大型鋼坯加熱爐步進(jìn)梁速度控制研究

郭媛， 龔云， 蔣俊

（1.武鋼大學(xué) 信息工程學(xué)院，武漢 430081；2.武漢科技大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，武漢 430081）

0 引言

大型鋼坯加熱爐的鋼坯輸送，采用步進(jìn)式，這有利于鋼坯加熱均勻，防止鋼坯表面磨損，是目前鋼廠加熱爐采用較為普遍的一種輸送鋼坯方式。這種輸送方式存在的技術(shù)難點(diǎn)是，防止鋼坯在升降過程中與固定梁和步進(jìn)梁發(fā)生沖擊、不穩(wěn)定等。20世紀(jì)70年代，采用液壓傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)梁后，其運(yùn)動(dòng)特性有較大改進(jìn)，因?yàn)槭怯肁D閥（加減速閥），但仍在速度轉(zhuǎn)換時(shí)出現(xiàn)沖擊，而且節(jié)流消耗能量較多。近些年液壓伺服元件的發(fā)展，將其應(yīng)用到步進(jìn)梁的運(yùn)動(dòng)速度控制中，有力地提高了步進(jìn)梁工作性能和提高鋼坯質(zhì)量。

1 液壓控制系統(tǒng)簡介

液壓控制系統(tǒng)一般由：指令元件、比較元件、控制器、比例（伺服）閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控制對象、檢測部分等組成，如圖1所示。圖1（a）為開環(huán)控制系統(tǒng)框圖，圖1（b）為閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

1）指令元件。計(jì)算機(jī)、可編程控制器（PLC）、信號發(fā)生器、手動(dòng)電位器等。產(chǎn)生信號類型有模擬（±5 V、±10 V、4-20 mA、0～5 V、0～10 V）和PWM；

2）控制器。兼有比較器作用，將指令信號與實(shí)際輸出進(jìn)行比較，對偏差信號進(jìn)行功率放大，轉(zhuǎn)變?yōu)?～3 000 mA之間的控制電流，輸入比例（伺服）電磁鐵。

3）比例（伺服）閥。是一種電-液轉(zhuǎn)換裝置，將比例放大器輸入的電流信號通過比例（伺服）電磁鐵，轉(zhuǎn)化為推力（力矩），驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行液壓功率放大，輸出受控的液壓能。

4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液壓缸、液壓馬達(dá)等是一種液-機(jī)轉(zhuǎn)換裝置，將液壓能轉(zhuǎn)化機(jī)械能，帶動(dòng)負(fù)載。

5）檢測部分。一般由傳感器及相關(guān)顯示、轉(zhuǎn)換儀器、電路組成。它將系統(tǒng)的輸出位移、壓力、流量等物理量直接顯示或轉(zhuǎn)化為電信號反饋回去，構(gòu)成閉環(huán)控制，以提高系統(tǒng)控制性能。

2 步進(jìn)加熱爐比例伺服控制系統(tǒng)

在重載工況條件下，速度控制十分重要，若控制不好，會產(chǎn)生沖擊和不穩(wěn)定。我們根據(jù)工藝要求，采用了比例伺服控制，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

步進(jìn)加熱爐內(nèi)有固定梁和步進(jìn)梁，步進(jìn)梁承擔(dān)托起鋼坯和移送鋼坯任務(wù)，固定梁起支承鋼坯任務(wù)。步進(jìn)梁工作步驟為上升→平移前進(jìn)→下降→平移退回，這樣就完成一次送鋼工作，經(jīng)多次循環(huán)運(yùn)動(dòng)，鋼坯便移送到出鋼處，也完成了爐內(nèi)加熱，工作過程如圖3所示。步進(jìn)梁步進(jìn)運(yùn)動(dòng)如圖4所示。步進(jìn)梁速度位移曲線如圖5所示。

圖2 加熱爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 加熱爐工作過程簡圖

圖4 步進(jìn)運(yùn)動(dòng)圖

圖5 步進(jìn)速度位移曲線

3 步進(jìn)加熱爐液壓系統(tǒng)簡介

在步進(jìn)梁速度控制中，對升降動(dòng)作采用閉式液壓系統(tǒng)。雙向變量泵輸出的液壓油直接通到液壓缸油口，液壓缸上下運(yùn)動(dòng)方向由雙向變量泵控制，液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度通過比例閥控制液壓泵的變量機(jī)構(gòu)進(jìn)行，如圖6所示。比例閥輸出流量大小，由比例閥的輸入信號確定［1］，其控制原理如圖7所示。

圖6 液壓控制系統(tǒng)原理圖

圖7 比例控制原理圖

4 PLC控制系統(tǒng)

步進(jìn)梁電控系統(tǒng)選用了西門子公司的S7-300作為控制器，這種控制器應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。它具有模塊化、無排風(fēng)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)分布容易、用戶容易掌握等特點(diǎn)，使得S7-300能完成各種從小規(guī)模到一些中等性能要求的控制任務(wù)。S7-300的CPU具有多種性能遞增性，同時(shí)S7-300的I/O擴(kuò)展模塊具有許多方便的功能，使用戶可以完全根據(jù)實(shí)際的情況選擇合適的模塊。當(dāng)任務(wù)規(guī)模擴(kuò)大且愈加復(fù)雜時(shí)，使用附加的模塊可以隨時(shí)對PLC進(jìn)行擴(kuò)展。西門子S7-300所具備的強(qiáng)抗振動(dòng)、高電磁兼容性和抗沖擊性，使其工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。此外，S7-300系列還具有模塊結(jié)構(gòu)緊湊，點(diǎn)數(shù)密度高，性能優(yōu)越，性價(jià)比高，裝卸方便等優(yōu)點(diǎn)［2-4］。電控系統(tǒng)布局和結(jié)構(gòu)框圖如圖8、圖9所示。

圖8 電控系統(tǒng)布局圖

圖9 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的框圖

通過對控制任務(wù)和控制對象進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，該系統(tǒng)需要以下不同的I/O點(diǎn)：

數(shù)字量輸入點(diǎn)（DI）共32個(gè)點(diǎn)。其中24點(diǎn)接收爐體、進(jìn)鋼和出鋼輥道上限位行程開關(guān)信號，另外8點(diǎn)分別用來設(shè)置四個(gè)比例放大器的狀態(tài)。

數(shù)字量輸出點(diǎn)（DO）共5個(gè)點(diǎn)。其中4點(diǎn)是用來控制放大器使能繼電器；另外1點(diǎn)用來控制故障聲光報(bào)警。

模擬量輸入點(diǎn)（AI）共25個(gè)點(diǎn)。其中4點(diǎn)用于4臺泵的手動(dòng)；4點(diǎn)用于4臺泵的傾角傳感器；4點(diǎn)用于4臺泵的零點(diǎn)調(diào)整；8點(diǎn)用于4臺泵的比例電磁鐵；5點(diǎn)用于爐床驅(qū)動(dòng)升降和平移缸的位移。

模擬量輸出點(diǎn)（AO）共16個(gè)點(diǎn)。其中4點(diǎn)用于4臺泵的比例放大器；4點(diǎn)用于4臺泵的比例放大器給定值的儀表顯示；4點(diǎn)用于4臺泵的比例電磁鐵實(shí)際的電流儀表顯示；4點(diǎn)用于4臺泵的流量儀表顯示。

該系統(tǒng)所需要的一些PLC控制模塊如表1所示。

表1 PLC控制模塊

5 液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測界面

系統(tǒng)狀態(tài)主要指的是液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)，在該界面中，可以監(jiān)測到各電機(jī)泵組的啟停狀態(tài)、各控制截止閥的開關(guān)狀態(tài)、各個(gè)過濾器是否堵塞狀態(tài)、各壓力繼電器的通斷狀態(tài)、泵的傾角以及各比例閥兩端的電流大小等系統(tǒng)信息、通過不同的顏色來區(qū)分各種狀態(tài)的變化［1］，如圖10所示。主泵運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測界面如圖11所示。

圖10 液壓系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測界面圖

圖11 主泵運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測界面圖

6 結(jié)論

冶金工廠大型鋼坯加熱爐是鋼材生產(chǎn)重要環(huán)節(jié)，加熱爐裝置對鋼坯加熱溫度，加熱均勻性，表面質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。步進(jìn)式加熱爐采用PLC控制能較好實(shí)現(xiàn)鋼坯移動(dòng)平穩(wěn)，加熱均勻，無沖擊，能有效提高鋼坯加熱質(zhì)量，該控制技術(shù)已在大型鋼坯加熱爐中實(shí)施，獲得良好效果，可供有關(guān)廠礦企業(yè)參考。

［1］ 湛從昌，傅連東，陳新元.液壓可靠性與故障診斷［M］.北京.：冶金工業(yè)出版社，2009.

［2］ 王健，張文凡，張凱.PLC使用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［3］ 徐柳濱.基于PLC的調(diào)節(jié)閥控制器研究［J］.機(jī)械工程師，2013（4）：62-63.

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