基于PLC的步进式加热炉演示系统设计

李海亮 闫学勤王雅文 陈晓燕

新疆大学电气工程学院 新疆 乌鲁木齐 830047

0 引言

棒材厂加热炉加热是棒材加工过程中的一个重要环节，以步进式加热炉应用最广。为了保证棒材产品质量合格，加热炉的燃烧温度以及进出钢控制是加热炉控制系统的核心。在钢材生产中，一般要将钢坯加热到1000℃才可进行加工。因此由于温度过高，加热炉一般是一个封闭的环境，人们不可能在加热炉旁对加热炉内的温度及动作进行监测和控制。为了使人们更好地了解加热炉内部结构以及工作情况，本设计以八钢棒材厂步进式加热炉为背景，设计并制作一种用于工程训练的步进式加热炉演示系统，用于演示加热炉内部工作情况，这对于学生综合掌握所学知识，建立对加热炉及复杂工业生产过程的认识，自主实现模拟工业过程的检测和控制技术，提高学生创新实践能力和工程实践能力具有重要的意义。

1 系统方案

1.1 步进式加热炉工艺流程

步进式加热炉的作用是对轧制前的钢坯进行加热。炉型的结构为三段式连续加热，即预热段、加热段、均热段。加热段和均热段顶部采用平焰烧嘴。

加温方式：预热段利用烟气对钢坯进行缓慢加热，降低钢坯的热应力；加热段快速加热，减少钢坯在高温区的停留时间以减少氧化和脱碳；均热段控制钢坯表面温度不再升高的情况下，消除由于强化加热而造成的较大断面温差即“黑印”。

加热炉的装、出料方式为侧进侧出。钢坯在上料台架上由拉钢机逐根拉至分钢机，输送到炉前装料辊道上，采用控制炉内悬臂辊道速度的方法使钢坯在炉内辊道上准确定位，然后由对齐推钢机将钢坯推到固定梁上，再由步进梁通过后退，上升，前进和下降正循环一步一步地把加热好的钢坯输送到炉子的出料端，最后由出料端的炉内悬臂辊道将钢坯送出炉外。相反，当炉子检修或出现事故时，步进梁通过上升，后退，下降和前进逆循环，将钢坯由出料端退回到装料端。

1.2 演示系统实现

根据步进式加热炉工艺流程，设计并制作了物理演示系统。系统包括进钢机部件、推钢机部件、步进梁部件、出钢机部件等。为了保证系统可靠安全运行，在装置制作中还安装了霍尔开关、到位保护行程开关及报警灯等装置。其加热炉演示系统如图1所示。

图1 步进式加热炉演示装置

2 步进式加热炉演示系统设计

加热炉区控制的最终目的是保证钢坯在加热炉区内顺利传输，维持钢坯对轧机的供应量。依据加热炉控制要求，系统利用西门子PLC实现对下位加热炉演示系统的控制，并通过MCGS软件完成上位监测系统对加热炉模型的在线监测。

2.1 加热炉PLC控制系统

本控制系统选用西门子S7-200系列中CPU224控制器作为控制核心，同时还扩展了1个EM235模拟量模块。S7-200 CPU224控制器本身具有I/O点数是14输入/10输出共24个数字量I/O点[4]，用于检测霍尔开关及行程开关信号并控制进钢机、推钢机、步进梁和出钢机及阀门开关的运行。此外，系统选用扩展EM 235模块，实现对加热炉温度的检测。系统通过PPI通讯协议实现与上位机通信，完成对系统监测。其控制流程如图2所示。

2.2 组态画面设计

系统选用MCGS组态软件制作上位机监测画面。根据设计要求，系统画面包括进钢机、推钢机、步进梁和出钢机、氧气和煤气管道、报警以及历史数据和历史曲线等。监测如图3和图4所示。通过系统运行，不仅可以实时看到各部件的运行状态，还可以获得运行历史数据和曲线。

图2 系统控制流程图

图3 上位监控画面

图4 步进梁运动轨迹画面

3 系统运行

在上位监控画面制作完毕且下位PLC系统控制程序调试结束后，就可将MCGS监控软件和西门子PLC相连接进行通讯。本系统使用西门子PPI通讯协议，将下位PLC程序中的变量与MCGS中实时数据库变量的相互连接，并完成对串口发送数据波特率，数据位数，串口端口号，数据校验方式等参数的设定，就可实现系统联调。其系统运行画面如图5所示。

图5 系统运行监测画面

4 结论

通过结合八一钢铁公司棒材厂加热炉控制现场，采用在工业生产中实际实用的传感器、PLC、执行器等工业级元件开发并研制步进式加热炉模拟演示装置。系统不仅可以实现手动及PLC进行控制，还可以利用上位机实现实时监测。该装置结合实际，控制结果直观，为过程控制、PLC及计算机控制等相关课程的学习提供较好的实验平台。

[1] 李雪龙，满新梅，曹晓岭.八钢棒材轧钢加热炉工艺特点[J].新疆钢铁，2005，（3）.

[2] 钟小平，唐彬，李斌，陆大成.基于加热炉步进机械滚轮和斜台面轨道的有限分析[J].机械研究与应用，2010，（3）.

[3] 廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2005.

[4] SIEMENS AG.SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Manual[R].2004.

[5] 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.MCGS用户指南[R].2002.