自动控制在高炉炉顶布料系统中的探索与应用论文

自动控制在高炉炉顶布料系统中的探索与应用论文（共6篇）

篇1：自动控制在高炉炉顶布料系统中的探索与应用论文

自动控制在高炉炉顶布料系统中的探索与应用论文

摘 要：高炉主要功能是生产铁水供社会使用，而想要低成本高效益的生产，就需要高水平的操作技术和条件才能实现，想要实现这样的工艺水平，就必须在掌握好一定的冶炼知识的同时，增强操作的技术含量，用技术支撑整个产业的发展。自动控制以及逐渐进入人们的生

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我国以前是农业大国，工业发展起步较发达国家晚，发展能力也远远落后于部分资本主义国家。机械制造技术是组成工业的重要部分。高炉的发展与革新在一定程度上决定了能源利用率的提高，高炉操作中，炉顶布料是一个可以控制的重要因素。因此，要在研究高炉布料的同时，还要全面应用自动控制技术于操作过程中，达到提高效益和效率的目的。高炉布料的种类不同，控制方法不同，都会使最终结果不同，所以要研究出最佳的方案来解决这一问题。

1 高炉炉顶设备特点

高炉炉顶设备包括很多设置，如今都在向自动化方向发展，起初是钟式的炉顶装料设备为第一代高炉炉顶设备，现在有些小的作坊仍然沿用着这种古老的方式，这种方式主要问题就是寿命较短。之后随着不断的工艺发展和进步，产生了钟阀式的炉顶装料设备，这种设备可以承受高压的.作用，但也存在许多缺点，比如资金消耗大，设备不灵活等。为了减少资金与能源的消耗与利用，研制出了第三代的无料钟炉顶的装料设备。该设备布料相对灵活，设备体积减小，很好维修，取得很大进步设备图见图1。

2 高炉炉顶布料自动控制系统特点

现代社会，计算机网络系统已经深入生活的各个方面。工业中的自动控制操作得到广泛实行。手工操作已经远远不能够满足各种工艺要求。因此，高炉冶炼的自动化设备在检测方面和系统控制方面都有着重要的作用，高炉炉顶布料系统也不例外。手工作坊产量少，质量不达标，更是会污染环境，所以都会逐渐被时代淘汰。如今的高炉设备逐步走向大型化，工艺也逐步走向自动化。

2.1 高炉炉顶布料自动控制系统软件特点

软件程序主要是使用PLC程序进行编程，主要控制炉顶布料和炉顶装料两个部分。其中，炉顶装料主要是控制焦炭和烧结矿之类的入炉原料，从皮带运送到高炉的顶部，并倒到相应的受料罐之中，向称量罐装料，最后用一定压力压实，完成整个过程。此外，炉顶布料的自控主要就是探尺到料线之后，进行提尺，打开密阀，将料流调节阀打开到设定的开度，炉料就会流到布料的溜槽上。自动控制系统主要通过称量罐的称重系统发出清空的信号，就及时关闭物料料流的调节阀以及下密封阀装置，使炉顶布料设备准备下一次的装料过程。

2.2 高炉炉顶布料自动控制系统监控特点

现在的机械制造技术离不开自动化进程，而许多自动化进程是由计算机控制的，计算机网络可以控制机房机器的各项运行，对车间的运行以及一些人为不好操作的机器进行运营，高炉炉顶布料的各项操作需要进行一定的监控，以往的监控都是通过人力进行的，而自动控制下的监控主要形式是监控人员通过各种监控设备与仪器传递的画面进行实时的观测，肉眼不能测得的地方，可以用监控设备代替，这样不仅提高了监控的准确率，还节省了人力物力，取得良好的效果。

2.3 高炉炉顶布料自动控制系统警报功能

监测过程中一旦出现问题，自动控制系统的监视画面就会有报警显示，相关人员可以根据提示对设备仪器的问题部位进行及时抢修，防止造成生产损失;与此同时，警报的次数与记录将会由系统打印出来留有记录，以供之后的使用。

2.4 高炉炉顶布料自动控制系统数据处理与统计

高炉炉顶布料控制系统是针对不同信号源以及不同的工艺生产流程，进行多重改进与修正的，主要有压力称量补偿和I/O信号数字滤波处理。炉顶布料的控制过程中有许多需要测量的参数，需要进行一定的实时记录，记录之后再对其与历史的趋势之间进行比较，得出具体的结论，这将成为接下来布料的角度测量的依据与指导，所以，控制系统记录的数据将存有一些参数。此外，一些数据还可以利用软件被画成相应的趋势曲线，进行一定的分析。

2.5 高炉炉顶布料自动控制系统系统安全设置

软件具有安全功能，可以设置不同的密码权限浏览不同的监控画面。在炉顶布料监控系统中共设置三个权限，分别为工程师权限、管理员权限和操作工权限。不同的权限的人员分别具有各自的账号和密码，对应着在监控画面中能操作的设备。

2.6 高炉炉顶布料自动控制系统实时、历史趋势图

炉顶布料的过程中有探尺探到的料面深度、溜槽倾动的角度等重要的参数，它们需要实时地记录和查询历史趋势判断布料是否正确，以此为依据指导接下来地布料角度，因此在这个监控系统中需要用实时或者历史趋势记录上述参数。软件中的趋势图以多笔方式显示连续的趋势曲线，还可以读取曲线上任一点的实际数据和时间，进行曲线压缩显示和细化显示，设置趋势显示区间、

篇2：自动控制在高炉炉顶布料系统中的探索与应用论文

矿热炉炉顶布料控制系统的设计与实践

介绍了通过运用PLC和触摸屏技术来设计矿热炉炉顶布料控制系统,并针对该套控制系统的`设计、外围电气设备的电控原理,控制系统中的触摸屏页面设计和PLC的原理及作用进行了分析,并通过在12.5 MVA矿热炉上的运用,取得了显著的效果.

作 者：谢子洪 汤顺祥 段文成 王炳金 Xie Zihon Tang Shunxiang Duan Wencheng Wang Bingjin  作者单位：云南文山斗南锰业有限责任公司铁合金厂,文山,中国,663101 刊 名：铁合金  PKU英文刊名：FERRO-ALLOYS 年，卷(期)： 37(6) 分类号：X753 关键词：PLC触摸屏   布料系统   控制系统  

篇3：自动控制在高炉炉顶布料系统中的探索与应用论文

1 料流自动补偿控制系统

本系统的实现主要是由检测仪表、施奈德PLC、监控上位机等硬件和编程Unity4.1、Citect7.1组态软件两部分组成。

1.1 硬件构成简介

本控制系统的现场检测器件主要由炉顶、料罐压力传感器、称量斗称重传感器以及称重的二次仪表，通过这些检测仪器测量的数据为流料开度自动补偿提供数据基础。炉顶、料罐压力传感器测量的压力用来计算炉内浮力对原料的作用力;称量斗重量传感器测得的原料重量为计算料流速度提供依据。

逻辑控制器选用的是施奈德PLC，它稳定可靠的性能保证本系统长期正常的运行，并能提供一个计时器对一罐料的布料时间进行计时。此系统的硬件构成如图1所示。

1.2 软件系统

本系统的编程软件主要分为施奈德PLC编程软件Unity4.1和上位机组态软件Citect7.1。Unity4.1是施奈德PLC程序编程开发软件从Concept升级换代而来，它的开发编程环境比Concept更加方便，料流自动补偿算法就是此软件中编写调试的。

Citect7.1组态软件为软件工程师提供事件驱动、多任务、多线程功能，还支持实时的网络数据以及高效完整的C i c o d e监控语言和函数集，因此，开发的画面能够及时准确地监控高炉溜槽的料流。

2 料流自动补偿算法

2.1 溜槽布料速度计算

高炉的原料经过槽下称量斗被放到皮带上，再通过主皮带或者上料小车把原料放入料罐中，在这个过程中称量斗已经把原料的重量称量出来为下面计算溜槽布料速度做好准备。当料罐已装满料，料罐的压力已均压好，探尺探到设定的料线，此时应该计算料流的速度，料流速度的计算公式为:

T：布料总时间。是根据布料矩阵中总布料圈数乘以每圈的布料时间7.5s得出。

K:补偿系数。根据实际布料实验得出。

由上面的公式可以计算出溜槽布料的料流速度。

2.2 溜槽料流开度设定

由于原料在溜槽中往高炉内部落料的过程中主要受到自身的重力，炉内压力的浮力，溜槽管壁对原料的摩擦力，因此可见溜槽的料流速度与它的开度成对应关系。这样可以建立一个矩阵存储料流速度与之相对应的溜槽料流开度。它们之间的关系可以在高炉开炉期间测量得到的布料曲线计算得出。

在溜槽控制程序中用数组来表示不规则的布料曲线，数组只能存储有限的对应关系，但是在实际的生产中会出现各种各样的料流速度Q C，这样在程序数组中不能查找到相应的溜槽料流开度。在这我们应用差值平均法来计算溜槽的料流开度。差值平均法原理如图2所示。

在图2中Q i-1,Q i+1代表料流开度矩阵相邻的两个料流速度值，αi-1，αi+1代表相邻两个开度值。Q i为第二步计算得到的料流速度，αi为所求的料流开度。计算公式为：

溜槽控制程序根据计算出来的料流速度，查找是否有相对应的溜槽料流开度，如果没有就依靠相邻两个料流速度和对应的溜槽料流开度由上式计算出此料流速度对应的开度。

2.3 溜槽料流开度自动补偿

当原料由溜槽布入高炉时，控制系统会存储计算相关数据(主要包括原料的重量、炉内压力的浮力、实际布料的时间等参数)。溜槽布料结束后程序计算实际料流速度为：

QR=WTR*K其中，T R为实际布料时间(s)，Q R为实际溜槽料流速度(m3/s)。

实际溜槽料流速度与设定速度之间的偏差为：

当∆Q CR<0.2 m3/s时，说明实际测得的没有误差可以依据它来补偿溜槽料流开度矩阵，反之说明实际测得的误差比较大可信度比较低，不利用它补偿溜槽料流矩阵。

当∆Q CR>0时，把与布这批料设定的料流开度相邻的其它两个料流开度值相应减少0.5°，并把这两个经过补偿的料流开度存储到溜槽的料流矩阵中。当∆Q CR<0时，和上面的处理方法相反，把相邻两个料流开度值相应增加0.5°，并把这两个经过补偿的料流开度存储到溜槽的料流矩阵中。

由上面的讲述可以看到根据上面的方法溜槽料流控制程序可以不在人工干预的情况下实现对料流开度的自动补偿。

3 结束语

以上是对溜槽料流自动补偿系统的介绍。在实际生产中此控制系统能有效的根据计算出来的料流速度对溜槽料流开度进行自动的补偿，保证高炉炼铁原料均匀的布到高炉内部，确保高炉稳定高效节能炼铁。

参考文献

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[2]基于CITECT组态软件和PLC的高纯度干冰生产过程监控系统[J].化工自动化及仪表,2008,09:86-83

篇4：自动控制在高炉炉顶布料系统中的探索与应用论文

目前高炉布料检测存在一定的困难和不足。一些现有的检测手段[1,2]虽然在一定程度上获得了布料信息,但却没有完全适应高炉生产操作的需要。国内外一些学者针对研究的高炉建立了许多数学模型[1,2,3,4,5,6,7],但大部分是采用比例模型或全模型的测试数据来分析高炉布料过程[8,9,10,11,12],而采用高炉开炉实测数据进行分析的较少。料线检测一般采用雷达波方式,这种测量方法的缺点是测量点单一,但若采用多点测量,雷达波相互之间产生相位或频率之间干扰,严重影响测量精度,又因为高炉炉顶空间的限制,使雷达测量点数受到严格限制,因此降低了测量的有效性;料流轨迹测量时由于机械网架的存在而对料流轨迹产生很大影响,这是因为炉料颗粒下落碰撞到网架时,其速度和方向都发生变化,从而使得料流轨迹发生变化,导致对料流轨迹的测量误差增大,同时检测设备体积大,维护费用高,导致成本增加。针对上述问题,北京科技大学通过确定激光发生器的合理光谱范围建立极坐标光学栅格,确定料流轨迹的特征点,采用三角法原理,结合机器立体视觉理论,采用专用光谱通光镜头的CCD进行图像采集,并利用专业图像处理模块对料流轨迹图像进行分析,得到料流轨迹和不同料线料流的落点半径,同时可以得到不同料线高度的料流宽度以及同一时刻多点位置的料流宽度,最后利用图像三维重现技术,直观地重现无料钟炉顶的布料信息。无料钟炉顶布料检测新方法已于2008年应用于国内某2 500 m3高炉工业现场,取得了良好的使用效果。

1 布料测试原理

立体视觉原理是利用视差原理获取景物的形状信息,其过程是在不同角度采集景物的一对图像,利用它们之间的视差来恢复景物的深度信息。视差测量是在分析对应点或对应特征基础上进行的,不同视差对应不同的相对景深。具体方法是将极坐标光栅图像投射到被测物表面,从某一角度看,可以观察到由于受物体影响而使得光栅发生变化,反映了布料料流的宽度和轨迹;从另一个角度看,可以接收到同一时刻的不同图像信息,根据图像中特征点的信息变化对图像进行解析,可以恢复相位和极轴信息,进而确定料流形状和落点位置。

立体视觉是基于三角法原理进行测量的,即两个摄像机的图像平面与被测量物体之间构成一个三角形,如图1(a)所示为用双摄像机观测同一景物时的情形。物体上的P点在相机1中的成像点为P1,它是从P点发出的光线经过透镜中心C1与图像平面相交而形成的。相反,若已知图像平面上的一点P1和透镜中心C1,就可以唯一地确定一条射线P1C1,所有可成像在P1点的物体点必定在这条P1C1射线上。如果能找到同一物体点P在另一相机中的成像点P2,那么根据第2个图像点P2与相应透镜中心C2决定的第2条射线P2C2与P1C1的交点就可以确定物体点P的位置。在C1P1延长线上的P′点,在相机1中的成像与P点重合,无法分析其景深距离,而P′点在相机2中的成像位置P′2则出现距离差,利用几何关系可以获得P点到P′点之间的景深距离。因此,如果已知两台摄像机的几何位置,且相机是线性的,同时知道同一物体在两个相机中的成像位置,那么利用三角法原理就可以测量两摄像机公共视场内物体的三维尺寸及空间物体特征点的三维坐标。

如果已知空间点在一个图像平面中的成像点,要寻找在另一图像平面中的对应点时,只需沿此图像平面中的外极线搜索即可。图1(b)所示为两相机光轴平行、且相机水平扫描线位于同一平面时的情形,d为平行光轴的距离,f是相机的像距,z是P点距成像平面的距离。P点在左、右图像平面中的成像点相对于坐标原点O1和O2(O1和O2是左、右相机透镜光轴与图像平面的交点)的距离分别为x1,x2。P点在左、右图像平面中成像点位置差x1-x2被称为视差。视差的计算是双目立体视觉进行三维测量的基础,它表示为空间物体的同一特征点在两幅图像内的图像坐标差,而视差的计算又依赖于图像对应特征点的匹配。有了特征点的对应图像坐标后,根据摄像机的内外参数如焦距、视角等,才能求得物体的三维空间坐标。

2 系统组成及设计

料流轨迹检测系统如图2所示,包括激光发生器、极坐标光学栅格定位器、摄像镜头、CCD成像仪、监视器、图像采集卡、高频数据线等。

其中,高速图像采集部分由专用视频解码器、图像缓冲以及控制接口电路组成。它的主要功能是进行A/D转换,即将视觉传感器获得的模拟视频信号实时转换为数字图像信号,并直接传输给计算机显示和处理,或传输给专用图像处理系统进行视觉信号的实时前端处理。图像采集系统与计算机的接口采用工业标准总线,如IAS总线、VMA总线或PCI总线等,根据现场自动化要求,实际中采用PCI总线与视频控制系统相连接,最高传输速率可达528 Mb/s。

图像处理单元可以采用专用集成芯片(ASCI)、数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPAG)等设计的全硬件处理器。现场采用的是数字信号处理器(DSP),它可以实时高速完成各种低级图像处理计算,减轻计算机的处理负荷,提高整个系统的速度。由于高炉溜槽在不断旋转,因此为了避免料流轨迹图像信息数据的丢失,必须对图像采集进行快速处理。在设计图像处理单元时,还采用了专业图像(ASCI)芯片和专用图像处理软件,以获得高质量的料流轨迹信息。

另外,对摄像机镜头和焦距进行了重新设计和调整,以满足工业现场高温、高粉尘的恶劣环境要求。

根据系统和现场工作环境,料流轨迹测量系统主要设备参数的选取如表1所示,其中激光波长必须根据现场条件进行调整和选择。

3 料流轨迹的检测和重建

首先对获取的图像进行去噪声和平滑预处理;然后提取图像中的特征点,并根据同一时刻物体在CCD1和CCD2 上获取的两幅图像料流轨迹的特征值(例如:激光栅格对应的坐标原点和料流轨迹边缘),得到图像的标定值和成像距离差,进而采用三角法原理分析得到物体的景深数据,即料流轨迹的三维信息;最后采用CAD计算机辅助三维建模技术,重建料流轨迹的三维图像。

3.1 料流轨迹图像的获取

对通过CCD1和CCD2获取的同一时刻料流轨迹两幅图像如图3所示,其中,CCD1和CCD2对应图1(b)中的C1和C2点,图像中的三维坐标原点对应光轴的O1和O2点;料流轨迹上的某一点对应图1(a)中的成像点P。对两幅图像建立一一对应的匹配特征点关系,由此求取两台摄像机之间的极线约束关系,从而得出基本矩阵(或本质矩阵),并由基本矩阵求得两幅图像更多的匹配特征对应点,根据这些对应点计算最佳极线约束。由摄像机标定所得的摄像机内外参数和立体图像对应的匹配结果,根据立体视觉原理和三角法计算物体与摄像机之间的距离,获得特征点和物体实际空间三维坐标的对应信息,为特征点提取提供必要的数据支持。

3.2 料流轨迹特征点的提取

为了保证图像三维信息的准确性,料流轨迹图像的特征点以极坐标交点和料流轨迹的边缘点作为基准。为了得到理想的特征点,首先需要对激光产生的极坐标光学栅格坐标交点进行提前标定,从而得到光学栅格与高炉内部实际物理位置的对应坐标值;然后再通过料流轨迹在极坐标光学平面上形成的轨迹线与光学特征点的对比分析,获取料流轨迹的坐标值。为准确提取特征点,必须对特征区域内的特征点的分割阈值进行合理确定,保证特征点分割阈值的准确性。

特征点提取算法具体过程如下。

首先将高炉布料过程的轨迹图像进行灰度变换,转变成灰度图像后,再对其进行图像二值化。然后采用阈值分割技术,对图像灰度值不小于阈值的像素判定为属于提取的特征点,用“1”表示;否则像素点被排除在特征区域以外,用“0”表示,作为背景。由于高炉现场环境干扰因素复杂,图像处理量大,因此采用迭代阈值分割法获取料流轨迹的二维坐标数值,即首先选择一个近似阈值T,将图像分割成两部分R1和R2,计算区域R1和R2的平均灰度值μ1和μ2,再选择新的分割阈值,重复上述步骤直到μ1和μ2不再变化为止。具体算法的实现步骤如下。

第1步,计算图像中的最小和最大灰度值Xmin和Xmax,并令近似阈值为

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第2步,根据阈值将图像分割成目标和背景两部分,计算两部分的平均灰度值μ1和μ2。

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式中,x(i,j)为图像上(i,j)点的灰度值;n(i,j)为(i,j)点的权重系数,一般取n(i,j)=1。

第3步,计算新的阈值。

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第4步,如果Tk=Tk+1,则结束;否则k→k+1,继续执行第2步计算。

对二值化后的图像中的某一点,按照如图4所示的8个方向判断其是否为特征点。这里我们需要设定一个特征半径R,按照8个方向依次延伸长度为R的像素,将这些点N 领域内的像素灰度值分别沿8个方向相加,得到8个方向上的像素和。如果点N是非特征点,那么这8个方向的像素和将没有一个为0,即该点在这8个方向上的R长度的延伸都有灰度为1的背景点;相反,如果在特征半径参数范围内的8个方向上的像素和都为0,则该点是特征点。将特征点的极坐标与标定坐标相对应,则特征点的提取和数值化完成。

使用公式表达特征点提取的算法如下:

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通过特征提取算法获得料流轨迹的坐标数值时,其特征半径R需要根据光学栅格的大小来确定。如果R选取合适,对图像的一次扫描就可以准确完成特征点的提取。选取原则是如果光学栅格交点的特征点多,则R取值较大;否则,R取值较小。在本算法中特征半径R取10～20像素。

另外,在三维图像的特征信息提取时,必须根据高炉的工业现场条件采用不同波段的光谱进行波长调节,以确定合理的光谱波长,获得最佳的光谱范围,并根据该光谱波段确定料流轨迹的特征值。为验证设计栅格光谱的合理性,对高炉实际工业现场不同波长范围获得的极坐标栅格图像进行对比分析,根据激光CCD耦合的成像效果以及不同波长光谱在高炉内的衰减程度,确定红外波段光谱在该测试环境下的范围,可以有效地减少温度和粉尘对特征点提取的干扰。

3.3 料流轨迹重现

根据提取特征点以及料流轨迹对应的特征值,结合实际料流轨迹外侧和内侧在炉喉处的分布距离和位置,得到不同溜槽倾角下布料过程料流轨迹的外侧和内侧三维坐标值和料流轨迹截面的几何尺寸。由于从数字信号处理器DSP获得的料流轨迹图像(如图5所示),不能直接提取料流轨迹数据信息,因此必须采用专业图像处理模块对测试出的料流轨迹进行图像分析,得到料流轨迹的边缘数据,并采用图像处理软件对料流轨迹的边缘数据进行图像增强,最后才能得到料流轨迹的数据信息。

根据处理后得到的的料流轨迹数据信息,采用CAD计算机辅助三维建模技术重现料流轨迹的三维形状和料流轨迹特征。显示布料过程中料流轨迹的变化,可以更直观地观察布料,并且实时获得料流轨迹和落点数据。图6(a)是溜槽倾角小角度时料流轨迹的三维重现,图6(b)是溜槽倾角较大时的料流轨迹三维重现。图像重现结果证实了采用立体视觉法和光学栅格获取的料流轨迹信息,完全可以满足三维立体重现的数据要求。

4 结束语

通过在国内某高炉的工业现场实际应用布料光学栅格测试新方法,获得的检测数据准确、有效,直观地重现了布料过程料流轨迹的立体图像,充分证明了该测试新方法在工业现场的合理性和有效性。另一方面,该新方法对高炉布料过程中的料流轨迹和炉料颗粒无干扰,优于机械式检测,又因为激光发射集中度高,在炉顶空间无发散角,弥补了雷达波的发散和多点之间的相位和频率干扰,提高了布料的检测精度,该方法的检测设备体积小,调整灵活,总体效果优于雷达检测和机械检测方法。光学栅格测试新方法既可以用于高炉炉顶布料的最大炉料碰点测试、最大溜槽极限倾角测试,还可以应用于受料斗和料罐容积以及料面的检测,极大地增强了炉顶布料测试工作的有效性和多样性。

参考文献

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篇5：高炉布料系统的精确控制

高炉生产是一种规模大、要素多、要求严格的冶炼过程，布料控制系统在整个冶炼工序中占有举足轻重的地位。

炉顶布料是继槽下备料之后的另一个重要环节。能不能按照设定的布料曲线准确布料，是影响高炉炉况的另一个重要因素。首先探尺检测料线必须准确，探尺作为高炉的眼睛，必须准确的跟踪料面，为工艺人员提出精确的料面曲线，从而作为判断布料时机的依据，保证高炉炉况稳定。炉顶三个角度的控制是整个炉顶设备的控制核心,精确的控制溜槽的倾动角度α、旋转角度β、料流阀开度γ，炉顶布料达到工艺布料曲线的要求，根据炉顶料单设定实现环形布料、扇形布料、定点布料等多种布料制度，从而确保炉况稳定。炉顶设备自上而下的顺序连锁控制也是整个自动控制系统的重点，通过在不同的布料状态控制相应设备的连锁动作，从而确保整个上料、布料工艺流程的协调一致。提高设备的控制水平，提高各个布料环节的控制精度，是目前高炉控制系统基础级的一个总的要求。只有提高了控制精度，才能满足工艺要求，才能稳定炉况、提高高炉的利用系数。

2 炉顶控制工艺流程

如图1所示，莱钢银前1080m3高炉炉顶采用无料钟串罐式炉顶，分为受料斗、料罐、气密箱等组成部分。在上料过程中，炉料先投进受料斗里，随后放入料罐中，在这个过程中，由于高炉不能和大气相通，通过控制炉顶放散阀、均压阀、上密阀、柱塞阀、下密阀的顺序开关来实现高炉的正常下料，通过控制α、β、γ来实现高炉布料。料面检测设备采用机械探尺与雷达探尺相配合。

装料流程：焦炭、烧结矿等各种入炉原料由料车运到炉顶，倒入受料斗中，受料斗最多可装4车料。料罐放散完毕后打开上密阀和柱塞阀向料罐装料。装料完成后料罐进行均压。一旦高炉准备接受下一批炉料就进行布料，首先打开下密阀并将料流调节阀打开至设定开度，料罐中的炉料通过料流调节阀流到旋转的布料溜槽上。在布料期间，通过γ射线探测料流，该装置可发出料罐清空信号。一旦料罐清空，关闭料流调节阀和下密封阀，打开放散阀进行放散，准备下一次装料。

布料流程：一批料中，允许焦矿设定两个不同的料线位置。当探尺达到规定的料线位置后，自动提升到位，发出布料信号，下密封阀打开，布料溜槽进行启动。β角旋转到设定速度并且到达布料位置，开启料流调节阀，按照批重及规定的布料程序，调节料流调节阀开度和溜槽倾角，使每圈料流均匀、重量相等和首尾相接的向炉喉任意布料。为了减少料头料尾不均匀现象，每批料布完后，布料角度自动步进60度。

3 控制系统配置

整个布料系统采用一套PLC系统，两台上位机完成对整个上料系统的监控及数据采集等。自动控制系统采用Schneider TSX Quantum系列PLC硬件组成基础自动化系统。采用MP7监控软件，编程软件采用Concept2.6,Windows 2000作为系统平台界面，组成计算机化的操作系统，实现人机通讯。

控制器与上位机之间采用环形工业以太网进行通讯。主机控制单元接受由I/O接口收集的信号进行开关量和模拟量的处理后,将信号经I/O接口实现对设备的控制，与监控站及上位机通讯。这个系统配置如图2所示。

其中CPU采用昆腾系列140-CPU-534-14A,CPS采用140-CPS-114-20,NOE采用140-NOE-771-01,I/O模板配置如下：数字量输入模板为140-DAI-753-00、140-DDI-353-00;数字量输出模板为140-DDO-353-00;模拟量输入模板为140-ACI-040-00;模拟量输出模板为140-ACO-130-00。

4 提高高炉布料精确度措施

4.1 料罐料空检测方式

莱钢银前1080m3高炉炉顶采用串罐式无料钟方式，布料时必须分不同的批次进行循环式布料，批次与批次之间具有严格的条件连锁控制，一个批次布料完成，才能允许下一个批次炉料进入料罐准备布料。所以料罐的料空检测信号非常重要。只有准确及时地检测信号，才能及时发出料空信号，使生产按顺序连续进行。

料罐料空的检测必须准确及时。如果检测不准确使信号过早发出，会造成剩料，导致料流阀、下密阀卡料损坏密封圈。检测不准确使信号过晚发出，会造成装料、布料衔接不连贯，上料不及时，影响炉内料线的控制，降低高炉的生产效率，影响炉况稳定。

莱钢银前1080m3高炉建设投产时料空检测采用同位素射线检测方式，检测射源为γ射线。其原理是靠接收装置探测射源发出的γ射线强度，判断并发出料空信号传到PLC系统，而料满则是通过程序来进行判断，当受料斗发出料空信号时，料罐发出料满信号。这种方法一是无法判断料满，二是当料罐发生蓬料时无法检测出此时料罐内的实际情况，不利于操作人员及时发现，而无法发出料空信号则导致下密阀、料流阀始终处于打开状态，影响高炉的正常备料放料。为了更好地检测料罐内料位情况，目前在料罐上部增加一台雷达料位计，能够实时跟踪料罐内料位的变化，雷达料位计是通过处理雷达波从探头发射到介质表面然后返回到探头的时间来测量料位的，雷达波本身频率高，穿透性能好的特点，所以，雷达料位计具有比接触式料位计和同类非接触料位计更加优良的性能。通过以上两种方式可以立体式的检测料罐内料位，直观的判断罐内状况。

4.2 溜槽控制方式

布料溜槽是炉料入炉前最后的控制设备，它可以控制炉料按照工艺的要求，均匀地布到炉内的各个位置。它通过改变溜槽倾动的角度和旋转的角度来实现多环布料的要求。炉顶溜槽的控制是整个布料程序的控制核心，保证溜槽按照设定的轨迹运动，才能确保入炉料准确布到所需位置。溜槽通过电器控制实现倾动和旋转两个方向的控制，而倾动角度的控制是否准确是影响控制精度的前提。

在自动控制模式下，溜槽可以实现多环或单环布料的要求。为了保证正常的磨损平衡，一般可根据时间或是入炉次数改变一次旋转方向。

炉顶溜槽有两个电机完成设备驱动。电机的控制由PLC根据程序发出控制指令，传递给变频器启动或停止命令，同时发出速度控制指令，从而驱动溜槽动作。设备控制原理如图2所示。

倾动和旋转的角度检测是指导操作人员进行设备控制的重要依据。现在使用的检测设备是单圈绝对值型编码器，安装于驱动电机的减速轴，由控制柜提供工作电源，发出二进制指令给PLC。程序中对接收到的二进制指令进行处理，最后得到溜槽的准确位置数据。根据得到的溜槽实际位置角度，与程序中发出的指令角度进行比较，如果差值在误差设定允许范围内，则溜槽保持原位置不动;如果差值超出允许的设定范围，则程序发出动作指令，电机通过正转或是反转带动溜槽动作，直至差值进入死区范围后停止。如果在布料过程中角度的目标值和实际值超出死区范围，则程序继续发出指令，驱动溜槽动作，使溜槽持续保持在设定角度。溜槽倾动程序控制原理如图3所示。

对于溜槽倾动角度的控制必须达到很高的精确度，才能确保布料角度满足工艺布料曲线的要求。既要使倾动速度快速达到设定角度，又要要求到位时实际角度与设定角度偏差最小。但设备的动作具有一定的惯性，如果以大的速度接近控制角度，常常由于惯性使设备越过临界点而达不到控制要求;当设备越过临界点，必须再反向启动向目标点运动，这样就容易使设备频繁换向启动，对设备不利;如果设定速度较低，设备又满足不了布料速度的要求。

为了解决这一问题，对控制程序进行必要的改进，使溜槽倾动由原来的匀速运动变为不等速运动，用来消除惯性的影响。通过控制程序的修改，使设备速度做阶梯式递减，即根据目标值和实际值进行递减式速度变化，动作过程中不断比较实际位置与目标位置的差距值，值越大速度设定越快，值越小即越靠近设定目标点速度越慢，这样就保证了设备停在目标点的误差最小，防止设备由于惯性因素出现反复运动。根据控制要求和实际试验，现在采用两级速度控制，莱钢两座1000m3级串罐式无料钟高炉的控制精度已经达到正负0.1度级别，较好的满足了生产的需要。

4.3 料面高度检测精度的提高

准确的检测炉内料面高度，可为工艺人员下达布料指令、控制高炉炉况稳定提供正确的参数依据。工艺人员根据炉型的不同，平时生产经验的积累，设定一个相对固定的料面高度，一旦料面下降到这一高度，就允许布下一批料。一旦检测高度不准，生产人员就无法准确掌握炉内冶炼的状况、料面下降的速度、掌握布料的节奏，最终导致炉况不顺，影响高炉生产。

莱钢银前1080m3高炉竣工之初，安装使用的是两部机械探尺，投入生产后，发现传统的机械探尺虽然测量数据可靠，但体积大，而且经常发生故障。过去高炉塌料后，机械探尺根本探不到料面，不能反映料面深度。雷达探尺是一个连续的测量过程，是通过雷达的原理来探测料面的深度，探测深度不受限制，采用非接触的测量方式，24小时不间断工作，通过电子部件算出探头到介质表面的距离，能够准确及时地反映高炉料面情况，设备体积小，易操作，测量精度高。适应高温、粉尘、潮湿的工作环境，可连续、稳定检测高炉料位，无机械磨损故障，通过与机械探尺配合使用，可以更好地掌握高炉料面情况。

经过改造，拆除了一部机械探尺，在原开口处安装一部雷达探尺，与原先的机械式探尺同时使用，同时在值班室位机上做出料位实时曲线图和历史曲线图，可以随时供查看，便于高炉工长对整个高炉进行全面掌控，及时判断出高炉崩料、坐料等异常情况，很好跟踪机械探尺，弥补机械探尺探测深度只有四米、加料时探不出、监测有间隙等不足，为高炉提供准确的料位数据，有利于高炉提高操作控制的准确性，为高炉稳定、顺行提供技术保证。

从图4可以看出，机械探尺和雷达探尺探测料面高度的趋势基本吻合，但机械探尺趋势偶尔会因为机械原因产生脉冲尖波，而雷达探尺趋势则相对稳定。

5 总结

莱钢银前1080立方米高炉自2005年10月投产以来,无料钟炉顶自动控制系统表现出良好的适用性、稳定性、安全性、可靠性。整个炉顶系统不但完全实现了设备的全自动控制，而且在多个方面应用了新技术，提高了设备的控制精度，使其方便、灵活地满足生产工艺要求,为高炉的稳产、高产提供了良好的设备保证,为莱钢的增铁增效创造了良好的条件,也为无料钟炉顶控制技术的实际应用做出了适当的发展和贡献。

摘要：高炉布料系统的控制精度是高炉正常生产的重要一环,保证及时、准确的布料是保证高炉产量和产品质量的前提。本文主要介绍了基于施耐德Quantum系列PLC为控制系统的高炉布料系统的应用及布料精度提高的措施。

关键词：PLC,自动控制,布料系统,昆腾

参考文献

[1]马竹梧.炼铁生产自动化技术.北京冶金工业出版社,2005

[2]马迎驰.PLC控制系统在大中型高炉上的应用.中国仪器仪表,2002

[3]赵润恩.炼铁工艺设计原理.1993

篇6：自动控制在高炉炉顶布料系统中的探索与应用论文

“TRT”, 是指高炉煤气余压回收透平发电机组, 简称为节能装置, 英文全称“Top pressure Recovery Turbine Unit”, 节能主要是不消耗能源而是利用高炉炉顶煤气压力通过透平膨胀机驱动发电机做功。透平机械 (即涡轮机械) 泛指具有叶片或叶轮的动力机械。然后发电机将机械能转变为电能然后输送给电网, 将高炉煤气产生的气体压力和热能转换为电能达到回收、节能、环保的目的。TRT发电装置和高炉煤气流量和压力息息相关。当前, 高炉煤气采用干法除尘能提高发电量40%, 并且和温度有很大关联, 一般温度升高10%促使透平机做功提高10%, 促使TRT发电装置的发电量, 其装置效益显著, 是当前最经济节能环保发电装置, 并可代替减压阀组调节稳定炉顶压力。

2 TRT装置系统组成和工艺流程

2.1 TRT的基本结构

透平主机是典型的TRT系统装置主要构件, 由以下部件构成。定子:定子主要包括机壳, 机壳是透平机最重要的承压部件、静叶及静叶可调机构, 静叶可调部件主要由伺服油缸、导向环、静叶轴承、滑块、调节缸、叶片承缸、曲柄、盘车装置等。转子:转子由各级动叶、主轴组成、隔叶块, 叶片沿圆周方向装入主轴的叶根槽内, 两个叶片之间用隔叶块定位。滑动轴承。轴端密封。透平轴端主油泵, 正常运转时供轴承润滑用油。喷水装置:设有一定的喷嘴冲洗流道, 防止积灰堵塞。焊接结构的底座:确保机体膨胀的自由性, 保障转子和定子间隙。监测保护装置。

2.2 TRT工作原理

TRT工作原理是把高压的高炉煤气在减压阀组前引出, 并经过TRT进口处的阀门, 然后进入透平入口, 经过导流器使气体转成轴向进入静叶, 在动叶及静叶组成的流道中的气体不断做功, 转化为动能促使转子旋转, 从而转子带动联轴器的电机转动而发电, 做功后的气体压力和温度逐渐降低, 并经过扩压器进行扩压, 待被压达到一定值, 经排气涡壳流出透平, 经过填料脱水器后进入煤气管网。

2.3 TRT工艺流程

TRT装置在高炉煤气工艺流程:高压煤气经过重力除尘器、经干法除尘器, 进入TRT系统装置, 所产生的没气经由TRT入口蝶阀、入口插板阀、 (调速阀) 、快切阀, 进入透平机膨胀做功, 促进电机发电。TRT系统装置一般和减压阀组是并联设置, 为减小炉顶压力波动或者促进平稳做功, 通常设有旁通管及旁通阀, 一旦TRT系统紧急停机时, 达到与减压阀之间的稳定运行。经过做功后的煤气再送到用户或者高炉煤气柜。经系统产生的发电装置再经变电所与电网相连, 高炉及TRT系统运行正常时, 发电机向电网送电, 高炉休风时, 从电网吸收电能。TRT工艺装置流程图如图1所示。

3 炼铁高炉TRT系统高炉顶压力调节及PID控制

3.1 炉顶压力调节

TRT工艺装置是高炉控制系统运行中保证高炉炉顶压力稳定的主要因素, TRT系统装置与减压阀组并列运行时, 高炉原有炉顶压力设定值和TRT炉顶压力调节器的炉顶压力测量值是经高炉PLC控制的同一测量值。经实践证明:TRT功率和高炉炉顶压力一起参与控制, 不改动固有的高炉炉顶压力, 经过减压阀组控制回路, 在复合控制回路中引入了回馈运算的方式;同时, 将该控制回路的设定值送入TRT炉顶压力调节器, 经炉顶压力偏差计算, 使其与高炉原有的炉顶压力相当, 从而作为TRT装置的炉顶压力调节器的设定值, 便于自动跟随高炉的设定值, 奠定了设定权仍在高炉, 仅仅是增加了一个调节器控制TRT系统的可调静叶或调速阀, 从而实现自动控制炉顶压力, 在高炉没有操作或者没有变化的状况下, 通过TRT装置控制高炉炉顶压力, 同样也可通过减压阀组控制, 或者两者同时进行参与控制, 将上述四个调节信号通过一低值选择器选出其低能级的信号输入伺服放大器, 伺服放大器通过控制电-液转换器, 再通过液压驱动机构控制调速阀或可调静叶的开度。从而做到了功率控制和炉顶压力控制的无扰切换。炉顶压力调节回路如图2所示。

3.2 PID控制算法

PID是比例 (P) 、积分 (I) 、微分 (D) 控制算法的简称, PID是比例PID参数整定以调整比例P为主, 以积分时间I的调整为辅, 对于D一般不做调整, 这样保证了参数调整的简洁和实用数的物理意义, PID控制原理简单来说可以手动调节炉温去理解, PID控制器输出中的积分项与当前的误差值和过去历次误差值的累加值成正比, 显然积分相对比较滞后, 对系统控制不稳定, 一旦积分系数设置不当, 会对现场生产设备造成严重损害, 严重会导致停产。其比例项没有延迟。一旦出现误差, 比例部分会立竿见影, 起到理想的效果。积分一般结合比例或微分一起应用, 这样就组成PI或PID控制器, 生产应用中很少单独应用。PID控制器是一个综合的调试过程, 其参数相互影响, 实际生产过程中应根据现场设备状况进行多次调整, 以便达到设备的稳定运行的目的。

4 结语

TRT装置控制在高炉炉顶压力工艺中的应用, 提高了炉顶压力系统的稳定性, 可以代替减压阀组调节稳定炉顶压力, 具有节能减排, 资源回收利用多方面效益, 创造了一定的社会价值。

参考文献

[1]郭敏.高炉TRT控制系统的研究与设计[D].西安:西安工业大学, 2010.

[2]陈凯.高炉炉顶余压回收透平装置中控制器的设计[D].西安:西安工业大学, 2012.