景 婧

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003）

不銹線材廠共有高速線次、小棒和大棒3 條生產(chǎn)線，以220 mm×220 mm×3 500 mm 規(guī)格的初軋坯、連鑄坯為原料，能夠生產(chǎn)Φ5.5～Φ20 mm 的線材和Φ16～Φ120 mm 的棒材。因產(chǎn)品種類多、規(guī)格范圍廣，共有18 條工藝路徑完成上述產(chǎn)品的軋制要求。步進(jìn)式加熱爐是各產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備，作為首道工序，它將鋼坯加熱至設(shè)定溫度后輸送至軋機(jī)入口。步進(jìn)式加熱爐設(shè)計(jì)長度為32 m，寬度為4.2 m，采用側(cè)近側(cè)出、單排布料方式。爐體共分為預(yù)熱段、加熱一段、加熱爐二段和均熱段共四段[1]。因爐體較窄，料坯由2 根靜梁和2 根動(dòng)梁支撐，升降框架采用單軌升降滾輪配合輔助平衡裝置，以減少框架偏移導(dǎo)致鋼坯跑偏的情況。靜梁進(jìn)入均熱段后間距加寬，可減少或消除鋼坯在加熱過程中的“黑印”。加熱爐控制系統(tǒng)分為電控和儀控，本文將重點(diǎn)對(duì)電控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的控制優(yōu)化進(jìn)行介紹。

1 加熱爐控制系統(tǒng)介紹

1.1 硬件組態(tài)

加熱爐電控系統(tǒng)硬件配置如圖1 所示。該系統(tǒng)由西門子S7-416-2DP 集中控制，6 個(gè)ET200M 分布式I/O 單元通過Profibus 總線連接，分別控制液壓、裝鋼、出鋼等系列動(dòng)作。步進(jìn)梁升降和平移行程由4個(gè)傳感器檢測完成，采用1 用1 備方式。在DP 總線上還掛有西門子KTP1000DP Basic 觸摸屏，實(shí)現(xiàn)物料代碼下發(fā)、長度修改、物料刪除等功能。此外，4 臺(tái)西門子G120 變頻器分別控制裝料爐內(nèi)、裝料爐外、出料爐內(nèi)和出料爐外輥道，變頻器頻率的給定和反饋通過模擬量方式傳輸，變頻器準(zhǔn)備信號(hào)、故障、運(yùn)行和啟停信號(hào)以開關(guān)量方式傳輸。

圖1 加熱爐電控系統(tǒng)硬件配置圖

1.2 電控系統(tǒng)功能組成

1.2.1 裝鋼和出鋼區(qū)域布置

裝鋼區(qū)域布置圖如圖2-1 所示，爐外推鋼機(jī)將上料臺(tái)架上的成組坯料逐支推至爐外輥道上，輥道間隙中的旋轉(zhuǎn)托架通過在0°和45°間進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，使鋼坯中心線與輥道中心線平行。調(diào)整后的鋼坯在爐外測長后，通過輥道運(yùn)輸進(jìn)入爐內(nèi)，完成對(duì)中定位，等待步進(jìn)動(dòng)作上梁。

出鋼區(qū)域布置圖如圖2-2 所示，加熱到工藝溫度的鋼坯經(jīng)出料爐內(nèi)輥道和爐外輥道送出爐，在爐門附近的熱檢用于出鋼計(jì)數(shù)和爐門連鎖控制，以防止有鋼坯經(jīng)過爐門時(shí)，爐門誤動(dòng)作下降。

圖2 裝、出鋼區(qū)域布置圖

1.2.2 步進(jìn)機(jī)構(gòu)組成

步進(jìn)機(jī)構(gòu)是步進(jìn)梁系統(tǒng)中的主要裝置，其組成部分為平移和升降框架、滾輪、液壓缸、支撐斜軌底座。步進(jìn)動(dòng)作通過步進(jìn)梁的上升、前進(jìn)、下降和后退矩形軌跡將裝料爐內(nèi)輥道上的鋼坯放到靜梁第一支位置，并將加熱到工藝溫度的最后一支鋼放到出料爐內(nèi)輥道。

為配合現(xiàn)場生產(chǎn)工況，步進(jìn)梁還設(shè)有后循環(huán)、踏步、等高3 種模式。其中，后循環(huán)模式用于將已出爐的鋼坯倒回爐內(nèi)再熱，踏步、等高模式用于停車期間減少鋼坯塌腰和燃燒黑印。如圖3 所示，等高模式時(shí)動(dòng)梁停在坐標(biāo)（0，89）處，踏步模式時(shí)動(dòng)梁在坐標(biāo)（0，0）與（0，199）間做升降往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其在高低位停留時(shí)間可由人工通過上位機(jī)畫面根據(jù)加熱工藝進(jìn)行修改。通過調(diào)整比例閥給定電流大小使步進(jìn)梁按規(guī)定速度曲線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輕拿輕放、緩啟緩?fù)?，以減少對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和梁體外絕熱材料的沖擊損傷[2]。整個(gè)靜梁設(shè)計(jì)長度為99 支料位長，熱工狀態(tài)下步長設(shè)定值為391.5 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)鋼坯從入爐側(cè)行進(jìn)101 步后準(zhǔn)確上出料輥道，升降行程199 mm，根據(jù)靜梁實(shí)際工況，調(diào)整等高位為89 mm，實(shí)現(xiàn)等高狀態(tài)下，動(dòng)梁和靜梁同時(shí)支撐爐內(nèi)鋼坯。

圖3 步進(jìn)梁動(dòng)作曲線示意圖

2 步進(jìn)式加熱爐優(yōu)化控制

2.1 縮短出鋼周期

爐體交付使用時(shí)，加熱爐裝出鋼周期動(dòng)作為：出料操作臺(tái)將裝鋼轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“允許”，步進(jìn)梁在零點(diǎn)（0，0）處，裝料臺(tái)手動(dòng)操作爐外推鋼裝置，將料坯放置在裝料爐外輥道上，點(diǎn)擊“測長”按鈕，裝料爐門升到上限位，利用安裝于爐體南北兩端的激光測距儀完成料坯長度測量，向出料側(cè)發(fā)送“裝料就位”信號(hào)，然后裝料爐門下降，等待該料坯入爐后的下一次測長操作。出料臺(tái)根據(jù)軋線要鋼節(jié)奏，點(diǎn)擊“出鋼”按鈕，發(fā)出出鋼命令，裝料爐門打開，已測長就位的料坯先經(jīng)裝料爐外輥道運(yùn)送至爐內(nèi)，根據(jù)南激光實(shí)時(shí)測量坯料頭部行進(jìn)距離，輥道兩次降速實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)橫向?qū)χ?。?dāng)鋼坯完全停止后，將爐內(nèi)推正裝置前推0.2 m，用以調(diào)整鋼坯入爐過程中的跑偏，使得鋼坯與輥道中心線平行，確保上梁后鋼坯與梁體垂直，防止后期鋼坯出爐時(shí)因位置跑偏而撞爐墻、爐門。之后步進(jìn)梁進(jìn)行前循環(huán)動(dòng)作，將定位完成的料坯放入靜梁的同時(shí)，把爐口完成加熱的鋼坯送至出料輥道，后出爐軋制。整個(gè)裝出鋼過程共計(jì)95 s。不銹線材廠成規(guī)模軋制的鋼種為Φ5.5 mm 的TCBS 線材和Φ30 mm 的純鐵棒材，高線軋制道次多、時(shí)間長，要鋼周期為1 min 40 s，上述流程基本可以滿足要求。而軋制純鐵棒材時(shí)，要求鋼周期最短，僅為60 s，現(xiàn)有出鋼速度遠(yuǎn)不能滿足軋制節(jié)奏，時(shí)常出現(xiàn)軋線空轉(zhuǎn)待料的情況，遂對(duì)加熱爐出鋼過程進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化。

經(jīng)過討論，決定從以下幾方面著手縮短出鋼時(shí)間：

1）考慮到裝料側(cè)爐內(nèi)懸臂輥位于加熱爐預(yù)熱段，環(huán)境溫度在400～500 ℃左右，長時(shí)間靜置不會(huì)發(fā)生輥道彎曲形變，遂將裝料控制范圍由爐外擴(kuò)大到了爐內(nèi)，即將料坯在爐外等待改為在爐內(nèi)輥道上等待出鋼命令，這樣便省去了鋼坯入爐、定位的25 s 時(shí)間。

2）如圖4 所示，步進(jìn)梁靜梁上升到高位（0，199）時(shí)處在裝料輥道上方，占據(jù)了鋼坯測長的激光通道，當(dāng)梁體前進(jìn)100 mm 到達(dá)（100，199）時(shí)，便完全離開了裝料爐內(nèi)輥道的區(qū)域，可以將第N 支鋼坯的允許測長條件由步進(jìn)梁第N-1 步的（319.5，0）提前至第N-1 步的（100，199），這樣在動(dòng)梁未到達(dá)（319.5，199）時(shí)已經(jīng)完成了第N 支鋼坯的長度測量。然后裝料爐外輥道開始運(yùn)行，將鋼坯送入爐內(nèi)。步進(jìn)梁第N-1步回到零點(diǎn)前，第N 支料已在裝料爐內(nèi)輥道上就位。

圖4 動(dòng)梁上升和前進(jìn)行程示意圖

3）在保證梁體安全的前提下，放寬輥道運(yùn)行條件，提前出鋼。步進(jìn)梁低于（319.5，89）便可避免出料輥道運(yùn)送的紅鋼撞到梁體，因此將出料輥道運(yùn)行條件由（319.5，0）提前至（319.5，70），消除了紅鋼上輥道后，梁體下降至低位才啟動(dòng)輥道輸送的出鋼等待時(shí)間。

加熱爐出鋼過程優(yōu)化控制前后對(duì)比圖如下頁圖5 所示，從圖5 可以看出，通過對(duì)整個(gè)裝出鋼周期進(jìn)行優(yōu)化，將裝鋼周期起點(diǎn)由步進(jìn)循環(huán)的4/5 行程提前至1/3 行程處，在出料輥道輸送紅鋼出爐時(shí)，裝料輥道已完成料坯對(duì)中定位。優(yōu)化后的出鋼周期僅為65 s，滿足了不銹線材廠全部規(guī)格的軋制節(jié)奏要求。按照不銹線材廠平均機(jī)時(shí)產(chǎn)量25 支/h 計(jì)算，每支節(jié)約出鋼時(shí)間30 s，每小時(shí)可節(jié)約750 s，這12 min便可軋制至少2 支料坯，將機(jī)時(shí)產(chǎn)量提高至27 支/h，提升了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 優(yōu)化控制前后對(duì)比圖

2.2 優(yōu)化物料下發(fā)

由于步進(jìn)式加熱爐沒有二級(jí)系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)物料跟蹤，入爐鋼坯的批次號(hào)、鋼種和數(shù)量等信息由崗位人員根據(jù)MES 計(jì)劃，通過觸摸屏手工錄入到加熱爐一級(jí)系統(tǒng)，才能完成后續(xù)測長、裝鋼、物料跟蹤、出鋼等一系列操作。為配合軋線二級(jí)系統(tǒng)上線，實(shí)現(xiàn)MES、二級(jí)、一級(jí)間信息互聯(lián)通訊，對(duì)加熱爐一級(jí)程序做相應(yīng)修改。通過給順控和燃控兩個(gè)PLC 的網(wǎng)絡(luò)配置分別增加與第三方基于TCP 協(xié)議的通訊接口，實(shí)現(xiàn)了軋線二級(jí)與加熱爐一級(jí)間的數(shù)據(jù)收發(fā)[3]。當(dāng)崗位人員在軋線二級(jí)客戶端操作從MES 下發(fā)的軋制計(jì)劃時(shí)，相應(yīng)信息會(huì)下發(fā)至裝料觸摸屏，可自動(dòng)填寫批次號(hào)、鋼種和數(shù)量等信息，并在入爐過程中形成與每支鋼坯一一對(duì)應(yīng)的物料號(hào)，隨著步進(jìn)動(dòng)作的進(jìn)行，該物料號(hào)攜帶爐內(nèi)各段溫度值、在爐時(shí)間等信息出爐，然后傳送給軋線系統(tǒng)。加熱爐自動(dòng)下發(fā)物料功能，實(shí)現(xiàn)了MES 與我廠一級(jí)系統(tǒng)在源頭上的連通，為后續(xù)MES 與軋線一、二級(jí)系統(tǒng)的信息互通做好基礎(chǔ)工作，同時(shí)這一功能減少了人員操作，避免了人工錄入錯(cuò)誤，提高了工作效率。如圖6 所示，在裝料觸摸屏和上位機(jī)監(jiān)控畫面上設(shè)有物料下發(fā)選擇，正常情況下選擇按鈕在“L2”，由L2 下發(fā)物料，當(dāng)通訊出現(xiàn)故障時(shí)，切換至“觸摸屏”，恢復(fù)人工錄入軋坯號(hào)、鋼種等信息，從而保證加熱爐L1 物料跟蹤的正常進(jìn)行，便于爐溫工藝的控制。

圖6 裝料觸摸屏物料下發(fā)選擇畫面

3 結(jié)論

通過對(duì)裝出鋼控制過程進(jìn)行優(yōu)化，將裝出鋼周期由95 s/支下降至65 s/支，消除了軋線停車待料時(shí)間，機(jī)時(shí)產(chǎn)量由25 支/h 提高至27 支/h，有效提升了生產(chǎn)效益。通過建立軋線二級(jí)與加熱爐一級(jí)間的數(shù)據(jù)收發(fā)對(duì)物料下發(fā)功能進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了物料下發(fā)的自動(dòng)和手動(dòng)功能選擇，也提高了加熱爐L1 物料跟蹤可靠性，為后續(xù)MES 與軋線一、二級(jí)系統(tǒng)的信息互通做好基礎(chǔ)工作。