专利名称：高炉无料钟炉顶旋转溜槽副传动倾角自动控制装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种高炉无料钟炉顶设备的自动控制装置以及控制方法，特别是涉及一种高炉无料钟炉顶设备的旋转溜槽副传动倾角(a角)液压系统自动控制装置以及方法。
背景技术：
本发明的关注点是高炉无料钟炉顶溜槽副传动倾角(a角)驱动直线油缸的自动控制，简称为a角位置自动控制。a角位置自动控制和溜槽主传动(13角)位置自动控制相配合，直接应用在高炉生产冶炼的技术领域，主要用来解决高炉生产对炉料稳定操作，炉料均匀分布问题。 旋转溜槽a角位置精确控制可以改善工艺过程控制质量，提高高炉的装料效率。
通过控制溜槽a角位置，可以获得多种布料方式，实现炉喉圆周方向和径向的炉料的均匀
分布及某点的炉料分布，促进炉况顺行，并为处理炉料管道、偏行等事故创造条件。 传统的高炉无料钟炉顶设备存在一些缺点，如对原料粒度要求较严格；机械传动
较复杂；炉料沿圆周方向分布不均；用于密封及冷却的氮气消耗量大等。 针对传统型无料钟炉顶设备存在的缺点，新型无料钟炉顶设备的溜槽倾动部分改
由直线油缸液压传动。这种无料钟布料器a角液压系统受高炉炉顶环境和液压系统油介
质所限，对直线油缸液压传动也有特殊要求，如不能采用电液伺服阀组成的液压传动进行
控制，受比例方向阀组成的液压系统特性所限，不能满足位置控制对(a角)驱动直线油缸
频繁切换的要求，难以对溜槽摆动产生的角度误差做出迅速反应，不能保证a角的找准角
度为±0. 50 ;影响了炉料稳定操作和炉料均匀分布。
发明内容
为克服上述技术缺陷，本发明采用一种由比例方向阀组成的溜槽a角位置自动控制装置以及方法，解决了单一行程控制不能实现对溜槽副传动(a角)的倾动精确位置控制的问题。 —种高炉无料钟炉顶旋转溜槽副传动倾角自动控制装置，对溜槽的倾角进行控制，其特征在于，包括信息采集设备，采集溜槽的倾动角度位置信息以及溜槽位置的信息，并传到PLC控制系统中；PLC控制系统，分析信息采集设备采集的信息，生成控制信号，并将控制信号输送给传动设备；传动设备，根据PLC控制系统的控制信号，对溜槽的倾动角度进行控制。 通过上述技术方案，本发明提供了一种具有带不灵敏区的PID算法调节特性的对溜槽副传动倾角(a角)进行位置自动控制的装置和方法，消除了溜槽副传动倾角(a角)驱动直线油缸行程控制找准角度的偏差给高炉布料带来的影响，充分发挥该型无料钟布料器的理想布料优越性，确保冶炼过程的稳定性。 本发明能够防止溜槽副传动倾角(a角)驱动直线油缸的电磁换向阀频繁切换，保持液压系统稳定的输出特性c
意图；
图1是本发明高炉无料钟炉顶溜槽副传动倾角自动控制装置的组成框图； 图2是系统的不灵敏区设置示意图； 图3是带不灵敏区的PID流程图4显示了 a角驱动直线油缸比例方向阀输出脉冲宽度变换图5显示了确定输出脉冲宽度变换点时，E《丽时输出脉冲宽度变换的操作点示
图6显示了 E >丽输出脉冲宽度变换的操作点示意图。 附图标记列表
l-溜槽副传动(a角)驱动直线油缸；
2_回转浮动框架； 22-溜槽；
3- 溜槽旋动电动机；
4- 溜槽抬起终端极限； 4' _溜槽落下终端极限； 5_绝对值编码器； 6_比例方向阀；
7- PLC(可编程序逻辑控制器)控制系统；
8- 高速计数器模块；
9-DI(数据输入)输入模块 ll-模拟量输出模块；
13-CPU模块；
15-倾动角度抽出模块；
17-综合逻辑判断模块；
19-布料器a角操作； 21-给定模块
10-比例放大模块； 12-D0(数据输出)输出模块； 14-倾动设定角度模块；
16-布料控制程序模块； 18-布料器工作方式选择转换开关； 20-监控模块；
具体实施例方式
如图1所示，本方法发明的高炉无料钟炉顶溜槽副传动倾角自动控制装置包括如 下组成部件 直线油缸l，用于驱动溜槽副传动倾角(a角)，直线油缸1与比例方向阀6的输 出端相连，用于在比例方向阀6的控制下驱动溜槽倾动，直线油缸1使溜槽2摆动，直至达 到倾动设定角度； 溜槽旋动电动机3，用于旋动溜槽，旋动电动机3也与比例方向阀6的输出端相连， 在比例方向阀6的控制下驱动溜槽旋转； 比例方向阀6，输出端与直线油缸1以及旋动电动机3相连，控制直线油缸1以及 旋动电动机3的运转的行程，从而控制传动倾角，比例方向阀6的输入端与比例放大模块10 相连； PLC控制系统7，输出端为比例放大模块IO，将倾角位置控制信号通过比例放大模 块10传送给传动设备，输入端与溜槽抬起终端极限4、溜槽落下终端极限4'相连；
比例放大模块IO，输出端与比例方向阀6相连，输入端与PLC控制系统7相连，比 例放大模块10形成控制比例方向阀6的信号； 绝对值编码器5，是一种测量反馈装置，设置在溜槽附近，用于检测溜槽倾动角度 位置信号；绝对值编码器5的输出端与PLC控制系统7的高速计数器模块8相连，将位置实 测信号传送给a角PLC控制系统7的高速计数器模块8 ; 溜槽抬起终端极限开关4，溜槽落下终端极限开关4'，确定溜槽起始以及终端位 置，保证倾角位置模块的准确运行和溜槽装置2的更换，两个开关的输出端均与DI输入模 块9相连； 布料器工作方式选择转换开关18，用于布料器a角的自动或手动方式选择；
布料器a角操作模块19，用于将存贮在倾动角度抽出程序模块15内的溜槽倾角 的倾动角度抽出； 监控模块20，用于确认布料器a角操作模块19抽出的角度； 给定模块21，用于将高炉操作设定的高低料线和布料器a角操作模块19进行比
较，确定两个与高低料线相关的倾角，将两个与高低料线相关的倾角值作为倾动角度设定值。 上述PLC控制系统7包括 综合逻辑模块17，用于将布料器工作方式选择转换开关18、布料器a角操作模 块19、监控模块20、给定模块21所检出的与高低料线相关的倾角控制信息进行综合逻辑比 较，作为CPU模块13所需的溜槽倾动位置控制参数。综合逻辑模块17的一个输出端与CPU 模块13相连，另外一个输出端与布料控制程序模块16相连，将布料器溜槽倾角的倾动位置 存储在布料控制程序模块16中。CPU模块13将综合逻辑模块17检出的溜槽倾动位置控制 参数，作为从倾动设定角度模块和倾动角度抽出模块15从布料控制程序模块16中取出的 溜槽倾动位置控制程序的控制变量来对溜槽倾动位置进行控制； 连接在布料控制程序模块16的输出端的倾动角度抽出模块15从布料控制程序模 块16中取出的溜槽倾动位置控制程序； DI输入模块9，与溜槽抬起终端极限4、落下终端极限4'的输出端相连，用于接收 控制条件信号； 高速计数器模块8，与绝对值编码器5相连，对绝对值编码器5产生的脉冲信号进 行转换，绝对值编码器检出的倾动角度脉冲输出信号经高速计数器模块8处理后作为CPU 模块13处理数据。 上述DI输入模块9检出的溜槽抬起终端极限4、落下终端极限4'信息、高速计数 器模块8搜集的倾动角度脉冲输出信息输出到CPU模块13 ; CPU模块13，与高速计数器模块8的输出端、DI输入模块9的输出端、倾动设定角 度模块14的输出端以及综合逻辑模块17的输出端相连；其中，CPU模块13与高速计数器模 块8的输出端相连，根据倾动设定角度模块14的设定值，将综合逻辑模块17检出的溜槽倾 动位置控制参数反馈值，由存储在CPU模块13中的布料程序进行运算并转换成偏差信号， 产生的偏差经带有不灵敏区的PID算法模型的程序进行控制，综合比较计算后其控制信号 转换成为4 20mA模拟量输出信号送至模拟量输出模块11。
模拟量输出模块11与比例放大模块10的差动输入端连接；
CPU将综合逻辑模块17综合比较计算后检出的连锁控制信号转换成为24VDC开关 量输出信号送至DO开关量输出模块12 ; DO开关量输出模块12的输出端与比例放大模块10的外部释放输入端连接；
在控制过程中，DO开关量输出模块12的输出值作为比例放大模块10的使能信号， 模拟量输出模块11作为比例放大模块10的差动输入信号。 在预先设定的比例方向阀6的位置控制全行程时间和规定输出不灵敏时间及比 例方向阀6最小动作时间的运行条件下，倾角位置控制信号由模拟量输出模块11送至比例 放大模块10中，比例放大模块10形成控制比例方向阀控制电磁铁6的信号。当a角位置 为正偏差时，直线油缸l使溜槽向下倾动，反之当a角位置为负偏差时，油缸l使溜槽向上 倾动。a角由倾动角度抽出模块15、布料控制程序模块16加以确定，并在监控模块20中 与a角的实际位置相比较，进行监控。 本发明还提供一种具有改变a角并应用布料溜槽倾动控制装置对a角度进行控
制作为调节手段的有效位置的控制方法。a控制系统是溜槽倾动控制的主体。 本发明高炉无料钟炉顶旋转溜槽副传动倾角自动控制控制方法包括 信息采集步骤，信息采集设备对溜槽2的倾动角度位置信息以及溜槽位置的信息
进行采集，并传到PLC控制系统7中； 控制信号生成步骤，PLC控制系统7分析信息采集设备采集的信息，生成控制信 号，并将控制信号输送给传动设备； 传动控制溜槽步骤，传动设备根据PLC控制系统7的控制信号，对溜槽2的倾动角 度进行控制，当倾动角度位置为正偏差时，传动设备使溜槽向下倾动，当倾动角度位置为负 偏差时，传动设备使溜槽向上倾动。
倾动位置信号采集的流程为 a角抬起终端极限4、落下终端极限4'作为控制条件信号进入DI输入模块9 ;绝 对值编码器5将位置实测信号传送给a角PLC控制系统7的高速计数器模块8。
两个重要电气参数的自动测量 第一个是倾动角度参数的测量，即由铰接在布料器托圈上的竖向指示杆，通过齿 条齿轮将直线运动变为转动，带动绝对值编码器将角度变化信号输入高速计数器模块8。在 溜槽旋转过程中，指示杆上下串动约为3 4mm，可引起0.20左右的控制偏差。由于齿条齿 轮机构、传动接手等模块还有间隙存在"惰性"倾动角度变化很小，倾动角度基本能够满足 0. 50的控制要求。 第二个是a角最大摆角和最小摆角的检测即由铰接在布料器托圈上的竖向指示 杆，通过齿条齿轮将直线运动变为撞尺转动，碰撞最大摆角或最小摆角极限开关并使其相 应动作，摆角的极限信号输入DI输入模块9，用以校准或更换溜槽的操作。
布料溜槽倾动技术指标 1.倾动角度的传动方式置于布料器密封箱盖上的在圆周上等距布置的三个驱
动直线油缸一中间接杆一升降托圈一主托辊一浮动框架一曲柄一溜槽摆角； 2.运行速度 溜槽下落V。dr。p = 2° /sec 溜槽抬起V。ufe = 1.5° /sec
3.摆角amin= 10° ;^隨=45° 4.三个驱动直线油缸的上下腔油路分别上下各联在一起，工作时由布料器密封箱 内的竖向滑道实现严格同步。 5.找准角度±0.2° ，当出现油缸内泄漏时误差不大于0.5。，否则自动找回原
工作角度。
6.布料方式 自动布料单环、双环、多环。
定点布料手动操作，定点误差人工掌握。
布料溜槽倾动控制 a角驱动直线油缸以并联集中控制的方式工作，为避免驱动直线油缸频繁动作， a角比例方向阀6系统的动作是以脉冲形式完成的。当a角偏差超过士0.50时，才开始 动作进行位置调节。当实际的a角偏小时，调节系统使比例方向阀6上升线圈得电，驱动 直线油缸上升，加大a角，达到给定的a角值时，比例方向阀6上升线圈失电，溜槽停止不 动。反之，当实际的a角偏大时，调节系统使比例方向阀6下降线圈得电，驱动直线油缸下 降，减小a角，达到给定的比例方向阀输出脉冲宽度对应的a角值时，比例方向阀6下降 线圈失电，溜槽停止不动。 为避免系统在瞬间产生的偏差下，调节动作过于频繁，系统设置不灵敏区。
不灵敏区是指开始动作时的偏差上限与下限之间的区域，不灵敏区的大小可以进 行调整，应尽量縮小。不灵敏区图2所示，当a角偏差达到一定值时，开始进行调节。当a 角实测值达到Al切换点(a角正向纠偏点)，系统控制比例方向阀和直线油缸动作，溜槽倾 动系统一经动作，便持续到a角减少至Bl切换点(a角正向纠偏结束点)才停下，此时驱 动直线油缸停止不动，比例方向阀6线圈停止动作，调节过程结束。反之，当a角实测值达 到A2切换点(a角反向纠偏点)，系统控制比例方向阀和直线油缸动作，溜槽倾动系统一 经动作，便持续到a角减少至B2切换点(a角反向纠偏结束点)才停下，使驱动直线油缸 对应a角给定值上升，此时驱动直线油缸停止不动，调节过程结束。实际上调节系统在不 灵敏区的上限以下和下限以上这个范围，是不会动作的。另外，a角A1/A2切换点和a角 Bl/B2切换点可以调整的。
7.调整方法 7. 1按溜槽倾动点a角给定值进行调整时的带不灵敏区的PID控制算法为
当I E I《e时，执行PID指令;
当I E I > e时，不执行PID指令；
式中E-偏差，E = SV-PV ; e — |不灵敏区(偏差)区间。 式中e是一个可调参数，具体数值根据溜槽的调试情况而定。
SV-设定值 PV-输入值 调试时因注意 E值过小起不到避免系统振荡的作用；
E值过大，系统会产生较大的滞后； 7. 2带不灵敏区的PID流程图 如图3所示，显示了带不灵敏区的PID流程。 8.输出脉冲宽度变换 当倾动输出动角度超过积分停止线Al或A2时，积分停止，输出脉冲宽度变换为 通。如果pv测量值减少即倾动角度低于积分开始线Bl或B2时，输出脉冲宽度变换为断， 积分开始。 当输出脉冲宽度变换为通时，图4显示了 a角驱动直线油缸比例方向阀输出脉冲 宽度变换图。 9.输出脉冲宽度变换的切换点 输出脉冲宽度变换的操作点应综合考虑操作点和不灵敏区、偏差、输出脉冲宽度
之间的关系 如果E《丽， Al = e ;B1 = e-丽， 或A2 = e ;B2 = e-丽。 如果E〉丽， Al = e-丽+E ;B1 = e-丽， 或A2 = e-丽+E ;B2 = e-丽。 式中 A1-A1切换点 B1-B1切换点 E-偏差； e —|不灵敏区； 丽-输出脉冲宽度。 图5显示了 E《丽输出脉冲宽度变换的操作点示意图，图6显示了 E >丽输出 脉冲宽度变换的操作点示意图。 以上仅为发明的最佳实施方式，本领域普通技术人员可在实施方式的提示下进行 各种改变，因此专利权保护范围以权利要求的内容为准。
权利要求
一种高炉无料钟炉顶旋转溜槽副传动倾角自动控制装置，对溜槽(2)的倾角进行控制，其特征在于，包括信息采集设备，采集溜槽(2)的倾动角度位置信息以及溜槽位置的信息，并传到PLC控制系统(7)中；PLC控制系统(7)，分析信息采集设备采集的信息，生成控制信号，并将控制信号输送给传动设备；传动设备，根据PLC控制系统(7)的控制信号，对溜槽(2)的倾动角度进行控制。
2. 根据权利要求1所述的溜槽副传动倾角自动控制装置，其特征在于 传动设备包括比例方向阀(6)、旋动电动机(3)以及溜槽副传动倾动角度驱动直线油缸(1);其中:直线油缸(1)与比例方向阀(6)的输出端相连，用于在比例方向阀(6)的控制下驱动 溜槽倾动，直至达到倾动设定角度；溜槽旋动电动机(3)，控制溜槽旋动；比例方向阀(6)，输出端与直线油缸(1)以及旋动电动机(3)相连，控制直线油缸(1) 以及旋动电动机(3)的运转，从而控制传动倾角，比例方向阀(6)的输入端与PLC控制系统 (7)的输出端相连。
3. 根据权利要求1所述的溜槽副传动倾角自动控制装置，其特征在于 PLC控制系统(7)，其输出端连接比例放大模块(IO)，倾角位置控制信号通过比例放大模块(10)传送给传动设备，PLC控制系统(7)的输入端与信息采集设备相连。
4. 根据权利要求3所述的溜槽副传动倾角自动控制装置，其特征在于，PLC控制系统 (7)还包括:综合逻辑模块(17)，综合逻辑模块(17)的一个输出端与CPU模块(13)相连，另外一个 输出端与布料控制程序模块(16)相连，将布料器溜槽倾角的倾动位置存储在布料控制程 序模块(16)中;倾动角度抽出模块(15)，连接在布料控制程序模块(16)的输出端，从布料控制程序模 块(16)中取出的溜槽倾动位置控制程序；倾动设定角度模块(14)，连接在倾动角度抽出模块(15)与CPU模块(13)之间，用于设 定倾动角度；DI输入模块(9)，与信息采集设备相连，用于接收控制条件信号；高速计数器模块(8)，与信息采集设备相连，对信息采集设备产生的脉冲信号进行转换；CPU模块(13)，与高速计数器模块(8)的输出端、DI输入模块(9)的输出端、倾动设定 角度模块(14)的输出端以及综合逻辑模块(17)的输出端相连；其中，CPU模块(13)与高速计数器模块(8)的输出端相连，将高速转换后的信号与存 储在CPU模块(13)中的布料控制程序模块倾动设定角度值比较，产生的偏差经带有不灵敏 区的PID算法模型计算；模拟量输出模块(ll)，DO输出模块(12)的输入端分别连接在CPU模块(13)的输出端 端；模拟量输出模块(11)， D0输出模块(12)的输出端分别与比例放大模块(10)连接；倾角位置控制信号由模拟量输出模块(11)送至比例放大模块(10)中。
5. 根据权利要求4所述的溜槽副传动倾角自动控制装置，其特征在于 信息采集设备包括溜槽抬起终端极限(4)、溜槽落下终端极限(4')、绝对值编码器(5)，其中:绝对值编码器(5)检测溜槽倾动角度位置信号，其输出端与PLC控制系统(7)的高速 计数器模块(8)相连，将位置实测信号传送给PLC控制系统(7)的高速计数器模块(8);溜槽抬起终端极限开关(4)，溜槽落下终端极限开关(4')，分别确定溜槽起始以及终 端位置，两个开关的输出端均与DI输入模块(9)相连。
6. 根据权利要求4所述的溜槽副传动倾角自动控制装置，其特征在于，还包括布料器工作方式选择转换开关(18)，用启动倾角自动控制；布料器a角操作模块(19)抽出倾动角度；监控模块(20)，用于确认布料器a角操作模块(19)抽出的角度； 给定模块(21)，用于将高炉操作设定的高低料线和布料器a角操作模块(19)进行比 较，确定两个与高低料线相关的倾角，将两个与高低料线相关的倾角值作为倾动角度设定值。
7. —种高炉无料钟炉顶旋转溜槽副传动倾角自动控制方法，其特征在于，包括 信息采集步骤，信息采集设备对溜槽(2)的倾动角度位置信息以及溜槽位置的信息进行采集，并传到PLC控制系统(7)中；控制信号生成步骤，PLC控制系统(7)分析信息采集设备采集的信息，生成控制信号， 并将控制信号输送给传动设备；传动控制溜槽步骤，传动设备根据PLC控制系统(7)的控制信号，对溜槽(2)的倾动角 度进行控制，当倾动角度位置为正偏差时，传动设备使溜槽向下倾动，当倾动角度位置为负 偏差时，传动设备使溜槽向上倾动。
8. 根据权利要求7所述的溜槽副传动倾角自动控制方法，其特征在于 在信息采集步骤中，包括对倾动角度参数的测量由铰接在布料器托圈上的竖向指示杆，通过齿条齿轮将直线运动变为转动，带动绝对值编码器将角度变化信号输入高速计数 器模块。
9. 根据权利要求7所述的溜槽副传动倾角自动控制方法，其特征在于 在信息采集步骤中，包括倾动角最大摆角和最小摆角的检测由铰接在布料器托圈上的竖向指示杆，通过齿条齿轮将直线运动变为撞尺转动，碰撞最大摆角或最小摆角极限开关并使其相应动作，摆角的极限信号输入DI输入模块，用以校准或更换溜槽的操作。
10. 根据权利要求7所述的溜槽副传动倾角自动控制方法，其特征在于在控制信号生成步骤中，包括设置不灵敏区的步骤，不灵敏区为开始动作时的偏差上 限与下限之间的区域，传动设备在不灵敏区的上限以下和下限以上这个范围不动作。
全文摘要
本发明提供一种高炉无料钟炉顶旋转溜槽副传动倾角自动控制装置及方法，对溜槽的倾角进行控制。自动控制装置包括信息采集设备，采集溜槽的倾动角度位置信息以及溜槽位置的信息，并传到PLC控制系统中；PLC控制系统，分析信息采集设备采集的信息，生成控制信号，并将控制信号输送给传动设备；传动设备，根据PLC控制系统的控制信号，对溜槽的倾动角度进行控制。本发明的装置和方法，消除了溜槽副传动倾角驱动直线油缸行程控制找准角度的偏差给高炉布料带来的影响，充分发挥该型无料钟布料器的理想布料优越性，确保冶炼过程的稳定性。此外，本发明能够防止溜槽副传动倾角驱动直线油缸的电磁换向阀频繁切换，保持液压系统稳定的输出特性。
文档编号G05D3/10GK101714001SQ20091022554
公开日2010年5月26日 申请日期2009年11月30日 优先权日2009年11月30日
发明者赵琪琳 申请人:中冶东方工程技术有限公司