CN102660656B - 高炉粒化脱水转鼓速度控制***及方法 - Google Patents

高炉粒化脱水转鼓速度控制***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高炉粒化脱水转鼓速度控制***及方法，通过液位传感器、速度传感器、变频器将控制转鼓所需的转鼓液位、转鼓速度、负载转矩信号采集到PLC中，在所述PLC中通过递推平均滤波法对所述采集信号进行滤波处理，以保证信号的可靠性；再根据速度-液位函数模型及速度-转矩函数模型，计算出转鼓所需的速度；最后采用闭环控制方法对转鼓速度进行控制。采用本发明的速度控制***及方法，能够根据高炉出渣量的大小，自动调节转鼓速度，保证水渣的产品质量及整个控制***的持续稳定运行。

Description

高炉粒化脱水转鼓速度控制***及方法
技术领域
本发明涉及高炉渣处理技术，尤其涉及高炉粒化脱水转鼓速度控制***及方法。
背景技术
粒化脱水转鼓是广泛应用于高炉渣处理***的水渣分离设备，转鼓要满足控制要求，即转鼓的速度必须跟高炉出渣量相匹配。若速度响应过快，炉渣的含水量较多，会影响水渣产品质量；速度响应过慢，则会导致留在转鼓内的炉渣量过多，造成转鼓堵转停机，影响高炉生产。
现有的脱水转鼓速度控制方法，主要有如下两种：
1）采取固定速度的方法，根据生产人员的经验手动改变转鼓的速度，转鼓速度不能根据渣量大小自动调节，不仅对产品质量及整个渣处理控制***的可靠稳定运行会造成影响，也不符合节能环保要求。
2）采用速度自动调节的方法，但采取的是开环控制，***稳定性差，对***机械设备、电气设备的性能要求更高，对于那些透水性差及出铁后期渣量大的高炉渣，往往控制效果不好。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高炉粒化脱水转鼓速度控制***及方法，以提高转速控制***的稳定性及自适应能力，保证水渣的产品质量及控制***的持续稳定运行。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种高炉粒化脱水转鼓速度控制装置，其主要包括：
可编程控制器PLC，用于转鼓电机的启动及速度调节控制；上位机，用于画面监控以实现对转鼓运行状态、运行速度进行监控以及下达转鼓控制指令；所述PLC和上位机通过以太网相连接；
液位检测装置，用于测量转鼓液位，并将其转换为模拟信号输入所述PLC；
速度检测装置，用于测量转鼓速度，并将所述转鼓速度转换成模拟信号输入所述PLC；
变频器，分别与所述PLC和转鼓电机相连，用于实现变频器与所述PLC之间的信号交接，以及根据所述PLC计算出的给定速度值调节转鼓电机的转速。
其中，所述***进一步包括与变频器相连的就地操作箱，供检修、应急时对转鼓速度进行控制。
所述变频器与所述PLC之间的信号交接的方式为：向所述PLC传送所述变频器的运行、故障、电流、转矩信号，并接收所述PLC下达的指令；或，将PLC作为主站，变频器作为从站，通过现场总线方式实现所述PLC与变频器之间的信号交接。
所述液位检测装置为液位计，其将转鼓液位转换成4～20mA的模拟量信号经控制电缆传入所述PLC。
所述速度检测装置为速度传感器，其将转鼓速度转换成4～20mA的模拟量信号经控制电缆传入PLC。
一种高炉粒化脱水转鼓速度控制方法，包括如下步骤：
A、对PLC采集到的转鼓水位、转矩及速度信号进行滤波的步骤；
B、确定转鼓速度的给定值的步骤；
C、确定反馈偏差 的值的步骤；
D、计算PID控制器输出给变频器调节转鼓速度值的步骤；
E、将所述速度偏差作为PID控制器的输入，PID控制器经过比例、积分、微分计算，将输出值送入变频器，从而实现转鼓速度的自动调节
其中，步骤B所述确定转鼓速度的给定值的过程为：根据转矩-速度曲线给出的速度与负荷转矩的关系函数，以及液位-速度曲线给出的速度与液位的关系函数，将上述两条曲线叠加，得到转鼓所需的给定值。
步骤C中确定反馈偏差的值的过程具体为：所述给定值与PLC采集的转鼓实际速度之间的偏差。
步骤D所述计算PID控制器输出给变频器调节转鼓速度值的步骤，包括：
D1：根据具体情况，设定一阈值>0；
D2：当偏差值大于此阈值即，采用PD控制避免过大的超调；
D3：当偏差值小于等于此阈值，采用PID控制；
D4：采用积分分离PID控制算法，得出PID输出至变频器调节转鼓速度值：
；
其中：比例系数 ，积分时间常数，微分时间常数，
为积分项的开关系数 。
本发明所提供的高炉粒化脱水转鼓速度控制***及方法，具有以下优点：
本发明的速度控制***，控制室配置PLC、上位机、现场配置速度检测装置、液位检测装置和变频器，采用变频器驱动转鼓电机，变频器输出转矩的变化直接反映转鼓内负载的大小，PLC根据变频器输出转矩及转鼓液位的变化，利用转速与转矩和转速与转鼓液位的函数曲线，计算出速度给定值，根据转鼓的实际速度作为反馈值，两者经过PID运算，结果送变频器调节转鼓速度。因此能够根据高炉出渣量的大小，自动调节转鼓速度，节能环保。而且通过采用改进型积分分离式PID闭环控制方法，能够大大提高转速控制***的稳定性及自适应能力，从而保证了水渣的产品质量及整个控制***的持续稳定运行。
附图说明
图1为本发明的高炉粒化脱水转鼓速度控制***的硬件架构示意图；
图2为本发明的控制***原理示意图；
图3为速度-转矩函数曲线模型；
图4为速度-液位函数曲线模型；
图5为积分分离PID算法流程框图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的转速控制***及方法作进一步详细的说明。
如图1所示的转鼓控制***，其配置有如下设备：
1）主控制室配置可编程控制器（PLC）及上位机，所述PLC用于转鼓电机启动及进行速度调节控制。上位机监控画面能实现对转鼓运行状态、运行速度的监控，并能通过HMI下达转鼓控制指令。所述PLC和上位机通过以太网建立通讯连接。
2）电气室配置与转鼓电机匹配的变频传动柜（变频器）。传动柜进线配置交流 380V 50HZ动力电源。其中，变频器与PLC之间的信号交接（即二者间进行通讯）可以通过两种方式：一是可以通过控制电缆将变频器的运行、故障、电流、转矩等信号传送至PLC的I/O模块，并把PLC下达的指令传送至变频器；二是通过现场总线方式，PLC作为主站，变频器作为从站，通过该总线实现PLC与变频器之间的信号交接。具体形式可以根据不同项目实际情况选择。
3）现场配置液位检测装置，如测量转鼓液位的液位计，将所述转鼓液位转换成4~20mA模拟量信号由控制电缆接入PLC。
4）现场配置速度检测装置，如测量转鼓速度的速度传感器，将转鼓速度转换成4~20mA模拟量信号也由控制电缆接入PLC。
5）设置现场就地操作箱，供检修、应急时实现对转鼓的控制。就地操作箱与传动柜（变频器）之间通过控制电缆实现信号交接。
图2为本发明的控制***原理示意图，如图2所示，其控制过程包括如下步骤：
步骤21：对采集到的信号进行滤波。为减少噪声和干扰对模拟量信号的影响，保证自动控制可靠，需要对采集到的PLC的转鼓内水位、转鼓转矩及转鼓速度信号进行滤波。软件滤波采用递推平均滤波法。具体策略为：连续采取个采样值（），作为一个队列；下次采集到的新数据放入对尾，并去掉队首的一次数据；把对列中的个数据进行算术平均计算，计算结果即可用来计算转鼓速度。
步骤22：确定转鼓速度的给定值。转鼓速度的调节取决于2个变量：负荷转矩和转鼓液位。第一条转矩-速度曲线模型（如图3），给出了速度与负荷转转矩的关系，第二条液位-速度曲线模型（如图4），给出了速度与液位的关系，图3和图4所示的曲线模型仅为示意，具体到每个设备要现场调试确定。将这二条曲线叠加，就得到转鼓所需的给定值。在PLC中编写程序实现上述函数关系。
步骤23：确定反馈偏差的值。所述给定值与PLC采集的转鼓实际速度之间的偏差。
步骤24：采用PID控制器计算控制器输出给变频器调节转鼓速度值。其用到的PID算法是经典的工业控制算法，根据不同的应用场合又有很多改进及智能控制算法。对转鼓这种低速大惯性设备，并且设备在启动、停止及运行过程中出渣量都会有很大波动，短时间内***输出会有很大的偏差，会造成PID算法积分积累，引起***较大的超调甚至***震荡，这在转鼓运行过程中是不允许的。本发明在经典PID控制基础上进行了改进，采用了积分分离PID控制算法，使控制性能有了较大改善。所述积分分离PID算法的实现过程如下：
步骤241：根据具体情况，人为设定一阈值>0。
步骤242：当偏差值大于此阈值即，采用PD控制避免过大的超调，又可保证***有较快的响应。
步骤243：当偏差值小于等于此阈值，采用PID控制，保证***的控制精度。
步骤244：积分分离PID控制算法如下：
；
其中：比例系数 ，积分时间常数，微分时间常数，
为积分项的开关系数 。相应的程序算法流程框图如图5所示。
步骤25：将速度偏差作为PID控制器的输入，PID控制器经过比例、积分、微分计算，将输出值送入变频器，从而实现转鼓速度的自动调节。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高炉粒化脱水转鼓速度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、对PLC采集到的转鼓水位、转矩及速度信号进行滤波的步骤；
B、确定转鼓速度的给定值的步骤，包括：根据转矩-速度曲线给出的速度与负荷转矩的关系V=f(T)函数，以及液位-速度曲线给出的速度与液位的关系V=f(L)函数，将上述两条曲线叠加，得到转鼓所需的给定值Vg=f_T)+f(L)；
C、确定反馈偏差e的值的步骤；所述给定值Vg与PLC采集的转鼓实际速度Vf之间的偏差e=Vg-Vf；
D、计算PID控制器输出给变频器调节转鼓速度值的步骤，包括：D1：根据具体情况，设定一阈值ε>0；D2：当偏差值|e|大于此阈值即|e|＞ε，采用PD控制避免过大的超调；D3：当偏差值|e|小于等于此阈值|e|≤ε，采用PID控制；D4：采用积分分离PID控制算法，得出PID输出至变频器调节转鼓速度值：
u ( t ) = k p { e ( t ) + β 1 T i ∫ 0 t e ( t ) dt + T d de ( t ) dt } ;
其中：kp比例系数，Ti积分时间常数，Td微分时间常数，β为积分项的开关系数 β = 1 | e | ≤ ϵ 0 | e | > ϵ ;
E、将所述速度偏差e作为PID控制器的输入，PID控制器经过比例、积分、微分计算，将输出值送入变频器，从而实现转鼓速度的自动调节。
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