步進式加熱爐在棒線材生產線上的控制系統設計

任樹朋

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司不銹線材廠， 山西 太原 030003）

山西太鋼不銹鋼股份有限公司（以下簡介太鋼）不銹線材廠步進式加熱爐于2017年投產，是棒線材軋制過程中的關鍵設備。爐長32 m，爐內寬4.2 m，單排布料，采用側近、側出的裝出鋼方式。爐體自裝料端至出料端沿爐長方向共分為預熱段、加熱一段、加熱爐二段及均熱段四段。爐內支撐梁、立柱采用汽化冷卻，受空間限制僅設有2根靜梁和2根動梁，主要用于給規格 220 mm×220 mm×（3 000～3 600）mm的不銹鋼和碳鋼的冷料坯加熱，使其達到生產工藝要求的軋制溫度并保溫，然后輸送至軋機進行軋制。加熱爐系統包括順序控制系統、燃燒系統和汽化冷卻系統，本文將重點對順序控制系統進行詳細介紹。

1 硬件組態

加熱爐計算機系統由順序控制系統（見圖1）與燃燒控制系統組成。順序控制包括入爐、步進、出爐三部分；燃燒控制負責燃燒和汽化冷卻部分。兩者既各自獨立工作，又通過WINCC上位機產生必要的信號聯絡，協同控制整個生產過程。其中，順序控制系統包括PLC與工控機操作站。采用西門子S7-400系列PLC作為主站，分布式I/O單元采用ET200M，其通過PROFIBUS總線連接。PLC系統設主機柜和遠程柜各1套、工控機操作站2套。PLC通過100 MB以太網與操作站進行通訊。計算機系統實現生產過程數據采集、模擬量和開關量邏輯控制，生產過程監和數據處理計算[1]。

2 入爐控制

入爐部分由裝料觸摸屏、上料臺架、推鋼機、旋轉托架、裝料爐外輥道、裝料爐門、裝料懸臂輥、爐內推正裝置及防撞緩沖器等部分組成（如圖2所示）整個過程共有9個動作指示信號R1～R9。

圖1 加熱爐順控系統硬件組態

圖2 裝料過程示意圖

裝料觸摸屏采用西門子KTP1000 Basic控制面板，主要完成對預裝爐料鋼種代碼、批次、顏色及數量的錄入，并生成R9標志信號。爐外推鋼裝置將上料臺架上的原料坯逐根推至爐外裝料輥道，輥道間隙中的旋轉托架逆時針轉動45°使得鋼坯與輥道中心線基本平行，防止其入爐前跑偏沖撞爐門。

當爐內輥道上無鋼、步進梁位于等高位以下具備測長條件時，“允許測長”指示燈點亮，入爐操作人員點擊“測長”按鈕后，裝料爐門升起，由位于輥道南北兩端的激光測距儀完成料坯實際長度的測量，同時R9更新為R8。

待出料臺發出“允許裝鋼”信號，“請求裝鋼”指示燈點亮，操作人員點擊“裝鋼”按鈕，準備將完成測長的原料送入爐內。裝料輥道隨即啟動信號更新為R6。在爐門處裝設光電開關，當料坯頭部通過光電開關后，上升沿脈沖表示料坯開始入爐。料坯尾部通過光電開關的下降沿脈沖表示鋼坯已完全入爐，信號更新為R4。

料坯在入爐過程中由輥道終端的激光測距儀根據料坯實際長度，通過PLC實時計算行進距離完成對中定位。在定位過程中，爐內輥道進行兩次降速，當料坯距終點剩約0.5 m時輥道由高速降為低速，后以低速完成對中至輥道停止，爐體橫向對中完成。爐內推正裝置將料坯自西向東推進0.2 m，使得料坯于梁體垂直，完成縱向對齊，生成就位號R1，入爐階段完成。兩次定位使得料坯的中心線與爐體中心線重合，進而確保料坯均勻擱置在2條靜梁之上，防止步進過程中跑偏，發生掉道。鋼坯南端設有防碰撞緩沖器，防止料坯入爐過程中失控或對中異常發生沖撞爐墻的事故。

3 步進控制

3.1 步進基本動作

步進梁用于將已在裝料懸臂輥上完成定位的原料接至固定梁上，同時將爐口達到軋制工藝溫度要求的紅鋼送至出料懸臂輥上。步進梁以矩形軌跡運行，4個基本動作上升、前進、下降、后退可以構成前循環、后循環、踏步、等高等模式。

前循環用于將料坯送出爐。步進梁從零點（后下位）開始上升，將鋼坯從固定梁上托起至后上位，前進一個步距321.7 mm至前上位，之后動梁在下降至等高位時將所有鋼坯重新放于固定梁上，空載繼續下降至前下位，在低位返回原始位置，完成一次正循環動作。爐內鋼坯通過步進動作自裝料輥道經101步到達爐子的出料端，同時完成加熱過程。后循環用于將已出爐的紅鋼倒回至靜梁上進行保溫，其運動過程與前循環相反，步進梁先在下位空載行進至前位，然后上升、后退、下降至零點。踏步功能是在軋線停車時為防止料坯過熱燒彎、長時間靜置在水梁上因受熱不均產生黑印所進行的原地升降踏步運動[2]，由低位升至高位等待數分鐘，后下降至低位等待數分鐘，然后再次上升至高位循環往復，等待時間可以根據鋼種的不同由崗位人員進行設置。

步進梁的運行軌跡曲線如圖3所示，為了防止動梁在接鋼和放鋼過程中對步進機械產生沖擊和震動，損傷梁體絕熱材料和鋼坯表面氧化鐵皮脫落，步進梁的水平和升降運動采取輕拿輕放、緩啟緩停的變速運動，配套升降和水平各兩套位移傳感器，一用一備。通過對步進梁的行程進行跟蹤檢測，調整比例閥給定電流大小，使其按規定速度曲線運動。

圖3 步進梁的運行軌跡曲線

3.2 步距補償

步進梁在前進和后退運動過程中，由于爐體本身慣性及機械設備、比例調節閥響應時間等方面原因，實際步距與理論給定值存在一定的偏差，由于爐口沒有出鋼機對行進偏差進行最終調節補償，如果不在后續運動過程中對這一偏差進行修正，便不能確保料坯走到爐口時一步上出料輥道[4]，極易發生鋼坯掉道、沖撞爐墻等危險情形。因此，對步距偏差補償是必不可少的。

步距的補償方式是逐漸累積補償，如式（1）：

式中：Ln0為本步理論設定值，Ln1為本步實際行程，L（n+1）0為下一步理論設定值。將本步偏差值的50%累加至下一步的理論設定值，同時設定最大補償值Cmpmax=2 mm，當時時，從而避免了位移傳感器檢測異常所帶來的過補償。此外，為確保實際行程測量的準確性，選取梁體上升過等高位及下降過等高位時的位移檢測值的差值作為本次步距實際行程，從而減少了在升降過程中的液壓溜車導致的橫向跑偏。經過補償，百步偏差值可以有效的控制在±12 mm，確保精準出鋼。

4 出爐控制

出爐部分由出鋼按鈕、出料懸臂輥、出料爐門、出料爐外輥道、熱檢等部分組成，整個過程共有5個動作指示信號C1—C5。

當軋線要鋼時，崗位人員點擊“出鋼命令”，步進梁啟動前循環，將裝料爐內輥道上的料坯放到固定梁上最后一根位置，同時將第一根已經完成加熱的紅鋼放到出料爐內輥道上，生成物料號C1，爐門上升，當到達上限位時，產生C2，具備輥道啟動條件。后爐內和爐外輥道啟動運行，將料坯快速送出爐外，形成C3。當紅鋼頭部到達熱檢時，產生位號C4，尾部離開熱檢形成物料號C5，標志著出鋼過程的結束。

5 關鍵連鎖

5.1 踏步與裝料連鎖

步進梁的自動模式下，料坯入爐過程中由于沒有形成R1物料號，不具備出鋼條件，步進梁不會啟動前循環動作。但是，如果步進梁在手動踏步模式，與裝料側連鎖解開，當接到軋線要鋼要求時，裝料側開始裝鋼，而步進梁還未由踏步模式恢復到自動，就容易造成入爐的料坯與升降過程中的梁體發生沖撞，如圖4所示。因此，需要在裝料側增加連鎖條件，只有在步進梁為自動模式時，才允許裝鋼。同時，增加了步進梁踏步允許信號和上升復位信號的連鎖功能，當爐體南激光通過距離測量判斷出爐內輥道上有鋼，或是有料坯正在入爐，自動取消踏步允許信號和上升動作信號，可以立即停止步進梁的上升動作，有效的避免了料坯與梁體發生碰撞。

圖4 梁體與入爐料坯碰撞示意圖

5.2 空位判斷與自動前循環連鎖

為降低鋼坯在爐內的氧化燒損，減少能源消耗，根據不同鋼種的加熱規程，時常按照裝2支空1支或者裝1支空1支的情形。這樣當空位走到爐口時，由于沒有實際的紅鋼不具備出鋼條件，步進梁會自動啟動前循環填補空位，直到爐口有紅鋼才停止自動前循環，等待“出鋼命令”。在運行過程中發現，當爐口第一支為空料，但第二支為實料時，步進梁在完成一次前循環后將實料放置在爐口第一支的位置，如圖5所示，由于物料隊列交換數據有滯后，未及時形成有料的“WB1”，使得系統認為爐口仍為空料再次前循環，把紅鋼放在了爐內出料輥道上，發生了紅鋼沖撞爐門的事故。為此，增加前循環使能倒計時功能，當步進梁回到零點后開始倒計時10 s，確保系統足以刷新對列信息，倒計時結束后使能啟動信號，如果爐口確實無紅鋼便啟動前循環，如果有實料便等待“出鋼命令”，這樣就避免了將有料視為無料導致的誤動作，增加了爐體運行的安全性。

圖5 前循環動作異常示意圖

6 結語

本文以不銹線材廠步進式加熱爐為例，重點從入爐控制、步進梁控制和出爐控制三個方面分析了爐體順序控制的原理和方法。列舉了運行過程發現的踏步功能與料坯入爐、空位判斷與自動前循環等關鍵連鎖的分析及解決方法，增加了爐體運行的安全性，使得控制系統更加可靠穩定，為同類型設備的技術改造提供一定參考。

[1]曹漢英.步進式加熱爐自動控制系統[J].山西冶金，2013（2）:34-36.

[2]錢中山.步進式加熱爐控制系統的研究與應用網[D].沈陽：東北大學，2014.

[3]譚吉芳.步進梁式加熱爐自動控制系統設計分析[J].科技風，2015（5）：51-53.

[4]于謝天.雙排布料步進式加熱爐鋼坯跑偏的問題研究[J].山西冶金，2017（6）：74-75.

[5]程健.步進式加熱爐鋼坯運動控制研究[D].合肥：合肥理工大學，2016.