加熱爐步進梁液壓系統分析及改造

鄢 勇，陳新元，金明勇，陳恭權

(武漢科技大學，湖北 武漢 430081)

1 概述

某熱軋廠 1700熱軋線在軋鋼生產過程中，對鋼坯溫度的要求比較高。軋機所配備的步進式加熱爐，每座最大裝鋼量約 600 t，活動爐底自重約 330 t，總計近千噸。它采用步進梁機構使鋼坯在加熱爐內做矩形運動來移送鋼坯，從而使鋼坯在爐內均勻加熱。步進梁采用液壓傳動，其液壓系統可以分為動力系統、控制系統兩大部分。

2 步進梁的動作分析

步進梁相對于固定梁按矩形軌跡做周期運動，如圖 1所示。

圖1 步進梁動作圖

一個運動周期由 4個動作組成：(1)步進梁上升，托起鋼坯;(2)步進梁及鋼坯按設定好的步距前進;(3)步進梁下降，將鋼坯放在固定梁上;(4)步進梁水平移動退回到起始位置。每個動作過程又分為加速、勻速、減速 3個階段，步進梁的變速是通過液壓元件無觸點位置極限開關，時間繼電器配合 AD閥的動作來實現的。即通過無觸點位置極限開關及時間繼電器給指令，逐漸切斷部分供油回路來實現調速。

3 原液壓系統分析

為了實現步進梁上升、前進、下降、后退的矩形運動軌跡以及調節步進梁的運動速度，原系統液壓傳動部分采用了 3臺油壓平衡型雙聯定量泵供油，并用專門的 AD閥(加、減速閥)調節流量，如圖 2所示。即通過逐漸地使部分供油泵卸荷或加載來改變系統的供油量，從而調節液壓缸活塞的運動速度。這種定量泵 +AD閥(A表示加速、D表示減速)形式的調速回路屬于旁油路節流調速。

圖2 AD閥調速回路原理簡圖

其中 AD閥 6的閥芯位移是由控制油來驅動的。當電磁閥 4的電磁鐵 a失電時，AD閥閥芯在彈簧的作用下，由右位逐漸回復中位，油泵 2的壓力油，經減壓閥 7和 AD閥流回油箱，此時系統供油量減小，油缸的運動速度逐漸變小。當電磁閥 4的電磁鐵 a得電時，控制油通過單向節流閥 3進入到 AD閥的右腔，使閥芯由中位逐漸過渡到右位，通過 AD閥流入油箱的油減少，此時系統供油量增大，油缸的運動速度也隨之增大。

目前，2號加熱爐步進梁液壓系統和電氣自動化系統已經運行 30多年，部分液壓元件、設備已經老化、磨損，而且廠家已不再生產，難以補充備件。導致液壓系統效率低下，發熱量大，運行狀態不穩定。采用 AD閥、極限開關和時間繼電器進行控制，控制方式落后且精度低，已不能滿足當前生產要求。針對 2號加熱爐步進梁液壓系統在實際生產中暴露的問題，熱軋廠決定對該液壓系統、電氣控制部分進行升級改造。

4 液壓系統改造方案分析

結合步進梁的實際工作情況并與熱軋廠多次協商后，最終擬定了步進梁液壓系統的改造方案。

經過計算后得出系統所需最大流量為1000 L/min，故新設計的液壓系統采用 5臺(其中 1臺備用)恒壓變量柱塞泵，這種液壓泵可以根據液壓缸實際所需流量來調節其輸出流量，這樣可以降低功耗，減少系統發熱量。新系統油箱容積為 6000 L，故增加了循環冷卻過濾系統，以降低系統中油液溫度和過濾系統中的雜質。此外還增加了 2個 50 L的蓄能器，它在系統中可以保持系統壓力恒定，儲存液壓泵輸出的多余壓力油，當系統中液壓油不足時又可以及時的給系統補油，從而使系統運行的更加平穩。

新液壓系統采用比例閥節流調速，即通過調節比例閥的閥口開度來調節系統的流量，從而調節液壓缸活塞桿的運動速度。其中平移缸回路中采用了比例換向閥調速，如圖 3所示。在比例換向閥兩端連接壓力補償器 1，使比例換向閥兩端的壓力差保持為一定值，使流過閥的流量不隨負載大小的變化而變化，從而使系統流量穩定。兩個液控單向閥 4在系統中組成液壓鎖，兩個溢流閥 5在系統中對液壓缸起過載保護作用。另外，還在移動液壓處設有位移傳感器 9，不僅可以在線監測缸的位移，還可以將信號反饋給比例閥進行閉環控制。

升降缸則采用定差減壓閥和比例節流閥來進行調速，上升時是進油節流調速，下降時則是回油節流調速。兩個升降缸機械同步，共同托起步進梁，兩缸上面也裝有位移傳感器。且工作腔前面有溢流閥，起過載保護作用，液壓鎖和手動換向裝置可以防止系統突然斷電時，液壓缸快速下降，發生重大事故。

圖3 平移回路原理簡圖

5 電氣控制系統方案分析

電氣控制部分的改造主要是更換相應的電氣控制設備，編寫新的控制程序，以提高系統的控制精度和自動化程度。改造后步進梁運動速度的變化由液壓系統中的比例閥的控制來實現，而步進梁的運動極限位置以及運動速度改變點分別由升降缸和平移缸外置的線性位移傳感器來確定。通過限位開關的觸發信號和PLC程序來控制步進梁的運動速度和時間，從而控制步進梁的機械運動。

在步進梁液壓系統啟動后，通過控制系統中相應的電磁閥的開閉，從而控制步進梁的升降、平移動作，系統框圖如圖 4所示。當步進梁液壓系統調試完畢后，通過定差減壓閥或者壓力補償器可以使比例閥兩端的壓力差保持為一定值，因此只需調節比例閥的閥口開度即可調節步進梁的運行速度和時間。比例閥閥口開度大致與閥內電磁線圈電流成正比例，線圈電流大小由比例閥放大器的輸入電壓決定，該輸入電壓可由 PLC模擬輸出通道給定。所以，在程序中改變放大器輸入電壓值，即可以調節步進梁的運行速度和時間。

圖4 液壓缸控制系統框圖

整個步進梁控制系統由西門子 S7-400主站、兩個ET200M子站以及計算機等構成，網絡結構如圖 5所示。

圖5 系統網絡結構圖

系統網絡中有一條 MPI總線和一條 PROFIBUSDP總線。其中 MPI總線主要用于主站 S7-400 PLC和編程器之間的數據通訊。PROFIBUS-DP總線主要用于S7-400 PLC主站與 2個 ET200M子站之間的數據傳輸。

主站采用西門子 S7-400系列 PLC，其具有很高的處理和通訊能力，它的擴展模塊部分用來控制與步進梁動作相關的電磁閥的開關和比例閥的電信號。從站為 2個 ET200M分布式 I/O子站，ET200M是一個模塊化的 I/O站，通過 IM 153接口模塊把 ET200M子站連接到 PROFIBUS-DP現場總線上。主站 PLC中的CPU通過 PROFIBUS-DP網絡訪問 ET200M中的 I/O模塊。2個 ET200M子站分別安裝在控制室和泵站，用來控制泵站各電氣控制點。

6 結束語

改造后的新液壓系統相比之前的液壓系統，具有系統運行的穩定性、可靠性大大提高，系統功耗損失小，效率高，電氣控制系統精度高，自動化程度高等特點。

[1] 陳奎生.液壓與氣壓傳動[M].武漢：武漢理工大學出版社，2001.

[2] 劉鍇，周海.深入淺出西門子 S7-300PLC[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.