張錦亮

(1：北京中冶設(shè)備研究設(shè)計總院有限公司 北京100029；2：中冶長材軋鋼工程技術(shù)中心 北京100029)

1 前言

直接還原轉(zhuǎn)底爐是近年來治金行業(yè)新興的一種無機(jī)固廢處理直接還原加熱爐，能夠有效處理冶金污泥粉塵、紅土鎳礦、復(fù)雜難選礦等物料，環(huán)形旋轉(zhuǎn)爐床由于幾百噸的自重，驅(qū)動多采用多臺液壓馬達(dá)同步驅(qū)動。直接還原轉(zhuǎn)底爐工藝控制最核心部分之一就是還原物料的周期，即必須按照生產(chǎn)工藝的要求的時間完成一個旋轉(zhuǎn)周期，控制時間精度要求高，誤差小。要求控制系統(tǒng)做到無極調(diào)速、設(shè)定方便、控制精確。

2 液壓系統(tǒng)原理

如圖1所示，正常工作時，嚙合油缸將驅(qū)動裝置推入，使傳動齒輪與爐盤柱齒銷可靠嚙合。當(dāng)下達(dá)正向旋轉(zhuǎn)指令，四臺液壓比例閥受控閥芯打開，高壓油由A口進(jìn)入液壓馬達(dá)，B口流出，推動液壓馬達(dá)正向旋轉(zhuǎn)，傳動齒輪帶動爐盤正向轉(zhuǎn)動；當(dāng)下達(dá)反向旋轉(zhuǎn)指令，高壓油由B口流入液壓馬達(dá)，A口流出，推動液壓馬達(dá)反向旋轉(zhuǎn)，傳動齒輪帶動爐盤反向轉(zhuǎn)動；此系統(tǒng)實際運行時，兩用兩備，1#與3#液壓馬達(dá)同步驅(qū)動爐底旋轉(zhuǎn)時，2#與4#液壓馬達(dá)處于備用狀態(tài)，反之亦然。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)采用Schneider Premium[1]，CPU采用TSX P57 3634M。高速計數(shù)器模塊TSX CTY 2C一塊，IO模塊若干，在機(jī)主架和擴(kuò)展機(jī)架之間采用BusX總線擴(kuò)展模塊TSX REY 200(遠(yuǎn)程站分別放置在液壓站和電氣室)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 控制系統(tǒng)硬件

輸入輸出模塊包括：

①模擬量輸入，用于采集液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓力，液壓站油箱溫度、壓力，油箱液位等信號；

②模擬量輸出，輸出信號至比例放大板，作為控制液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的給定；

③數(shù)字量輸入，采集MCC室內(nèi)所有開關(guān)和接觸器輔助觸點信號的采集；

④數(shù)字量輸出，用于控制液壓站內(nèi)所有電磁閥的啟停和MCC室內(nèi)接觸器的啟動以及指示燈等的輸出。

⑤高速計數(shù)模塊，用于采集測速編碼器數(shù)值。

⑥CANopen通訊卡，用于與ATV71變頻通訊，控制變頻器運行及采集變頻器運行參數(shù)。

3.2 控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

①液壓馬達(dá)進(jìn)出口壓差檢測、轉(zhuǎn)底爐轉(zhuǎn)速檢測、旋轉(zhuǎn)一周檢測、轉(zhuǎn)底爐轉(zhuǎn)速設(shè)定及自動調(diào)節(jié)、液壓站控制、裝出料設(shè)備控制。

②在主控操作室的操作臺上和上位機(jī)的HMI畫面上，對每臺設(shè)備均設(shè)有手動和自動操作按鈕，確保系統(tǒng)的操作的靈活性。③轉(zhuǎn)速設(shè)定方便、手自動無擾切換。④程序?qū)崟r診斷編碼器故障并報警。

4 現(xiàn)場信號檢測與控制原理

由測速編碼器實時采集爐底當(dāng)前轉(zhuǎn)速，PLC通過計數(shù)功能模塊與編碼器相連，接收轉(zhuǎn)底爐當(dāng)前實時轉(zhuǎn)速，在PLC內(nèi)部則表現(xiàn)為連續(xù)變化的雙整數(shù)，通過PLC程序處理，以每秒編碼器變化的具體數(shù)值反映轉(zhuǎn)底爐當(dāng)前轉(zhuǎn)速，同時也是實時判斷編碼器是否正常工作的依據(jù)；通過工程調(diào)試，實測出轉(zhuǎn)底爐旋轉(zhuǎn)一圈編碼器的累計碼值，通過程序處理，根據(jù)工藝需求的的還原時間計算出轉(zhuǎn)底爐在設(shè)定還原時間條件下的理論轉(zhuǎn)速(單位時間編碼器理論變化量)，PLC內(nèi)采用PID控制算法，比例系數(shù)自動調(diào)整和速度限幅，自動控制電液比例閥的給定值，使?fàn)t底實際旋轉(zhuǎn)速度實時跟隨給定速度；旋轉(zhuǎn)一周檢測接近開關(guān)來用于實時校正實際旋轉(zhuǎn)一周編碼器的總脈沖數(shù)。

5 程序設(shè)計

PLC程序開發(fā)采用施耐德UnityPro，UnityPro為創(chuàng)建用戶程序提供了如下五種編程語言[2]，F(xiàn)BD(功能塊圖)、LD(梯形圖語言)、SFC(順序控制)、IL(指令列表)、ST(結(jié)構(gòu)化文本)。本程序采用ST結(jié)構(gòu)化文本，程序流程圖如圖3。

圖3 直接還原轉(zhuǎn)底爐轉(zhuǎn)速控制程序流程圖

程序代碼如下：

IF INIT_POWER THEN(*PLC重啟初始化賦值*)

%MW62：=50； (*默認(rèn)還原時間50min，由HMI設(shè)定*)

%MF400：=0.5； (*比例作用增益*)

%MF402：=10.0； (*比積分時間*)

%MW60：=2； (*爐瞬時轉(zhuǎn)速采樣周期(秒)*)

IF HYD_FAULT OR FURNACE_REV THEN (*液壓站故障或爐底反轉(zhuǎn)復(fù)位自動投入*)

INIT_SET：=INT_TO_REAL(%MW200*50+5000)；(*還原周期設(shè)定，%MW200是手動操作時，HMI手動給定比例閥開度百分?jǐn)?shù)*)END_IF；

PID_SETSP：=66071.0/INT_TO_REAL(%MW62*60/%MW60)；(*PID設(shè)定點計算，66072.0為工程調(diào)試中所測爐底旋轉(zhuǎn)360度編碼器累計計數(shù)值*)

%MF300：=INT_TO_REAL(%MW60)；(*爐瞬時轉(zhuǎn)速采樣周期(秒)*)

ENCODER_VALUE：=ENCODER_CUR_MEASURE；(*編碼器當(dāng)前數(shù)值*)

FP1(CLK：=%S6，Q=>SEC_PULSE)； (*秒脈沖*)

INIT_ENCODER_V：=ENCODER_VALUE； (*記錄編碼器初始值*)

PID_PV：=DINT_TO_REAL(V_NS_ENCODER)；

%MF302：=66072.0/900.0*%MF300；(*最大速度限制*)

%MF304：=66072.0/3600.0*%MF300；(*最小速度限制*)

(*PID參數(shù)賦值*)

OUT：=PID_OUT_R，

MA_O=>PID_MA_O，

INFO=>PID_INFO，

STATUS=>PID_STATUS)；

PID_OUT：=REAL_TO_INT(PID_OUT_R)；

IF FURNACE_FWD THEN

FURNACE_SPEED_GIVE_1：=PID_OUT；(*1號比例閥開度給定*)

FURNACE_SPEED_GIVE_2：=PID_OUT；(*2號比例閥開度給定*)

FURNACE_SPEED_GIVE_3：=PID_OUT；(*3號比例閥開度給定*)

FURNACE_SPEED_GIVE_4：=PID_OUT；(*4號比例閥開度給定*)

IF FURNACE_STOP_STATUS THEN (*還原爐處于停止?fàn)顟B(tài)*)

FURNACE_SPEED_GIVE_1：=0； (*1號比例閥開度給定*)

FURNACE_SPEED_GIVE_2：=0； (*2號比例閥開度給定*)

FURNACE_SPEED_GIVE_3：=0； (*3號比例閥開度給定*)

FURNACE_SPEED_GIVE_4：=0； (*4號比例閥開度給定*)

END_IF；

6 結(jié)論

此控制系統(tǒng)于2011年在沙鋼固廢處理生產(chǎn)線直接還原轉(zhuǎn)底爐投入使用，實現(xiàn)了連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的工業(yè)化生產(chǎn)運行至今；該項目應(yīng)用的蓄熱式轉(zhuǎn)底爐直接還原清潔冶煉技術(shù)(SRF)及裝備達(dá)到國際領(lǐng)先水平[3]。實踐驗證該控制系統(tǒng)設(shè)計合理、運行可靠、成本低廉、便于操作和維護(hù)，為實現(xiàn)直接還原工藝提供了有力的技術(shù)保證。