基于PLC的加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 銓，辛華健

(廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530001)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，使我國(guó)鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)量不斷增大。由于我國(guó)是全球鋼鐵產(chǎn)量最大的發(fā)展中國(guó)家，為此鋼鐵加工技術(shù)成為各行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)之一。鋼鐵加工實(shí)際上是一個(gè)耗能較大的行業(yè)，其中加熱爐能量消耗占比最高，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)加熱爐的根本控制，從源頭上優(yōu)化加熱爐控制系統(tǒng)的生產(chǎn)程序，并最大限度地提升鋼坯生產(chǎn)效率，通過該方式將能量消耗降至最低。本研究將加熱爐的生產(chǎn)過程控制作為核心，利用PLC設(shè)計(jì)出加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一定實(shí)用價(jià)值。

1 基于PLC的加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)裝鋼機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 裝鋼機(jī)基本設(shè)備

加熱爐在長(zhǎng)行程上料過程中，最常使用的部件為裝鋼機(jī)。裝鋼機(jī)在加熱爐中主要負(fù)責(zé)對(duì)鋼坯進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，從裝料軌道上將鋼坯托起，并傳送至加熱爐的待料位置，等待加熱爐對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理。加熱爐在實(shí)際運(yùn)行過程中長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)，易使裝料桿因溫度過高而產(chǎn)生變形現(xiàn)象，為最大限度地避免加熱爐內(nèi)各設(shè)備出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，不斷對(duì)裝料桿進(jìn)行通水冷卻操作。

裝鋼機(jī)主要包括兩個(gè)運(yùn)行動(dòng)作：升降和進(jìn)退。當(dāng)裝鋼機(jī)的運(yùn)行動(dòng)作為升降時(shí)，表明裝鋼機(jī)此時(shí)主要采取液壓的方式驅(qū)動(dòng)自身運(yùn)行；當(dāng)裝鋼機(jī)的運(yùn)行動(dòng)作為進(jìn)退時(shí)，表明裝鋼機(jī)此時(shí)主要采取機(jī)械傳動(dòng)的方式對(duì)鋼坯進(jìn)行傳運(yùn)[1]。

裝鋼機(jī)上料的工作過程為：

(1)利用裝料桿完成鋼坯推正操作，為鋼坯的托起做準(zhǔn)備。

(2)準(zhǔn)備工作均完畢后，實(shí)施鋼坯托起操作，通過移動(dòng)控制將鋼坯移動(dòng)至固定梁上方，此時(shí)下降裝料桿，將鋼坯放置于固定梁上端。

(3)鋼坯成功放置固定梁上端后，裝料桿繼續(xù)下降并返回。

為提升加熱爐的工作效率，控制系統(tǒng)將裝鋼機(jī)的工作時(shí)間設(shè)定為50 s之內(nèi)，裝鋼機(jī)的全部操作過程均不可超過50 s，并且裝鋼機(jī)進(jìn)行鋼坯裝料過程中，其裝料輥道不允許過鋼，等待裝鋼機(jī)上料操作均完畢后，控制系統(tǒng)方可允許過鋼。裝料桿的升降驅(qū)動(dòng)主要由PLC控制器實(shí)現(xiàn)線性位移傳感器的整體控制。而裝料桿處于進(jìn)退行程時(shí)，由于鋼坯在尺寸方面存在較大差異性，使裝料桿進(jìn)行上料操作時(shí)的伸進(jìn)位置各不相同，為此本研究對(duì)裝料桿的進(jìn)退行程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用爐區(qū)PLC對(duì)脈沖發(fā)生器進(jìn)行控制。為保證裝料桿在進(jìn)退行程中設(shè)備的完整性，對(duì)裝料桿的全部動(dòng)作均設(shè)置開關(guān)保護(hù)[2]。

1.2 裝鋼機(jī)運(yùn)行控制

當(dāng)前裝鋼機(jī)的運(yùn)行控制方式只要包括手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。通過對(duì)加熱爐的整體構(gòu)造進(jìn)行分析可知，加熱爐的裝料端均配裝兩扇爐門，該爐門主要由外置抱閘的電機(jī)實(shí)現(xiàn)爐門升降的控制。裝鋼機(jī)的運(yùn)行控制是加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)的核心部分，為保證裝料輥道的高速運(yùn)行，對(duì)裝鋼機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵守裝料爐門在上位、升降擋板在下位的原則，若裝鋼機(jī)控制順序出現(xiàn)錯(cuò)誤，可直接影響裝鋼機(jī)裝料輥道的運(yùn)行速度。裝鋼機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，若出現(xiàn)裝料懸臂輥道未處于停止和空轉(zhuǎn)狀態(tài)、入爐推鋼機(jī)未按照系統(tǒng)設(shè)置返回初始位置，應(yīng)立即停止步進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。若裝料懸臂輥道上端仍含有鋼坯，應(yīng)禁止步進(jìn)機(jī)構(gòu)執(zhí)后退操作，避免因步進(jìn)機(jī)構(gòu)的后退，使鋼坯傷到工作人員或者造成其他損失。若鋼坯存在異常情況，應(yīng)立即采取報(bào)警模式，通知工作人員采取相應(yīng)的處理措施[3]。

對(duì)裝鋼機(jī)的工作程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)完成裝鋼機(jī)開啟程序的設(shè)計(jì)。裝鋼機(jī)能否順利啟動(dòng)，應(yīng)在滿足臺(tái)架運(yùn)載鋼坯到位和臺(tái)架停止運(yùn)行兩個(gè)條件的情況下，方可啟動(dòng)裝鋼機(jī)。

裝鋼機(jī)成功啟動(dòng)后，利用裝鋼機(jī)將鋼坯運(yùn)輸至加熱爐內(nèi)部，該過程可借助臺(tái)架完成鋼坯運(yùn)輸任務(wù)，通過臺(tái)架的輔助控制，可向加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)發(fā)送“取料完畢”信號(hào)，裝鋼機(jī)控制程序如圖1所示。

當(dāng)裝鋼機(jī)按照系統(tǒng)預(yù)設(shè)的運(yùn)送方式成功將鋼坯運(yùn)輸至加熱爐時(shí)，應(yīng)立即關(guān)閉裝鋼機(jī)，并打開入爐輥道及進(jìn)爐門。為保證加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測(cè)鋼坯的位置，在加熱爐的爐門處安裝檢測(cè)傳感器，利用該傳感器及PLC控制程序即可對(duì)鋼坯的位置進(jìn)行判斷，當(dāng)鋼坯成功到達(dá)指定位置后，打開進(jìn)爐門實(shí)現(xiàn)鋼坯的運(yùn)送。爐門關(guān)閉后，使推鋼機(jī)回歸原位置，等待加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)下達(dá)指令[4]。

圖1 裝鋼機(jī)控制程序圖

2 基于PLC的加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)步進(jìn)梁設(shè)計(jì)

2.1 步進(jìn)梁基本設(shè)備

加熱爐步進(jìn)系統(tǒng)主要通過液壓裝置實(shí)現(xiàn)整體驅(qū)動(dòng)，該系統(tǒng)的核心組件包括控制閥組以及壓力安全閥組，在兩個(gè)閥組的支持下，使加熱爐步進(jìn)系統(tǒng)在控制機(jī)構(gòu)運(yùn)行及安全保障方面具有重要作用。

1)步進(jìn)梁升降部分

步進(jìn)梁升降運(yùn)行的控制閥組主要由三部分共同組成：比例方向閥、壓力補(bǔ)償器以及平衡閥，控制閥組在步進(jìn)梁中主要負(fù)責(zé)對(duì)升降運(yùn)行的平穩(wěn)性進(jìn)行管控，并且在控制閥組的作用下，有利于提升加熱爐內(nèi)坯料托起的精準(zhǔn)性[5]。

2)步進(jìn)梁進(jìn)退部分

進(jìn)退控制閥組在步進(jìn)梁中主要采用比例方向閥和壓力補(bǔ)償器對(duì)進(jìn)退液壓缸進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)進(jìn)退液壓缸的整體驅(qū)動(dòng)，有利于提供步進(jìn)梁進(jìn)退停穩(wěn)的可控性。

3)裝料機(jī)升降部分

升降控制閥組主要由比例方向閥以及平衡閥共同組成，在二者的作用下，有利于全面提升升降機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)升降機(jī)構(gòu)高效、持續(xù)地運(yùn)行。

加熱爐步進(jìn)系統(tǒng)主要通過液壓裝置實(shí)現(xiàn)整體驅(qū)動(dòng)，該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中由PLC進(jìn)行監(jiān)控，使該系統(tǒng)支持手動(dòng)操作及自動(dòng)操作，步進(jìn)梁運(yùn)動(dòng)過程如圖2所示[6]。

圖2 步進(jìn)梁運(yùn)動(dòng)過程示意圖

2.2 步進(jìn)梁運(yùn)行控制

本研究對(duì)步進(jìn)梁的運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，選用全液壓驅(qū)動(dòng)型步進(jìn)梁機(jī)構(gòu)作為核心設(shè)備。步進(jìn)梁的功能主要包括支撐鋼坯、踏步、復(fù)位以及循環(huán)控制功能。鋼坯在運(yùn)輸過程中由步進(jìn)梁及固定梁共同支撐，通過步進(jìn)梁和固定梁的支撐，有利于實(shí)現(xiàn)鋼坯的輕托慢放。步進(jìn)梁的踏步功能可使鋼坯處于“零”位，若鋼坯的實(shí)際停留位置超過系統(tǒng)設(shè)定的限值后，加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)立即執(zhí)行鋼坯的自動(dòng)復(fù)位，通過對(duì)坯料進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤管理功能使鋼坯回歸“零”位。步進(jìn)機(jī)構(gòu)完成手動(dòng)操作后，即可實(shí)現(xiàn)正、逆循環(huán)控制功能。由于系統(tǒng)存在互為連鎖的特性，故步進(jìn)梁在實(shí)際運(yùn)行過程中不能同時(shí)對(duì)兩種動(dòng)作進(jìn)行執(zhí)行，不同動(dòng)作之間的間隔執(zhí)行時(shí)間應(yīng)控制在0.5 s以上[7]。

步進(jìn)梁的運(yùn)行狀態(tài)主要取決于加熱爐，當(dāng)步進(jìn)機(jī)構(gòu)可維持穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，加熱爐即可接收到有效鋼指令，此時(shí)系統(tǒng)為促使加熱爐順利運(yùn)行，利用PLC完成驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)用，由計(jì)算機(jī)向步進(jìn)梁發(fā)送鋼坯運(yùn)輸指令，等待步進(jìn)梁成功接收指令后，嚴(yán)格按照運(yùn)輸指令規(guī)定的順序執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。步進(jìn)梁的運(yùn)行控制過程為：首先使裝鋼機(jī)處于初始位置，啟動(dòng)步進(jìn)梁的正循環(huán)功能后，打開加熱爐的出料爐門，使出鋼機(jī)的下位前進(jìn)，并將加熱完畢的鋼坯托起，放置于輥道中心線，關(guān)閉出料爐門，出鋼機(jī)下降并后退。對(duì)步進(jìn)梁進(jìn)行控制過程中，若出料輥道出現(xiàn)異常狀態(tài)，應(yīng)保證磁性上限接點(diǎn)處于閉合狀態(tài)。當(dāng)出料爐門的位置出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可使出料輥道一直處于低速空轉(zhuǎn)狀態(tài)運(yùn)行，此時(shí)應(yīng)采取報(bào)警模式，提示工作人員制定有效可行的處理方案[8]。

3 基于PLC的加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)出鋼過程設(shè)計(jì)

3.1 出鋼側(cè)基本設(shè)備

為保證加熱爐的工作效率，在每個(gè)加熱爐的出料端均配置一套具有取出和投放加熱鋼坯功能的出鋼機(jī)。由于出料桿的伸入位置存在一定差異性，為此本研究對(duì)出鋼過程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將鋼坯的停放位置作為主要依據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)出料桿伸入距離的調(diào)整。出料桿伸入距離的調(diào)節(jié)過程為：首先利用激光檢測(cè)器對(duì)出鋼坯距離加熱爐爐口的停放位置進(jìn)行確定，結(jié)合鋼坯生產(chǎn)的實(shí)際要求，采取相應(yīng)的措施對(duì)出料桿的伸入距離進(jìn)行調(diào)節(jié)。托輪及齒輪可維持出鋼機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，若托輪及齒輪出現(xiàn)損壞，可直接影響出鋼機(jī)的工作效率，為此本研究對(duì)出鋼機(jī)的托輪、齒輪軸軸承設(shè)備進(jìn)行選擇時(shí)，均選用進(jìn)口的軸承。出鋼側(cè)設(shè)備主要包括升降和進(jìn)退兩個(gè)機(jī)械動(dòng)作，在運(yùn)行過程中均由同步軸實(shí)現(xiàn)[9]。

3.2 爐門及升降設(shè)備

加熱爐主要配備裝料爐門和出料爐門，其中裝料爐門是一種左右兩側(cè)均帶有水冷框的焊接件爐門。為保證鋼坯的順利傳送，在裝料爐門的左右兩側(cè)均安裝一套電動(dòng)爐門升降機(jī)構(gòu)，該爐門的開、關(guān)由行程控制器控制，行程控制器具有檢測(cè)功能，當(dāng)行程控制器檢測(cè)到鋼坯運(yùn)輸至加熱爐的裝料爐門外部時(shí)，行程控制器自動(dòng)控制裝料爐門，使其處于打開狀態(tài)。若行程控制器未檢測(cè)到裝料爐門外部存在鋼坯，將自動(dòng)關(guān)閉裝料爐門。出料爐門是一種較為常見的鋼結(jié)構(gòu)焊接件，該爐門包含兩套爐門升降機(jī)，可自動(dòng)完成爐門升降操作，該爐門的開、關(guān)由行程控制器控制與檢測(cè)。為保證出料爐門不被高溫侵蝕，將該爐門置于冷水框架中，采用冷水框架對(duì)其進(jìn)行包裹。

爐門升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)主要由軟啟及軟婷方式控制電機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，電機(jī)啟動(dòng)后經(jīng)過齒輪減速機(jī)帶動(dòng)鏈條完成爐門升降操作，該過程的鏈條與爐門處于吊掛狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)爐門的行程控制，在電機(jī)外側(cè)設(shè)置抱閘。爐門的行程控制主要由凸輪控制器和行程開關(guān)體現(xiàn)。為提升爐門的精準(zhǔn)開啟和關(guān)閉，可與步進(jìn)梁等機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)鎖控制。

3.3 鋼坯出爐運(yùn)行控制

本研究對(duì)鋼坯的出爐過程進(jìn)行控制時(shí)，在每個(gè)加熱爐的出料端均配裝一套出鋼機(jī)，需要該出鋼機(jī)具有取出與投放加熱鋼坯的功能。由于出料桿的伸入行程處于不斷變化狀態(tài)，為此將出鋼坯的停位作為主要依據(jù)，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。出料桿的伸入行程調(diào)整方式為：首先，利用激光檢測(cè)器對(duì)鋼坯距離加熱爐爐口的實(shí)際位置進(jìn)行確定，并結(jié)合鋼坯的生產(chǎn)要求實(shí)現(xiàn)位置調(diào)整[10]。其次，向計(jì)算機(jī)發(fā)送信號(hào)，由計(jì)算機(jī)對(duì)出料桿的伸入行程進(jìn)行分析處理，以此保證出料桿伸入行程的精確度。最后，為實(shí)現(xiàn)對(duì)坯料位置的精準(zhǔn)追蹤，將處理后的信號(hào)發(fā)送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

當(dāng)步進(jìn)梁處于前進(jìn)狀態(tài)時(shí)，利用激光檢測(cè)器對(duì)前沿信號(hào)進(jìn)行捕捉，此時(shí)加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)立即進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)，并將坯料的前進(jìn)位移等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。當(dāng)系統(tǒng)處于檢測(cè)狀態(tài)時(shí)，步進(jìn)梁立即進(jìn)入暫停循環(huán)狀態(tài)，直至鋼坯成功出鋼即可恢復(fù)正常運(yùn)行，此時(shí)出料機(jī)成功將鋼坯放置出爐輥道的中心線上。加熱爐的整個(gè)出鋼過程均由機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)，在機(jī)械臂的支持下可完成鋼坯的輕托輕放。

不同的鋼坯在尺寸上存在較大差異，當(dāng)坯料中心線與輥道中心線無法對(duì)齊時(shí)，可引發(fā)鋼坯的放置位置差異性較大，最終造成出料機(jī)的伸出行程與實(shí)際不符。為避免鋼坯放置的位置與系統(tǒng)設(shè)定位置不符，本研究對(duì)出鋼過程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，利用PLC對(duì)脈沖發(fā)生器進(jìn)行精準(zhǔn)控制。當(dāng)出鋼機(jī)加熱結(jié)束后的鋼坯處于加熱爐出口輥道上時(shí)，通過傳感器對(duì)鋼坯的位置信息進(jìn)行采集，并將采集后的信息上傳至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)對(duì)鋼坯是否成功出爐進(jìn)行判斷，同時(shí)對(duì)鋼坯進(jìn)行有效跟蹤。

出鋼過程的設(shè)計(jì)程序?yàn)椋寒?dāng)步進(jìn)梁復(fù)位后，利用傳感器對(duì)鋼坯的位置進(jìn)行檢測(cè)，若檢測(cè)到出料爐門處存在鋼坯運(yùn)輸，此時(shí)打開出料爐門以及輥道，按照加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)設(shè)定的運(yùn)輸順序，將鋼坯放置在輥道的中心線上。當(dāng)出鋼機(jī)復(fù)位時(shí)，立即將鋼板放在出鋼輥道上等待系統(tǒng)下達(dá)命令。若系統(tǒng)下達(dá)的命令為粗軋信號(hào)，應(yīng)執(zhí)行該命令并向粗軋環(huán)節(jié)動(dòng)作。若出鋼機(jī)未接收到系統(tǒng)下達(dá)的指令，則出鋼輥道處于來回?cái)[動(dòng)狀態(tài)，直至系統(tǒng)發(fā)送指令。

4 結(jié) 語

本研究主要對(duì)鋼坯的傳送順序進(jìn)行研究與控制。為實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐的有效控制，分別對(duì)裝鋼機(jī)、步進(jìn)梁以及出鋼程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于加熱爐在實(shí)際運(yùn)行過程中長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)，易使裝料桿因溫度過高而產(chǎn)生變形現(xiàn)象，為最大限度地避免加熱爐內(nèi)各設(shè)備出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，不斷對(duì)裝料桿進(jìn)行通水冷卻操作。通過加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)設(shè)定的鋼坯運(yùn)輸順序，可實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐的有效控制，對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有提升作用。