彈條坯料中頻感應加熱閉環控制系統的改進

■ 張磊，寧曉紅

1. 概述

鐵路扣件系統中的彈條是固定鋼軌的核心零部件，其采用60Si2Mn彈簧鋼棒料進行中頻感應加熱后熱壓成形，成形后必須進行淬火和回火處理，以使其具有良好的彈性和疲勞性能，產品對熱處理后的組織和晶粒度要求嚴格。彈條產品通用工藝為：下料→中頻感應透熱→熱壓成形→熱處理→表面防腐處理→檢驗、包裝。彈條產品如圖1所示，常見的應用形式如圖2所示。

圖 1

在生產中對彈條坯料加熱過程中的溫度控制是保證其力學性能和熱處理質量的重要參數。現有的彈條生產中，不同直徑規格的坯料通過中頻感應加熱系統將其加熱至950～1050℃，中頻感應加熱設備通過現有的閉環控制系統只能確保其在某一功率下穩定運行，系統自身不能根據溫度變化自動進行功率調整，對溫度控制實際上處于開環狀態。在缺料或者卡料狀態下，因中頻感應加熱控制系統自身不能對該狀態進行自動降低功率的調整控制，操作者如不能及時發現并對中頻感應加熱控制系統進行人工干預，中頻將保持在原功率下運行，中頻感應加熱爐膛內的坯料會因加熱時間延長造成超溫過燒現象，嚴重時會燒融坯料，造成中頻感應加熱系統硬件損壞。為此，必須對現有的中頻閉環控制系統進行改進，以滿足以下要求：

（1）通過設定加熱溫度，系統自動進行功率調整，確保在最短的時間內工件自動達到成形所需的溫度。

（2）當外界因素影響導致加熱坯料溫度有起伏波動或機械故障發生卡料、缺料時，系統應能及時降低加熱功率，并提示操作者有充分的時間對中頻感應加熱送料系統進行處置。

圖 2

（3）針對不同料長的固定產品，加熱特性參數經現場測定后，系統可以存儲下來，并設置對應的狀態號，下次再啟動中頻感應設備時，省去了調整的過程，可以實現操作的智能化。

2. 閉環控制改進原理

中頻感應加熱溫度閉環控制擬采用智能化的閉環控制電路系統取代原系統的人工調節中頻功率模式，并配置缺料、卡料檢測、處理功能。其原理如圖3所示。

在初始加熱時，溫度閉環控制系統會迅速將中頻升至系統設定的功率，然后通過逐步提升送料機進料速度，適當延長工件在加熱管內的透熱時間，確保工件在出爐時一次性達到所設定的溫度，以解決不能滿足生產要求的加熱料過多的問題。進料速度的選擇是本方案中的關鍵，系統在大量現場試驗的基礎上確定了每一種規格的彈條坯料從進料口至出爐口，速度達到設定速度和加熱溫度達到設定值的時間，并將相關參數儲存在CPU中，每次啟動時，CPU調用相關參數，在進料速度逐步上升的同時又確保了出爐工件達到設定的溫度要求，有效避免了工件的過燒和欠燒現象，保證中頻啟動運行后初始加熱坯料溫度的合格。

根據設定的工件加熱溫度、進料速度等參數，通過測溫儀測定中頻感應加熱出料口的工件加熱溫度，并將溫度信號轉化為電流輸出信號，再按照PID數學模型，建立溫度反饋閉環控制，并將PID控制輸出電流信號分別控制中頻功率變送器的輸入端及進料電動機變頻器的電流控制端，達到控制工件加熱溫度的目的。

3. 具體改進方案

具體做法是：CPU根據料端采樣信號，用PLC內部定時器來檢測計算工件移動速度，輸入信號直接是數字量，此數字量根據紅外檢測溫度信號，分段進行運算修正補償，基本原則是溫度偏高時，此數值正向修正，溫度偏低時，此數值反向修正（減小工件移動速度），溫度越靠近標準值時，修正系數越小。當溫度接近或等于設置值時，修正系數等于1（等于設置送料速度）。速度修正后的數值通過一路D/A（數/模）轉換成4～20mA電流信號送到控制送料電動機的變頻器，控制工件移動速度。控制工件移動速度來控制工件加熱溫度的功能主要是在工件出口溫度與設定溫度誤差較大（>5%）的情況下使用。

圖3 閉環控制系統原理

工件感應加熱溫度的精確控制主要是靠 PID閉環控制實現的。具體電路框圖如圖4所示。

本系統設置了電動機、進料輸送鏈條、進料機出料端口、工件間隔4個狀態監測，可有效檢測出送料電動機轉動故障，以及坯料進料過程中的缺料、卡料故障。正常情況下，系統以檢測到的料端信號為一個定時起點，在系統設定的時間內，如鏈條不動，則判斷出系統處于卡料狀態，間隔處無料，則判斷出處于缺料狀態，系統會根據相應的狀態檢測信號進行邏輯運算，并根據運算結果發出不同的控制信號，以控制中頻感應加熱過程。

當生產過程出現缺料時，通過接近開關檢測到的開關信號，系統會發出報警，提示操作者，同時系統會自動降低中頻的功率給定電流信號或進料電動機變頻器控制電流信號，避免爐內工件因滯留時間過長造成的過燒現象發生，保證出料溫度在規定的范圍內。待缺料信號消失后，系統再恢復到正常加熱過程。

當生產過程中出現卡料現象時，位于進料口的接近開關會發出相應的報警信號，傳遞給控制系統后，系統同樣也會自動降低中頻給定電流和進料電動機變頻器控制電流信號，有效防止工件過燒問題，并保護中頻感應加熱設備。

4. 實施效果

改進后的閉環控制系統與目前的系統相比，收到了以下良好的效果：

圖4 改進的閉環控制系統硬件框圖

（1）在初始加熱過程中，將不符合成形溫度要求的加熱坯料數量由10根左右降低為1~2根，提高了材料的利用率。

（2）在由于外界因素干擾造成溫度波動的情況下，可以通過設定好的加熱溫度值由系統自動進行調整控制，避免了以前需要人工觀察、人為調節功率大小的困難，杜絕了經常因觀察不及時或注意力不集中造成的設備和質量事故。

（3）當發生缺料或卡料情況時，系統可以自動進行處置并發出報警信號，避免了以前易出現的工件過燒或設備損壞現象。

（4）系統直接在觸摸屏上設定加熱溫度、送料速度等參數并可進行微調，同時具有記憶和儲存功能，多種坯料的加熱特性參數一次性調整完畢后可保存，以后使用時調用即可，提高了生產效率。

5. 結語

改進后的中頻感應加熱閉環控制系統提高了生產效率，降低了設備故障率，實現了彈條坯料加熱溫度的閉環自動控制，閉環控制系統與中頻感應加熱設備之間的電源、數字信號、模擬信號均加以完全的電氣隔離裝置，設備之間的連接，采用一鍵切入和退出，運行可靠，自動化程度高，是提高彈條坯料感應加熱質量的可靠保障。