液压伺服比例阀在大型高炉布料控制技改中的应用
1．无料钟炉顶实现精确布料的原理
现代化的高炉为了最大限度的提高冶炼效率，均采用了料流调节阀加布料溜槽的控制方式来实现矿、焦在炉内的精确布料，料流调节阀和布料溜槽控制布料的原理如图49和图50所示。
高炉炉料（烧结矿、球团矿或焦炭等）经过槽下配料工艺后先进入到炉顶的上料斗和下料斗，在高炉接到布料指令后，其下料斗的料流调节阀首先按工艺要求开到给定的开度（即γ角），这时炉料按一定的流量经布料滚筒后流到布料溜槽上，此时布料溜槽已经按工艺要求升到一定的倾动角度（即α角），同时布料溜槽还在水平面方向上进行着匀速旋转（即β角），这样炉料就可均匀布到高炉料面。
从炉顶布料控制原理可以看出，只要控制好α、β、γ三个角度，就可以把炉料按任意形式布到炉内。高炉布料方式有环形布料、扇形布料和定点布料等几种形式。最多使用的是环形布料，即一批料以不同的倾动角度布到炉内，形成以炉核心为圆心的数个圆环，使炉料均匀布在炉内。根据环形布料环数的多少还分为单环布料和多环布料，最常用的为一环到四环布料。如果冶炼过程中出现炉内料面不均匀的情况，则可以利用扇形布料或定点布料来弥补，或者炉长根据炉况需要，为改善透气性、保护炉壁使其温度不致过热等原因，采用扇形或定点布料的方法来改善炉内炉料的分布状态。
在炉顶布料控制中，下料斗料流调节阀的开度控制（即γ角的控制）是至关重要的，因为只有γ角控制精确，才能有效控制下料的料流量，进而准确控制每批料布料的厚度、环数及布料的起点和终点。
2．利用液压伺服比例系统控制料流调节阀的可行性
采用液压系统来驱动料流调节阀的优点是驱动力矩较大，可以使系统的动作时间大幅缩短，另外其控制也比较简单，即使用两个普通的液控单向阀来控制液压缸的开度，进而达到控制角开度的目的，如图51所示。一般大型高炉大都采用这种方式，但这种方式的缺点也很明显：其一是普通液压系统控制的液压缸，其推力受系统压力的影响比较大，容易形成冲击，对料流阀的寿命有着一定的影响；其二也是比较重要的，就是其精度很难控制，这是因为料流阀在开到给定角度时，由于里面充满了炉料，必须要求一次到位而不能反复调节，而普通的液压系统是不能满足这种要求的。而利用液压缸一次定位的精度误差又比较大，一般在1.5°～2.0°，有时竟达到2.5°～3.5°。这样的精度在高炉布大粒度料（例如20mm以上的烧结矿或焦炭）时可能影响不是太严重，但是在需要布小粒度料的时候，尤其是小于5mm的碎矿或碎焦时，就很难控制甚至无法控制了。
在大型高炉上，充分利用液压系统推力大、动作速度快的特点，又能最大限度消除系统压力变化对推力的影响，减小对机械系统的冲击，同时把控制精度大幅提高，这是理想状态。
基于以上思路，某公司在一炼铁厂1号1750m3高炉上采用了液压伺服比例控制系统来代替原先的普通液压系统控制料流调节阀，获得了较好的效果。
3．伺服比例系统控制料流调节阀的原理
(1)液压伺服比例系统控料流阀的原理图如图53所示。伺服比例阀通过自带的集成放大器，可以连续调节伺服比例阀的开度，这是与普通液控单向阀的最大不同。由于伺服比例阀的开度连续可调，因此供给液压缸油的流量也是连续可调，这样就实现了对液压缸的速度、推力的连续调节和控制。
(2)电气控制系统，采用了施耐德公司的QUANTUM系列PLC控制系统，负责
采集炉顶料流调节阀的实际开度返回值（由自整角机或光电编码器检测转换成实际角度），接收炉顶控制系统发出的γ角开度大小和动作指令。在经过分析处理后，把开度指令转换成4～20mA的电信号发给伺服比例阀的集成放大器，用来控制伺服比例阀的开度。为了使系统既能有较大的推力和快速性，又能够达到较理想的准确度，在控制方式上采用了PID开环控制和PID闭环控制相结合的方法，其控制流程如图53所示。
PID调节的全称是比例积分微分控制调节器。PLC控制系统首先检测γ角的给定值和实际返回值，并计算出它们的差值δ，当引直大于某个角度（比如2°），
这时给定伺服比例阀较大的开度值，使液压缸高速大推力运行；当δ值小于某个角度，即γ角接近给定值时，系统自动进入PID调节控制状态，即随着8值的减小，控制系统给定伺服比例阀的开度值也按比例减小，直至为零。当料流调节阀到达给定位置后（角的给定值与实际返回值之差＜0.1°），起动液压锁（电磁球阀动作，使得液控单向阀动作，切断液压缸进油和出油回路），使液压缸定位。这样使液压缸推动料流调节阀既能快速到位，叉能减小对设备的机械冲击，并保证较高的精度。
液压伺服比例系统本身具有较高的放大系数，另外还有机械系统固有频率的影响。因此，如果PID调节的各项参数（如比例、微分、积分系数、延时时间、偏移量等）调整不好，系统极易产生振荡，所以各项PID参数的设置需要反复试验，以达到最好的效果。
4．实际应用及效果
一炼铁厂1号1750m3高炉是某公司第一座大型高炉，原来的炉顶料流调节阀采用的是普通液压缸控制，γ角精度较低，误差最大时达到2.8°，而且在料流调节阀全开和全关时机械冲击较大。为了解决这一问题，对料流调节阀的控制系统进行了改造，依照上述原理及方法，新加了一套液压伺服比例控制系统，伺服比例阀选用BOSCH-REXROTH公司的高频响伺服比例阀，电气控制系统采用了QUANTUM系列的CPU53414，经过改造后，实际效果非常理想。角的精度达到了0.1°，全行程动作时间小于4s，系统在整个行程动作平稳，不再产生较大的机械冲击。