某軋鋼廠智能加熱爐電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 玲

（石橫特鋼集團(tuán)有限公司，山東 泰安 271612）

0 引言

利用加熱爐將煉鋼或熔鑄鋼坯軋制為棒材或線材是軋鋼廠一道最為關(guān)鍵的工序，該類型加熱爐也是冶金行業(yè)中存在數(shù)量最大的加熱爐群[1]。因此為提高軋鋼加熱爐作業(yè)效率，減輕工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)加熱爐的全自動(dòng)智能化控制，本文對(duì)某軋鋼廠步進(jìn)梁式加熱爐進(jìn)行電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對(duì)其出入料輥道、臺(tái)架以及步進(jìn)梁等進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)加熱爐的自動(dòng)化作業(yè)工藝流程[2]。

1 加熱爐作業(yè)流程

軋鋼加熱爐進(jìn)出料口機(jī)械單元包括出料口退鋼坯輥道、出爐懸臂輥道等設(shè)備單元，以及進(jìn)料口步進(jìn)式上料臺(tái)架、裝料輥道、入爐懸臂輥道、提升稱重裝置等。具體爐內(nèi)作業(yè)流程及設(shè)備布置如圖1 所示。各設(shè)備作業(yè)工序如下：

圖1 加熱爐出入料作業(yè)流程示意圖

1）煉鋼鋼坯經(jīng)吊車有序堆放在加熱爐上料臺(tái)架上，在步進(jìn)式上料臺(tái)架的推動(dòng)下，鋼坯被推移到第一道裝料輥道，在鋼坯向第二道輥道運(yùn)輸時(shí)，由系統(tǒng)對(duì)鋼坯進(jìn)行質(zhì)量合格判斷，其中合格鋼坯將進(jìn)行定位稱重，在經(jīng)第三道裝料輥道推移時(shí)，不合格的鋼坯將由剔除裝置推送到廢鋼坯堆放臺(tái)，最終由行車運(yùn)離。

2）經(jīng)進(jìn)料口三道裝料輥道輸送后的合格鋼坯，進(jìn)入入爐懸臂輥道并進(jìn)行定位，由步進(jìn)梁拖入爐內(nèi)完成加熱鍛造工序[3]。之后步進(jìn)梁將再次工作，將鋼坯輸送到出料懸臂輥道，并由輥道運(yùn)輸至軋機(jī)，完成加熱爐作業(yè)流程。

3）出爐口一側(cè)同樣有一道剔除輥道，可將未達(dá)到溫度要求的鋼坯輸送至退坯輥道，待自行冷卻后吊離。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)加熱爐作業(yè)采用PLC 系統(tǒng)進(jìn)行電氣控制，型號(hào)為S7-1500 系列，控制臺(tái)界面通過(guò)WINCC V7.5 版本開(kāi)發(fā)，CPU 為S7-1518-4PN/DP 型號(hào)，I/O 遠(yuǎn)程站為ET200MP 系列。遠(yuǎn)程站共設(shè)置5 套，包括液壓控制、出料、入料控制以及MCC 遠(yuǎn)程控制、操作界面控制，PLC 系統(tǒng)與遠(yuǎn)程站之間的通信由Profinet 實(shí)現(xiàn)。

2.1 上料臺(tái)架控制設(shè)計(jì)

上料臺(tái)架主體由4 根固定梁、2 根活動(dòng)梁構(gòu)成，臺(tái)架可以實(shí)現(xiàn)水平、垂直驅(qū)動(dòng)控制，其中水平驅(qū)動(dòng)控制通過(guò)一組電磁換向閥及線性位移傳感器實(shí)現(xiàn)，垂直升降控制由一組液壓電磁換向閥及兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)控制實(shí)現(xiàn)。臺(tái)架可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、半自動(dòng)以及自動(dòng)周期運(yùn)行等多種控制形式，電磁換向閥用于控制臺(tái)架升降、水平移動(dòng)，其中升降移量控制由接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，水平移量控制由位移傳感器實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行速度由內(nèi)部節(jié)流閥控制。臺(tái)架一個(gè)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制周期為30 s，包括10 s上升推移動(dòng)作，行程320 mm；6 s 前進(jìn)平移動(dòng)作，行程450 mm；0.5 s 后移動(dòng)作；6 s 下降動(dòng)作；4 s 后退平移動(dòng)作；各動(dòng)作之間的間隔時(shí)長(zhǎng)0.5 s。為保障軋鋼輸送安全，上料臺(tái)架與入料口三道裝料輥道之間實(shí)現(xiàn)了連鎖控制功能，即上料臺(tái)架輸送軋鋼時(shí)，確保一道裝料輥道處于靜止?fàn)顟B(tài)，且此輥道上無(wú)軋鋼。同時(shí)，在臺(tái)架各動(dòng)作單獨(dú)執(zhí)行，當(dāng)接收到控制中心輸送軋鋼信號(hào)后方可執(zhí)行送鋼動(dòng)作，并向第一道裝料輥道運(yùn)移。

2.2 鋼坯質(zhì)量檢測(cè)識(shí)別

煉鋼或熔鑄鋼材在進(jìn)入加熱爐之前均已被標(biāo)號(hào)處理，即鋼坯在由第一道裝料輥道向第二道輥道輸送時(shí)，鋼坯標(biāo)號(hào)識(shí)別中不符合質(zhì)量要求的鋼坯就不會(huì)進(jìn)行定位稱重，由第三道輥道經(jīng)剔除裝置輸送吊離加熱爐。鋼坯標(biāo)號(hào)識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示，包括工業(yè)相機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)控制箱、工控機(jī)、清潔裝置、網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜等設(shè)備。相機(jī)布設(shè)在上料臺(tái)架兩側(cè)靠前位置，第一道輥道上的鋼坯到達(dá)預(yù)定位置后會(huì)觸發(fā)控制箱光電開(kāi)關(guān)，由工業(yè)相機(jī)進(jìn)行識(shí)別拍照，識(shí)別系統(tǒng)帶有多種光源進(jìn)行補(bǔ)光成相，確保相機(jī)采集圖像的清晰度，同時(shí)通過(guò)各種處理技術(shù)對(duì)鋼坯圖像中的字符進(jìn)行識(shí)別分析，判斷鋼坯身份信息。

圖2 鋼坯信息識(shí)別系統(tǒng)圖

2.3 稱重及剔除裝置設(shè)計(jì)

對(duì)合格鋼坯進(jìn)行稱重，首先利用第二道輥道對(duì)鋼坯進(jìn)行定位，并由液壓驅(qū)動(dòng)的稱重裝置將鋼坯提升進(jìn)行稱重。提升動(dòng)作依靠液壓驅(qū)動(dòng)油缸實(shí)現(xiàn)，并由電磁換向閥控制升降動(dòng)作，由接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行升降位置監(jiān)測(cè)，鋼坯及提升框架總重量數(shù)據(jù)將由壓力傳感器顯示處理，通過(guò)分析計(jì)算得出單根鋼坯凈重。其中提升框架重量為S1；鋼坯凈重為S；壓力傳感器顯示總重為S2，則S=S2-S1。在稱重過(guò)程中，需要注意裝料輥道與稱重工序之間的連鎖控制，即在第二道裝料輥道停止輸送情況下，才可完成鋼坯定位進(jìn)行稱重作業(yè)。

剔除裝置同樣是液壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)左右兩組油缸實(shí)現(xiàn)不合格鋼坯的推桿式剔除，控制動(dòng)作由電磁換向閥實(shí)現(xiàn)，推移位置監(jiān)測(cè)由接近開(kāi)關(guān)控制。正常工序下剔除裝置中的兩推桿處于縮回位置，當(dāng)檢測(cè)到不合格鋼坯時(shí)，由液壓驅(qū)動(dòng)的兩油缸將推桿水平推出，移進(jìn)量可達(dá)860 mm，可一次性將不合格鋼坯推送至廢鋼坯堆放平臺(tái)，完成剔除作業(yè)，并由吊車將剔除鋼坯吊離。不合格鋼坯的檢測(cè)是通過(guò)第三道裝料輥道上的5 號(hào)熱金屬檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢測(cè)到不合格鋼坯時(shí)，輥道停止運(yùn)行，鋼坯將停放在輥道上，此時(shí)PLC 系統(tǒng)將控制電磁換向閥執(zhí)行剔除動(dòng)作，通過(guò)推移一次液壓油缸，將不合格鋼坯推送至廢鋼坯堆放平臺(tái)，同時(shí)推桿返回初始位置，即完成一次剔除動(dòng)作。其中，連鎖控制要求在第三道裝料輥道停止運(yùn)行的前提下，剔除裝置執(zhí)行推桿伸縮動(dòng)作，同時(shí)要求推桿動(dòng)作時(shí)，輥道不能運(yùn)行。

2.4 步進(jìn)梁運(yùn)行控制原理

步進(jìn)梁同樣采用液壓驅(qū)動(dòng)形式，控制油缸執(zhí)行動(dòng)作，步進(jìn)梁包括升降、平移兩種動(dòng)作形式，兩種動(dòng)作控制均由比例閥實(shí)現(xiàn)，并由線性位移傳感器檢測(cè)實(shí)時(shí)動(dòng)作位置。具體動(dòng)作曲線與上料臺(tái)架類似，為矩形運(yùn)動(dòng)形式，平移動(dòng)作范圍為240～300 mm，升降動(dòng)作范圍為0～200 mm，步進(jìn)梁一個(gè)動(dòng)作周期36 s，在進(jìn)行動(dòng)作時(shí)要控制運(yùn)行速度，做到緩起、緩?fù)＃Ｕ箱撆鬏p拿輕放。

1）步進(jìn)梁控制及操作。步進(jìn)梁控制方式包括手動(dòng)、半自動(dòng)及自動(dòng)周期運(yùn)行等多種形式，活動(dòng)梁可以實(shí)現(xiàn)正向、反向循環(huán)移動(dòng)，其中控制原理如圖3 所示。步進(jìn)梁通過(guò)控制比例閥的開(kāi)度以及兩端壓力來(lái)調(diào)節(jié)移進(jìn)速度，比例閥開(kāi)度與閥內(nèi)電磁線圈中的電流成正比，而電磁線圈中的電流由比例閥放大器中的輸入電壓確定，電壓又由PLC 模擬輸出通道決定，因此可以通過(guò)控制電壓值，從而確定步進(jìn)梁的移進(jìn)速度，保證步進(jìn)梁在靠近鋼坯或接近目標(biāo)重點(diǎn)時(shí)，能夠及時(shí)減速停車。

圖3 步進(jìn)梁控制原理示意圖

2）步進(jìn)梁斜坡發(fā)生器。在步進(jìn)梁進(jìn)行高速、低速運(yùn)行模式切換時(shí)，需要做到速度的平穩(wěn)切換過(guò)程，即加速、減速體現(xiàn)在速度曲線上的斜坡穩(wěn)定數(shù)值，因此可以通過(guò)編寫一個(gè)斜坡發(fā)生器模塊，在步進(jìn)梁加速、減速動(dòng)作時(shí)，通過(guò)該模塊控制步進(jìn)梁的平穩(wěn)加速、減速過(guò)程。速度的平穩(wěn)切換控制可以保證步進(jìn)梁的平穩(wěn)驅(qū)動(dòng)控制，延長(zhǎng)機(jī)械結(jié)構(gòu)使用壽命，要求模塊調(diào)試精度中的步距誤差保持在1 mm 范圍內(nèi)。

3）步進(jìn)梁步距補(bǔ)償及連鎖控制。為保證步進(jìn)梁前進(jìn)步距及物料跟蹤的精確性，需要對(duì)步進(jìn)梁的移進(jìn)步距進(jìn)行補(bǔ)償，其標(biāo)準(zhǔn)步距300 mm 時(shí)，由于慣性等原因?qū)嶋H步距為301 mm，這時(shí)就需要將下一部步進(jìn)梁步距控制為299 mm，從而實(shí)現(xiàn)鋼坯在爐內(nèi)動(dòng)作的精確性。同樣，可以通過(guò)計(jì)算累計(jì)誤差的形式，當(dāng)累計(jì)誤差達(dá)到5～10 mm 時(shí)，進(jìn)行步距補(bǔ)償。對(duì)步進(jìn)梁的連鎖控制形式，要求步進(jìn)梁執(zhí)行動(dòng)作時(shí)，進(jìn)出料懸臂輥道應(yīng)停止工作，保證鋼坯輸送安全。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)加熱爐電氣控制系統(tǒng)，基本可以實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出料的自動(dòng)控制、鋼坯定位追蹤以及各機(jī)構(gòu)的連鎖控制形式，實(shí)現(xiàn)加熱爐的全自動(dòng)智能化控制，大幅提高了加熱爐的智能化作業(yè)水平，有效減緩了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。