步进式加热炉在棒线材生产线上的控制系统设计

2018-07-09任树朋

山西冶金 2018年3期

任树朋

（山西太钢不锈钢股份有限公司不锈线材厂，山西太原 030003）

山西太钢不锈钢股份有限公司（以下简介太钢）不锈线材厂步进式加热炉于2017年投产，是棒线材轧制过程中的关键设备。炉长32 m，炉内宽4.2 m，单排布料，采用侧近、侧出的装出钢方式。炉体自装料端至出料端沿炉长方向共分为预热段、加热一段、加热炉二段及均热段四段。炉内支撑梁、立柱采用汽化冷却，受空间限制仅设有2根静梁和2根动梁，主要用于给规格 220 mm×220 mm×（3 000～3 600）mm的不锈钢和碳钢的冷料坯加热，使其达到生产工艺要求的轧制温度并保温，然后输送至轧机进行轧制。加热炉系统包括顺序控制系统、燃烧系统和汽化冷却系统，本文将重点对顺序控制系统进行详细介绍。

1 硬件组态

加热炉计算机系统由顺序控制系统（见图1）与燃烧控制系统组成。顺序控制包括入炉、步进、出炉三部分；燃烧控制负责燃烧和汽化冷却部分。两者既各自独立工作，又通过WINCC上位机产生必要的信号联络，协同控制整个生产过程。其中，顺序控制系统包括PLC与工控机操作站。采用西门子S7-400系列PLC作为主站，分布式I/O单元采用ET200M，其通过PROFIBUS总线连接。PLC系统设主机柜和远程柜各1套、工控机操作站2套。PLC通过100 MB以太网与操作站进行通讯。计算机系统实现生产过程数据采集、模拟量和开关量逻辑控制，生产过程监和数据处理计算[1]。

2 入炉控制

入炉部分由装料触摸屏、上料台架、推钢机、旋转托架、装料炉外辊道、装料炉门、装料悬臂辊、炉内推正装置及防撞缓冲器等部分组成（如图2所示）整个过程共有9个动作指示信号R1～R9。

图1 加热炉顺控系统硬件组态

图2 装料过程示意图

装料触摸屏采用西门子KTP1000 Basic控制面板，主要完成对预装炉料钢种代码、批次、颜色及数量的录入，并生成R9标志信号。炉外推钢装置将上料台架上的原料坯逐根推至炉外装料辊道，辊道间隙中的旋转托架逆时针转动45°使得钢坯与辊道中心线基本平行，防止其入炉前跑偏冲撞炉门。

当炉内辊道上无钢、步进梁位于等高位以下具备测长条件时，“允许测长”指示灯点亮，入炉操作人员点击“测长”按钮后，装料炉门升起，由位于辊道南北两端的激光测距仪完成料坯实际长度的测量，同时R9更新为R8。

待出料台发出“允许装钢”信号，“请求装钢”指示灯点亮，操作人员点击“装钢”按钮，准备将完成测长的原料送入炉内。装料辊道随即启动信号更新为R6。在炉门处装设光电开关，当料坯头部通过光电开关后，上升沿脉冲表示料坯开始入炉。料坯尾部通过光电开关的下降沿脉冲表示钢坯已完全入炉，信号更新为R4。

料坯在入炉过程中由辊道终端的激光测距仪根据料坯实际长度，通过PLC实时计算行进距离完成对中定位。在定位过程中，炉内辊道进行两次降速，当料坯距终点剩约0.5 m时辊道由高速降为低速，后以低速完成对中至辊道停止，炉体横向对中完成。炉内推正装置将料坯自西向东推进0.2 m，使得料坯于梁体垂直，完成纵向对齐，生成就位号R1，入炉阶段完成。两次定位使得料坯的中心线与炉体中心线重合，进而确保料坯均匀搁置在2条静梁之上，防止步进过程中跑偏，发生掉道。钢坯南端设有防碰撞缓冲器，防止料坯入炉过程中失控或对中异常发生冲撞炉墙的事故。

3 步进控制

3.1 步进基本动作

步进梁用于将已在装料悬臂辊上完成定位的原料接至固定梁上，同时将炉口达到轧制工艺温度要求的红钢送至出料悬臂辊上。步进梁以矩形轨迹运行，4个基本动作上升、前进、下降、后退可以构成前循环、后循环、踏步、等高等模式。

前循环用于将料坯送出炉。步进梁从零点（后下位）开始上升，将钢坯从固定梁上托起至后上位，前进一个步距321.7 mm至前上位，之后动梁在下降至等高位时将所有钢坯重新放于固定梁上，空载继续下降至前下位，在低位返回原始位置，完成一次正循环动作。炉内钢坯通过步进动作自装料辊道经101步到达炉子的出料端，同时完成加热过程。后循环用于将已出炉的红钢倒回至静梁上进行保温，其运动过程与前循环相反，步进梁先在下位空载行进至前位，然后上升、后退、下降至零点。踏步功能是在轧线停车时为防止料坯过热烧弯、长时间静置在水梁上因受热不均产生黑印所进行的原地升降踏步运动[2]，由低位升至高位等待数分钟，后下降至低位等待数分钟，然后再次上升至高位循环往复，等待时间可以根据钢种的不同由岗位人员进行设置。

步进梁的运行轨迹曲线如图3所示，为了防止动梁在接钢和放钢过程中对步进机械产生冲击和震动，损伤梁体绝热材料和钢坯表面氧化铁皮脱落，步进梁的水平和升降运动采取轻拿轻放、缓启缓停的变速运动，配套升降和水平各两套位移传感器，一用一备。通过对步进梁的行程进行跟踪检测，调整比例阀给定电流大小，使其按规定速度曲线运动。

图3 步进梁的运行轨迹曲线

3.2 步距补偿

步进梁在前进和后退运动过程中，由于炉体本身惯性及机械设备、比例调节阀响应时间等方面原因，实际步距与理论给定值存在一定的偏差，由于炉口没有出钢机对行进偏差进行最终调节补偿，如果不在后续运动过程中对这一偏差进行修正，便不能确保料坯走到炉口时一步上出料辊道[4]，极易发生钢坯掉道、冲撞炉墙等危险情形。因此，对步距偏差补偿是必不可少的。

步距的补偿方式是逐渐累积补偿，如式（1）：

式中：Ln0为本步理论设定值，Ln1为本步实际行程，L（n+1）0为下一步理论设定值。将本步偏差值的50%累加至下一步的理论设定值，同时设定最大补偿值Cmpmax=2 mm，当时时，从而避免了位移传感器检测异常所带来的过补偿。此外，为确保实际行程测量的准确性，选取梁体上升过等高位及下降过等高位时的位移检测值的差值作为本次步距实际行程，从而减少了在升降过程中的液压溜车导致的横向跑偏。经过补偿，百步偏差值可以有效的控制在±12 mm，确保精准出钢。

4 出炉控制

出炉部分由出钢按钮、出料悬臂辊、出料炉门、出料炉外辊道、热检等部分组成，整个过程共有5个动作指示信号C1—C5。

当轧线要钢时，岗位人员点击“出钢命令”，步进梁启动前循环，将装料炉内辊道上的料坯放到固定梁上最后一根位置，同时将第一根已经完成加热的红钢放到出料炉内辊道上，生成物料号C1，炉门上升，当到达上限位时，产生C2，具备辊道启动条件。后炉内和炉外辊道启动运行，将料坯快速送出炉外，形成C3。当红钢头部到达热检时，产生位号C4，尾部离开热检形成物料号C5，标志着出钢过程的结束。

5 关键连锁

5.1 踏步与装料连锁

步进梁的自动模式下，料坯入炉过程中由于没有形成R1物料号，不具备出钢条件，步进梁不会启动前循环动作。但是，如果步进梁在手动踏步模式，与装料侧连锁解开，当接到轧线要钢要求时，装料侧开始装钢，而步进梁还未由踏步模式恢复到自动，就容易造成入炉的料坯与升降过程中的梁体发生冲撞，如图4所示。因此，需要在装料侧增加连锁条件，只有在步进梁为自动模式时，才允许装钢。同时，增加了步进梁踏步允许信号和上升复位信号的连锁功能，当炉体南激光通过距离测量判断出炉内辊道上有钢，或是有料坯正在入炉，自动取消踏步允许信号和上升动作信号，可以立即停止步进梁的上升动作，有效的避免了料坯与梁体发生碰撞。

图4 梁体与入炉料坯碰撞示意图

5.2 空位判断与自动前循环连锁

为降低钢坯在炉内的氧化烧损，减少能源消耗，根据不同钢种的加热规程，时常按照装2支空1支或者装1支空1支的情形。这样当空位走到炉口时，由于没有实际的红钢不具备出钢条件，步进梁会自动启动前循环填补空位，直到炉口有红钢才停止自动前循环，等待“出钢命令”。在运行过程中发现，当炉口第一支为空料，但第二支为实料时，步进梁在完成一次前循环后将实料放置在炉口第一支的位置，如图5所示，由于物料队列交换数据有滞后，未及时形成有料的“WB1”，使得系统认为炉口仍为空料再次前循环，把红钢放在了炉内出料辊道上，发生了红钢冲撞炉门的事故。为此，增加前循环使能倒计时功能，当步进梁回到零点后开始倒计时10 s，确保系统足以刷新对列信息，倒计时结束后使能启动信号，如果炉口确实无红钢便启动前循环，如果有实料便等待“出钢命令”，这样就避免了将有料视为无料导致的误动作，增加了炉体运行的安全性。