■ 張磊，寧曉紅

1. 概述

鐵路扣件系統(tǒng)中的彈條是固定鋼軌的核心零部件，其采用60Si2Mn彈簧鋼棒料進(jìn)行中頻感應(yīng)加熱后熱壓成形，成形后必須進(jìn)行淬火和回火處理，以使其具有良好的彈性和疲勞性能，產(chǎn)品對(duì)熱處理后的組織和晶粒度要求嚴(yán)格。彈條產(chǎn)品通用工藝為：下料→中頻感應(yīng)透熱→熱壓成形→熱處理→表面防腐處理→檢驗(yàn)、包裝。彈條產(chǎn)品如圖1所示，常見的應(yīng)用形式如圖2所示。

圖 1

在生產(chǎn)中對(duì)彈條坯料加熱過程中的溫度控制是保證其力學(xué)性能和熱處理質(zhì)量的重要參數(shù)?，F(xiàn)有的彈條生產(chǎn)中，不同直徑規(guī)格的坯料通過中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)將其加熱至950～1050℃，中頻感應(yīng)加熱設(shè)備通過現(xiàn)有的閉環(huán)控制系統(tǒng)只能確保其在某一功率下穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)自身不能根據(jù)溫度變化自動(dòng)進(jìn)行功率調(diào)整，對(duì)溫度控制實(shí)際上處于開環(huán)狀態(tài)。在缺料或者卡料狀態(tài)下，因中頻感應(yīng)加熱控制系統(tǒng)自身不能對(duì)該狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)降低功率的調(diào)整控制，操作者如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并對(duì)中頻感應(yīng)加熱控制系統(tǒng)進(jìn)行人工干預(yù)，中頻將保持在原功率下運(yùn)行，中頻感應(yīng)加熱爐膛內(nèi)的坯料會(huì)因加熱時(shí)間延長(zhǎng)造成超溫過燒現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒融坯料，造成中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)硬件損壞。為此，必須對(duì)現(xiàn)有的中頻閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以滿足以下要求：

（1）通過設(shè)定加熱溫度，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行功率調(diào)整，確保在最短的時(shí)間內(nèi)工件自動(dòng)達(dá)到成形所需的溫度。

（2）當(dāng)外界因素影響導(dǎo)致加熱坯料溫度有起伏波動(dòng)或機(jī)械故障發(fā)生卡料、缺料時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能及時(shí)降低加熱功率，并提示操作者有充分的時(shí)間對(duì)中頻感應(yīng)加熱送料系統(tǒng)進(jìn)行處置。

圖 2

（3）針對(duì)不同料長(zhǎng)的固定產(chǎn)品，加熱特性參數(shù)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定后，系統(tǒng)可以存儲(chǔ)下來，并設(shè)置對(duì)應(yīng)的狀態(tài)號(hào)，下次再啟動(dòng)中頻感應(yīng)設(shè)備時(shí)，省去了調(diào)整的過程，可以實(shí)現(xiàn)操作的智能化。

2. 閉環(huán)控制改進(jìn)原理

中頻感應(yīng)加熱溫度閉環(huán)控制擬采用智能化的閉環(huán)控制電路系統(tǒng)取代原系統(tǒng)的人工調(diào)節(jié)中頻功率模式，并配置缺料、卡料檢測(cè)、處理功能。其原理如圖3所示。

在初始加熱時(shí)，溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)會(huì)迅速將中頻升至系統(tǒng)設(shè)定的功率，然后通過逐步提升送料機(jī)進(jìn)料速度，適當(dāng)延長(zhǎng)工件在加熱管內(nèi)的透熱時(shí)間，確保工件在出爐時(shí)一次性達(dá)到所設(shè)定的溫度，以解決不能滿足生產(chǎn)要求的加熱料過多的問題。進(jìn)料速度的選擇是本方案中的關(guān)鍵，系統(tǒng)在大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定了每一種規(guī)格的彈條坯料從進(jìn)料口至出爐口，速度達(dá)到設(shè)定速度和加熱溫度達(dá)到設(shè)定值的時(shí)間，并將相關(guān)參數(shù)儲(chǔ)存在CPU中，每次啟動(dòng)時(shí)，CPU調(diào)用相關(guān)參數(shù)，在進(jìn)料速度逐步上升的同時(shí)又確保了出爐工件達(dá)到設(shè)定的溫度要求，有效避免了工件的過燒和欠燒現(xiàn)象，保證中頻啟動(dòng)運(yùn)行后初始加熱坯料溫度的合格。

根據(jù)設(shè)定的工件加熱溫度、進(jìn)料速度等參數(shù)，通過測(cè)溫儀測(cè)定中頻感應(yīng)加熱出料口的工件加熱溫度，并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流輸出信號(hào)，再按照PID數(shù)學(xué)模型，建立溫度反饋閉環(huán)控制，并將PID控制輸出電流信號(hào)分別控制中頻功率變送器的輸入端及進(jìn)料電動(dòng)機(jī)變頻器的電流控制端，達(dá)到控制工件加熱溫度的目的。

3. 具體改進(jìn)方案

具體做法是：CPU根據(jù)料端采樣信號(hào)，用PLC內(nèi)部定時(shí)器來檢測(cè)計(jì)算工件移動(dòng)速度，輸入信號(hào)直接是數(shù)字量，此數(shù)字量根據(jù)紅外檢測(cè)溫度信號(hào)，分段進(jìn)行運(yùn)算修正補(bǔ)償，基本原則是溫度偏高時(shí)，此數(shù)值正向修正，溫度偏低時(shí)，此數(shù)值反向修正（減小工件移動(dòng)速度），溫度越靠近標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，修正系數(shù)越小。當(dāng)溫度接近或等于設(shè)置值時(shí)，修正系數(shù)等于1（等于設(shè)置送料速度）。速度修正后的數(shù)值通過一路D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號(hào)送到控制送料電動(dòng)機(jī)的變頻器，控制工件移動(dòng)速度?？刂乒ぜ苿?dòng)速度來控制工件加熱溫度的功能主要是在工件出口溫度與設(shè)定溫度誤差較大（>5%）的情況下使用。

圖3 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理

工件感應(yīng)加熱溫度的精確控制主要是靠 PID閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)的。具體電路框圖如圖4所示。

本系統(tǒng)設(shè)置了電動(dòng)機(jī)、進(jìn)料輸送鏈條、進(jìn)料機(jī)出料端口、工件間隔4個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可有效檢測(cè)出送料電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)故障，以及坯料進(jìn)料過程中的缺料、卡料故障。正常情況下，系統(tǒng)以檢測(cè)到的料端信號(hào)為一個(gè)定時(shí)起點(diǎn)，在系統(tǒng)設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，如鏈條不動(dòng)，則判斷出系統(tǒng)處于卡料狀態(tài)，間隔處無(wú)料，則判斷出處于缺料狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)相應(yīng)的狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果發(fā)出不同的控制信號(hào)，以控制中頻感應(yīng)加熱過程。

當(dāng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)缺料時(shí)，通過接近開關(guān)檢測(cè)到的開關(guān)信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，提示操作者，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)降低中頻的功率給定電流信號(hào)或進(jìn)料電動(dòng)機(jī)變頻器控制電流信號(hào)，避免爐內(nèi)工件因滯留時(shí)間過長(zhǎng)造成的過燒現(xiàn)象發(fā)生，保證出料溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)。待缺料信號(hào)消失后，系統(tǒng)再恢復(fù)到正常加熱過程。

當(dāng)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)卡料現(xiàn)象時(shí)，位于進(jìn)料口的接近開關(guān)會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，傳遞給控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)同樣也會(huì)自動(dòng)降低中頻給定電流和進(jìn)料電動(dòng)機(jī)變頻器控制電流信號(hào)，有效防止工件過燒問題，并保護(hù)中頻感應(yīng)加熱設(shè)備。

4. 實(shí)施效果

改進(jìn)后的閉環(huán)控制系統(tǒng)與目前的系統(tǒng)相比，收到了以下良好的效果：

圖4 改進(jìn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件框圖

（1）在初始加熱過程中，將不符合成形溫度要求的加熱坯料數(shù)量由10根左右降低為1~2根，提高了材料的利用率。

（2）在由于外界因素干擾造成溫度波動(dòng)的情況下，可以通過設(shè)定好的加熱溫度值由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整控制，避免了以前需要人工觀察、人為調(diào)節(jié)功率大小的困難，杜絕了經(jīng)常因觀察不及時(shí)或注意力不集中造成的設(shè)備和質(zhì)量事故。

（3）當(dāng)發(fā)生缺料或卡料情況時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行處置并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，避免了以前易出現(xiàn)的工件過燒或設(shè)備損壞現(xiàn)象。

（4）系統(tǒng)直接在觸摸屏上設(shè)定加熱溫度、送料速度等參數(shù)并可進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)具有記憶和儲(chǔ)存功能，多種坯料的加熱特性參數(shù)一次性調(diào)整完畢后可保存，以后使用時(shí)調(diào)用即可，提高了生產(chǎn)效率。

5. 結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)后的中頻感應(yīng)加熱閉環(huán)控制系統(tǒng)提高了生產(chǎn)效率，降低了設(shè)備故障率，實(shí)現(xiàn)了彈條坯料加熱溫度的閉環(huán)自動(dòng)控制，閉環(huán)控制系統(tǒng)與中頻感應(yīng)加熱設(shè)備之間的電源、數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)均加以完全的電氣隔離裝置，設(shè)備之間的連接，采用一鍵切入和退出，運(yùn)行可靠，自動(dòng)化程度高，是提高彈條坯料感應(yīng)加熱質(zhì)量的可靠保障。