基于PLC的加热炉钢坯顺序控制系统设计
时间：2022-12-08 19:20:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
杨 铨，辛华健
(广西工业职业技术学院，广西 南宁 530001)
随着我国经济的不断发展，使我国钢铁行业的产量不断增大。由于我国是全球钢铁产量最大的发展中国家，为此钢铁加工技术成为各行业关注的焦点之一。钢铁加工实际上是一个耗能较大的行业，其中加热炉能量消耗占比最高，应加强对加热炉的根本控制，从源头上优化加热炉控制系统的生产程序，并最大限度地提升钢坯生产效率，通过该方式将能量消耗降至最低。本研究将加热炉的生产过程控制作为核心，利用PLC设计出加热炉钢坯顺序控制系统，该系统具有一定实用价值。
1.1 装钢机基本设备
加热炉在长行程上料过程中，最常使用的部件为装钢机。装钢机在加热炉中主要负责对钢坯进行转运，从装料轨道上将钢坯托起，并传送至加热炉的待料位置，等待加热炉对其进行相应的处理。加热炉在实际运行过程中长时间处于高温状态，易使装料杆因温度过高而产生变形现象，为最大限度地避免加热炉内各设备出现损坏现象，不断对装料杆进行通水冷却操作。
装钢机主要包括两个运行动作：升降和进退。当装钢机的运行动作为升降时，表明装钢机此时主要采取液压的方式驱动自身运行；
当装钢机的运行动作为进退时，表明装钢机此时主要采取机械传动的方式对钢坯进行传运[1]。
装钢机上料的工作过程为：
(1)利用装料杆完成钢坯推正操作，为钢坯的托起做准备。
(2)准备工作均完毕后，实施钢坯托起操作，通过移动控制将钢坯移动至固定梁上方，此时下降装料杆，将钢坯放置于固定梁上端。
(3)钢坯成功放置固定梁上端后，装料杆继续下降并返回。
为提升加热炉的工作效率，控制系统将装钢机的工作时间设定为50 s之内，装钢机的全部操作过程均不可超过50 s，并且装钢机进行钢坯装料过程中，其装料辊道不允许过钢，等待装钢机上料操作均完毕后，控制系统方可允许过钢。装料杆的升降驱动主要由PLC控制器实现线性位移传感器的整体控制。而装料杆处于进退行程时，由于钢坯在尺寸方面存在较大差异性，使装料杆进行上料操作时的伸进位置各不相同，为此本研究对装料杆的进退行程进行设计时，采用炉区PLC对脉冲发生器进行控制。为保证装料杆在进退行程中设备的完整性，对装料杆的全部动作均设置开关保护[2]。
1.2 装钢机运行控制
当前装钢机的运行控制方式只要包括手动控制和自动控制。通过对加热炉的整体构造进行分析可知，加热炉的装料端均配装两扇炉门，该炉门主要由外置抱闸的电机实现炉门升降的控制。装钢机的运行控制是加热炉钢坯顺序控制系统的核心部分，为保证装料辊道的高速运行，对装钢机的运行进行设计时，应严格遵守装料炉门在上位、升降挡板在下位的原则，若装钢机控制顺序出现错误，可直接影响装钢机装料辊道的运行速度。装钢机在实际运行过程中，若出现装料悬臂辊道未处于停止和空转状态、入炉推钢机未按照系统设置返回初始位置，应立即停止步进机构的运行。若装料悬臂辊道上端仍含有钢坯，应禁止步进机构执后退操作，避免因步进机构的后退，使钢坯伤到工作人员或者造成其他损失。若钢坯存在异常情况，应立即采取报警模式，通知工作人员采取相应的处理措施[3]。
对装钢机的工作程序进行设计时，应完成装钢机开启程序的设计。装钢机能否顺利启动，应在满足台架运载钢坯到位和台架停止运行两个条件的情况下，方可启动装钢机。
装钢机成功启动后，利用装钢机将钢坯运输至加热炉内部，该过程可借助台架完成钢坯运输任务，通过台架的辅助控制，可向加热炉钢坯顺序控制系统发送“取料完毕”信号，装钢机控制程序如图1所示。
当装钢机按照系统预设的运送方式成功将钢坯运输至加热炉时，应立即关闭装钢机，并打开入炉辊道及进炉门。为保证加热炉钢坯顺序控制系统可实时检测钢坯的位置，在加热炉的炉门处安装检测传感器，利用该传感器及PLC控制程序即可对钢坯的位置进行判断，当钢坯成功到达指定位置后，打开进炉门实现钢坯的运送。炉门关闭后，使推钢机回归原位置，等待加热炉钢坯顺序控制系统下达指令[4]。
图1 装钢机控制程序图
2.1 步进梁基本设备
加热炉步进系统主要通过液压装置实现整体驱动，该系统的核心组件包括控制阀组以及压力安全阀组，在两个阀组的支持下，使加热炉步进系统在控制机构运行及安全保障方面具有重要作用。
1)步进梁升降部分
步进梁升降运行的控制阀组主要由三部分共同组成：比例方向阀、压力补偿器以及平衡阀，控制阀组在步进梁中主要负责对升降运行的平稳性进行管控，并且在控制阀组的作用下，有利于提升加热炉内坯料托起的精准性[5]。
2)步进梁进退部分
进退控制阀组在步进梁中主要采用比例方向阀和压力补偿器对进退液压缸进行控制，实现进退液压缸的整体驱动，有利于提供步进梁进退停稳的可控性。
3)装料机升降部分
升降控制阀组主要由比例方向阀以及平衡阀共同组成，在二者的作用下，有利于全面提升升降机构运行的稳定性，实现升降机构高效、持续地运行。
加热炉步进系统主要通过液压装置实现整体驱动，该系统在实际运行过程中由PLC进行监控，使该系统支持手动操作及自动操作，步进梁运动过程如图2所示[6]。
图2 步进梁运动过程示意图
2.2 步进梁运行控制
本研究对步进梁的运动控制进行设计时，选用全液压驱动型步进梁机构作为核心设备。步进梁的功能主要包括支撑钢坯、踏步、复位以及循环控制功能。钢坯在运输过程中由步进梁及固定梁共同支撑，通过步进梁和固定梁的支撑，有利于实现钢坯的轻托慢放。步进梁的踏步功能可使钢坯处于“零”位，若钢坯的实际停留位置超过系统设定的限值后，加热炉钢坯顺序控制系统立即执行钢坯的自动复位，通过对坯料进行实时追踪管理功能使钢坯回归“零”位。步进机构完成手动操作后，即可实现正、逆循环控制功能。由于系统存在互为连锁的特性，故步进梁在实际运行过程中不能同时对两种动作进行执行，不同动作之间的间隔执行时间应控制在0.5 s以上[7]。
步进梁的运行状态主要取决于加热炉，当步进机构可维持稳定运行时，加热炉即可接收到有效钢指令，此时系统为促使加热炉顺利运行，利用PLC完成驱动程序的调用，由计算机向步进梁发送钢坯运输指令，等待步进梁成功接收指令后，严格按照运输指令规定的顺序执行相关动作。步进梁的运行控制过程为：首先使装钢机处于初始位置，启动步进梁的正循环功能后，打开加热炉的出料炉门，使出钢机的下位前进，并将加热完毕的钢坯托起，放置于辊道中心线，关闭出料炉门，出钢机下降并后退。对步进梁进行控制过程中，若出料辊道出现异常状态，应保证磁性上限接点处于闭合状态。当出料炉门的位置出现错误时，可使出料辊道一直处于低速空转状态运行，此时应采取报警模式，提示工作人员制定有效可行的处理方案[8]。
3.1 出钢侧基本设备
为保证加热炉的工作效率，在每个加热炉的出料端均配置一套具有取出和投放加热钢坯功能的出钢机。由于出料杆的伸入位置存在一定差异性，为此本研究对出钢过程进行设计时，将钢坯的停放位置作为主要依据，以此实现出料杆伸入距离的调整。出料杆伸入距离的调节过程为：首先利用激光检测器对出钢坯距离加热炉炉口的停放位置进行确定，结合钢坯生产的实际要求，采取相应的措施对出料杆的伸入距离进行调节。托轮及齿轮可维持出钢机的稳定运行，若托轮及齿轮出现损坏，可直接影响出钢机的工作效率，为此本研究对出钢机的托轮、齿轮轴轴承设备进行选择时，均选用进口的轴承。出钢侧设备主要包括升降和进退两个机械动作，在运行过程中均由同步轴实现[9]。
3.2 炉门及升降设备
加热炉主要配备装料炉门和出料炉门，其中装料炉门是一种左右两侧均带有水冷框的焊接件炉门。为保证钢坯的顺利传送，在装料炉门的左右两侧均安装一套电动炉门升降机构，该炉门的开、关由行程控制器控制，行程控制器具有检测功能，当行程控制器检测到钢坯运输至加热炉的装料炉门外部时，行程控制器自动控制装料炉门，使其处于打开状态。若行程控制器未检测到装料炉门外部存在钢坯，将自动关闭装料炉门。出料炉门是一种较为常见的钢结构焊接件，该炉门包含两套炉门升降机，可自动完成炉门升降操作，该炉门的开、关由行程控制器控制与检测。为保证出料炉门不被高温侵蚀，将该炉门置于冷水框架中，采用冷水框架对其进行包裹。
炉门升降机构的驱动主要由软启及软婷方式控制电机进行实现，电机启动后经过齿轮减速机带动链条完成炉门升降操作，该过程的链条与炉门处于吊挂状态。为实现炉门的行程控制，在电机外侧设置抱闸。炉门的行程控制主要由凸轮控制器和行程开关体现。为提升炉门的精准开启和关闭，可与步进梁等机构进行联锁控制。
3.3 钢坯出炉运行控制
本研究对钢坯的出炉过程进行控制时，在每个加热炉的出料端均配装一套出钢机，需要该出钢机具有取出与投放加热钢坯的功能。由于出料杆的伸入行程处于不断变化状态，为此将出钢坯的停位作为主要依据，对其进行相应的调整。出料杆的伸入行程调整方式为：首先，利用激光检测器对钢坯距离加热炉炉口的实际位置进行确定，并结合钢坯的生产要求实现位置调整[10]。其次，向计算机发送信号，由计算机对出料杆的伸入行程进行分析处理，以此保证出料杆伸入行程的精确度。最后，为实现对坯料位置的精准追踪，将处理后的信号发送至计算机系统。
当步进梁处于前进状态时，利用激光检测器对前沿信号进行捕捉，此时加热炉钢坯顺序控制系统立即进入检测状态，并将坯料的前进位移等数据进行实时记录。当系统处于检测状态时，步进梁立即进入暂停循环状态，直至钢坯成功出钢即可恢复正常运行，此时出料机成功将钢坯放置出炉辊道的中心线上。加热炉的整个出钢过程均由机械臂实现，在机械臂的支持下可完成钢坯的轻托轻放。
不同的钢坯在尺寸上存在较大差异，当坯料中心线与辊道中心线无法对齐时，可引发钢坯的放置位置差异性较大，最终造成出料机的伸出行程与实际不符。为避免钢坯放置的位置与系统设定位置不符，本研究对出钢过程进行设计时，利用PLC对脉冲发生器进行精准控制。当出钢机加热结束后的钢坯处于加热炉出口辊道上时，通过传感器对钢坯的位置信息进行采集，并将采集后的信息上传至控制系统，由控制系统对钢坯是否成功出炉进行判断，同时对钢坯进行有效跟踪。
出钢过程的设计程序为：当步进梁复位后，利用传感器对钢坯的位置进行检测，若检测到出料炉门处存在钢坯运输，此时打开出料炉门以及辊道，按照加热炉钢坯顺序控制系统设定的运输顺序，将钢坯放置在辊道的中心线上。当出钢机复位时，立即将钢板放在出钢辊道上等待系统下达命令。若系统下达的命令为粗轧信号，应执行该命令并向粗轧环节动作。若出钢机未接收到系统下达的指令，则出钢辊道处于来回摆动状态，直至系统发送指令。
本研究主要对钢坯的传送顺序进行研究与控制。为实现对加热炉的有效控制，分别对装钢机、步进梁以及出钢程序进行设计。由于加热炉在实际运行过程中长时间处于高温状态，易使装料杆因温度过高而产生变形现象，为最大限度地避免加热炉内各设备出现损坏现象，不断对装料杆进行通水冷却操作。通过加热炉钢坯顺序控制系统设定的钢坯运输顺序，可实现对加热炉的有效控制，对企业的经济效益具有提升作用。
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