步进梁式加热炉运动控制系统研究及应用
唐明明1， 张晓江1， 查道正1， 李争光2， 马 幸3
【摘 要】随着钢铁行业的快速发展，三加热段步进梁式加热炉应用越来越广泛。文章以山东临沂加热炉项目为例，基于西门子S7－400 PLC监控软件，对三加热段步进梁式加热炉的运动控制系统进行了研究和分析，给出了控制方案和硬件系统组态图，绘制了相关控制流程图，并利用STEP7编程软件进行了软件设计。加热炉实际运行结果表明，运动控制系统设计方案在提高效率和监控可靠性等方面均有改善。
【期刊名称】合肥工业大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2014(000)005 【总页数】5
【关键词】三加热段；步进梁式加热炉；运动控制；PLC监控；节能降耗 工业加热炉按照进、出料方式的不同可分为推钢式加热炉和步进式加热炉。步进式加热炉是一种移送前进的连续加热炉，根据炉底结构的不同，又可分为步进底式炉和步进梁式炉。20世纪70年代以来，随着轧机的大型化，步进梁式炉得到了广泛应用。目前步进梁式加热炉已经成为国内建设最多，应用范围最广，技术含量最高的炉型［1］。步进式加热炉是经过升级改进之后的连续式加热炉，其主要的组成部分包括炉底机械部件、炉壳、进出料系统、燃烧系统、控制系统、冷却系统等［2］。步进式加热炉控制系统由燃烧控制及运动控制2部分构成［3］，运动控制系统与燃烧控制系统既各自独立工作，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。
山东临沂钢铁集团壶顶钢厂加热炉项目，原采用传统的推钢式加热炉，其运动
控制系统多属于电气控制，以继电器操作为主，存在大量人工手动操作的环节。自投入使用以来，控制系统运行不稳定，故障率较高，且能耗严重，时常出现钢坯“黑印”现象，严重影响生产效能，迫切需要以计算机监控系统为基础对其进行自动化改造。
1 运动控制系统设计
1.1 系统设计思想
三加热段步进梁式加热炉运动控制系统是指钢坯从进料炉门到出料炉门的运动过程实现的计算机自动控制，包括进料控制、炉内步进梁运动控制、出料控制。本文主要介绍以上内容的计算机监控系统的设计研发。
本项目加热炉采用全液压驱动的步进梁机构，通过步进梁的行走来移送钢坯。步进梁相对于固定梁作上升、前进、下降、后退4个动作，这4个动作组成步进梁的1个运动周期，每完成1个周期，钢坯就从装料端向出料端前进1个行程［4］，边前进、边加热，依次经过预热段、加热段和均热段，当钢坯达到所要求的温度范围且钢坯内外温度均匀后，即可出料。
在充分考虑系统的可行性和经济性的基础上，按照工艺流程设计加热炉的运动控制系统，控制各种硬件设备相互协调工作，完成设计的生产目标［5］。针对此项目设备多、控制复杂的特点，采用分层分布式设计模式，把控制系统分成监控管理层和现地控制层2个部分。监控管理层采用WinCC组态技术，负责集中监视和协调控制所有的工艺状况，并将主要的生产过程及参数进行显示、记录和分析，实现对加热炉的实时监控。现地控制层采用PROFIBUS－DP现场总线技术，以高性能PLC为控制核心，通过优化软件设计和控制策略，提高监控系统的可靠性。
1.2 运动控制系统硬件设计 硬件设计组态如图1所示。
根据总体设计方案，硬件设计方面采用2条 PROFIBUS－DP总线，PROFIBUS－DP（1）连接1个主站（S7－400）和3个ET200从站（远程I／O），PROFIBUS－DP（2）连接进料和出料辊道变频器。采用西门子PLC系统控制巨型步进梁设备，配置灵活，控制程序成熟且可方便快捷地在线进行修改［6］。S7－400 PLC采用模块化设计，适用于对可靠性要求极高的大型复杂控制系统［7］，配合ET200M可实现分布式控制，能够实现本项目的控制要求。 1.3 运动控制系统软件设计
加热炉运动控制系统的控制任务是确保钢坯在加热炉内的顺利传输，这就需要各种控制设备密切配合，严格按照时序动作。该系统是一个严格的顺序控制操作，应设置启动条件，如果前一步没有完成，则后面的操作将被闭锁，其后的流程便无法继续。本项目采用西门子S7－400 PLC来实现其顺序控制功能，主程序流程如图2所示。
进料控制按照工艺流程分为：与上游铸钢区的信号联络、进料炉门控制、钢坯定位控制、推钢机动作控制和悬臂辊变频控制。钢坯定位控制是进料控制的核心，能使钢坯在炉内按工艺要求合理布置［8］。本系统采用冷金属探测器和光电编码器分别检测钢坯位置及其移动速度，并通过MM440变频器来控制进料悬臂辊道速度，最后利用S7－400 PLC实现了钢坯的准确定位。系统设置手动进料控制和自动进料控制，手动控制在控制室操作台上人工操作完成，自动控制通过调用程序来实现。 进料控制流程如图3所示。
步进梁式加热炉运动控制系统研究及应用
