液壓伺服比例閥在大型高爐布料控制技改中的應(yīng)用
1．無料鐘爐頂實(shí)現(xiàn)精確布料的原理
現(xiàn)代化的高爐為了最大限度的提高冶煉效率，均采用了料流調(diào)節(jié)閥加布料溜槽的控制方式來實(shí)現(xiàn)礦、焦在爐內(nèi)的精確布料，料流調(diào)節(jié)閥和布料溜槽控制布料的原理如圖49和圖50所示。
高爐爐料（燒結(jié)礦、球團(tuán)礦或焦炭等）經(jīng)過槽下配料工藝后先進(jìn)入到爐頂?shù)纳狭隙泛拖铝隙?，在高爐接到布料指令后，其下料斗的料流調(diào)節(jié)閥首先按工藝要求開到給定的開度（即γ角），這時(shí)爐料按一定的流量經(jīng)布料滾筒后流到布料溜槽上，此時(shí)布料溜槽已經(jīng)按工藝要求升到一定的傾動(dòng)角度（即α角），同時(shí)布料溜槽還在水平面方向上進(jìn)行著勻速旋轉(zhuǎn)（即β角），這樣爐料就可均勻布到高爐料面。
從爐頂布料控制原理可以看出，只要控制好α、β、γ三個(gè)角度，就可以把爐料按任意形式布到爐內(nèi)。高爐布料方式有環(huán)形布料、扇形布料和定點(diǎn)布料等幾種形式。最多使用的是環(huán)形布料，即一批料以不同的傾動(dòng)角度布到爐內(nèi)，形成以爐中心為圓心的數(shù)個(gè)圓環(huán)，使?fàn)t料均勻布在爐內(nèi)。根據(jù)環(huán)形布料環(huán)數(shù)的多少還分為單環(huán)布料和多環(huán)布料，最常用的為一環(huán)到四環(huán)布料。如果冶煉過程中出現(xiàn)爐內(nèi)料面不均勻的情況，則可以利用扇形布料或定點(diǎn)布料來彌補(bǔ)，或者爐長(zhǎng)根據(jù)爐況需要，為改善透氣性、保護(hù)爐壁使其溫度不致過熱等原因，采用扇形或定點(diǎn)布料的方法來改善爐內(nèi)爐料的分布狀態(tài)。
在爐頂布料控制中，下料斗料流調(diào)節(jié)閥的開度控制（即γ角的控制）是至關(guān)重要的，因?yàn)橹挥笑媒强刂凭_，才能有效控制下料的料流量，進(jìn)而準(zhǔn)確控制每批料布料的厚度、環(huán)數(shù)及布料的起點(diǎn)和終點(diǎn)。
2．利用液壓伺服比例系統(tǒng)控制料流調(diào)節(jié)閥的可行性
采用液壓系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)料流調(diào)節(jié)閥的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力矩較大，可以使系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間大幅縮短，另外其控制也比較簡(jiǎn)單，即使用兩個(gè)普通的液控單向閥來控制液壓缸的開度，進(jìn)而達(dá)到控制角開度的目的，如圖51所示。一般大型高爐大都采用這種方式，但這種方式的缺點(diǎn)也很明顯：其一是普通液壓系統(tǒng)控制的液壓缸，其推力受系統(tǒng)壓力的影響比較大，容易形成沖擊，對(duì)料流閥的壽命有著一定的影響；其二也是比較重要的，就是其精度很難控制，這是因?yàn)榱狭鏖y在開到給定角度時(shí)，由于里面充滿了爐料，必須要求一次到位而不能反復(fù)調(diào)節(jié)，而普通的液壓系統(tǒng)是不能滿足這種要求的。而利用液壓缸一次定位的精度誤差又比較大，一般在1.5°～2.0°，有時(shí)竟達(dá)到2.5°～3.5°。這樣的精度在高爐布大粒度料（例如20mm以上的燒結(jié)礦或焦炭）時(shí)可能影響不是太嚴(yán)重，但是在需要布小粒度料的時(shí)候，尤其是小于5mm的碎礦或碎焦時(shí)，就很難控制甚至無法控制了。
在大型高爐上，充分利用液壓系統(tǒng)推力大、動(dòng)作速度快的特點(diǎn)，又能最大限度消除系統(tǒng)壓力變化對(duì)推力的影響，減小對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的沖擊，同時(shí)把控制精度大幅提高，這是理想狀態(tài)。
基于以上思路，某公司在一煉鐵廠1號(hào)1750m3高爐上采用了液壓伺服比例控制系統(tǒng)來代替原先的普通液壓系統(tǒng)控制料流調(diào)節(jié)閥，獲得了較好的效果。
3．伺服比例系統(tǒng)控制料流調(diào)節(jié)閥的原理
(1)液壓伺服比例系統(tǒng)控料流閥的原理圖如圖53所示。伺服比例閥通過自帶的集成放大器，可以連續(xù)調(diào)節(jié)伺服比例閥的開度，這是與普通液控單向閥的最大不同。由于伺服比例閥的開度連續(xù)可調(diào)，因此供給液壓缸油的流量也是連續(xù)可調(diào)，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓缸的速度、推力的連續(xù)調(diào)節(jié)和控制。
(2)電氣控制系統(tǒng)，采用了施耐德公司的QUANTUM系列PLC控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)
采集爐頂料流調(diào)節(jié)閥的實(shí)際開度返回值（由自整角機(jī)或光電編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)換成實(shí)際角度），接收爐頂控制系統(tǒng)發(fā)出的γ角開度大小和動(dòng)作指令。在經(jīng)過分析處理后，把開度指令轉(zhuǎn)換成4～20mA的電信號(hào)發(fā)給伺服比例閥的集成放大器，用來控制伺服比例閥的開度。為了使系統(tǒng)既能有較大的推力和快速性，又能夠達(dá)到較理想的準(zhǔn)確度，在控制方式上采用了PID開環(huán)控制和PID閉環(huán)控制相結(jié)合的方法，其控制流程如圖53所示。
PID調(diào)節(jié)的全稱是比例積分微分控制調(diào)節(jié)器。PLC控制系統(tǒng)首先檢測(cè)γ角的給定值和實(shí)際返回值，并計(jì)算出它們的差值δ，當(dāng)引直大于某個(gè)角度（比如2°），
這時(shí)給定伺服比例閥較大的開度值，使液壓缸高速大推力運(yùn)行；當(dāng)δ值小于某個(gè)角度，即γ角接近給定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入PID調(diào)節(jié)控制狀態(tài)，即隨著8值的減小，控制系統(tǒng)給定伺服比例閥的開度值也按比例減小，直至為零。當(dāng)料流調(diào)節(jié)閥到達(dá)給定位置后（角的給定值與實(shí)際返回值之差＜0.1°），起動(dòng)液壓鎖（電磁球閥動(dòng)作，使得液控單向閥動(dòng)作，切斷液壓缸進(jìn)油和出油回路），使液壓缸定位。這樣使液壓缸推動(dòng)料流調(diào)節(jié)閥既能快速到位，叉能減小對(duì)設(shè)備的機(jī)械沖擊，并保證較高的精度。
液壓伺服比例系統(tǒng)本身具有較高的放大系數(shù)，另外還有機(jī)械系統(tǒng)固有頻率的影響。因此，如果PID調(diào)節(jié)的各項(xiàng)參數(shù)（如比例、微分、積分系數(shù)、延時(shí)時(shí)間、偏移量等）調(diào)整不好，系統(tǒng)極易產(chǎn)生振蕩，所以各項(xiàng)PID參數(shù)的設(shè)置需要反復(fù)試驗(yàn)，以達(dá)到最好的效果。
4．實(shí)際應(yīng)用及效果
一煉鐵廠1號(hào)1750m3高爐是某公司第一座大型高爐，原來的爐頂料流調(diào)節(jié)閥采用的是普通液壓缸控制，γ角精度較低，誤差最大時(shí)達(dá)到2.8°，而且在料流調(diào)節(jié)閥全開和全關(guān)時(shí)機(jī)械沖擊較大。為了解決這一問題，對(duì)料流調(diào)節(jié)閥的控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，依照上述原理及方法，新加了一套液壓伺服比例控制系統(tǒng)，伺服比例閥選用BOSCH-REXROTH公司的高頻響伺服比例閥，電氣控制系統(tǒng)采用了QUANTUM系列的CPU53414，經(jīng)過改造后，實(shí)際效果非常理想。角的精度達(dá)到了0.1°，全行程動(dòng)作時(shí)間小于4s，系統(tǒng)在整個(gè)行程動(dòng)作平穩(wěn)，不再產(chǎn)生較大的機(jī)械沖擊。