步進(jìn)式加熱爐在棒線材生產(chǎn)線上的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任樹朋

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司不銹線材廠， 山西 太原 030003）

山西太鋼不銹鋼股份有限公司（以下簡(jiǎn)介太鋼）不銹線材廠步進(jìn)式加熱爐于2017年投產(chǎn)，是棒線材軋制過程中的關(guān)鍵設(shè)備。爐長32 m，爐內(nèi)寬4.2 m，單排布料，采用側(cè)近、側(cè)出的裝出鋼方式。爐體自裝料端至出料端沿爐長方向共分為預(yù)熱段、加熱一段、加熱爐二段及均熱段四段。爐內(nèi)支撐梁、立柱采用汽化冷卻，受空間限制僅設(shè)有2根靜梁和2根動(dòng)梁，主要用于給規(guī)格 220 mm×220 mm×（3 000～3 600）mm的不銹鋼和碳鋼的冷料坯加熱，使其達(dá)到生產(chǎn)工藝要求的軋制溫度并保溫，然后輸送至軋機(jī)進(jìn)行軋制。加熱爐系統(tǒng)包括順序控制系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和汽化冷卻系統(tǒng)，本文將重點(diǎn)對(duì)順序控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 硬件組態(tài)

加熱爐計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由順序控制系統(tǒng)（見圖1）與燃燒控制系統(tǒng)組成。順序控制包括入爐、步進(jìn)、出爐三部分；燃燒控制負(fù)責(zé)燃燒和汽化冷卻部分。兩者既各自獨(dú)立工作，又通過WINCC上位機(jī)產(chǎn)生必要的信號(hào)聯(lián)絡(luò)，協(xié)同控制整個(gè)生產(chǎn)過程。其中，順序控制系統(tǒng)包括PLC與工控機(jī)操作站。采用西門子S7-400系列PLC作為主站，分布式I/O單元采用ET200M，其通過PROFIBUS總線連接。PLC系統(tǒng)設(shè)主機(jī)柜和遠(yuǎn)程柜各1套、工控機(jī)操作站2套。PLC通過100 MB以太網(wǎng)與操作站進(jìn)行通訊。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集、模擬量和開關(guān)量邏輯控制，生產(chǎn)過程監(jiān)和數(shù)據(jù)處理計(jì)算[1]。

2 入爐控制

入爐部分由裝料觸摸屏、上料臺(tái)架、推鋼機(jī)、旋轉(zhuǎn)托架、裝料爐外輥道、裝料爐門、裝料懸臂輥、爐內(nèi)推正裝置及防撞緩沖器等部分組成（如圖2所示）整個(gè)過程共有9個(gè)動(dòng)作指示信號(hào)R1～R9。

圖1 加熱爐順控系統(tǒng)硬件組態(tài)

圖2 裝料過程示意圖

裝料觸摸屏采用西門子KTP1000 Basic控制面板，主要完成對(duì)預(yù)裝爐料鋼種代碼、批次、顏色及數(shù)量的錄入，并生成R9標(biāo)志信號(hào)。爐外推鋼裝置將上料臺(tái)架上的原料坯逐根推至爐外裝料輥道，輥道間隙中的旋轉(zhuǎn)托架逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)45°使得鋼坯與輥道中心線基本平行，防止其入爐前跑偏沖撞爐門。

當(dāng)爐內(nèi)輥道上無鋼、步進(jìn)梁位于等高位以下具備測(cè)長條件時(shí)，“允許測(cè)長”指示燈點(diǎn)亮，入爐操作人員點(diǎn)擊“測(cè)長”按鈕后，裝料爐門升起，由位于輥道南北兩端的激光測(cè)距儀完成料坯實(shí)際長度的測(cè)量，同時(shí)R9更新為R8。

待出料臺(tái)發(fā)出“允許裝鋼”信號(hào)，“請(qǐng)求裝鋼”指示燈點(diǎn)亮，操作人員點(diǎn)擊“裝鋼”按鈕，準(zhǔn)備將完成測(cè)長的原料送入爐內(nèi)。裝料輥道隨即啟動(dòng)信號(hào)更新為R6。在爐門處裝設(shè)光電開關(guān)，當(dāng)料坯頭部通過光電開關(guān)后，上升沿脈沖表示料坯開始入爐。料坯尾部通過光電開關(guān)的下降沿脈沖表示鋼坯已完全入爐，信號(hào)更新為R4。

料坯在入爐過程中由輥道終端的激光測(cè)距儀根據(jù)料坯實(shí)際長度，通過PLC實(shí)時(shí)計(jì)算行進(jìn)距離完成對(duì)中定位。在定位過程中，爐內(nèi)輥道進(jìn)行兩次降速，當(dāng)料坯距終點(diǎn)剩約0.5 m時(shí)輥道由高速降為低速，后以低速完成對(duì)中至輥道停止，爐體橫向?qū)χ型瓿伞t內(nèi)推正裝置將料坯自西向東推進(jìn)0.2 m，使得料坯于梁體垂直，完成縱向?qū)R，生成就位號(hào)R1，入爐階段完成。兩次定位使得料坯的中心線與爐體中心線重合，進(jìn)而確保料坯均勻擱置在2條靜梁之上，防止步進(jìn)過程中跑偏，發(fā)生掉道。鋼坯南端設(shè)有防碰撞緩沖器，防止料坯入爐過程中失控或?qū)χ挟惓０l(fā)生沖撞爐墻的事故。

3 步進(jìn)控制

3.1 步進(jìn)基本動(dòng)作

步進(jìn)梁用于將已在裝料懸臂輥上完成定位的原料接至固定梁上，同時(shí)將爐口達(dá)到軋制工藝溫度要求的紅鋼送至出料懸臂輥上。步進(jìn)梁以矩形軌跡運(yùn)行，4個(gè)基本動(dòng)作上升、前進(jìn)、下降、后退可以構(gòu)成前循環(huán)、后循環(huán)、踏步、等高等模式。

前循環(huán)用于將料坯送出爐。步進(jìn)梁從零點(diǎn)（后下位）開始上升，將鋼坯從固定梁上托起至后上位，前進(jìn)一個(gè)步距321.7 mm至前上位，之后動(dòng)梁在下降至等高位時(shí)將所有鋼坯重新放于固定梁上，空載繼續(xù)下降至前下位，在低位返回原始位置，完成一次正循環(huán)動(dòng)作。爐內(nèi)鋼坯通過步進(jìn)動(dòng)作自裝料輥道經(jīng)101步到達(dá)爐子的出料端，同時(shí)完成加熱過程。后循環(huán)用于將已出爐的紅鋼倒回至靜梁上進(jìn)行保溫，其運(yùn)動(dòng)過程與前循環(huán)相反，步進(jìn)梁先在下位空載行進(jìn)至前位，然后上升、后退、下降至零點(diǎn)。踏步功能是在軋線停車時(shí)為防止料坯過熱燒彎、長時(shí)間靜置在水梁上因受熱不均產(chǎn)生黑印所進(jìn)行的原地升降踏步運(yùn)動(dòng)[2]，由低位升至高位等待數(shù)分鐘，后下降至低位等待數(shù)分鐘，然后再次上升至高位循環(huán)往復(fù)，等待時(shí)間可以根據(jù)鋼種的不同由崗位人員進(jìn)行設(shè)置。

步進(jìn)梁的運(yùn)行軌跡曲線如圖3所示，為了防止動(dòng)梁在接鋼和放鋼過程中對(duì)步進(jìn)機(jī)械產(chǎn)生沖擊和震動(dòng)，損傷梁體絕熱材料和鋼坯表面氧化鐵皮脫落，步進(jìn)梁的水平和升降運(yùn)動(dòng)采取輕拿輕放、緩啟緩?fù)５淖兯龠\(yùn)動(dòng)，配套升降和水平各兩套位移傳感器，一用一備。通過對(duì)步進(jìn)梁的行程進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，調(diào)整比例閥給定電流大小，使其按規(guī)定速度曲線運(yùn)動(dòng)。

圖3 步進(jìn)梁的運(yùn)行軌跡曲線

3.2 步距補(bǔ)償

步進(jìn)梁在前進(jìn)和后退運(yùn)動(dòng)過程中，由于爐體本身慣性及機(jī)械設(shè)備、比例調(diào)節(jié)閥響應(yīng)時(shí)間等方面原因，實(shí)際步距與理論給定值存在一定的偏差，由于爐口沒有出鋼機(jī)對(duì)行進(jìn)偏差進(jìn)行最終調(diào)節(jié)補(bǔ)償，如果不在后續(xù)運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)這一偏差進(jìn)行修正，便不能確保料坯走到爐口時(shí)一步上出料輥道[4]，極易發(fā)生鋼坯掉道、沖撞爐墻等危險(xiǎn)情形。因此，對(duì)步距偏差補(bǔ)償是必不可少的。

步距的補(bǔ)償方式是逐漸累積補(bǔ)償，如式（1）：

式中：Ln0為本步理論設(shè)定值，Ln1為本步實(shí)際行程，L（n+1）0為下一步理論設(shè)定值。將本步偏差值的50%累加至下一步的理論設(shè)定值，同時(shí)設(shè)定最大補(bǔ)償值Cmpmax=2 mm，當(dāng)時(shí)時(shí)，從而避免了位移傳感器檢測(cè)異常所帶來的過補(bǔ)償。此外，為確保實(shí)際行程測(cè)量的準(zhǔn)確性，選取梁體上升過等高位及下降過等高位時(shí)的位移檢測(cè)值的差值作為本次步距實(shí)際行程，從而減少了在升降過程中的液壓溜車導(dǎo)致的橫向跑偏。經(jīng)過補(bǔ)償，百步偏差值可以有效的控制在±12 mm，確保精準(zhǔn)出鋼。

4 出爐控制

出爐部分由出鋼按鈕、出料懸臂輥、出料爐門、出料爐外輥道、熱檢等部分組成，整個(gè)過程共有5個(gè)動(dòng)作指示信號(hào)C1—C5。

當(dāng)軋線要鋼時(shí)，崗位人員點(diǎn)擊“出鋼命令”，步進(jìn)梁?jiǎn)?dòng)前循環(huán)，將裝料爐內(nèi)輥道上的料坯放到固定梁上最后一根位置，同時(shí)將第一根已經(jīng)完成加熱的紅鋼放到出料爐內(nèi)輥道上，生成物料號(hào)C1，爐門上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)上限位時(shí)，產(chǎn)生C2，具備輥道啟動(dòng)條件。后爐內(nèi)和爐外輥道啟動(dòng)運(yùn)行，將料坯快速送出爐外，形成C3。當(dāng)紅鋼頭部到達(dá)熱檢時(shí)，產(chǎn)生位號(hào)C4，尾部離開熱檢形成物料號(hào)C5，標(biāo)志著出鋼過程的結(jié)束。

5 關(guān)鍵連鎖

5.1 踏步與裝料連鎖

步進(jìn)梁的自動(dòng)模式下，料坯入爐過程中由于沒有形成R1物料號(hào)，不具備出鋼條件，步進(jìn)梁不會(huì)啟動(dòng)前循環(huán)動(dòng)作。但是，如果步進(jìn)梁在手動(dòng)踏步模式，與裝料側(cè)連鎖解開，當(dāng)接到軋線要鋼要求時(shí)，裝料側(cè)開始裝鋼，而步進(jìn)梁還未由踏步模式恢復(fù)到自動(dòng)，就容易造成入爐的料坯與升降過程中的梁體發(fā)生沖撞，如圖4所示。因此，需要在裝料側(cè)增加連鎖條件，只有在步進(jìn)梁為自動(dòng)模式時(shí)，才允許裝鋼。同時(shí)，增加了步進(jìn)梁踏步允許信號(hào)和上升復(fù)位信號(hào)的連鎖功能，當(dāng)爐體南激光通過距離測(cè)量判斷出爐內(nèi)輥道上有鋼，或是有料坯正在入爐，自動(dòng)取消踏步允許信號(hào)和上升動(dòng)作信號(hào)，可以立即停止步進(jìn)梁的上升動(dòng)作，有效的避免了料坯與梁體發(fā)生碰撞。

圖4 梁體與入爐料坯碰撞示意圖

5.2 空位判斷與自動(dòng)前循環(huán)連鎖

為降低鋼坯在爐內(nèi)的氧化燒損，減少能源消耗，根據(jù)不同鋼種的加熱規(guī)程，時(shí)常按照裝2支空1支或者裝1支空1支的情形。這樣當(dāng)空位走到爐口時(shí)，由于沒有實(shí)際的紅鋼不具備出鋼條件，步進(jìn)梁會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)前循環(huán)填補(bǔ)空位，直到爐口有紅鋼才停止自動(dòng)前循環(huán)，等待“出鋼命令”。在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爐口第一支為空料，但第二支為實(shí)料時(shí)，步進(jìn)梁在完成一次前循環(huán)后將實(shí)料放置在爐口第一支的位置，如圖5所示，由于物料隊(duì)列交換數(shù)據(jù)有滯后，未及時(shí)形成有料的“WB1”，使得系統(tǒng)認(rèn)為爐口仍為空料再次前循環(huán)，把紅鋼放在了爐內(nèi)出料輥道上，發(fā)生了紅鋼沖撞爐門的事故。為此，增加前循環(huán)使能倒計(jì)時(shí)功能，當(dāng)步進(jìn)梁回到零點(diǎn)后開始倒計(jì)時(shí)10 s，確保系統(tǒng)足以刷新對(duì)列信息，倒計(jì)時(shí)結(jié)束后使能啟動(dòng)信號(hào)，如果爐口確實(shí)無紅鋼便啟動(dòng)前循環(huán)，如果有實(shí)料便等待“出鋼命令”，這樣就避免了將有料視為無料導(dǎo)致的誤動(dòng)作，增加了爐體運(yùn)行的安全性。

圖5 前循環(huán)動(dòng)作異常示意圖

6 結(jié)語

本文以不銹線材廠步進(jìn)式加熱爐為例，重點(diǎn)從入爐控制、步進(jìn)梁控制和出爐控制三個(gè)方面分析了爐體順序控制的原理和方法。列舉了運(yùn)行過程發(fā)現(xiàn)的踏步功能與料坯入爐、空位判斷與自動(dòng)前循環(huán)等關(guān)鍵連鎖的分析及解決方法，增加了爐體運(yùn)行的安全性，使得控制系統(tǒng)更加可靠穩(wěn)定，為同類型設(shè)備的技術(shù)改造提供一定參考。

[1]曹漢英.步進(jìn)式加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].山西冶金，2013（2）:34-36.

[2]錢中山.步進(jìn)式加熱爐控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用網(wǎng)[D].沈陽：東北大學(xué)，2014.

[3]譚吉芳.步進(jìn)梁式加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].科技風(fēng)，2015（5）：51-53.

[4]于謝天.雙排布料步進(jìn)式加熱爐鋼坯跑偏的問題研究[J].山西冶金，2017（6）：74-75.

[5]程健.步進(jìn)式加熱爐鋼坯運(yùn)動(dòng)控制研究[D].合肥：合肥理工大學(xué)，2016.