王華 章霞剛 楊軍

摘? ?要：2013年，新鋼公司新建一條棒材生產(chǎn)線，其鋼坯加熱爐采用了雙蓄熱步進(jìn)式加熱爐，其爐底步進(jìn)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)正循環(huán)步進(jìn)動(dòng)作、逆循環(huán)步進(jìn)動(dòng)作、原地踏步動(dòng)作、中間保持等待等功能，所有功能均由電液比例閥控制驅(qū)動(dòng)液壓缸動(dòng)作，每一步距信息通過位移傳感器進(jìn)行采集并反饋至PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)及時(shí)對(duì)步距的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，保證步進(jìn)機(jī)構(gòu)的每一步距準(zhǔn)確平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)式加熱爐? 比例控制? 步距跟蹤? 誤差補(bǔ)償

2013年新鋼公司新上一條棒材生產(chǎn)線，鋼坯加熱選用了目前冶金行業(yè)較為先進(jìn)的雙蓄熱步進(jìn)式加熱爐，具有爐形結(jié)構(gòu)合理、燃效比高、出鋼速度快等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，額定加熱能力：170t/h（標(biāo)準(zhǔn)坯，冷裝），最大加熱能力：190t/h（標(biāo)準(zhǔn)坯，熱裝），出鋼頻次為38s，整個(gè)系統(tǒng)要求電氣控制精度高、可靠性好，步進(jìn)機(jī)構(gòu)定位準(zhǔn)確，才能保證鋼坯能在規(guī)定的誤差范圍內(nèi)送上出料輥道，出鋼迅速。

1? 爐底步進(jìn)機(jī)械

整個(gè)加熱爐的爐底機(jī)械由一個(gè)水平移動(dòng)框架、上下移動(dòng)提升框架、平移液壓缸、提升液壓缸、平移導(dǎo)向裝置、提升導(dǎo)向裝置、平移滾輪、提升滾輪、提升斜軌座以及框架上的動(dòng)梁立柱等設(shè)備組成。爐的鋼坯均勻分布在靜梁上，通過在平移框架上動(dòng)梁的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，使鋼坯在爐內(nèi)沿爐長(zhǎng)方向作步進(jìn)移動(dòng)。

爐底機(jī)械的平移框架和提升框架采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，由電液比例閥控制液壓缸動(dòng)作實(shí)現(xiàn)正循環(huán)步進(jìn)動(dòng)作、逆循環(huán)步進(jìn)動(dòng)作、原地踏步動(dòng)作、中間保持等功能，安裝在液壓缸（升降缸和平移缸）上的線性位移傳感器監(jiān)測(cè)每一次移動(dòng)的距離，保證了坯料在爐內(nèi)位置的精度。

平移行程：270mm，升降高度：200mm。

2? 液壓系統(tǒng)

液壓泵組選用5套（4用1備）恒壓變量柱塞泵，泵的輸出流量始終與液壓系統(tǒng)的需求相匹配，以適應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度變化，減小系統(tǒng)發(fā)熱量，并能適應(yīng)不同設(shè)備同時(shí)運(yùn)行的動(dòng)作響應(yīng)。為保證液壓系統(tǒng)的連續(xù)工作狀況，采用合理配置在線備用泵，泵組配有減震裝置，并在各油泵口處配有卸荷及限壓保護(hù)閥組和設(shè)置油泵允許工作檢測(cè)元件。系統(tǒng)配置獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)，采用過濾器和板式冷卻器及在線電加熱器對(duì)流體介質(zhì)進(jìn)行循環(huán)過濾及冷卻或加熱，可長(zhǎng)期保證油箱內(nèi)流體介質(zhì)的清潔度及正常溫度。

3? 控制閥組

用于控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行動(dòng)作的控制閥組及系統(tǒng)安全閥組分別集中設(shè)置在液壓站內(nèi)的閥臺(tái)油路塊上。

步進(jìn)機(jī)構(gòu)升降控制：步進(jìn)梁升降控制閥組主要由電液比例換向閥和輔助閥件（平衡閥等）組成，控制并聯(lián)升降液壓缸驅(qū)動(dòng)步進(jìn)機(jī)構(gòu)升降的緩啟緩?fù)Ｆ椒€(wěn)運(yùn)行及輕托輕放爐內(nèi)鋼坯，并可防止失控下滑。PLC按控制曲線輸出模擬量控制信號(hào)，經(jīng)比例放大器驅(qū)動(dòng)比例閥的動(dòng)作。

步進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)退控制：進(jìn)退控制閥組主要由電液比例換向閥和輔助閥件組成，控制平移液壓缸驅(qū)動(dòng)步進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)退的緩啟緩?fù)Ｆ椒€(wěn)準(zhǔn)確運(yùn)行，并可抑制高壓沖擊和漂移。PLC按控制曲線輸出模擬量控制信號(hào)，經(jīng)比例放大器驅(qū)動(dòng)比例閥的動(dòng)作。

4? 電控系統(tǒng)配置

步進(jìn)機(jī)構(gòu)的控制是爐區(qū)自動(dòng)控制的一部分，步進(jìn)系統(tǒng)的電控部分由西門子PLC S7-400，輸入、輸出輥道采用西門子變頻器驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)編碼器、比例閥控制，位移傳感器，接近開關(guān)等信號(hào)由遠(yuǎn)程ET-200從站負(fù)責(zé)完成。

5? 控制功能的實(shí)現(xiàn)

爐區(qū)的液壓系統(tǒng)運(yùn)行及監(jiān)控都通過PLC控制實(shí)現(xiàn)（見圖1），液壓系統(tǒng)的手動(dòng)及自動(dòng)操作和系統(tǒng)正常及故障顯示都能在計(jì)算機(jī)的WINCC監(jiān)控畫面上顯示，所有液壓的檢測(cè)信號(hào)都接入系統(tǒng)的PLC，在各油泵吸油口處設(shè)置了關(guān)閉檢測(cè)信號(hào)，此信號(hào)禁止啟動(dòng)該油泵電機(jī)。油箱內(nèi)設(shè)置介質(zhì)溫度、液面監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)油壓極限和過濾器油污檢測(cè)，并可自動(dòng)報(bào)警。

加熱爐采用全液壓驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)梁機(jī)構(gòu)。為了保證步進(jìn)梁準(zhǔn)確安全可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)，在步進(jìn)梁機(jī)構(gòu)平移及升降液壓缸上，各設(shè)置2臺(tái)（一用一備）位移傳感器，分別用于步進(jìn)梁垂直方向的位置檢測(cè)和步進(jìn)梁水平方向位置檢測(cè)。

步進(jìn)梁工作狀態(tài)控制分為機(jī)旁就地操作方式和集中控制操作方式。

在機(jī)旁就地操作方式下，操作人員在加熱爐的裝料操作箱上，操作轉(zhuǎn)換開關(guān)的選擇按鈕的操作，進(jìn)行手動(dòng)和單動(dòng)控制步進(jìn)梁的平移框架和提升框架的前進(jìn)、后退、停止、上升、下降、循環(huán)各動(dòng)作的操作。

集中控制操作方式下，操作人員在計(jì)算機(jī)WINCC的HMI操作來單步和自動(dòng)控制步進(jìn)梁的平移框架和提升框架的前進(jìn)、后退、停止、上升、下降、循環(huán)各動(dòng)作的操作。在滿足自動(dòng)運(yùn)行條件時(shí)，當(dāng)爐內(nèi)激光檢測(cè)儀檢測(cè)到有鋼時(shí)，步進(jìn)梁走完本步循環(huán)后停止前進(jìn)并下降、后退到原位等待出鋼。步進(jìn)梁的步距為270mm。如果當(dāng)按下裝料操作臺(tái)上的急停按鈕或機(jī)旁操作箱上的急停按鈕時(shí)，無(wú)論是手動(dòng)、單動(dòng)、自動(dòng)任何一種操作方式，這時(shí)步進(jìn)梁都必須停止任何動(dòng)作（見圖2）。

步進(jìn)梁的補(bǔ)償控制：步進(jìn)梁在進(jìn)退過程中，為了確保每前進(jìn)一步的準(zhǔn)確性以及物料跟蹤的正確性，需要在步進(jìn)梁前進(jìn)過程中對(duì)步距進(jìn)行隨時(shí)地自動(dòng)補(bǔ)償。例如標(biāo)準(zhǔn)步距270mm，由于慣性等原因，步進(jìn)梁在某一步可能實(shí)際前進(jìn)272mm，則在下一步前進(jìn)時(shí)，自動(dòng)將步距調(diào)整為268mm。因此，有效地保證了鋼坯在爐長(zhǎng)方向運(yùn)動(dòng)步距的準(zhǔn)確性、可預(yù)見性。

步進(jìn)梁的人工補(bǔ)償方式：通常情況下，以上所述的補(bǔ)償方式是控制系統(tǒng)的自動(dòng)補(bǔ)償，對(duì)于操作人員是無(wú)法直觀的感覺，在操作時(shí)，通過爐內(nèi)攝像頭的影像判斷鋼離輥道距離判斷鋼是否正常上輥（見圖3），在WINCC的HMI上設(shè)置一個(gè)補(bǔ)償值用于操作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行補(bǔ)償修正（見圖4），因?yàn)椴僮魅藛T通過影像看到的偏差是一個(gè)累積誤差，所以補(bǔ)償修正值在±10mm的范圍內(nèi)。

6? 結(jié)語(yǔ)

步進(jìn)機(jī)構(gòu)的控制程序過去近6年的實(shí)踐運(yùn)行，除偶爾現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)有誤外，其余功能發(fā)揮正常，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)爐體指標(biāo)（如出鋼能力，燃效比）都達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)的要求，并經(jīng)歷了坯料來料不符合原設(shè)計(jì)要求、短期不停變換坯料規(guī)格等非常規(guī)的工作要求的考驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳偉鵬.軋鋼加熱爐課程設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2015.

[2] 程健. 步進(jìn)式加熱爐鋼坯運(yùn)動(dòng)控制研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2016.

[3] 韓鈺. 步進(jìn)式加熱爐液壓系統(tǒng)分析及節(jié)能改進(jìn)[D].燕山大學(xué)，2010.