劉向，趙鋒輝，安利娟，區(qū)興華，楊洪音

RH精煉爐環(huán)流氣體控制方法研究及應(yīng)用

劉向，趙鋒輝，安利娟，區(qū)興華，楊洪音

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西，西安710032)

環(huán)流氣體的狀態(tài)直接影響了RH爐鋼水精煉處理的效果，本文針對(duì)RH鋼水處理過(guò)程中環(huán)流控制具體問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種關(guān)于環(huán)流流量分配控制、環(huán)流增量PI調(diào)節(jié)器的具體控制方法，并將其應(yīng)用于300 t RH爐，證明了此方法的有效性。對(duì)提高RH精煉過(guò)程中鋼水的質(zhì)量起到重要的作用。

RH精煉爐;環(huán)流氣體;流量控制;增量式PI

0 前言

RH鋼水環(huán)流控制是RH鋼水精煉中的一項(xiàng)重要工藝過(guò)程，鋼水在真空槽內(nèi)的環(huán)流狀態(tài)直接影響鋼水精煉處理效果［1］。因此，設(shè)計(jì)出一套合理的環(huán)流氣體的控制方法，對(duì)保證鋼水脫氣效率起著至關(guān)重要的作用［2］。本文提出了一種正確的環(huán)流氣體流量分配控制方法，并且通過(guò)自主設(shè)計(jì)的虛擬增量PI調(diào)節(jié)器，對(duì)鋼水處理過(guò)程中不同時(shí)間段的環(huán)流氣體進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1 基本控制原理

根據(jù)工藝控制方案，一般鋼水環(huán)流氣體流量控制采用氬氣Ar和氮?dú)釴2自動(dòng)切換，配以調(diào)節(jié)閥和關(guān)斷閥［3］，實(shí)現(xiàn)2至4路分管流量自動(dòng)調(diào)節(jié)，每路分管流量設(shè)有支路流量開關(guān)監(jiān)測(cè)流量的控制，能使鋼水在真空槽內(nèi)達(dá)到理想的環(huán)流效果［4－5］，如圖1所示，某RH環(huán)流氣體為4路分管，每路設(shè)有3支路3流量開關(guān)。環(huán)流氣體總管流量為

圖1 RH環(huán)流氣體結(jié)構(gòu)圖Fig.1Structure of RH circulation gas

式中，F(xiàn)1～F4為環(huán)流氣體各分管流量;F為總管流量。

本系統(tǒng)采用西門子S7－400系列可編程控制器(PLC)［6］，人機(jī)界面采用西門子WINCC系統(tǒng)［7］。通過(guò)PLC程序中建立虛擬PID調(diào)節(jié)器，并在人機(jī)界面HMI中設(shè)定流量值，通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥，便可對(duì)環(huán)流氣體進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。正常情況下，設(shè)定的總管流量F，平均分配給4個(gè)支路PID控制器，達(dá)到環(huán)流調(diào)節(jié)的目的［8］。但是，這種方法并未考慮到支路堵塞的情況，假如支路流量計(jì)檢測(cè)到有一路或者多路支管流量堵塞，則會(huì)使實(shí)際進(jìn)入真空槽的環(huán)流氣體流量達(dá)不到總管設(shè)定的流量值，從而影響到鋼水的整體脫氣效果。因此，本文在PLC程序中采用特殊控制，在監(jiān)測(cè)到堵塞時(shí)，使堵塞支管的流量均勻分配到其它支管［9］。同時(shí)，在不同的鋼水處理階段，調(diào)節(jié)閥所進(jìn)行的PID調(diào)節(jié)的方式應(yīng)該有所不同，否則不但會(huì)影響鋼水的整體質(zhì)量，還會(huì)妨礙真空度上升速度，也可能導(dǎo)致鋼水飛濺嚴(yán)重。由于微分控制對(duì)調(diào)節(jié)效果影響不大，本文在PLC程序中自行設(shè)計(jì)了增量PI調(diào)節(jié)器［10］，并根據(jù)鋼水處理時(shí)間配以PI參數(shù)三段調(diào)節(jié)方法，從而使環(huán)流氣體流量調(diào)節(jié)在整個(gè)鋼水處理過(guò)程中處于一種平衡穩(wěn)定的調(diào)節(jié)狀態(tài)。

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 流量分配設(shè)計(jì)

在一條(或幾條)支路流量堵塞的情況下，每一支路的流量設(shè)定值SV并不是總管流量的輸出值除以4。其流量設(shè)定為

式中，SVX為校正后支路流量設(shè)定值;ΔSV為支路修正設(shè)定流量增量;FU為支路偏差流量補(bǔ)償。

從式(2)中可以看出，根據(jù)ΔSV和FU值，便可計(jì)算出自動(dòng)校正后的新的流量設(shè)定值。而ΔSV則根據(jù)堵塞支路所減少的流量的總和FD計(jì)算。將FD平均分配給為未堵塞的支路，得出修正設(shè)定流量增量ΔSV。

式中，SV為堵塞支路設(shè)定流量總和;FX為支路流量反饋總和。

某支路流量堵塞后，此支路流量隨著時(shí)間變化慢慢減少，而其余支路流量則慢慢自動(dòng)增加。所以，支路偏差流量補(bǔ)償可用計(jì)算為

式中，F(xiàn)P為設(shè)定的一個(gè)時(shí)間單位中增加的單位流量值。

需要注意的是，為了不受某一側(cè)環(huán)流流量過(guò)大而影響整體精煉效果，必須設(shè)定一個(gè)最大上限值SVMAX，如果某支路堵塞過(guò)于嚴(yán)重，分配到其它支路的流量過(guò)大，則需要進(jìn)行報(bào)警處理，由設(shè)備維修人員進(jìn)行維修。

2.2 增量PI設(shè)計(jì)

在環(huán)流氣體流量的調(diào)節(jié)中，需要通過(guò)PLC程序與HMI相結(jié)合，生成虛擬的PID調(diào)節(jié)器，對(duì)應(yīng)實(shí)際設(shè)備的調(diào)節(jié)閥?？紤]到PID調(diào)節(jié)的計(jì)算量較大，本文中沒(méi)有用到軟件系統(tǒng)自帶PID調(diào)節(jié)塊，而是自行設(shè)計(jì)增量式數(shù)字PI控制算法，其基本原理為［11］

式中，e(t)為給定流量與實(shí)際流量值的偏差;Ti為積分時(shí)間常數(shù);KP為比例系數(shù)。

式(5)離散化后可得

在PLC中編程時(shí)，式(5)表示為

式中，e(n)為偏差值，e(n)=給定－反饋;P為比例參數(shù);I為積分參數(shù)［12］。

采用增量型算法PI不需要做累加，計(jì)算誤差后產(chǎn)生的精度問(wèn)題對(duì)控制量的計(jì)算影響較小，并且增量型算法得出的是控制的增量，誤動(dòng)作也影響小，必要時(shí)可通過(guò)邏輯判斷限制或禁止本次輸出，不會(huì)影響系統(tǒng)的工作。

采用增量算法，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)PI參數(shù)。根據(jù)工藝要求，在鋼水處理的不同階段，所需要設(shè)定的PI參數(shù)略有不同。因此，可在PLC中建立PI參數(shù)的數(shù)組，不同的時(shí)間段調(diào)用不同的數(shù)組，自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)切換，保證了鋼水處理過(guò)程中，各個(gè)階段環(huán)流氣體的最佳狀態(tài)。

3 實(shí)際應(yīng)用

新設(shè)計(jì)的環(huán)流控制方法應(yīng)用于某鋼廠300 tRH爐，通過(guò)PLC程序進(jìn)行了環(huán)流流量分配功能和PLD功能參數(shù)設(shè)置，如圖2所示。從程序?qū)嵗锌梢栽O(shè)定需要的參數(shù)，如FP、SV等。同時(shí)，可在HMI中設(shè)定相應(yīng)的流量值，如圖3所示。并且可以根據(jù)觀察到的實(shí)際輸出流量曲線的趨勢(shì)，進(jìn)行合理的工藝調(diào)整。

圖2 PID參數(shù)設(shè)置Fig.2Parameter setting of PID

從參數(shù)設(shè)置中可以看出通過(guò)REAL數(shù)組方式，傳遞不同階段的KP、Ki參數(shù)。并且，設(shè)置了PI調(diào)節(jié)器的死區(qū)［13］，防止因傳感器過(guò)度靈敏導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動(dòng)作頻繁，造成環(huán)流氣體流量輸出的不穩(wěn)定。

圖3 HMI流量設(shè)定Fig.3Flow setting in HMI

根據(jù)300 t RH爐的工藝要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察，先手動(dòng)調(diào)節(jié)PI參數(shù)，參考HMI畫面中的輸出曲線，遵循先P后I的調(diào)節(jié)原則［14］，使系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到最佳匹配并記錄各個(gè)階段最實(shí)用最穩(wěn)定的PI參數(shù)，然后在PLC中設(shè)定該穩(wěn)定的PI參數(shù)，進(jìn)行自動(dòng)PI參數(shù)切換。經(jīng)過(guò)測(cè)試，利用該方法得出三組PI參數(shù)。

(1)Kp=1.0;Ki=0.5;

(2)Kp=5.0;Ki=10.0;

(3)Kp=3.5;Ki=0.8。

參數(shù)組(1)在處理初期鋼包頂升開始時(shí)加載進(jìn)PI調(diào)節(jié)器，直到浸漬管完全插入鋼水。開始真空處理時(shí)，鋼水需要大量氣體提升，因此PI調(diào)節(jié)器載入?yún)?shù)組(2)，達(dá)到脫去雜質(zhì)的目的，在進(jìn)行真空加料時(shí)，可載入?yún)?shù)組(3)，降低鋼水翻轉(zhuǎn)強(qiáng)度，處理結(jié)束時(shí)，可再次使用參數(shù)組(1)，直到鋼包離開。當(dāng)然，根據(jù)具體要求，還可以設(shè)置更多組的參數(shù)，滿足實(shí)際需求即可。

4 結(jié)論

提出了一種RH真空精煉爐中環(huán)流氣體控制的設(shè)計(jì)方案，并實(shí)際應(yīng)用于某鋼廠300 t RH精煉爐，通過(guò)應(yīng)用可以得出以下結(jié)論:

(1)解決了鋼水處理中突發(fā)的環(huán)流管路堵塞的情況，在一條或多條支路堵塞時(shí)，流量會(huì)自動(dòng)分配到其它未堵塞的支路，使得總的環(huán)流流量不變，維持鋼液在真空槽內(nèi)流動(dòng)的動(dòng)力，保證了鋼水的脫氣質(zhì)量。

(2)通過(guò)自主設(shè)計(jì)的增量PI調(diào)節(jié)器，穩(wěn)定調(diào)節(jié)環(huán)流流量的輸出，在支路管路流量突然增大時(shí)，抑制真空槽內(nèi)提升氣體劇烈變化，增加了RH爐安全性，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，得出一組可靠的PI參數(shù)，同時(shí)實(shí)際印證了本文設(shè)計(jì)方案的有效性。

［1］吳杰，任彤．RH鋼水環(huán)流控制技術(shù)［J］．重型機(jī)械，2005(03)．

［2］朱樹婷．基于PLC的RH精煉爐自動(dòng)控制系統(tǒng)研究［J］．上海交通大學(xué)，2012(08)．

［3］區(qū)鐵，喻承歡，劉良田．RH真空吹氮過(guò)程鋼水的吸氮行為［J］．特殊鋼，2004，25(02):9－11．

［4］李鵬程．RH精煉爐真空槽氣體環(huán)流控制優(yōu)化［J］．冶金自動(dòng)化，2012，36(06):70－73．

［5］王昌才．RH真空環(huán)流的過(guò)程控制［J］．冶金自動(dòng)化，2007，31(02):33－36．

［6］Siemens SIMTIC S7－400系列設(shè)備手冊(cè)［M］．2012．

［7］Siemens WinCC V7．0技術(shù)手冊(cè)［M］．2012．

［8］柳凱．RH提升氣體的優(yōu)化與改造［J］．中國(guó)機(jī)械，2014(21):180．

［9］邊芳．PLC模型控制技術(shù)在RH精煉爐中的研究與應(yīng)用［J］．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2012，31(08):71－74．

［10］榮曉飛，溫瑩瑩．?dāng)?shù)字PI控制器的設(shè)計(jì)與仿真［J］．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27(10):42－43．

［11］胡樂(lè)，李會(huì)軍，方灶軍，等．基于PLC的PID參數(shù)自整定［J］．控制工程，2008(S2)．

［12］張智杰．利用PLC實(shí)現(xiàn)PI控制［J］．機(jī)床電器，2003，30(06):20－21．

［13］汪英．帶死區(qū)的增量式PID控制在濕度控制中的應(yīng)用［J］．湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，7 (02):55－60．

［14］萬(wàn)周政．基于PLC和PID參數(shù)自調(diào)整的爐溫控制系統(tǒng)［J］．機(jī)電一體化，2009(02):41－42．

專利介紹

一種快鍛油壓機(jī)自動(dòng)鍛造系統(tǒng)(CN103962488A)

本發(fā)明提供一種快鍛油壓機(jī)自動(dòng)鍛造系統(tǒng)，解決目前快鍛油壓機(jī)半自動(dòng)化、鍛件加工質(zhì)量穩(wěn)定性難以保證、操作工操作勞動(dòng)強(qiáng)度高、人工操作時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。

所述自動(dòng)鍛造系統(tǒng)包括操作臺(tái)、程序鍛造數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)器、第一分布站、第二分布站、主站、第一操作機(jī)、第二操作機(jī)、快鍛油壓機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng);操作臺(tái)根據(jù)輸入的坯料和鍛件成品的參數(shù)，自程序鍛造數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)器中選取相應(yīng)的鍛造工藝，并將該鍛造工藝傳輸給主站;主站根據(jù)操作臺(tái)傳輸?shù)腻懺旃に嚪职l(fā)相應(yīng)的動(dòng)作指令給第一分布站、第二分布站和快鍛油壓機(jī)，以控制第一操作機(jī)、第二操作機(jī)和快鍛油壓機(jī)進(jìn)行機(jī)械操作;主站直接控制快鍛油壓機(jī)進(jìn)行機(jī)械操作;第一分布站將來(lái)自主站的指令信號(hào)傳輸給第一操作機(jī)，以控制第一操作機(jī)進(jìn)行機(jī)械操作;第二分布站將來(lái)自主站的指令信號(hào)傳輸給第二操作機(jī)，以控制第二操作機(jī)進(jìn)行機(jī)械操作;第一操作機(jī)接收第一分布站的動(dòng)作指令，自動(dòng)夾持鍛件的一端，并將鍛件未被夾持的部分移至快鍛油壓機(jī)進(jìn)行鍛造，待快鍛油壓機(jī)鍛造工作完成后，第一操作機(jī)結(jié)束對(duì)鍛件的夾持;第二操作機(jī)接收第二分布站的動(dòng)作指令，自動(dòng)夾持鍛件已被鍛造的一端，并將鍛件未被鍛造的部分移至快鍛油壓機(jī)進(jìn)行鍛造，待快鍛油壓機(jī)鍛造工作完成后，第二操作機(jī)結(jié)束對(duì)鍛件的夾持;快鍛油壓機(jī)接收主站的動(dòng)作指令，待第一操作機(jī)將夾持好的鍛件移至快鍛油壓機(jī)進(jìn)行鍛造后，快鍛油壓機(jī)對(duì)未被第一操作機(jī)夾持的鍛件的部分進(jìn)行自動(dòng)鍛造;待第二操作機(jī)將夾持好的鍛件移至快鍛油壓機(jī)進(jìn)行鍛造后，快鍛油壓機(jī)對(duì)未被第二操作機(jī)夾持的鍛件的部分進(jìn)行自動(dòng)鍛造。

該快鍛油壓機(jī)自動(dòng)鍛造系統(tǒng)還適用于人工手動(dòng)鍛造操作。所述程序鍛造數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)器自動(dòng)記錄手動(dòng)鍛造工藝，并對(duì)該手動(dòng)鍛造工藝進(jìn)行優(yōu)化，形成新的自動(dòng)鍛造工藝，擴(kuò)充到程序鍛造數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)器中。

The application and research of circulation gas control in RH refining furnace

LIU Xiang，ZHAO Feng－h(huán)ui，AN Li-juan，OU Xing-hua，YANG Hong-yin
(China National Heavy Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710032，China)

The state of circulating gas has a direct effect on the treatment of RH furnace refining．This issue discussed about flow control in RH process，designed a specific method of circulation flow distribution control and circulation increment PI adjust．It is proved the effectiveness of this method in 300 t RH furnace．Via the research，this method ensured the quality of molten steel in RH refining process．

RH refining furnace;circulation gas;flow control;increment PI

TP368.01

A

1001－196X(2017)01－0016－04

2016－04－06;

2016－05－28

劉向(1981－)，男，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司工程師，主要從事電氣控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)與研究。