大型鋼坯加熱爐步進梁速度控制研究

郭媛， 龔云， 蔣俊

（1.武鋼大學 信息工程學院，武漢 430081；2.武漢科技大學 機械學院，武漢 430081）

0 引言

大型鋼坯加熱爐的鋼坯輸送，采用步進式，這有利于鋼坯加熱均勻，防止鋼坯表面磨損，是目前鋼廠加熱爐采用較為普遍的一種輸送鋼坯方式。這種輸送方式存在的技術難點是，防止鋼坯在升降過程中與固定梁和步進梁發生沖擊、不穩定等。20世紀70年代，采用液壓傳動驅動步進梁后，其運動特性有較大改進，因為是用AD閥（加減速閥），但仍在速度轉換時出現沖擊，而且節流消耗能量較多。近些年液壓伺服元件的發展，將其應用到步進梁的運動速度控制中，有力地提高了步進梁工作性能和提高鋼坯質量。

1 液壓控制系統簡介

液壓控制系統一般由：指令元件、比較元件、控制器、比例（伺服）閥、執行機構、被控制對象、檢測部分等組成，如圖1所示。圖1（a）為開環控制系統框圖，圖1（b）為閉環控制系統框圖。

圖1 控制系統框圖

1）指令元件。計算機、可編程控制器（PLC）、信號發生器、手動電位器等。產生信號類型有模擬（±5 V、±10 V、4-20 mA、0～5 V、0～10 V）和PWM；

2）控制器。兼有比較器作用，將指令信號與實際輸出進行比較，對偏差信號進行功率放大，轉變為0～3 000 mA之間的控制電流，輸入比例（伺服）電磁鐵。

3）比例（伺服）閥。是一種電-液轉換裝置，將比例放大器輸入的電流信號通過比例（伺服）電磁鐵，轉化為推力（力矩），驅動閥芯運動，進行液壓功率放大，輸出受控的液壓能。

4）執行機構。液壓缸、液壓馬達等是一種液-機轉換裝置，將液壓能轉化機械能，帶動負載。

5）檢測部分。一般由傳感器及相關顯示、轉換儀器、電路組成。它將系統的輸出位移、壓力、流量等物理量直接顯示或轉化為電信號反饋回去，構成閉環控制，以提高系統控制性能。

2 步進加熱爐比例伺服控制系統

在重載工況條件下，速度控制十分重要，若控制不好，會產生沖擊和不穩定。我們根據工藝要求，采用了比例伺服控制，其系統構成如圖2所示。

步進加熱爐內有固定梁和步進梁，步進梁承擔托起鋼坯和移送鋼坯任務，固定梁起支承鋼坯任務。步進梁工作步驟為上升→平移前進→下降→平移退回，這樣就完成一次送鋼工作，經多次循環運動，鋼坯便移送到出鋼處，也完成了爐內加熱，工作過程如圖3所示。步進梁步進運動如圖4所示。步進梁速度位移曲線如圖5所示。

圖2 加熱爐系統結構簡圖

圖3 加熱爐工作過程簡圖

圖4 步進運動圖

圖5 步進速度位移曲線

3 步進加熱爐液壓系統簡介

在步進梁速度控制中，對升降動作采用閉式液壓系統。雙向變量泵輸出的液壓油直接通到液壓缸油口，液壓缸上下運動方向由雙向變量泵控制，液壓缸的運動速度通過比例閥控制液壓泵的變量機構進行，如圖6所示。比例閥輸出流量大小，由比例閥的輸入信號確定［1］，其控制原理如圖7所示。

圖6 液壓控制系統原理圖

圖7 比例控制原理圖

4 PLC控制系統

步進梁電控系統選用了西門子公司的S7-300作為控制器，這種控制器應用領域非常廣泛。它具有模塊化、無排風結構、實現分布容易、用戶容易掌握等特點，使得S7-300能完成各種從小規模到一些中等性能要求的控制任務。S7-300的CPU具有多種性能遞增性，同時S7-300的I/O擴展模塊具有許多方便的功能，使用戶可以完全根據實際的情況選擇合適的模塊。當任務規模擴大且愈加復雜時，使用附加的模塊可以隨時對PLC進行擴展。西門子S7-300所具備的強抗振動、高電磁兼容性和抗沖擊性，使其工業環境適應性更強。此外，S7-300系列還具有模塊結構緊湊，點數密度高，性能優越，性價比高，裝卸方便等優點［2-4］。電控系統布局和結構框圖如圖8、圖9所示。

圖8 電控系統布局圖

圖9 電控系統結構的框圖

通過對控制任務和控制對象進行分析和統計，該系統需要以下不同的I/O點：

數字量輸入點（DI）共32個點。其中24點接收爐體、進鋼和出鋼輥道上限位行程開關信號，另外8點分別用來設置四個比例放大器的狀態。

數字量輸出點（DO）共5個點。其中4點是用來控制放大器使能繼電器；另外1點用來控制故障聲光報警。

模擬量輸入點（AI）共25個點。其中4點用于4臺泵的手動；4點用于4臺泵的傾角傳感器；4點用于4臺泵的零點調整；8點用于4臺泵的比例電磁鐵；5點用于爐床驅動升降和平移缸的位移。

模擬量輸出點（AO）共16個點。其中4點用于4臺泵的比例放大器；4點用于4臺泵的比例放大器給定值的儀表顯示；4點用于4臺泵的比例電磁鐵實際的電流儀表顯示；4點用于4臺泵的流量儀表顯示。

該系統所需要的一些PLC控制模塊如表1所示。

表1 PLC控制模塊

5 液壓系統運行狀態監測界面

系統狀態主要指的是液壓系統的工作狀態，在該界面中，可以監測到各電機泵組的啟停狀態、各控制截止閥的開關狀態、各個過濾器是否堵塞狀態、各壓力繼電器的通斷狀態、泵的傾角以及各比例閥兩端的電流大小等系統信息、通過不同的顏色來區分各種狀態的變化［1］，如圖10所示。主泵運行參數監測界面如圖11所示。

圖10 液壓系統運行狀態監測界面圖

圖11 主泵運行參數監測界面圖

6 結論

冶金工廠大型鋼坯加熱爐是鋼材生產重要環節，加熱爐裝置對鋼坯加熱溫度，加熱均勻性，表面質量起到關鍵作用。步進式加熱爐采用PLC控制能較好實現鋼坯移動平穩，加熱均勻，無沖擊，能有效提高鋼坯加熱質量，該控制技術已在大型鋼坯加熱爐中實施，獲得良好效果，可供有關廠礦企業參考。

［1］ 湛從昌，傅連東，陳新元.液壓可靠性與故障診斷［M］.北京.：冶金工業出版社，2009.

［2］ 王健，張文凡，張凱.PLC使用技術［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［3］ 徐柳濱.基于PLC的調節閥控制器研究［J］.機械工程師，2013（4）：62-63.

［4］ Shenvar F.Walking beam furnace supervisory control at Inland 80-in hot strip mill［J］.Iron and Steel Engineer，1994，71（7）：25-34.