步进梁式加热炉自动化控制研究

步进梁式加热炉自动化控制研究

陈伟

关键词：步进梁；加热炉；自动化控制；工作原理；设计

某轧钢厂现有步进梁式加热炉两个，有效长度为63m，加热炉内径约为12.3m，每小时生产板坯为400t，步进梁运动方式为液压驱动，水平及竖直方向可运动范围分别为380mm和90mm。步进梁式加热炉工作状况，与整条生产线作业情况存在紧密联系，为加强对步进系统的控制力度，提高其自动化和智能化水平，确保步进梁式加热炉运行稳定性与安全性，该轧钢厂决定利用自动化技术，对原有控制系统进行优化升级，现将具体研究过程整理如下。

1.步进梁式加热炉特点

步进梁式加热炉是当前轧钢厂使用最为广泛的加热炉炉形，与推钢炉相比，主要具备以下显著特点。第一，钢料加热质量高。钢料可以随着步进梁在水平及竖直方向上的平移做同步运动，彼此之间留有孔隙，在保证钢料均匀受热的同时，还可以避免粘钢引起的划伤和黑印问题，既可以显著提高钢料加热效率，能够节省10%左右的能耗，还可以确保钢料加热质量的良好性[1]。第二，步进系统易于操作。在对钢料进行加热时，可根据实际生产情况控制其前进或后退，炉内坯料可以在设备检修和更换钢种时全部除去，实际装料量也可以根据产量需求自由调整，系统操作更加灵活方便。第三，适用范围广泛。步进梁式加热炉对钢料长度、厚度等没有严格要求，可以对不同类型钢料进行加热生产，如钢锭、钢坯、板坯、圆坯等。基于步进梁式加热炉的多个优点，已经成为了现阶段轧钢厂主流加热炉。

2.步进梁式加热炉步进系统组成及工作原理

在研究步进梁式加热炉自动化控制之前，应先分析并了解步进系统组成及工作原理，为自动化控制设计提供理论依据。

2.1步进系统组成

根据步进梁式加热炉装出炉方式的不同，可以将其分为侧进侧出，端进侧出，端进端出三种。按照设备具体功能的不同，可将整个步进系统分为三大部分，包括炉底机械、水冷梁、水封装置。炉底机械主要作用是控制步进系统的运动路径，由斜轨座、移动框架、滚轮、移动定心装置、液压缸等设备组成；水冷梁在步进系统中起支撑作用，主要组成为固定梁、活动梁、立柱等；水封装置的功能为除渣和阻隔外部空气，具体包括水封槽、水封刀、水封罩等元件[2]。步进梁式加热炉炉型曲线如图1所示。

图1步进梁式加热炉炉型曲线

2.2步进系统工作原理

步进梁式加热炉步进系统一个完整的步进周期可分4步完成，具体工作原理如下。第一步，水平方向上的移缸缩回，带动步进框架向后移动，垂直方向上的移缸不发生运动，步进梁位置不发生变化。第二步，垂直方向上的移缸缩回，步进梁会随着牵引臂的上升而提高，当活动梁高度超过固定梁高度时，会托起其表面的钢坯。第三步，水平方向上的移缸推出，带动步进框架向前移动，到达设定好的位置后停止[3]。第四步，垂直方向上的移缸推出，步进梁会随着牵引臂的下落而降低，当活动梁高度低于固定梁高度时，便可以将钢坯放置在其表面，此时钢坯便会随着步进梁一个步进周期的完成向前前进一步。

3.步进梁式加热炉自动化控制的设计与实现

明确步进梁式加热炉步进系统组成及工作原理后，便可结合实际生产需求对其进行自动化升级改造，设计与实现步骤包括以下几个环节。

3.1自动化控制系统配置

该轧钢厂所用自动化控制器为西门子S7-1500PLC，集成运动控制、信号追踪、PID自整定等功能，所用远程I/O站为种类齐全的通用型ET200M；上位监控画面采用研华工业计算机。自动化控制系统的通讯网络结构分为以太网和PROFIBUS-DP网络协议两个层级，第一层级负责自动控制器之间及以及自动控制器与上位监控PC之间的数据交换，第二层级负责自动控制器与步进系统机现场I/O站之间的数据交换[4]。

3.2上进料系统控制

上进料控制系统主要负责上料作业环节的控制，包括上料台架、上料小车、受料辊道、称重辊道、入炉辊道、入炉悬臂辊道、坯料处理、推钢机等。具体过程为待方坯检验达标后，通过上料系统使其从上料台架上进入炉悬臂辊道，并通过测量长度和称重，去除不合格坯料，保留合格坯料。另外，还需要利用光栅和脉冲编码器对钢坯在辊道上所在位置进行计算，使其能够位于辊道中间，确保钢坯入炉后可以准确定位。为减小计算误差，在计数器中应用了A、B脉冲4倍频技术。

3.3步进梁控制

步进梁控制需根据步进系统工作原理进行，通过反复循环步进动作，使钢坯逐渐从装料口移动至出料口，在移动过程中完成加热处理。步进梁控制主要是根据实际生产需求，对步进梁运动方式作出调整，在踏步、点动、正循环、逆循环、半升几种运行方式之间进行切换，并改变步进梁运动速度。偏心轮式、拉杆托辊式和双轮斜辊式，是传动机械主要结构形式，该轧钢厂步进梁式加热炉步进方式为双轮斜辊式，包括平移框架和升降框架两层独立结构，分别由一只液压缸和两只液压缸驱动[5]。

在控制步进梁运动时，先将自动控制器输出电压放大，控制比例阀阀芯张开一定角度，调整液压缸流量大小，向其提供对应的驱动力，并通过传感器向自动控制器传递活塞的位置信息，便于下次动作的调整。该轧钢厂步进梁式加热炉步进梁平移行程与升降行程分别为380mm和90mm，运动周期为40s。步进梁的平移与升降存在连锁关系，0.5s内同意动作不可重复出现，在出现错误动作时控制系统可自动纠错。

在控制步进梁运动时，主要是从时间和平稳性两方面考虑的，在较小其加速度时，应确保其速度不小于某标准值，这就需要通过反复调试、修正，得到最佳速度位移曲线。同时，利用自动化控制器设定控制程序，并构建步进梁动作曲线模型，结合每步补偿法，用下一周期的动作补偿前一周期的动作，实现步进与时间双补偿，进而提高了运动控制精准性。控制系统设计完成后，步进系统单步控制精度和纵向跑偏距离分别在2mm和10mm以内。

2.4出料系统控制

出料系统控制主要完成出炉辊道、出炉悬臂辊道、出料炉门、高压水除磷的控制。

结束语

加大对步进梁式加热炉自动化控制研究力度，能够提升步进系统的自动化运行水平及运行能力，在提高钢坯加热生产效率及生产质量的同时，还能确保系统运行的稳定性与安全性，进而保证了整条轧钢生产线的良好作业。在对步进梁式加热炉步进系统进行自动控制设计时，应先明确系统组成及其工作原理，结合轧钢厂生产现状及生产需求，将自动化技术科学应用于上料系统、步进梁系统及出料系统中，构建实用性较强的自动化控制系统，进而提高设备运行精度，减轻工作人员劳动轻度。

参考文献

[1]谭吉芳.步进梁式加热炉自动控制系统设计分析[J].科技风，2015，（5）：51-51.

[2]洪博.步进梁式加热炉自动化控制[J].涟钢科技与管理，2012，（1）：53-56.

[3]唐明明，张晓江，查道正，等.步进梁式加热炉运动控制系统研究及应用[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2014，（5）：558-562.

[4]刘洋，冯诗桐，姜长平.步进梁式加热炉控制系统[J].冶金设备管理与维修，2016，（4）：9-11.

[5]王伟伟，郭丽丽，董一鸣.加热炉的自动控制[J].信息系统工程，2013，（2）：43-43.