PLC控制系统在宽厚板加热炉装、出钢机控制中的应用

张泽伟

摘 要：由于PLC系统具有很强的适应恶劣环境的能力，工作可靠，可直接将现场的控制信号连接至系统中，因此加热炉采用工业PLC控制系统可以提高对加热炉控制的精度和准确性，同时PLC系统的价格低廉，所以在加热炉控制中得到越来越广泛的应用。

关键词：PLC控制系统；加热炉

下面我们要分析的是步进式加热炉的控制系统。整个炉区的基础自动化采用S7系统作为核心控制设备，以实现加热炉的电气/仪表的检测、控制。

PLC系统选用SIEMENS S7-400系列，CPU采用SIMATC S7-416-2DP控制器，PLC之间采用CP443-1进行工业以太网的通讯.在机架和扩展机架之间采用ET200M。对于分散检测/控制点，采用远程I/O通过PROFIBUS-DP同控制系统交换信息；对于加热炉本体装出钢机用的变频装置等，CPU则直接通过PROFIBUS-DP来采集/发送其各种工作状态信息、控制指令，装出钢机、炉门的各种动作。

下面进一步详细说明PLC系统在加热炉装、出钢机的电控系统中的应用。

1 加热炉装、出钢机电控部分主要设备

装钢机：装钢机是由4根焊接结构托杆组成，具有上升下降，前进后退功能，装钢机的升降是由2支液压缸通过同步轴驱动对应设置在各托杆下方的托辊联杆来实现。装钢机进退由1台电动机经对应的减速箱驱动2组托杆的齿轮齿条传动装置，实现进退取钢运动。装钢机有上、下、前、后4个位置。

装/出料炉门：在炉子进料端和出料端各设有一套炉门，炉门配有一套液压驱动升降机构，由1支液压缸牵拉带动链轮轴转动，链条牵引炉门升降启闭。炉门的工作行程位置由行程开关检测。装料炉门有上和下两个位置；出料炉门有上、中、下3个位置。

出钢机：加热炉设置两套完全独立的出钢机。出钢机的机械结构主体是2根托杆。每套出钢机的升降由2支液压缸并联驱动对应设置在各托杆下方的托辊杠杆（刚性连接）来完成。每套出钢机进退由1台带编码器检测行程的变频电机经1台减速箱分別驱动2组托杆的齿轮齿条传动装置。出钢机其运动轨迹为：进/升/退/降，有上、下、前、后4个位置。

液压系统：液压站主要由5台恒压的110kW主泵电机、2台7.5kW循环泵电机组成，其中主泵4台工作，1台备用；循环泵1台工作，1台备用。

2 控制系统的构成

2.1 硬件构成

电气控制主要由1个电气柜及1个远程柜组成。

电气柜内部包括CPU416-2DP用以处理数据；CP443用作以太网数据交换；数字量输入输出模板用来处理炉体数字信号，例如炉门位置、装出钢机限位等；另外还有1块FM350高速计数模块用来处理装出钢机码盘读数。

远程柜主要由数字量输入输出模板组成，用来控制操作台操作按钮以及各种输出灯的信号。

2.2 网络构成

上层网络：采用以光纤（OME）为介质的基于交换机的快速以太网（FAST ETHERNET），保证通讯功能的快速性和可靠性。

底层网络：采用PROFIBUS-DP。它以12MB的高通讯速率，完成对逆变器、远程I/O、传感器的状态信息和驱动信息的数字化传输。而且性能极高。同时减少了大量的控制电缆。

3 控制内容说明

3.1 装钢机的控制

装钢机水平移动采用1台变频器传动的平移电机，并安装1台编码器（PLG），装料机的前后安装2个接近开关。装钢机升降移动采用液压系统控制，液压缸行程由接近开关进行升降高度检测。正常情况下，由PLG、VVVF、电机和装钢机构成的装钢系统，在PLC的控制下，完成装钢机的平移及炉内坯料定位功能。最大装钢位置误差可控制在±10mm之内。

装钢动作的全过程：

开启装料炉门的同时，装钢机上升托起钢坯。装钢机前进，将钢坯送到距离上一块坯料的后沿60mm处，放下并返回到原始位。同时系统开始了对本块钢坯的物料跟踪。

由于钢坯的宽度不同，而步进梁的步距一定，对于每块当前的被装坯料而言，其前块坯料的后沿位置都是一个变数，坯料之间的距离也可以人为设定，所以装钢机的每一次装钢位移量是不同的，也就是说，这是一个全动态过程。

3.2 出钢机的控制

出钢机水平移动采用由变频器拖动的2台平移电机，拖动2套出钢装置。左右出钢装置可以同时进退和分别进退。在每台电机传动轴的另一端，各安装1台编码器（PLG），出钢杆的前后各2个极限开关。出钢机升降移动采用液压控制，左右出钢杆同时升降。液压缸行程由接近开关进行升降高度检测。正常情况下，由PLG、VVVF、电机和出钢装置构成出钢机系统，在PLC的控制下，完成出钢机的平移功能，最大位置误差可控制在±10mm之内。

步进梁前进时，当靠近炉头一块钢坯的前沿信号被激光检测器捕捉，则开始检测并记录坯料前进的位移，同时步进梁走完这一步后，步进梁暂停循环，等待出钢。

此时根据出钢机爪的前沿所在位置、坯料的前沿所在位置、坯料的宽度，计算出出钢机取钢距离。然后托出坯料，并放在出料辊道中心线上。

3.3 装出料炉门的控制

装料炉门为一扇，采用全液压驱动，有全开/全闭的动作控制。

出料炉门分为左右两扇，可分别开闭，采用全液压驱动，具备全开/半开/全闭的动作控制。

3.4 液压站的控制

液压站通过远程I/O实现控制，通过OP270实现液压站油泵的就地启/停，而液压站油箱液位、油温、过滤器的状态检测则通过PLCFIBUS–DP直接传给PLC系统，使操作人员可以直接在NMI画面直观的观察到液压站运转状况。

4 HMI的配置

采用客户机/服务器方式。为保证系统的可靠性，用两套完全相同的高配置计算机做为HMI的服务器，形成热冗余监控系统。

采用多台主流配置的计算机做客户机，以完成对整个加热炉区的仪表、电气的控制。所有HMI的画面相同，根据客户机应用功能的不同而设置不同的使用权限，这样系统将非常稳定可靠。

5 结束语

采用PLC控制系统配置灵活，投资经济，程序可方便快捷地在线修改；HMI提供的监视画面实现了可视化的操作画面，使得操作更直接、快捷。无论在精度、稳定性及其他一些控制系统质量指标方面，PLC均能达到满意效果，对保证生产正常、提高产品质量起到了良好的作用。

参考文献

[1]韩凤祥，吴立新.PLC控制变频器在加热炉出钢机中的应用[J].变频器世界，2006（5）：102-103.