高爐無料鐘爐頂旋轉溜槽副傳動傾角自動控制裝置及方法

專利名稱：高爐無料鐘爐頂旋轉溜槽副傳動傾角自動控制裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高爐無料鐘爐頂設備的自動控制裝置以及控制方法，特別是涉及一種高爐無料鐘爐頂設備的旋轉溜槽副傳動傾角(a角)液壓系統自動控制裝置以及方法。
背景技術：
本發(fā)明的關注點是高爐無料鐘爐頂溜槽副傳動傾角(a角)驅動直線油缸的自動控制，簡稱為a角位置自動控制。a角位置自動控制和溜槽主傳動(13角)位置自動控制相配合，直接應用在高爐生產冶煉的技術領域，主要用來解決高爐生產對爐料穩(wěn)定操作，爐料均勻分布問題。 旋轉溜槽a角位置精確控制可以改善工藝過程控制質量，提高高爐的裝料效率。
通過控制溜槽a角位置，可以獲得多種布料方式，實現爐喉圓周方向和徑向的爐料的均勻
分布及某點的爐料分布，促進爐況順行，并為處理爐料管道、偏行等事故創(chuàng)造條件。 傳統的高爐無料鐘爐頂設備存在一些缺點，如對原料粒度要求較嚴格；機械傳動
較復雜；爐料沿圓周方向分布不均；用于密封及冷卻的氮氣消耗量大等。 針對傳統型無料鐘爐頂設備存在的缺點，新型無料鐘爐頂設備的溜槽傾動部分改
由直線油缸液壓傳動。這種無料鐘布料器a角液壓系統受高爐爐頂環(huán)境和液壓系統油介
質所限，對直線油缸液壓傳動也有特殊要求，如不能采用電液伺服閥組成的液壓傳動進行
控制，受比例方向閥組成的液壓系統特性所限，不能滿足位置控制對(a角)驅動直線油缸
頻繁切換的要求，難以對溜槽擺動產生的角度誤差做出迅速反應，不能保證a角的找準角
度為±0. 50 ;影響了爐料穩(wěn)定操作和爐料均勻分布。

發(fā)明內容
為克服上述技術缺陷，本發(fā)明采用一種由比例方向閥組成的溜槽a角位置自動控制裝置以及方法，解決了單一行程控制不能實現對溜槽副傳動(a角)的傾動精確位置控制的問題。 —種高爐無料鐘爐頂旋轉溜槽副傳動傾角自動控制裝置，對溜槽的傾角進行控制，其特征在于，包括信息采集設備，采集溜槽的傾動角度位置信息以及溜槽位置的信息，并傳到PLC控制系統中；PLC控制系統，分析信息采集設備采集的信息，生成控制信號，并將控制信號輸送給傳動設備；傳動設備，根據PLC控制系統的控制信號，對溜槽的傾動角度進行控制。 通過上述技術方案，本發(fā)明提供了一種具有帶不靈敏區(qū)的PID算法調節(jié)特性的對溜槽副傳動傾角(a角)進行位置自動控制的裝置和方法，消除了溜槽副傳動傾角(a角)驅動直線油缸行程控制找準角度的偏差給高爐布料帶來的影響，充分發(fā)揮該型無料鐘布料器的理想布料優(yōu)越性，確保冶煉過程的穩(wěn)定性。 本發(fā)明能夠防止溜槽副傳動傾角(a角)驅動直線油缸的電磁換向閥頻繁切換，保持液壓系統穩(wěn)定的輸出特性c


意圖；















圖1是本發(fā)明高爐無料鐘爐頂溜槽副傳動傾角自動控制裝置的組成框圖； 圖2是系統的不靈敏區(qū)設置示意圖； 圖3是帶不靈敏區(qū)的PID流程圖4顯示了 a角驅動直線油缸比例方向閥輸出脈沖寬度變換圖5顯示了確定輸出脈沖寬度變換點時，E《麗時輸出脈沖寬度變換的操作點示
圖6顯示了 E >麗輸出脈沖寬度變換的操作點示意圖。 附圖標記列表
l-溜槽副傳動(a角)驅動直線油缸；
2_回轉浮動框架； 22-溜槽；
3- 溜槽旋動電動機；
4- 溜槽抬起終端極限； 4' _溜槽落下終端極限； 5_絕對值編碼器； 6_比例方向閥；
7- PLC(可編程序邏輯控制器)控制系統；
8- 高速計數器模塊；
9-DI(數據輸入)輸入模塊 ll-模擬量輸出模塊；
13-CPU模塊；
15-傾動角度抽出模塊；
17-綜合邏輯判斷模塊；
19-布料器a角操作； 21-給定模塊
10-比例放大模塊； 12-D0(數據輸出)輸出模塊； 14-傾動設定角度模塊；
16-布料控制程序模塊； 18-布料器工作方式選擇轉換開關； 20-監(jiān)控模塊；
具體實施例方式
如圖1所示，本方法發(fā)明的高爐無料鐘爐頂溜槽副傳動傾角自動控制裝置包括如 下組成部件 直線油缸l，用于驅動溜槽副傳動傾角(a角)，直線油缸1與比例方向閥6的輸 出端相連，用于在比例方向閥6的控制下驅動溜槽傾動，直線油缸1使溜槽2擺動，直至達 到傾動設定角度； 溜槽旋動電動機3，用于旋動溜槽，旋動電動機3也與比例方向閥6的輸出端相連， 在比例方向閥6的控制下驅動溜槽旋轉； 比例方向閥6，輸出端與直線油缸1以及旋動電動機3相連，控制直線油缸1以及 旋動電動機3的運轉的行程，從而控制傳動傾角，比例方向閥6的輸入端與比例放大模塊10 相連； PLC控制系統7，輸出端為比例放大模塊IO，將傾角位置控制信號通過比例放大模 塊10傳送給傳動設備，輸入端與溜槽抬起終端極限4、溜槽落下終端極限4'相連；
比例放大模塊IO，輸出端與比例方向閥6相連，輸入端與PLC控制系統7相連，比 例放大模塊10形成控制比例方向閥6的信號； 絕對值編碼器5，是一種測量反饋裝置，設置在溜槽附近，用于檢測溜槽傾動角度 位置信號；絕對值編碼器5的輸出端與PLC控制系統7的高速計數器模塊8相連，將位置實 測信號傳送給a角PLC控制系統7的高速計數器模塊8 ; 溜槽抬起終端極限開關4，溜槽落下終端極限開關4'，確定溜槽起始以及終端位 置，保證傾角位置模塊的準確運行和溜槽裝置2的更換，兩個開關的輸出端均與DI輸入模 塊9相連； 布料器工作方式選擇轉換開關18，用于布料器a角的自動或手動方式選擇；
布料器a角操作模塊19，用于將存貯在傾動角度抽出程序模塊15內的溜槽傾角 的傾動角度抽出； 監(jiān)控模塊20，用于確認布料器a角操作模塊19抽出的角度； 給定模塊21，用于將高爐操作設定的高低料線和布料器a角操作模塊19進行比
較，確定兩個與高低料線相關的傾角，將兩個與高低料線相關的傾角值作為傾動角度設定值。 上述PLC控制系統7包括 綜合邏輯模塊17，用于將布料器工作方式選擇轉換開關18、布料器a角操作模 塊19、監(jiān)控模塊20、給定模塊21所檢出的與高低料線相關的傾角控制信息進行綜合邏輯比 較，作為CPU模塊13所需的溜槽傾動位置控制參數。綜合邏輯模塊17的一個輸出端與CPU 模塊13相連，另外一個輸出端與布料控制程序模塊16相連，將布料器溜槽傾角的傾動位置 存儲在布料控制程序模塊16中。CPU模塊13將綜合邏輯模塊17檢出的溜槽傾動位置控制 參數，作為從傾動設定角度模塊和傾動角度抽出模塊15從布料控制程序模塊16中取出的 溜槽傾動位置控制程序的控制變量來對溜槽傾動位置進行控制； 連接在布料控制程序模塊16的輸出端的傾動角度抽出模塊15從布料控制程序模 塊16中取出的溜槽傾動位置控制程序； DI輸入模塊9，與溜槽抬起終端極限4、落下終端極限4'的輸出端相連，用于接收 控制條件信號； 高速計數器模塊8，與絕對值編碼器5相連，對絕對值編碼器5產生的脈沖信號進 行轉換，絕對值編碼器檢出的傾動角度脈沖輸出信號經高速計數器模塊8處理后作為CPU 模塊13處理數據。 上述DI輸入模塊9檢出的溜槽抬起終端極限4、落下終端極限4'信息、高速計數 器模塊8搜集的傾動角度脈沖輸出信息輸出到CPU模塊13 ; CPU模塊13，與高速計數器模塊8的輸出端、DI輸入模塊9的輸出端、傾動設定角 度模塊14的輸出端以及綜合邏輯模塊17的輸出端相連；其中，CPU模塊13與高速計數器模 塊8的輸出端相連，根據傾動設定角度模塊14的設定值，將綜合邏輯模塊17檢出的溜槽傾 動位置控制參數反饋值，由存儲在CPU模塊13中的布料程序進行運算并轉換成偏差信號， 產生的偏差經帶有不靈敏區(qū)的PID算法模型的程序進行控制，綜合比較計算后其控制信號 轉換成為4 20mA模擬量輸出信號送至模擬量輸出模塊11。
模擬量輸出模塊11與比例放大模塊10的差動輸入端連接；
CPU將綜合邏輯模塊17綜合比較計算后檢出的連鎖控制信號轉換成為24VDC開關 量輸出信號送至DO開關量輸出模塊12 ; DO開關量輸出模塊12的輸出端與比例放大模塊10的外部釋放輸入端連接；
在控制過程中，DO開關量輸出模塊12的輸出值作為比例放大模塊10的使能信號， 模擬量輸出模塊11作為比例放大模塊10的差動輸入信號。 在預先設定的比例方向閥6的位置控制全行程時間和規(guī)定輸出不靈敏時間及比 例方向閥6最小動作時間的運行條件下，傾角位置控制信號由模擬量輸出模塊11送至比例 放大模塊10中，比例放大模塊10形成控制比例方向閥控制電磁鐵6的信號。當a角位置 為正偏差時，直線油缸l使溜槽向下傾動，反之當a角位置為負偏差時，油缸l使溜槽向上 傾動。a角由傾動角度抽出模塊15、布料控制程序模塊16加以確定，并在監(jiān)控模塊20中 與a角的實際位置相比較，進行監(jiān)控。 本發(fā)明還提供一種具有改變a角并應用布料溜槽傾動控制裝置對a角度進行控
制作為調節(jié)手段的有效位置的控制方法。a控制系統是溜槽傾動控制的主體。 本發(fā)明高爐無料鐘爐頂旋轉溜槽副傳動傾角自動控制控制方法包括 信息采集步驟，信息采集設備對溜槽2的傾動角度位置信息以及溜槽位置的信息
進行采集，并傳到PLC控制系統7中； 控制信號生成步驟，PLC控制系統7分析信息采集設備采集的信息，生成控制信 號，并將控制信號輸送給傳動設備； 傳動控制溜槽步驟，傳動設備根據PLC控制系統7的控制信號，對溜槽2的傾動角 度進行控制，當傾動角度位置為正偏差時，傳動設備使溜槽向下傾動，當傾動角度位置為負 偏差時，傳動設備使溜槽向上傾動。
傾動位置信號采集的流程為 a角抬起終端極限4、落下終端極限4'作為控制條件信號進入DI輸入模塊9 ;絕 對值編碼器5將位置實測信號傳送給a角PLC控制系統7的高速計數器模塊8。
兩個重要電氣參數的自動測量 第一個是傾動角度參數的測量，即由鉸接在布料器托圈上的豎向指示桿，通過齒 條齒輪將直線運動變?yōu)檗D動，帶動絕對值編碼器將角度變化信號輸入高速計數器模塊8。在 溜槽旋轉過程中，指示桿上下串動約為3 4mm，可引起0.20左右的控制偏差。由于齒條齒 輪機構、傳動接手等模塊還有間隙存在"惰性"傾動角度變化很小，傾動角度基本能夠滿足 0. 50的控制要求。 第二個是a角最大擺角和最小擺角的檢測即由鉸接在布料器托圈上的豎向指示 桿，通過齒條齒輪將直線運動變?yōu)樽渤咿D動，碰撞最大擺角或最小擺角極限開關并使其相 應動作，擺角的極限信號輸入DI輸入模塊9，用以校準或更換溜槽的操作。
布料溜槽傾動技術指標 1.傾動角度的傳動方式置于布料器密封箱蓋上的在圓周上等距布置的三個驅
動直線油缸一中間接桿一升降托圈一主托輥一浮動框架一曲柄一溜槽擺角； 2.運行速度 溜槽下落V。dr。p = 2° /sec 溜槽抬起V。ufe = 1.5° /sec
3.擺角amin= 10° ;^隨=45° 4.三個驅動直線油缸的上下腔油路分別上下各聯在一起，工作時由布料器密封箱 內的豎向滑道實現嚴格同步。 5.找準角度±0.2° ，當出現油缸內泄漏時誤差不大于0.5。，否則自動找回原
工作角度。
6.布料方式 自動布料單環(huán)、雙環(huán)、多環(huán)。
定點布料手動操作，定點誤差人工掌握。
布料溜槽傾動控制 a角驅動直線油缸以并聯集中控制的方式工作，為避免驅動直線油缸頻繁動作， a角比例方向閥6系統的動作是以脈沖形式完成的。當a角偏差超過士0.50時，才開始 動作進行位置調節(jié)。當實際的a角偏小時，調節(jié)系統使比例方向閥6上升線圈得電，驅動 直線油缸上升，加大a角，達到給定的a角值時，比例方向閥6上升線圈失電，溜槽停止不 動。反之，當實際的a角偏大時，調節(jié)系統使比例方向閥6下降線圈得電，驅動直線油缸下 降，減小a角，達到給定的比例方向閥輸出脈沖寬度對應的a角值時，比例方向閥6下降 線圈失電，溜槽停止不動。 為避免系統在瞬間產生的偏差下，調節(jié)動作過于頻繁，系統設置不靈敏區(qū)。
不靈敏區(qū)是指開始動作時的偏差上限與下限之間的區(qū)域，不靈敏區(qū)的大小可以進 行調整，應盡量縮小。不靈敏區(qū)圖2所示，當a角偏差達到一定值時，開始進行調節(jié)。當a 角實測值達到Al切換點(a角正向糾偏點)，系統控制比例方向閥和直線油缸動作，溜槽傾 動系統一經動作，便持續(xù)到a角減少至Bl切換點(a角正向糾偏結束點)才停下，此時驅 動直線油缸停止不動，比例方向閥6線圈停止動作，調節(jié)過程結束。反之，當a角實測值達 到A2切換點(a角反向糾偏點)，系統控制比例方向閥和直線油缸動作，溜槽傾動系統一 經動作，便持續(xù)到a角減少至B2切換點(a角反向糾偏結束點)才停下，使驅動直線油缸 對應a角給定值上升，此時驅動直線油缸停止不動，調節(jié)過程結束。實際上調節(jié)系統在不 靈敏區(qū)的上限以下和下限以上這個范圍，是不會動作的。另外，a角A1/A2切換點和a角 Bl/B2切換點可以調整的。
7.調整方法 7. 1按溜槽傾動點a角給定值進行調整時的帶不靈敏區(qū)的PID控制算法為
當I E I《e時，執(zhí)行PID指令;
當I E I > e時，不執(zhí)行PID指令；
式中E-偏差，E = SV-PV ; e — |不靈敏區(qū)(偏差)區(qū)間。 式中e是一個可調參數，具體數值根據溜槽的調試情況而定。
SV-設定值 PV-輸入值 調試時因注意 E值過小起不到避免系統振蕩的作用；
E值過大，系統會產生較大的滯后； 7. 2帶不靈敏區(qū)的PID流程圖 如圖3所示，顯示了帶不靈敏區(qū)的PID流程。 8.輸出脈沖寬度變換 當傾動輸出動角度超過積分停止線Al或A2時，積分停止，輸出脈沖寬度變換為 通。如果pv測量值減少即傾動角度低于積分開始線Bl或B2時，輸出脈沖寬度變換為斷， 積分開始。 當輸出脈沖寬度變換為通時，圖4顯示了 a角驅動直線油缸比例方向閥輸出脈沖 寬度變換圖。 9.輸出脈沖寬度變換的切換點 輸出脈沖寬度變換的操作點應綜合考慮操作點和不靈敏區(qū)、偏差、輸出脈沖寬度
之間的關系 如果E《麗， Al = e ;B1 = e-麗， 或A2 = e ;B2 = e-麗。 如果E〉麗， Al = e-麗+E ;B1 = e-麗， 或A2 = e-麗+E ;B2 = e-麗。 式中 A1-A1切換點 B1-B1切換點 E-偏差； e —|不靈敏區(qū)； 麗-輸出脈沖寬度。 圖5顯示了 E《麗輸出脈沖寬度變換的操作點示意圖，圖6顯示了 E >麗輸出 脈沖寬度變換的操作點示意圖。 以上僅為發(fā)明的最佳實施方式，本領域普通技術人員可在實施方式的提示下進行 各種改變，因此專利權保護范圍以權利要求的內容為準。
權利要求
一種高爐無料鐘爐頂旋轉溜槽副傳動傾角自動控制裝置，對溜槽(2)的傾角進行控制，其特征在于，包括信息采集設備，采集溜槽(2)的傾動角度位置信息以及溜槽位置的信息，并傳到PLC控制系統(7)中；PLC控制系統(7)，分析信息采集設備采集的信息，生成控制信號，并將控制信號輸送給傳動設備；傳動設備，根據PLC控制系統(7)的控制信號，對溜槽(2)的傾動角度進行控制。
2. 根據權利要求1所述的溜槽副傳動傾角自動控制裝置，其特征在于 傳動設備包括比例方向閥(6)、旋動電動機(3)以及溜槽副傳動傾動角度驅動直線油缸(1);其中:直線油缸(1)與比例方向閥(6)的輸出端相連，用于在比例方向閥(6)的控制下驅動 溜槽傾動，直至達到傾動設定角度；溜槽旋動電動機(3)，控制溜槽旋動；比例方向閥(6)，輸出端與直線油缸(1)以及旋動電動機(3)相連，控制直線油缸(1) 以及旋動電動機(3)的運轉，從而控制傳動傾角，比例方向閥(6)的輸入端與PLC控制系統 (7)的輸出端相連。
3. 根據權利要求1所述的溜槽副傳動傾角自動控制裝置，其特征在于 PLC控制系統(7)，其輸出端連接比例放大模塊(IO)，傾角位置控制信號通過比例放大模塊(10)傳送給傳動設備，PLC控制系統(7)的輸入端與信息采集設備相連。
4. 根據權利要求3所述的溜槽副傳動傾角自動控制裝置，其特征在于，PLC控制系統 (7)還包括:綜合邏輯模塊(17)，綜合邏輯模塊(17)的一個輸出端與CPU模塊(13)相連，另外一個 輸出端與布料控制程序模塊(16)相連，將布料器溜槽傾角的傾動位置存儲在布料控制程 序模塊(16)中;傾動角度抽出模塊(15)，連接在布料控制程序模塊(16)的輸出端，從布料控制程序模 塊(16)中取出的溜槽傾動位置控制程序；傾動設定角度模塊(14)，連接在傾動角度抽出模塊(15)與CPU模塊(13)之間，用于設 定傾動角度；DI輸入模塊(9)，與信息采集設備相連，用于接收控制條件信號；高速計數器模塊(8)，與信息采集設備相連，對信息采集設備產生的脈沖信號進行轉換；CPU模塊(13)，與高速計數器模塊(8)的輸出端、DI輸入模塊(9)的輸出端、傾動設定 角度模塊(14)的輸出端以及綜合邏輯模塊(17)的輸出端相連；其中，CPU模塊(13)與高速計數器模塊(8)的輸出端相連，將高速轉換后的信號與存 儲在CPU模塊(13)中的布料控制程序模塊傾動設定角度值比較，產生的偏差經帶有不靈敏 區(qū)的PID算法模型計算；模擬量輸出模塊(ll)，DO輸出模塊(12)的輸入端分別連接在CPU模塊(13)的輸出端 端；模擬量輸出模塊(11)， D0輸出模塊(12)的輸出端分別與比例放大模塊(10)連接；傾角位置控制信號由模擬量輸出模塊(11)送至比例放大模塊(10)中。
5. 根據權利要求4所述的溜槽副傳動傾角自動控制裝置，其特征在于 信息采集設備包括溜槽抬起終端極限(4)、溜槽落下終端極限(4')、絕對值編碼器(5)，其中:絕對值編碼器(5)檢測溜槽傾動角度位置信號，其輸出端與PLC控制系統(7)的高速 計數器模塊(8)相連，將位置實測信號傳送給PLC控制系統(7)的高速計數器模塊(8);溜槽抬起終端極限開關(4)，溜槽落下終端極限開關(4')，分別確定溜槽起始以及終 端位置，兩個開關的輸出端均與DI輸入模塊(9)相連。
6. 根據權利要求4所述的溜槽副傳動傾角自動控制裝置，其特征在于，還包括布料器工作方式選擇轉換開關(18)，用啟動傾角自動控制；布料器a角操作模塊(19)抽出傾動角度；監(jiān)控模塊(20)，用于確認布料器a角操作模塊(19)抽出的角度； 給定模塊(21)，用于將高爐操作設定的高低料線和布料器a角操作模塊(19)進行比 較，確定兩個與高低料線相關的傾角，將兩個與高低料線相關的傾角值作為傾動角度設定值。
7. —種高爐無料鐘爐頂旋轉溜槽副傳動傾角自動控制方法，其特征在于，包括 信息采集步驟，信息采集設備對溜槽(2)的傾動角度位置信息以及溜槽位置的信息進行采集，并傳到PLC控制系統(7)中；控制信號生成步驟，PLC控制系統(7)分析信息采集設備采集的信息，生成控制信號， 并將控制信號輸送給傳動設備；傳動控制溜槽步驟，傳動設備根據PLC控制系統(7)的控制信號，對溜槽(2)的傾動角 度進行控制，當傾動角度位置為正偏差時，傳動設備使溜槽向下傾動，當傾動角度位置為負 偏差時，傳動設備使溜槽向上傾動。
8. 根據權利要求7所述的溜槽副傳動傾角自動控制方法，其特征在于 在信息采集步驟中，包括對傾動角度參數的測量由鉸接在布料器托圈上的豎向指示桿，通過齒條齒輪將直線運動變?yōu)檗D動，帶動絕對值編碼器將角度變化信號輸入高速計數 器模塊。
9. 根據權利要求7所述的溜槽副傳動傾角自動控制方法，其特征在于 在信息采集步驟中，包括傾動角最大擺角和最小擺角的檢測由鉸接在布料器托圈上的豎向指示桿，通過齒條齒輪將直線運動變?yōu)樽渤咿D動，碰撞最大擺角或最小擺角極限開關并使其相應動作，擺角的極限信號輸入DI輸入模塊，用以校準或更換溜槽的操作。
10. 根據權利要求7所述的溜槽副傳動傾角自動控制方法，其特征在于在控制信號生成步驟中，包括設置不靈敏區(qū)的步驟，不靈敏區(qū)為開始動作時的偏差上 限與下限之間的區(qū)域，傳動設備在不靈敏區(qū)的上限以下和下限以上這個范圍不動作。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高爐無料鐘爐頂旋轉溜槽副傳動傾角自動控制裝置及方法，對溜槽的傾角進行控制。自動控制裝置包括信息采集設備，采集溜槽的傾動角度位置信息以及溜槽位置的信息，并傳到PLC控制系統中；PLC控制系統，分析信息采集設備采集的信息，生成控制信號，并將控制信號輸送給傳動設備；傳動設備，根據PLC控制系統的控制信號，對溜槽的傾動角度進行控制。本發(fā)明的裝置和方法，消除了溜槽副傳動傾角驅動直線油缸行程控制找準角度的偏差給高爐布料帶來的影響，充分發(fā)揮該型無料鐘布料器的理想布料優(yōu)越性，確保冶煉過程的穩(wěn)定性。此外，本發(fā)明能夠防止溜槽副傳動傾角驅動直線油缸的電磁換向閥頻繁切換，保持液壓系統穩(wěn)定的輸出特性。
文檔編號G05D3/10GK101714001SQ20091022554
公開日2010年5月26日 申請日期2009年11月30日 優(yōu)先權日2009年11月30日
發(fā)明者趙琪琳 申請人:中冶東方工程技術有限公司