楊 銓，辛華健

(廣西工業(yè)職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530001)

隨著我國經濟的不斷發(fā)展，使我國鋼鐵行業(yè)的產量不斷增大。由于我國是全球鋼鐵產量最大的發(fā)展中國家，為此鋼鐵加工技術成為各行業(yè)關注的焦點之一。鋼鐵加工實際上是一個耗能較大的行業(yè)，其中加熱爐能量消耗占比最高，應加強對加熱爐的根本控制，從源頭上優(yōu)化加熱爐控制系統(tǒng)的生產程序，并最大限度地提升鋼坯生產效率，通過該方式將能量消耗降至最低。本研究將加熱爐的生產過程控制作為核心，利用PLC設計出加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一定實用價值。

1 基于PLC的加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)裝鋼機設計

1.1 裝鋼機基本設備

加熱爐在長行程上料過程中，最常使用的部件為裝鋼機。裝鋼機在加熱爐中主要負責對鋼坯進行轉運，從裝料軌道上將鋼坯托起，并傳送至加熱爐的待料位置，等待加熱爐對其進行相應的處理。加熱爐在實際運行過程中長時間處于高溫狀態(tài)，易使裝料桿因溫度過高而產生變形現象，為最大限度地避免加熱爐內各設備出現損壞現象，不斷對裝料桿進行通水冷卻操作。

裝鋼機主要包括兩個運行動作：升降和進退。當裝鋼機的運行動作為升降時，表明裝鋼機此時主要采取液壓的方式驅動自身運行；當裝鋼機的運行動作為進退時，表明裝鋼機此時主要采取機械傳動的方式對鋼坯進行傳運[1]。

裝鋼機上料的工作過程為：

(1)利用裝料桿完成鋼坯推正操作，為鋼坯的托起做準備。

(2)準備工作均完畢后，實施鋼坯托起操作，通過移動控制將鋼坯移動至固定梁上方，此時下降裝料桿，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)將裝鋼機的工作時間設定為50 s之內，裝鋼機的全部操作過程均不可超過50 s，并且裝鋼機進行鋼坯裝料過程中，其裝料輥道不允許過鋼，等待裝鋼機上料操作均完畢后，控制系統(tǒng)方可允許過鋼。裝料桿的升降驅動主要由PLC控制器實現線性位移傳感器的整體控制。而裝料桿處于進退行程時，由于鋼坯在尺寸方面存在較大差異性，使裝料桿進行上料操作時的伸進位置各不相同，為此本研究對裝料桿的進退行程進行設計時，采用爐區(qū)PLC對脈沖發(fā)生器進行控制。為保證裝料桿在進退行程中設備的完整性，對裝料桿的全部動作均設置開關保護[2]。

1.2 裝鋼機運行控制

當前裝鋼機的運行控制方式只要包括手動控制和自動控制。通過對加熱爐的整體構造進行分析可知，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實現爐門升降的控制。裝鋼機的運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行，對裝鋼機的運行進行設計時，應嚴格遵守裝料爐門在上位、升降擋板在下位的原則，若裝鋼機控制順序出現錯誤，可直接影響裝鋼機裝料輥道的運行速度。裝鋼機在實際運行過程中，若出現裝料懸臂輥道未處于停止和空轉狀態(tài)、入爐推鋼機未按照系統(tǒng)設置返回初始位置，應立即停止步進機構的運行。若裝料懸臂輥道上端仍含有鋼坯，應禁止步進機構執(zhí)后退操作，避免因步進機構的后退，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，應立即采取報警模式，通知工作人員采取相應的處理措施[3]。

對裝鋼機的工作程序進行設計時，應完成裝鋼機開啟程序的設計。裝鋼機能否順利啟動，應在滿足臺架運載鋼坯到位和臺架停止運行兩個條件的情況下，方可啟動裝鋼機。

裝鋼機成功啟動后，利用裝鋼機將鋼坯運輸至加熱爐內部，該過程可借助臺架完成鋼坯運輸任務，通過臺架的輔助控制，可向加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)發(fā)送“取料完畢”信號，裝鋼機控制程序如圖1所示。

當裝鋼機按照系統(tǒng)預設的運送方式成功將鋼坯運輸至加熱爐時，應立即關閉裝鋼機，并打開入爐輥道及進爐門。為保證加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)可實時檢測鋼坯的位置，在加熱爐的爐門處安裝檢測傳感器，利用該傳感器及PLC控制程序即可對鋼坯的位置進行判斷，當鋼坯成功到達指定位置后，打開進爐門實現鋼坯的運送。爐門關閉后，使推鋼機回歸原位置，等待加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)下達指令[4]。

圖1 裝鋼機控制程序圖

2 基于PLC的加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)步進梁設計

2.1 步進梁基本設備

加熱爐步進系統(tǒng)主要通過液壓裝置實現整體驅動，該系統(tǒng)的核心組件包括控制閥組以及壓力安全閥組，在兩個閥組的支持下，使加熱爐步進系統(tǒng)在控制機構運行及安全保障方面具有重要作用。

1)步進梁升降部分

步進梁升降運行的控制閥組主要由三部分共同組成：比例方向閥、壓力補償器以及平衡閥，控制閥組在步進梁中主要負責對升降運行的平穩(wěn)性進行管控，并且在控制閥組的作用下，有利于提升加熱爐內坯料托起的精準性[5]。

2)步進梁進退部分

進退控制閥組在步進梁中主要采用比例方向閥和壓力補償器對進退液壓缸進行控制，實現進退液壓缸的整體驅動，有利于提供步進梁進退停穩(wěn)的可控性。

3)裝料機升降部分

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構運行的穩(wěn)定性，實現升降機構高效、持續(xù)地運行。

加熱爐步進系統(tǒng)主要通過液壓裝置實現整體驅動，該系統(tǒng)在實際運行過程中由PLC進行監(jiān)控，使該系統(tǒng)支持手動操作及自動操作，步進梁運動過程如圖2所示[6]。

圖2 步進梁運動過程示意圖

2.2 步進梁運行控制

本研究對步進梁的運動控制進行設計時，選用全液壓驅動型步進梁機構作為核心設備。步進梁的功能主要包括支撐鋼坯、踏步、復位以及循環(huán)控制功能。鋼坯在運輸過程中由步進梁及固定梁共同支撐，通過步進梁和固定梁的支撐，有利于實現鋼坯的輕托慢放。步進梁的踏步功能可使鋼坯處于“零”位，若鋼坯的實際停留位置超過系統(tǒng)設定的限值后，加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)立即執(zhí)行鋼坯的自動復位，通過對坯料進行實時追蹤管理功能使鋼坯回歸“零”位。步進機構完成手動操作后，即可實現正、逆循環(huán)控制功能。由于系統(tǒng)存在互為連鎖的特性，故步進梁在實際運行過程中不能同時對兩種動作進行執(zhí)行，不同動作之間的間隔執(zhí)行時間應控制在0.5 s以上[7]。

步進梁的運行狀態(tài)主要取決于加熱爐，當步進機構可維持穩(wěn)定運行時，加熱爐即可接收到有效鋼指令，此時系統(tǒng)為促使加熱爐順利運行，利用PLC完成驅動程序的調用，由計算機向步進梁發(fā)送鋼坯運輸指令，等待步進梁成功接收指令后，嚴格按照運輸指令規(guī)定的順序執(zhí)行相關動作。步進梁的運行控制過程為：首先使裝鋼機處于初始位置，啟動步進梁的正循環(huán)功能后，打開加熱爐的出料爐門，使出鋼機的下位前進，并將加熱完畢的鋼坯托起，放置于輥道中心線，關閉出料爐門，出鋼機下降并后退。對步進梁進行控制過程中，若出料輥道出現異常狀態(tài)，應保證磁性上限接點處于閉合狀態(tài)。當出料爐門的位置出現錯誤時，可使出料輥道一直處于低速空轉狀態(tài)運行，此時應采取報警模式，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)出鋼過程設計

3.1 出鋼側基本設備

為保證加熱爐的工作效率，在每個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。由于出料桿的伸入位置存在一定差異性，為此本研究對出鋼過程進行設計時，將鋼坯的停放位置作為主要依據，以此實現出料桿伸入距離的調整。出料桿伸入距離的調節(jié)過程為：首先利用激光檢測器對出鋼坯距離加熱爐爐口的停放位置進行確定，結合鋼坯生產的實際要求，采取相應的措施對出料桿的伸入距離進行調節(jié)。托輪及齒輪可維持出鋼機的穩(wěn)定運行，若托輪及齒輪出現損壞，可直接影響出鋼機的工作效率，為此本研究對出鋼機的托輪、齒輪軸軸承設備進行選擇時，均選用進口的軸承。出鋼側設備主要包括升降和進退兩個機械動作，在運行過程中均由同步軸實現[9]。

3.2 爐門及升降設備

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均安裝一套電動爐門升降機構，該爐門的開、關由行程控制器控制，行程控制器具有檢測功能，當行程控制器檢測到鋼坯運輸至加熱爐的裝料爐門外部時，行程控制器自動控制裝料爐門，使其處于打開狀態(tài)。若行程控制器未檢測到裝料爐門外部存在鋼坯，將自動關閉裝料爐門。出料爐門是一種較為常見的鋼結構焊接件，該爐門包含兩套爐門升降機，可自動完成爐門升降操作，該爐門的開、關由行程控制器控制與檢測。為保證出料爐門不被高溫侵蝕，將該爐門置于冷水框架中，采用冷水框架對其進行包裹。

爐門升降機構的驅動主要由軟啟及軟婷方式控制電機進行實現，電機啟動后經過齒輪減速機帶動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)。為實現爐門的行程控制，在電機外側設置抱閘。爐門的行程控制主要由凸輪控制器和行程開關體現。為提升爐門的精準開啟和關閉，可與步進梁等機構進行聯鎖控制。

3.3 鋼坯出爐運行控制

本研究對鋼坯的出爐過程進行控制時，在每個加熱爐的出料端均配裝一套出鋼機，需要該出鋼機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，對其進行相應的調整。出料桿的伸入行程調整方式為：首先，利用激光檢測器對鋼坯距離加熱爐爐口的實際位置進行確定，并結合鋼坯的生產要求實現位置調整[10]。其次，向計算機發(fā)送信號，由計算機對出料桿的伸入行程進行分析處理，以此保證出料桿伸入行程的精確度。最后，為實現對坯料位置的精準追蹤，將處理后的信號發(fā)送至計算機系統(tǒng)。

當步進梁處于前進狀態(tài)時，利用激光檢測器對前沿信號進行捕捉，此時加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)立即進入檢測狀態(tài)，并將坯料的前進位移等數據進行實時記錄。當系統(tǒng)處于檢測狀態(tài)時，步進梁立即進入暫停循環(huán)狀態(tài)，直至鋼坯成功出鋼即可恢復正常運行，此時出料機成功將鋼坯放置出爐輥道的中心線上。加熱爐的整個出鋼過程均由機械臂實現，在機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，當坯料中心線與輥道中心線無法對齊時，可引發(fā)鋼坯的放置位置差異性較大，最終造成出料機的伸出行程與實際不符。為避免鋼坯放置的位置與系統(tǒng)設定位置不符，本研究對出鋼過程進行設計時，利用PLC對脈沖發(fā)生器進行精準控制。當出鋼機加熱結束后的鋼坯處于加熱爐出口輥道上時，通過傳感器對鋼坯的位置信息進行采集，并將采集后的信息上傳至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)對鋼坯是否成功出爐進行判斷，同時對鋼坯進行有效跟蹤。

出鋼過程的設計程序為：當步進梁復位后，利用傳感器對鋼坯的位置進行檢測，若檢測到出料爐門處存在鋼坯運輸，此時打開出料爐門以及輥道，按照加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)設定的運輸順序，將鋼坯放置在輥道的中心線上。當出鋼機復位時，立即將鋼板放在出鋼輥道上等待系統(tǒng)下達命令。若系統(tǒng)下達的命令為粗軋信號，應執(zhí)行該命令并向粗軋環(huán)節(jié)動作。若出鋼機未接收到系統(tǒng)下達的指令，則出鋼輥道處于來回擺動狀態(tài)，直至系統(tǒng)發(fā)送指令。

4 結 語

本研究主要對鋼坯的傳送順序進行研究與控制。為實現對加熱爐的有效控制，分別對裝鋼機、步進梁以及出鋼程序進行設計。由于加熱爐在實際運行過程中長時間處于高溫狀態(tài)，易使裝料桿因溫度過高而產生變形現象，為最大限度地避免加熱爐內各設備出現損壞現象，不斷對裝料桿進行通水冷卻操作。通過加熱爐鋼坯順序控制系統(tǒng)設定的鋼坯運輸順序，可實現對加熱爐的有效控制，對企業(yè)的經濟效益具有提升作用。