電弧爐配料控制技術(shù)研究

魯 軍，張廣躍

(沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110159)

電弧爐煉鋼是以廢鋼鐵為原料，配以埋弧加熱、吹氬攪拌、合金成分微調(diào)、喂絲等手段，對鋼水進(jìn)行溫度控制、成分微調(diào)、脫氧、脫硫、夾雜物控制［1］。向鋼水中投入適量的合金及造渣料，以精確地控制鋼水的成分，對鋼種的質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用。為實現(xiàn)精確配料，使原料按一定的重量比例進(jìn)入生產(chǎn)流程，使用電子秤進(jìn)行自動配料已成為煉鋼生產(chǎn)過程自動化的一個重要環(huán)節(jié)。在連續(xù)式配料過程中廣泛采用配料皮帶稱，在間斷式配料過程中，主要采用料斗電子稱進(jìn)行控制［2］。

目前撫順煉鋼總廠第四煉鋼分廠配料控制采用的是快－慢速控制，該方法的粗、細(xì)門限值一經(jīng)設(shè)定，只要設(shè)定值不變，則粗、細(xì)配料值也就不變，對條件、環(huán)境的變化不具有適應(yīng)性，也無法糾正給料器的機(jī)械慣性及空間落料而造成的配料誤差。本文以該廠50噸超高功率電弧爐生產(chǎn)過程為背景，對配料控制技術(shù)、自動配料控制系統(tǒng)及稱重子程序進(jìn)行了研究和設(shè)計，提出了由工控機(jī)和可編程序控制器(PLC)組成的綜合控制系統(tǒng)。

1 配料控制方法

目前電弧爐配料控制系統(tǒng)常采用的控制方法有以下幾種:

1.1 定值控制

定值控制首先是設(shè)定目標(biāo)重量，然后啟動給料機(jī)使料斗秤稱重。這種控制方法是利用裝載的實際料重W與設(shè)定值Wm不斷地進(jìn)行比較，只要W＜Wm，則總是打開給料機(jī)，使物料以恒定的速度加裝，當(dāng)W≥Wm，則關(guān)閉給料機(jī)，停止供料。這種定值控制器比較簡單，但配料誤差較大。如要提高配料精確度，可在加料后期接近W1時，對給料機(jī)進(jìn)行點(diǎn)動控制，但又會延長配料時間，失去了電子稱快速性的優(yōu)勢。該控制方法在精確性和高速性方面很難協(xié)調(diào)，為此，提出了快－慢速控制方法，以實現(xiàn)對定值控制產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正。

1.2 快-慢速控制

該方法的基本思想是在給料開始階段，給料機(jī)全速開放，大流量加料，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)粗門限值Wb后，進(jìn)行快－慢速切換，給料機(jī)慢速開放，用小流量加料，達(dá)到預(yù)設(shè)細(xì)門限值Ws后，關(guān)閉給料機(jī)，停止給料。

在稱重值達(dá)到90%設(shè)定值之前，全速開放給料機(jī)，實現(xiàn)快速加料，既不會影響配料精度，又節(jié)省了時間。當(dāng)W≥90%時，采用慢速加料的方法，使物料以較小的流量平滑地流入料斗秤中，待物料達(dá)到細(xì)門限值之后，關(guān)閉給料機(jī)，經(jīng)過一定的延時，從穩(wěn)定的電子秤上獲取物料的實際值。

上述方法中，需要解決兩個問題:

(1)由于給料機(jī)控制信號的滯后和慣性，在關(guān)閉給料機(jī)后，不能馬上停止給料，仍有一部分物料自給料機(jī)落入料斗秤，如圖1所示。

圖1 控制信號與實際物料流量關(guān)系圖

在t1時刻關(guān)閉給料機(jī)后，到t2時刻才完全停止給料，t2－t1的大小取決于慢速裝料時流速Q(mào)的大小及給料機(jī)的時間常數(shù)。

(2)由于給料機(jī)到料斗秤物料表面有一段落差，給料機(jī)停止加料后存在空間落料，最終它要落入料斗秤中。

由于上述原因，使秤中實際物重總比給料機(jī)關(guān)閉時刻的物重大。為此，采用提前給出關(guān)閉信號的方法，使給料機(jī)關(guān)閉后再落入秤中的料重正好等于提前量WT。其配料過程如圖2所示。

圖2 配料過程控制圖

細(xì)門限值由圖2可得出:

式中，Wm為設(shè)定值，WI為提前量。

在實際應(yīng)用中確定WI的方法為:(1)取設(shè)定值的百分?jǐn)?shù)，如取WI=1.8%Wm;(2)根據(jù)大量的試驗確定合適的WI。

1.3 自適應(yīng)控制

在快-慢速控制中，粗、細(xì)門限值確定后，只要設(shè)定值不變，則粗、細(xì)配料值也就不變，對條件、環(huán)境的變化不具有適應(yīng)性，也無法修正配料誤差。而自適應(yīng)控制則是根據(jù)上次稱重時實際重量W與設(shè)定值Wm之間的偏差來重新修正下次稱重時的門限值，除第一次稱重是根據(jù)設(shè)定值Wm來計算粗、細(xì)門限值之外，以后各次都是根據(jù)上次稱重的配料誤差對門限值進(jìn)行自動修正，以適應(yīng)條件、環(huán)境的變化，獲得較為穩(wěn)定的稱量精確度。

其控制規(guī)律為

式中:W*(n)為第n次稱重的門限值Wb或Ws;W*(n－1)為第n－1次稱重的門限值;δ=W－Wm為第n－1次稱重時的偏差;k(δ)為與偏正δ有關(guān)的調(diào)整系數(shù)，其值由試驗確定。

調(diào)整原則是在偏差|δ|大于或等于3%設(shè)定值時，只調(diào)整粗門限值，并且δ越大，則k(δ)越小，可滿足大范圍內(nèi)的調(diào)整;而當(dāng)偏差|δ|小于3%設(shè)定值時，只調(diào)整細(xì)門限值，且|δ|越大，k(δ)也越大，這樣容易穩(wěn)定在設(shè)定值Wm附近，使其不產(chǎn)生強(qiáng)烈的振蕩。

1.4 最佳控制

最佳控制是利用實時控制原理，根據(jù)料斗秤和料倉的實際情況，計算出一個最佳提前量，在保證精確度的同時，可獲得最高工作效率。料斗秤稱重系統(tǒng)的原理如圖3所示。

圖3 料斗秤稱重系統(tǒng)的工作原理

當(dāng)給料機(jī)停止送料，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，料斗秤內(nèi)物料值為

式中:W為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后秤內(nèi)物料的實際重量;W1為關(guān)給料機(jī)瞬時秤內(nèi)物料的實際重量;W2為送料機(jī)構(gòu)慣性造成的附加重量;W3為關(guān)閉瞬間空間落料重量。

如果W等于設(shè)定值Wm，式(3)即為最佳控制表達(dá)式，即

又:WI=Wm－W1，故計算提前量WI的最佳表達(dá)式為

下面分析各量的計算方法:

(1)W1可用傳感器直接測量，從稱重儀表中直接讀取;

(2)送料機(jī)構(gòu)慣性造成的附加重量

式中:Q為給料機(jī)的流量;t為給料機(jī)的延時時間;

假設(shè)物料自由落入料斗秤內(nèi)，初速度為零，則有

式中，h為給料機(jī)至料斗秤底部的距離，h1為關(guān)閉給料機(jī)時秤內(nèi)的物料高度。

料斗秤為圓臺形，落料成錐形，料斗秤及料位參數(shù)如圖4所示。

圖4 料斗秤及料位參數(shù)

圖4中:α為料斗稱的傾斜角度;β為落料面的角度;r為料斗稱的底圓半徑;R為落料的最大半徑。

由圖4可得

物料所占的體積V1為

則

式中ρ為物料比重。

因 α、β、r、ρ、W1為已知數(shù)，故由式(8)～ (11)可求出h1，由式(6)、(7)計算W2。

(3)關(guān)閉瞬間空間落料重量

式中T為給料機(jī)的時間常數(shù)，由試驗求出。

在每次稱重時，實時計算W2和W3，如果稱重值滿足最佳式(4)，即W1=Wm－W2－W3時，關(guān)閉給料機(jī)，達(dá)到精確配料的目的。

最佳控制方法可使加料一直按一種速度進(jìn)行，到達(dá)W1值后迅速停機(jī)，同時考慮了精度和工作效率，同其它方法相比，具有明顯的優(yōu)越性。

2 控制系統(tǒng)的組成

綜合控制系統(tǒng)是以微處理器為基礎(chǔ)，集中連續(xù)控制、順序邏輯控制、數(shù)據(jù)采集和處理等功能。其組成有基本控制單元(PLC)、操作臺、管理計算機(jī)及通訊系統(tǒng)等四個主要部分［3－5］，系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 配料綜合控制系統(tǒng)圖

2.1 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

管理計算機(jī)(研華IPC610)完成所有配料生產(chǎn)的數(shù)據(jù)管理、下位機(jī)設(shè)定值的計算任務(wù)，打印機(jī)用來打印配料單報表;操作臺用于顯示配料工藝流程畫面、運(yùn)行狀態(tài)、生產(chǎn)過程故障報警，與鍵盤一起完成人-機(jī)對話的功能;CP525通訊處理器實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通訊，通訊采用主-從方式，即以上位機(jī)為主動方、下位機(jī)為從動方。當(dāng)上位機(jī)需要從下位機(jī)讀取數(shù)據(jù)信息時，上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送-取數(shù)據(jù)信號，下位機(jī)響應(yīng)并調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自下而上的傳送;當(dāng)上位機(jī)向下位機(jī)傳送數(shù)據(jù)時，上位機(jī)發(fā)送-送數(shù)據(jù)信號，下位機(jī)響應(yīng)并調(diào)用相應(yīng)的接收模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自上而下的傳送。如果傳送過程出現(xiàn)錯誤，則上位機(jī)應(yīng)置出相應(yīng)的錯誤標(biāo)志。

2.2 配料控制系統(tǒng)

配料系統(tǒng)選用西門子公司的S7－300可編程序控制器作為配料控制器，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、過程回路控制、參數(shù)設(shè)定、設(shè)備順序控制、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)操作監(jiān)視和報警等功能［6］。

配料系統(tǒng)工藝流程如圖6所示。該系統(tǒng)由15個料倉、4個料斗秤和2個皮帶機(jī)組成。每個料斗秤配備一臺振動給料機(jī)，配料時只允許某個料倉組的一個料倉加料，但不同料倉組可同時加料。2號皮帶機(jī)停在鋼包加料位置，當(dāng)電爐加料時，2號皮帶機(jī)向右行走至電爐加料位，當(dāng)鋼包加料時，則向左行走回到原位。如果料加錯或加多，可由皮帶機(jī)反轉(zhuǎn)經(jīng)溜槽實現(xiàn)返料。

圖6 配料系統(tǒng)工藝流程圖

3 稱重控制子程序

考慮到配料精確度及粗、細(xì)配料值對條件、環(huán)境變化的適應(yīng)性，采用最佳控制和自適應(yīng)控制相結(jié)合的方法來對粗、細(xì)門限值進(jìn)行設(shè)定和修正。

為在配料開始階段能獲得較高的配料精度，首先對粗、細(xì)門限值的設(shè)定采用最佳控制方法計算兩個門限值，由于最佳控制方法中某些參數(shù)受工作條件的影響而產(chǎn)生計算誤差，因此在第二次配料時利用自適應(yīng)控制方法對兩個門限值進(jìn)行修正，以便進(jìn)一步提高配料精度。

最佳控制方法確定的粗門限值Wb、細(xì)門限值Ws為

式中，Q粗開為快振時物料流量，Q細(xì)開為慢振時物料流量。

從第二次配料開始，采用自適應(yīng)控制方法對兩個門限值進(jìn)行修正。

當(dāng)δ≥3%時，改變粗門限值:

當(dāng)δ＜3%時，改變細(xì)門限值:

稱重控制子程序是配料控制系統(tǒng)的核心，稱重過程中的各種數(shù)據(jù)運(yùn)算、比較、判斷、快－慢速控制、電子稱數(shù)據(jù)的采集、誤差計算、點(diǎn)動加料、超限報警等功能都在此程序中完成，其程序框圖如圖7所示。

稱重循環(huán)周期為50ms，每個周期采樣一次電子稱的重量值，計算所稱物料的實際重量W。當(dāng)W小于規(guī)定的粗門限值時，給料機(jī)快速振動給料;而當(dāng)W大于粗門限值而小于細(xì)門限值時，則進(jìn)行慢振;當(dāng)W大于細(xì)門限值時，關(guān)閉細(xì)門，停止給料，待電子稱基本穩(wěn)定后，可讀出物料的準(zhǔn)確值W，計算誤差δ。如果δ小于規(guī)定的范圍，則這種料的稱重過程結(jié)束，存入δ和W;若δ＞0并且超過允許的誤差范圍，則稱重過程結(jié)束，存δ和W，發(fā)出該料超限報警信號，由皮帶機(jī)和流槽實現(xiàn)返料;若δ＜0且|δ|超出允許的誤差范圍，則進(jìn)行點(diǎn)動加料，達(dá)到規(guī)定的點(diǎn)動次數(shù)后仍不能滿足要求，存δ和W，發(fā)出超限報警信號。

圖7 稱重控制子程序

稱重過程需要說明的幾個問題:

(1)去皮重。將每種物料裝載之前的重量值作為皮重去掉，所得結(jié)果即為所加物料的實際重量。

(2)給料機(jī)開3秒鐘(采樣60次)后仍無料落入稱中，則進(jìn)行不流料故障報警，待處理后按鍵繼續(xù)運(yùn)行程序。

(3)電子稱穩(wěn)定狀態(tài)的判斷。程序通過連續(xù)四次采樣值的波動來自動進(jìn)行電子稱穩(wěn)定狀態(tài)的判斷，即當(dāng)|Wn－ Wn－1|+|Wn－1－ Wn－2|+|Wn－2－Wn－3|≤0.2%Wm，可認(rèn)為電子稱已穩(wěn)定，此時可讀取物料的準(zhǔn)確重量值。

4 結(jié)束語

本文通過對實際工程背景的分析與研究，在分析多種配料控制技術(shù)基礎(chǔ)上，提出最佳控制和自適應(yīng)控制相結(jié)合的控制方法及自動配料控制系統(tǒng)，并對單個料斗秤的稱重過程進(jìn)行了程序設(shè)計。

運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)稱量速度快、控制精度高，能有效地控制鋼水成分，提高鋼種的質(zhì)量。由于系統(tǒng)采用由工控機(jī)和可編程序控制器組成的自動配料控制系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)具有較高的可靠性和靈活性。

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