李海亮 閆學勤王雅文 陳曉燕

新疆大學電氣工程學院 新疆 烏魯木齊 830047

0 引言

棒材廠加熱爐加熱是棒材加工過程中的一個重要環(huán)節(jié)，以步進式加熱爐應用最廣。為了保證棒材產(chǎn)品質(zhì)量合格，加熱爐的燃燒溫度以及進出鋼控制是加熱爐控制系統(tǒng)的核心。在鋼材生產(chǎn)中，一般要將鋼坯加熱到1000℃才可進行加工。因此由于溫度過高，加熱爐一般是一個封閉的環(huán)境，人們不可能在加熱爐旁對加熱爐內(nèi)的溫度及動作進行監(jiān)測和控制。為了使人們更好地了解加熱爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及工作情況，本設計以八鋼棒材廠步進式加熱爐為背景，設計并制作一種用于工程訓練的步進式加熱爐演示系統(tǒng)，用于演示加熱爐內(nèi)部工作情況，這對于學生綜合掌握所學知識，建立對加熱爐及復雜工業(yè)生產(chǎn)過程的認識，自主實現(xiàn)模擬工業(yè)過程的檢測和控制技術，提高學生創(chuàng)新實踐能力和工程實踐能力具有重要的意義。

1 系統(tǒng)方案

1.1 步進式加熱爐工藝流程

步進式加熱爐的作用是對軋制前的鋼坯進行加熱。爐型的結(jié)構(gòu)為三段式連續(xù)加熱，即預熱段、加熱段、均熱段。加熱段和均熱段頂部采用平焰燒嘴。

加溫方式：預熱段利用煙氣對鋼坯進行緩慢加熱，降低鋼坯的熱應力；加熱段快速加熱，減少鋼坯在高溫區(qū)的停留時間以減少氧化和脫碳；均熱段控制鋼坯表面溫度不再升高的情況下，消除由于強化加熱而造成的較大斷面溫差即“黑印”。

加熱爐的裝、出料方式為側(cè)進側(cè)出。鋼坯在上料臺架上由拉鋼機逐根拉至分鋼機，輸送到爐前裝料輥道上，采用控制爐內(nèi)懸臂輥道速度的方法使鋼坯在爐內(nèi)輥道上準確定位，然后由對齊推鋼機將鋼坯推到固定梁上，再由步進梁通過后退，上升，前進和下降正循環(huán)一步一步地把加熱好的鋼坯輸送到爐子的出料端，最后由出料端的爐內(nèi)懸臂輥道將鋼坯送出爐外。相反，當爐子檢修或出現(xiàn)事故時，步進梁通過上升，后退，下降和前進逆循環(huán)，將鋼坯由出料端退回到裝料端。

1.2 演示系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)步進式加熱爐工藝流程，設計并制作了物理演示系統(tǒng)。系統(tǒng)包括進鋼機部件、推鋼機部件、步進梁部件、出鋼機部件等。為了保證系統(tǒng)可靠安全運行，在裝置制作中還安裝了霍爾開關、到位保護行程開關及報警燈等裝置。其加熱爐演示系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 步進式加熱爐演示裝置

2 步進式加熱爐演示系統(tǒng)設計

加熱爐區(qū)控制的最終目的是保證鋼坯在加熱爐區(qū)內(nèi)順利傳輸，維持鋼坯對軋機的供應量。依據(jù)加熱爐控制要求，系統(tǒng)利用西門子PLC實現(xiàn)對下位加熱爐演示系統(tǒng)的控制，并通過MCGS軟件完成上位監(jiān)測系統(tǒng)對加熱爐模型的在線監(jiān)測。

2.1 加熱爐PLC控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)選用西門子S7-200系列中CPU224控制器作為控制核心，同時還擴展了1個EM235模擬量模塊。S7-200 CPU224控制器本身具有I/O點數(shù)是14輸入/10輸出共24個數(shù)字量I/O點[4]，用于檢測霍爾開關及行程開關信號并控制進鋼機、推鋼機、步進梁和出鋼機及閥門開關的運行。此外，系統(tǒng)選用擴展EM 235模塊，實現(xiàn)對加熱爐溫度的檢測。系統(tǒng)通過PPI通訊協(xié)議實現(xiàn)與上位機通信，完成對系統(tǒng)監(jiān)測。其控制流程如圖2所示。

2.2 組態(tài)畫面設計

系統(tǒng)選用MCGS組態(tài)軟件制作上位機監(jiān)測畫面。根據(jù)設計要求，系統(tǒng)畫面包括進鋼機、推鋼機、步進梁和出鋼機、氧氣和煤氣管道、報警以及歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線等。監(jiān)測如圖3和圖4所示。通過系統(tǒng)運行，不僅可以實時看到各部件的運行狀態(tài)，還可以獲得運行歷史數(shù)據(jù)和曲線。

圖2 系統(tǒng)控制流程圖

圖3 上位監(jiān)控畫面

圖4 步進梁運動軌跡畫面

3 系統(tǒng)運行

在上位監(jiān)控畫面制作完畢且下位PLC系統(tǒng)控制程序調(diào)試結(jié)束后，就可將MCGS監(jiān)控軟件和西門子PLC相連接進行通訊。本系統(tǒng)使用西門子PPI通訊協(xié)議，將下位PLC程序中的變量與MCGS中實時數(shù)據(jù)庫變量的相互連接，并完成對串口發(fā)送數(shù)據(jù)波特率，數(shù)據(jù)位數(shù)，串口端口號，數(shù)據(jù)校驗方式等參數(shù)的設定，就可實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。其系統(tǒng)運行畫面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)運行監(jiān)測畫面

4 結(jié)論

通過結(jié)合八一鋼鐵公司棒材廠加熱爐控制現(xiàn)場，采用在工業(yè)生產(chǎn)中實際實用的傳感器、PLC、執(zhí)行器等工業(yè)級元件開發(fā)并研制步進式加熱爐模擬演示裝置。系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)手動及PLC進行控制，還可以利用上位機實現(xiàn)實時監(jiān)測。該裝置結(jié)合實際，控制結(jié)果直觀，為過程控制、PLC及計算機控制等相關課程的學習提供較好的實驗平臺。

[1] 李雪龍，滿新梅，曹曉嶺.八鋼棒材軋鋼加熱爐工藝特點[J].新疆鋼鐵，2005，（3）.

[2] 鐘小平，唐彬，李斌，陸大成.基于加熱爐步進機械滾輪和斜臺面軌道的有限分析[J].機械研究與應用，2010，（3）.

[3] 廖常初.PLC編程及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

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

[5] 北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司.MCGS用戶指南[R].2002.