某軋鋼廠智能加熱爐電氣控制系統設計

胡 玲

（石橫特鋼集團有限公司，山東 泰安 271612）

0 引言

利用加熱爐將煉鋼或熔鑄鋼坯軋制為棒材或線材是軋鋼廠一道最為關鍵的工序，該類型加熱爐也是冶金行業中存在數量最大的加熱爐群[1]。因此為提高軋鋼加熱爐作業效率，減輕工作人員勞動強度，實現加熱爐的全自動智能化控制，本文對某軋鋼廠步進梁式加熱爐進行電氣控制系統設計進行分析，對其出入料輥道、臺架以及步進梁等進行自動化設計，實現加熱爐的自動化作業工藝流程[2]。

1 加熱爐作業流程

軋鋼加熱爐進出料口機械單元包括出料口退鋼坯輥道、出爐懸臂輥道等設備單元，以及進料口步進式上料臺架、裝料輥道、入爐懸臂輥道、提升稱重裝置等。具體爐內作業流程及設備布置如圖1 所示。各設備作業工序如下：

圖1 加熱爐出入料作業流程示意圖

1）煉鋼鋼坯經吊車有序堆放在加熱爐上料臺架上，在步進式上料臺架的推動下，鋼坯被推移到第一道裝料輥道，在鋼坯向第二道輥道運輸時，由系統對鋼坯進行質量合格判斷，其中合格鋼坯將進行定位稱重，在經第三道裝料輥道推移時，不合格的鋼坯將由剔除裝置推送到廢鋼坯堆放臺，最終由行車運離。

2）經進料口三道裝料輥道輸送后的合格鋼坯，進入入爐懸臂輥道并進行定位，由步進梁拖入爐內完成加熱鍛造工序[3]。之后步進梁將再次工作，將鋼坯輸送到出料懸臂輥道，并由輥道運輸至軋機，完成加熱爐作業流程。

3）出爐口一側同樣有一道剔除輥道，可將未達到溫度要求的鋼坯輸送至退坯輥道，待自行冷卻后吊離。

2 電氣控制系統設計

對加熱爐作業采用PLC 系統進行電氣控制，型號為S7-1500 系列，控制臺界面通過WINCC V7.5 版本開發，CPU 為S7-1518-4PN/DP 型號，I/O 遠程站為ET200MP 系列。遠程站共設置5 套，包括液壓控制、出料、入料控制以及MCC 遠程控制、操作界面控制，PLC 系統與遠程站之間的通信由Profinet 實現。

2.1 上料臺架控制設計

上料臺架主體由4 根固定梁、2 根活動梁構成，臺架可以實現水平、垂直驅動控制，其中水平驅動控制通過一組電磁換向閥及線性位移傳感器實現，垂直升降控制由一組液壓電磁換向閥及兩個接近開關控制實現。臺架可以實現手動、半自動以及自動周期運行等多種控制形式，電磁換向閥用于控制臺架升降、水平移動，其中升降移量控制由接近開關實現，水平移量控制由位移傳感器實現，運行速度由內部節流閥控制。臺架一個自動驅動控制周期為30 s，包括10 s上升推移動作，行程320 mm；6 s 前進平移動作，行程450 mm；0.5 s 后移動作；6 s 下降動作；4 s 后退平移動作；各動作之間的間隔時長0.5 s。為保障軋鋼輸送安全，上料臺架與入料口三道裝料輥道之間實現了連鎖控制功能，即上料臺架輸送軋鋼時，確保一道裝料輥道處于靜止狀態，且此輥道上無軋鋼。同時，在臺架各動作單獨執行，當接收到控制中心輸送軋鋼信號后方可執行送鋼動作，并向第一道裝料輥道運移。

2.2 鋼坯質量檢測識別

煉鋼或熔鑄鋼材在進入加熱爐之前均已被標號處理，即鋼坯在由第一道裝料輥道向第二道輥道輸送時，鋼坯標號識別中不符合質量要求的鋼坯就不會進行定位稱重，由第三道輥道經剔除裝置輸送吊離加熱爐。鋼坯標號識別系統構成如圖2 所示，包括工業相機、現場控制箱、工控機、清潔裝置、網絡機柜等設備。相機布設在上料臺架兩側靠前位置，第一道輥道上的鋼坯到達預定位置后會觸發控制箱光電開關，由工業相機進行識別拍照，識別系統帶有多種光源進行補光成相，確保相機采集圖像的清晰度，同時通過各種處理技術對鋼坯圖像中的字符進行識別分析，判斷鋼坯身份信息。

圖2 鋼坯信息識別系統圖

2.3 稱重及剔除裝置設計

對合格鋼坯進行稱重，首先利用第二道輥道對鋼坯進行定位，并由液壓驅動的稱重裝置將鋼坯提升進行稱重。提升動作依靠液壓驅動油缸實現，并由電磁換向閥控制升降動作，由接近開關進行升降位置監測，鋼坯及提升框架總重量數據將由壓力傳感器顯示處理，通過分析計算得出單根鋼坯凈重。其中提升框架重量為S1；鋼坯凈重為S；壓力傳感器顯示總重為S2，則S=S2-S1。在稱重過程中，需要注意裝料輥道與稱重工序之間的連鎖控制，即在第二道裝料輥道停止輸送情況下，才可完成鋼坯定位進行稱重作業。

剔除裝置同樣是液壓驅動，通過左右兩組油缸實現不合格鋼坯的推桿式剔除，控制動作由電磁換向閥實現，推移位置監測由接近開關控制。正常工序下剔除裝置中的兩推桿處于縮回位置，當檢測到不合格鋼坯時，由液壓驅動的兩油缸將推桿水平推出，移進量可達860 mm，可一次性將不合格鋼坯推送至廢鋼坯堆放平臺，完成剔除作業，并由吊車將剔除鋼坯吊離。不合格鋼坯的檢測是通過第三道裝料輥道上的5 號熱金屬檢測器實現，當檢測到不合格鋼坯時，輥道停止運行，鋼坯將停放在輥道上，此時PLC 系統將控制電磁換向閥執行剔除動作，通過推移一次液壓油缸，將不合格鋼坯推送至廢鋼坯堆放平臺，同時推桿返回初始位置，即完成一次剔除動作。其中，連鎖控制要求在第三道裝料輥道停止運行的前提下，剔除裝置執行推桿伸縮動作，同時要求推桿動作時，輥道不能運行。

2.4 步進梁運行控制原理

步進梁同樣采用液壓驅動形式，控制油缸執行動作，步進梁包括升降、平移兩種動作形式，兩種動作控制均由比例閥實現，并由線性位移傳感器檢測實時動作位置。具體動作曲線與上料臺架類似，為矩形運動形式，平移動作范圍為240～300 mm，升降動作范圍為0～200 mm，步進梁一個動作周期36 s，在進行動作時要控制運行速度，做到緩起、緩停，保障鋼坯輕拿輕放。

1）步進梁控制及操作。步進梁控制方式包括手動、半自動及自動周期運行等多種形式，活動梁可以實現正向、反向循環移動，其中控制原理如圖3 所示。步進梁通過控制比例閥的開度以及兩端壓力來調節移進速度，比例閥開度與閥內電磁線圈中的電流成正比，而電磁線圈中的電流由比例閥放大器中的輸入電壓確定，電壓又由PLC 模擬輸出通道決定，因此可以通過控制電壓值，從而確定步進梁的移進速度，保證步進梁在靠近鋼坯或接近目標重點時，能夠及時減速停車。

圖3 步進梁控制原理示意圖

2）步進梁斜坡發生器。在步進梁進行高速、低速運行模式切換時，需要做到速度的平穩切換過程，即加速、減速體現在速度曲線上的斜坡穩定數值，因此可以通過編寫一個斜坡發生器模塊，在步進梁加速、減速動作時，通過該模塊控制步進梁的平穩加速、減速過程。速度的平穩切換控制可以保證步進梁的平穩驅動控制，延長機械結構使用壽命，要求模塊調試精度中的步距誤差保持在1 mm 范圍內。

3）步進梁步距補償及連鎖控制。為保證步進梁前進步距及物料跟蹤的精確性，需要對步進梁的移進步距進行補償，其標準步距300 mm 時，由于慣性等原因實際步距為301 mm，這時就需要將下一部步進梁步距控制為299 mm，從而實現鋼坯在爐內動作的精確性。同樣，可以通過計算累計誤差的形式，當累計誤差達到5～10 mm 時，進行步距補償。對步進梁的連鎖控制形式，要求步進梁執行動作時，進出料懸臂輥道應停止工作，保證鋼坯輸送安全。

3 結語

通過設計加熱爐電氣控制系統，基本可以實現對進出料的自動控制、鋼坯定位追蹤以及各機構的連鎖控制形式，實現加熱爐的全自動智能化控制，大幅提高了加熱爐的智能化作業水平，有效減緩了工作人員的勞動強度。