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高炉槽上供料系统控制策略研究

马 智 慧

( 中冶南方工程技术有限公司 自动化二部，湖北 武汉 430223)

摘 要: 针对高炉槽上供料过程的工艺特点以及现有控制策略存在的不足，开发了一种基于接近开关定位方式的卸料车控制策略。通过对料仓料位信息的分析以及对卸料小车所在位置与目标位置的逻辑判断，给出一种复用性高的卸料车全自动多峰卸料策略，实现了料仓的全自动安全装料。该控制策略具有很强的故障诊断和故障处理能力，保证了原燃料供应的顺行和料仓的备料能力。

关 键 词: 高炉; 槽上供料系统; 供料控制; 多峰卸料

0 引言

高炉槽上供料系统是高炉原燃料供应流程的重要环节，它承担着为高炉槽下配料系统提供原料、为高炉冶炼储备原燃料的关键任务，与槽下配料顺行与否以及保证高炉高利用系数密切相关。槽上供料系统一旦出现问题而又不能及时合理处理，将严重威胁高炉生产，造成巨大经济损失［1］。因此，高炉槽上供料系统控制策略的研究与应用迫在眉睫。

根据卸料小车定位传感器的不同，其控制方式分为 3 类: ( 1) 基于格雷母线定位的卸料车控制方式，该控制方式可以实现卸料车的精准定位，但由于格雷母线价格昂贵，该控制方式对传感器的成本投入要求较高，直接影响了该控制策略的推广应用; ( 2) 基于编码器定位的卸料小车控制方式，该方式对小车刹车时产生的滑动缺乏有效检测，且编码器价格昂贵，其技术瓶颈和价格劣势制约了此类控制方式的推广应用; ( 3) 采用接近开关定位的卸料车控制方式，接近开关定位准确，价格低廉，易于维护，该控制方式在多种场合中广泛应用。但在第 3 种控制方式下，控制策略的自动化程序和安全性方面仍然存在以下不足之处: ( 1) 控制策略多为手动控制策略，即操作人员选择卸料仓位，小车行至该料仓时进行卸料，手动操作大大增加了工人的劳动强度，同时易造成亏料、溢料等生产事故，影响槽上供料系统顺行; ( 2) 卸料车多采用单峰布料方式，料仓内料面不平整，影响料仓容积率，无法保证供料线设备检修等特殊情况下料仓的备料能力; ( 3) 卸料车安全控制策略较为单一、不够完善，无法保证特殊情况下卸料车的远程控制安全［2］。

针对现有控制方式和控制策略的不足，我们为高炉槽上供料系统提供一种基于接近开关定位的卸料车控制策略，该控制策略通过对当前限位和目标限位的比较，提高了任意料仓任意限位的组合情况下控制策略研究成果的复用性，实现了多峰卸料，保证了料仓容积率。同时，实现传感器失灵等情况下安全保护和控制策略的通用性，保证原燃料供应的顺行和料仓的备料能力。

1 控制对象

来自烧结机、原料场和焦炉的烧结矿、球块杂矿、焦炭经各自的运输线运至高炉槽上矿焦槽顶部，通过烧结矿卸料车、球块杂矿卸料车、焦炭卸料车卸入各自料仓中。图 1 是槽上供料系统的卸料小车的典型工艺流程图，本文所提出的控制策略可以适用于类似的卸料小车工艺流程。

2 控制策略

槽上供料策略核心是控制卸料车将原燃料送至指定料仓中，保证料仓不亏料、不溢料、不混料和高容积率，保证控制策略的通用性。具体策略是通过对料仓料位的连续检测和计算，控制程序获得各个料仓的料位数据和料位状态，通过比较各个料仓的料位数据，结合料仓的料位状态，程序自动设定卸料车的目标仓位和目标限位，并发出卸料车开往某个料仓卸料的命令，保证料仓不亏料、不溢料; 通过对目标限位和实际限位的逻辑比较，程序将产生卸料车前进或后退命令，实现卸料车的自动运行; 多峰卸料控制策略采用了定时方式，实现了卸料车同一料仓各个限位均匀卸料，减小了料仓堆尖高度，保证了料面平整度和料仓高容积率; 极限位停车和限位失灵时的保护策略，实现了限位故障时的自动判断和自动切除，确保了在传感器故障时，卸料过程不混料; 本控制策略提供了禁用限位和禁用料仓功能，保证在任意限位故障时控制策略的通用性。策略主要由以下 5 部分构成。

2． 1 卸料车目标仓位和目标限位计算

程序实时采集进料矿种的各个存储料仓的料位数据，并计算各个料仓的料位状态: 料位低( 料位略高于亏料料位) 、料位正常、料仓料满( 料位值略低于溢料料位) 。通过实时比较各个料仓的料位数据，结合料仓的料位状态，程序自动计算出卸料车的目标仓位，并驱动卸料车自动前往目标仓位进行卸料。例如: 当前进料矿种为南非矿，存储仓为 1 ～4 号料仓，小车正停止于 2 号料仓 2 号限位进行卸料。程序实时采集 1 ～ 4 号料仓的料位数据，并计算 1 ～ 4 料仓的料位状态，若 3 号料仓料位低且 2 号料仓料位正常或料满，程序自动将 3号料仓设定为目标仓位; 若 2 号料仓料满，程序则会比较其余 3 个料仓的料位数据，将料位最低的料仓设定为目标仓位。当 1 ～4 号料仓均料满时，程序将停止寻找目标仓，并向原料厂供料控制系统发送停料请求，在接收到对方的应答信号延时一段时间后，程序将依次逆续停止槽上块矿线皮带机。在寻找目标仓过程中，程序会自动选择目标仓中离当前位置最近的限位作为目标仓的目标限位，以保证卸料小车的最短行驶距离。程序判断逻辑如下: 若小车目标仓位值 Mc大于实际仓位值 Sc，则目标限位为 Mc号料仓 1 号限位; 若小车目标仓位值 Mc小于实际仓位值 Sc，则目标限位为Mc号料仓 3 号限位。

2． 2 小车前进和后退控制

程序分配 2 个寄存器 R1 和 R2，R1 存储卸料车到达( 所在) 矿仓的实际位置信息，R2 存储程序下达的小车要去的矿仓的目标位置指令信息，表 1所示为寄存器 R1 和 R2 的数值含义。例如: 程序计算出小车目标位置为 2 号料仓 3 号限位时，R2寄存器赋值为 6; 现场 3 号料仓 1 号限位有信号时，R1 寄存器为赋值为 7。

程序通过比较 R1 和 R2 寄存器中的数值确定小车运行方向。如图 1 所示，1 ～ 8 号料仓方向为正向，如果 R2 中数值大于 R1，则小车正向行驶;如果 R2 中数值小于 R1，则小车反向行驶; 如果R2 与 R1 中数值相等，则小车停止。

R1 寄存器的实际位置信息对正确控制小车的运动具有至关重要的意义，为了防止人为感应限位开关带来的误信号，只有当小车在前进或者后退时感应到的限位开关信号，程序才认定为有效数据存储到 R1 寄存器中，这样大大降低了停机检修时人为感应限位开关带来的不良信号干扰。

2． 3 多峰卸料实现

多峰卸料策略是供料控制策略的重要组成部分之一，程序采用定时方式，控制卸料车每隔一段时间移动一次位置，在同一料仓的 3 个限位上自动行走，顺序为“1-2-3-2-1”或“3-2-1-2-3”。按照既定的设定时间，小车可在料仓的多点自动卸料，实现了多峰卸料，确保了料仓高容积率。若此时接收到某料仓亏料或所在料仓料满信号后，小车则停止当前的多峰卸料，自动前往目标仓位。

2． 4 故障保护和报警

安全保护策略包括极限位停车保护和限位失灵判定与保护。极限位停车保护是当出现极限位信号时，程序将无条件停止卸料车，同时停止卸料车所在皮带机，该保护策略可有效防止小车冲出轨道和在料仓外堆料的情况发生。限位失灵的判定和保护是在卸料车带常规负荷的情况下，程序自动测算卸料车在相邻料仓之间、相邻限位之间的运行时间，从而可以计算小车在任意两个限位间的理论运行时间。当卸料车开往目标限位的实际运行时间超过理论运行时间 5 s( 可调) 时，程序自动判定当前目标限位故障，同时，自动禁用该限位，这时程序自动选择当前目标限位所在料仓的其他限位作为新的目标限位。若某一料仓 3 个限位均失灵而无法正确停车时，程序会自动禁用该料仓，小车便会自动寻找下一个目标仓停车。当料仓出现溢料情况时，程序无条件停止卸料车和卸料车所在的皮带机，以防止溢料情况加剧。以上任何故障信息出现时均可在控制室内进行声光报警，提醒操作人员及时进行检修和处理。

2． 5 限位失灵或料仓故障时的自动控制

为了保证在限位失灵或料仓故障时自动控制策略的复用性，自动控制策略支持人工选择禁用失灵限位和故障料仓而不影响这个自动控制策略的可靠性。当小车在多峰卸料和寻找目标仓时，程序会自动跳过被禁用的限位和被禁用的料仓。

例如: 卸料车在 1 ～ 4 号料仓装南非矿，如果 1 号料仓 2 号限位失灵、4 号料仓检修，则可选择禁用4 号料仓和禁用 1 号料仓 2 号限位，程序依然可以实现小车在 1 ～3 号料仓的自动装料，这时如果小车在 1 号料仓多峰卸料时则只停靠 1 号限位和 3号限位。禁用料仓的实现方法是任何一个料仓被禁用，程序会认定该料仓已经料满，小车便自动跳过料满的料仓去其他料仓中卸料; 禁用限位的实现方法采用规则法，归纳后逐一列举各种限位失灵的情况，当某一料仓 3 个限位都失灵后，自动禁用该料仓，自动控制策略仍可以继续进行。

3 控制策略应用

本控制策略在实际应用过程中，对于新建的项目，可采用 PLC 的 SCL 语言编程实现。对于技术改造的项目，可将本控制策略以模型的方式嵌入到原有控制系统组态平台的运行环境和操作平台下，利用可与之相兼容的 Visual C ++ 语言进行全自动控制策略模型的编写，数据通信采用基于OPC 技术，主要完成的功能是从控制系统的 OPC服务器取得实时数据，利用全自动控制策略模型，实现现场设备控制，完成集散系统与应用软件的无缝连接［3 －4］。系统的数据流程如图 2 所示。

4 结论

该控制策略已经于 2009 年 10 月、2010 年 11月、2011 年 12 月分别在涟源钢铁集团有限公司3 200 m3高炉、南京钢铁联合有限公司 8#高炉、方大特钢科技股份有限公司新 2#高炉的槽上原燃料供应系统中投入使用。应用结果表明，本文所讨论的控制策略，不论对于新建的槽上供料系统，还是改造的槽上供料系统，均很好地实现了卸料车全自动多峰卸料，确保了传感器失灵等情况下的安全保护，本控制策略可以保证在任意接近开关故障情况下应用的有效性和通用性，保证原燃料供应的顺行和料仓的备料能力。这是传统的控制策略无法做到的。

参 考 文 献:

［1］   马竹梧，邱建平，李 江． 钢铁工业自动化炼铁卷［M］．北京: 冶金工业出版社，2000．

［2］   王红彦． 高炉槽上烧结矿供料系统的自动控制［J］． 河北冶金，2008，165( 3) : 16．WANG Hong-yan． Automatic control of sinter feeding system［J］． Hebei Metallurgy，2008，165( 3) : 16．

［3］   马智慧，吴 敏，曹卫华，等． 钢厂热风炉燃烧控制模型的开发与应用［J］． 计算机测量与控制，2006，14( 1) : 54-55．MA Zhi-hui，WU Min，CAO Wei-hua，et al． Development and application of a combustion control model for hot blasts in the iron ＆ steel group corporation［J］． Computer Measurement ＆ Control，2006，14( 1) : 54-55．

［4］   柴 凯，侯立刚，姜军银． OPC 技术在工业过程控制中的应用研究［J］． 工业仪表与自动化装置，2005( 3) : 70-72．CHAI Kai，HOU Li-gang，JIANG Jun-yin． Research on application of the OPC technology to industrial process control［J］． Industrial Instrumentation ＆ Automation，2005( 3) : 70-72．