区别在于它是永磁电动机， 不是普通的感应电动机，因此，电动机的正反转不能通过改变相序来实现,必须在控制器上设定相应的参数,从而确定转向，如果将伺服电动机相序改变，可能烧毁电动机。电动机上装有增量式编码器,通过它可以测出伺服电动机转轴的速度和转子、定子的相对位置，并通过驱动器上的CN2接口传给驱动器。绝对值编码器装在与电动机相连的机械装置上，通过它可以测岀溜槽的实际位置, 并通过PLC的FM354模块传给CPU。
3.5电气控制系统
采用了西门子公司的S7-300系列PLC控制系统，负责采集炉顶料流调节阀的实际开度返回值（由绝对式光电编码器检测转换成实际角度），接收炉顶控制系统发出的γ角开度大小和动作指令。
在经过计算机分析处理后，把开度指令转换成4~20 mA的电信号发给伺服比例阀的集成放大器，用来控制伺服比例阀的开度。为了使系统既能有较大的推力和快速性,又能够达到较理想的准确度，在控制方式上采用了 PID开环控制和PID闭环控制相结合的方法。其程序流程如图5所示
PID调节的全称是比例积分微分控制调节器。PLC控制系统首先检测7角的给定值和实际返回值，并计算出他们的差值5,当6值大于某个角度（比如2°）,这时是给定伺服比例阀较大的开度值, 使油缸高速大推力运行;当δ值小于某个角度、即γ角接近给定值时，系统自动进入PID调节控制状态，即随着δ值的减小，控制系统给定伺服比例阀的开度值也按比例减小，直至为零。当料流调节阀到达给定位置后（γ角的给定值与实际返回值之差小于0.1°）,启动液压锁（电磁球阀动作,使液控单向阀动作，切断油缸进油和出油回路）,使油缸定位，这样使得液压油缸推动料流调节阀既能快速的到位，又能减小对设备的机械冲击，并保证较高的精度。
4结束语
攀钢钒1号和4号高炉无料钟炉顶溜槽、料流调节阀经过伺服系统改造后，从实际使用结果来看,a角、β角的精度达到了 0.1°,并且全行程动作时间小于6s,系统在整个行程上动作平稳，不再产生较大的机械冲击。溜槽、料流调节阀均能快速准确到位，实现了预期的稳定、准确、快速的目标, 满足了无料钟炉顶高炉多环布料的工艺要求。
参考文献
［1］ 刘清风.液压伺服比例系统在大型高炉布料控制过 程中的应用［J］.伺服控制 2005（4）:41-43.
［2］ 曹鑫铭.液压伺服系统［M］.北京：冶金工业出版社1991.
［3］ 陈主成，周化兵.PLC和变频器在高炉无料钟自动布料系统中的应用［J］.冶金动力，2004（5）:89-91.