大型钢坯加热炉步进梁速度控制研究

郭媛， 龚云， 蒋俊

（1.武钢大学 信息工程学院，武汉 430081；2.武汉科技大学 机械学院，武汉 430081）

0 引言

大型钢坯加热炉的钢坯输送，采用步进式，这有利于钢坯加热均匀，防止钢坯表面磨损，是目前钢厂加热炉采用较为普遍的一种输送钢坯方式。这种输送方式存在的技术难点是，防止钢坯在升降过程中与固定梁和步进梁发生冲击、不稳定等。20世纪70年代，采用液压传动驱动步进梁后，其运动特性有较大改进，因为是用AD阀（加减速阀），但仍在速度转换时出现冲击，而且节流消耗能量较多。近些年液压伺服元件的发展，将其应用到步进梁的运动速度控制中，有力地提高了步进梁工作性能和提高钢坯质量。

1 液压控制系统简介

液压控制系统一般由：指令元件、比较元件、控制器、比例（伺服）阀、执行机构、被控制对象、检测部分等组成，如图1所示。图1（a）为开环控制系统框图，图1（b）为闭环控制系统框图。

图1 控制系统框图

1）指令元件。计算机、可编程控制器（PLC）、信号发生器、手动电位器等。产生信号类型有模拟（±5 V、±10 V、4-20 mA、0～5 V、0～10 V）和PWM；

2）控制器。兼有比较器作用，将指令信号与实际输出进行比较，对偏差信号进行功率放大，转变为0～3 000 mA之间的控制电流，输入比例（伺服）电磁铁。

3）比例（伺服）阀。是一种电-液转换装置，将比例放大器输入的电流信号通过比例（伺服）电磁铁，转化为推力（力矩），驱动阀芯运动，进行液压功率放大，输出受控的液压能。

4）执行机构。液压缸、液压马达等是一种液-机转换装置，将液压能转化机械能，带动负载。

5）检测部分。一般由传感器及相关显示、转换仪器、电路组成。它将系统的输出位移、压力、流量等物理量直接显示或转化为电信号反馈回去，构成闭环控制，以提高系统控制性能。

2 步进加热炉比例伺服控制系统

在重载工况条件下，速度控制十分重要，若控制不好，会产生冲击和不稳定。我们根据工艺要求，采用了比例伺服控制，其系统构成如图2所示。

步进加热炉内有固定梁和步进梁，步进梁承担托起钢坯和移送钢坯任务，固定梁起支承钢坯任务。步进梁工作步骤为上升→平移前进→下降→平移退回，这样就完成一次送钢工作，经多次循环运动，钢坯便移送到出钢处，也完成了炉内加热，工作过程如图3所示。步进梁步进运动如图4所示。步进梁速度位移曲线如图5所示。

图2 加热炉系统结构简图

图3 加热炉工作过程简图

图4 步进运动图

图5 步进速度位移曲线

3 步进加热炉液压系统简介

在步进梁速度控制中，对升降动作采用闭式液压系统。双向变量泵输出的液压油直接通到液压缸油口，液压缸上下运动方向由双向变量泵控制，液压缸的运动速度通过比例阀控制液压泵的变量机构进行，如图6所示。比例阀输出流量大小，由比例阀的输入信号确定［1］，其控制原理如图7所示。

图6 液压控制系统原理图

图7 比例控制原理图

4 PLC控制系统

步进梁电控系统选用了西门子公司的S7-300作为控制器，这种控制器应用领域非常广泛。它具有模块化、无排风结构、实现分布容易、用户容易掌握等特点，使得S7-300能完成各种从小规模到一些中等性能要求的控制任务。S7-300的CPU具有多种性能递增性，同时S7-300的I/O扩展模块具有许多方便的功能，使用户可以完全根据实际的情况选择合适的模块。当任务规模扩大且愈加复杂时，使用附加的模块可以随时对PLC进行扩展。西门子S7-300所具备的强抗振动、高电磁兼容性和抗冲击性，使其工业环境适应性更强。此外，S7-300系列还具有模块结构紧凑，点数密度高，性能优越，性价比高，装卸方便等优点［2-4］。电控系统布局和结构框图如图8、图9所示。

图8 电控系统布局图

图9 电控系统结构的框图

通过对控制任务和控制对象进行分析和统计，该系统需要以下不同的I/O点：

数字量输入点（DI）共32个点。其中24点接收炉体、进钢和出钢辊道上限位行程开关信号，另外8点分别用来设置四个比例放大器的状态。

数字量输出点（DO）共5个点。其中4点是用来控制放大器使能继电器；另外1点用来控制故障声光报警。

模拟量输入点（AI）共25个点。其中4点用于4台泵的手动；4点用于4台泵的倾角传感器；4点用于4台泵的零点调整；8点用于4台泵的比例电磁铁；5点用于炉床驱动升降和平移缸的位移。

模拟量输出点（AO）共16个点。其中4点用于4台泵的比例放大器；4点用于4台泵的比例放大器给定值的仪表显示；4点用于4台泵的比例电磁铁实际的电流仪表显示；4点用于4台泵的流量仪表显示。

该系统所需要的一些PLC控制模块如表1所示。

表1 PLC控制模块

5 液压系统运行状态监测界面

系统状态主要指的是液压系统的工作状态，在该界面中，可以监测到各电机泵组的启停状态、各控制截止阀的开关状态、各个过滤器是否堵塞状态、各压力继电器的通断状态、泵的倾角以及各比例阀两端的电流大小等系统信息、通过不同的颜色来区分各种状态的变化［1］，如图10所示。主泵运行参数监测界面如图11所示。

图10 液压系统运行状态监测界面图

图11 主泵运行参数监测界面图

6 结论

冶金工厂大型钢坯加热炉是钢材生产重要环节，加热炉装置对钢坯加热温度，加热均匀性，表面质量起到关键作用。步进式加热炉采用PLC控制能较好实现钢坯移动平稳，加热均匀，无冲击，能有效提高钢坯加热质量，该控制技术已在大型钢坯加热炉中实施，获得良好效果，可供有关厂矿企业参考。

［1］ 湛从昌，傅连东，陈新元.液压可靠性与故障诊断［M］.北京.：冶金工业出版社，2009.

［2］ 王健，张文凡，张凯.PLC使用技术［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［3］ 徐柳滨.基于PLC的调节阀控制器研究［J］.机械工程师，2013（4）：62-63.

［4］ Shenvar F.Walking beam furnace supervisory control at Inland 80-in hot strip mill［J］.Iron and Steel Engineer，1994，71（7）：25-34.