吳恒志，王 玥

(1.安徽省巢湖鑄造廠有限責(zé)任公司，安徽 巢湖 238004；2.安徽越維機(jī)電科技有限公司，安徽 合肥 230061)

彈條成型生產(chǎn)過(guò)程中使用中頻加熱爐加熱圓鋼棒料至一定溫度，熱壓成型并利用余溫進(jìn)行淬火處理，是成熟的生產(chǎn)工藝。由于彈條生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，對(duì)彈條成型時(shí)加熱溫度的一致性和均勻性有嚴(yán)格的要求，成型溫度過(guò)高或過(guò)低，以及同一根棒料溫度不均勻不僅影響成型尺寸的一致性、穩(wěn)定性，更將影響彈條的熱處理性能、硬度和韌性，以及內(nèi)部組織的均勻性，用于鐵路工程中將影響其使用性能和壽命[1-2]。由于高速鐵路對(duì)彈條的要求更高，棒料加熱溫度若忽高忽低，不但影響彈條的使用壽命，甚至危及行車(chē)安全。

目前彈條生產(chǎn)線是由人工根據(jù)檢測(cè)到的出料溫度，手動(dòng)調(diào)整中頻加熱功率，存在調(diào)整滯后、人為因素干擾等不利影響，造成棒料加熱溫度忽高忽低。尤其是中頻啟動(dòng)期間，溫度變化更大，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)起始十多根甚至更多的棒料溫度超限不能壓型。

在分析彈條成型中實(shí)際使用的中頻加熱設(shè)備特性和控制原理的基礎(chǔ)上，采集了大量的中頻控制參數(shù)和棒料溫度及其變化數(shù)據(jù)?；跀?shù)據(jù)分析提出實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制的設(shè)想，設(shè)計(jì)、制造了閉環(huán)控制裝置模型，進(jìn)行閉環(huán)控制的試驗(yàn)研究，并嘗試在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用。

1 中頻加熱棒料過(guò)程與設(shè)備特性

通過(guò)式中頻感應(yīng)加熱爐是將生產(chǎn)彈條用的棒料以均勻的速度通過(guò)接通中頻電源的空心管，依靠電磁感應(yīng)在棒料中產(chǎn)生渦流，交變磁力線穿過(guò)金屬棒料形成回路，在棒料內(nèi)產(chǎn)生很大感應(yīng)電流，使棒料局部加熱[3](如圖1)。由于集膚效應(yīng)，棒料表面的電流密度大而棒料中心軸線上的電流密度很小，由外向內(nèi)以?xún)绾瘮?shù)規(guī)律逐漸衰減(如圖2)，而在每根棒料的兩端外周面的溫度將比中段外周面的溫度高(如圖3)。

圖1 中頻感應(yīng)加熱棒料原理示意

圖2 沿棒料截面電流密度分布

圖3 普通中頻加熱中棒料外表面溫度沿長(zhǎng)度分布

彈條生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際情況是：

1)按照生產(chǎn)的節(jié)奏，約5 s完成一根棒料的加熱，加熱過(guò)程中棒料在加熱磁場(chǎng)中勻速移動(dòng)。

2)中頻加熱使用可控硅改變導(dǎo)通角，來(lái)改變電磁場(chǎng)強(qiáng)度，控制中頻輸出功率，通常在系統(tǒng)運(yùn)行初期人工進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)就會(huì)固定下來(lái)，對(duì)于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)電壓、頻率、送料速度等的較小范圍波動(dòng)不予干預(yù)。由于可控硅存在初始導(dǎo)通角的限制，所以加熱電磁場(chǎng)必須要有一個(gè)低的維持強(qiáng)度，只能在高于維持強(qiáng)度以上一定范圍內(nèi)控制，而且必須是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。

3)檢測(cè)棒料加熱溫度的探頭是安裝在中頻加熱爐的出口。

以上3點(diǎn)導(dǎo)致彈條生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)下述問(wèn)題：

1)若棒料溫度過(guò)高或過(guò)低就需要人工調(diào)整，降低或升高中頻設(shè)備功率。而這些改變不能立即使從爐口移出的棒料溫度達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值，而是要經(jīng)過(guò)十幾根棒料才能逐步恢復(fù)到正常較穩(wěn)定的溫度值。圖4反映的是棒料溫度異常波動(dòng)時(shí)，通過(guò)人工調(diào)整中頻功率過(guò)程中棒料的溫度變化。

圖4 普通中頻加熱中人工調(diào)整起始30根棒料溫度變化

2)因棒料移動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)的故障易出現(xiàn)卡料或缺料。這時(shí)中頻加熱爐膛內(nèi)棒料停止移動(dòng)，爐膛內(nèi)存棒料將會(huì)繼續(xù)加熱，溫度持續(xù)升高，即便操作人員發(fā)現(xiàn)情況著手進(jìn)行調(diào)整，也會(huì)使正在加熱的棒料出現(xiàn)溫度大范圍超過(guò)規(guī)定上限，甚至過(guò)燒、熔融。即使及時(shí)排除了故障，也會(huì)出現(xiàn)十來(lái)根溫度過(guò)高的棒料，不能壓型為彈條，而且因?yàn)檫@些棒料有的可能已經(jīng)過(guò)燒，造成晶粒粗大，不能再次加熱使用。生產(chǎn)實(shí)踐中為了質(zhì)量安全，將這些溫度超過(guò)目標(biāo)值的都作廢料處理。而排除故障后，系統(tǒng)將重新啟動(dòng)，還會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定前部分棒料不能正常壓型，造成材料和能源浪費(fèi)。

對(duì)彈條成型生產(chǎn)中的中頻加熱設(shè)備進(jìn)行閉環(huán)控制是穩(wěn)定和提高彈條產(chǎn)品質(zhì)量，降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的有效技術(shù)保證措施。

針對(duì)這項(xiàng)工作開(kāi)展了一些探索，并嘗試設(shè)計(jì)制作了彈條生產(chǎn)中專(zhuān)用的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)[4-5]，在中頻設(shè)備上應(yīng)用。

2 影響加熱溫度的主要因素

中頻成套設(shè)備出廠時(shí)有其完整的設(shè)計(jì),如頻率選擇、功率、節(jié)拍計(jì)算等等,因此設(shè)備在正常工作情況下生產(chǎn)的產(chǎn)品會(huì)有良好的一致性。但在生產(chǎn)實(shí)踐中有5個(gè)常見(jiàn)因素會(huì)影響棒料加熱溫度的穩(wěn)定性：①儀表精度;②測(cè)溫偏差;③設(shè)備調(diào)整;④電網(wǎng)電壓波動(dòng);⑤送料機(jī)構(gòu)故障導(dǎo)致的卡料或缺料。其中前4種情況很常見(jiàn)，研究得很多，這里不予考慮。第5項(xiàng)是彈條壓型生產(chǎn)線中常見(jiàn)的問(wèn)題，而且是影響產(chǎn)品質(zhì)量最嚴(yán)重的因素。

3 閉環(huán)控制裝置基本結(jié)構(gòu)與數(shù)值算法

根據(jù)以上情況，提出了棒料加熱溫度閉環(huán)自動(dòng)控制的思路和系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)[6-8]。

彈條棒料中頻加熱溫度閉環(huán)控制原理如圖5所示。

圖5 彈條棒料中頻加熱溫度閉環(huán)控制原理示意

彈條棒料加熱閉環(huán)控制裝置的特點(diǎn)是在通常使用的彈條棒料中頻加熱設(shè)備上，增加了料端檢測(cè)器、間歇檢測(cè)器、鏈輪檢測(cè)器和一套PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)棒料送料機(jī)構(gòu)運(yùn)行，一旦出現(xiàn)故障導(dǎo)致卡料或缺料，控制裝置將自動(dòng)降低中頻爐加熱功率，避免棒料過(guò)燒并發(fā)出報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)處理，從而有效保證彈條的生產(chǎn)質(zhì)量。

在彈條實(shí)際生產(chǎn)中，用PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)完成以下任務(wù)：

1)精確測(cè)量加熱走動(dòng)中每根棒料的起點(diǎn)；

2)分段讀取棒料溫度值，定點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)曲線比較，分段采用模糊控制方式進(jìn)行溫度閉環(huán)反饋控制。

由于棒料加熱后溫度逐段分布是不一致的,最初嘗試使用常規(guī)的PID方式進(jìn)行溫度閉環(huán)控制。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這種方式不但保證不了溫度穩(wěn)定，反而會(huì)引起溫度震蕩，使得彈條棒料的溫度更加不均勻。

后來(lái)通過(guò)測(cè)量獲得了不同長(zhǎng)度、不同直徑的棒料中頻加熱后溫度分布曲線，根據(jù)其穩(wěn)定性變化規(guī)律改變反饋方式。

考慮到生產(chǎn)過(guò)程中棒料勻速移動(dòng)的節(jié)拍和中頻反饋功率變化的滯后，溫度采集了平均值、最大值、溫度瞬時(shí)變化率等參數(shù)。反饋值的確定采用了定次數(shù)判斷、多次結(jié)果綜合評(píng)定等方式，以保證閉環(huán)反饋值的正確性和可靠性，保持系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

4 閉環(huán)控制裝置應(yīng)用情況

在高速鐵路彈條成型生產(chǎn)中，用同一臺(tái)中頻加熱設(shè)備加裝上閉環(huán)控制系統(tǒng)加熱同樣規(guī)格棒料，通過(guò)開(kāi)啟和關(guān)閉閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)測(cè)記錄得到在中頻加熱設(shè)備上增加閉環(huán)控制系統(tǒng)前后的溫度變化數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖6。

圖6 閉環(huán)控制前后中頻加熱過(guò)程中單根棒料溫度變化

由圖6可知：

1)中頻加熱設(shè)備增加閉環(huán)控制系統(tǒng)后，使加熱中的單根彈條表面溫度變化幅度減小約30%。

2)外界環(huán)境因素影響時(shí)，如啟動(dòng)中頻設(shè)備時(shí)功率不穩(wěn)定、電源波動(dòng)、棒料移動(dòng)速度波動(dòng)等，未加閉環(huán)情況下，需要人工隨時(shí)調(diào)整中頻設(shè)備功率旋鈕進(jìn)行干預(yù)，難免造成工件溫度波動(dòng)。而增加閉環(huán)控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)工件溫度變化，并反饋控制中頻設(shè)備功率和棒料移動(dòng)速度，消除外界環(huán)境因素的影響，使棒料溫度趨于一致。實(shí)施閉環(huán)控制后開(kāi)機(jī)起始30根棒料溫度變化情況見(jiàn)圖7。比較圖4、圖7可見(jiàn)，實(shí)施閉環(huán)控制后起始加熱的30根棒料溫度曲線明顯趨于平緩。

圖7 實(shí)施閉環(huán)控制后開(kāi)機(jī)起始30根棒料溫度變化

3)由于高速鐵路彈條品種較多，棒料直徑不同，長(zhǎng)度也存在較大差異，所需要的中頻設(shè)備功率和棒料加熱時(shí)間各不相同，加之中頻加熱設(shè)備特性也不盡相同，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自適應(yīng)調(diào)整程序段。對(duì)任一新工件，首次進(jìn)入增加閉環(huán)控制系統(tǒng)的中頻加熱成型生產(chǎn)線時(shí)，要進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)整，得出中頻加熱功率、送料電機(jī)分段驅(qū)動(dòng)誤差、棒料分段根數(shù)等7個(gè)參數(shù)，編號(hào)保存于機(jī)器中。正常生產(chǎn)時(shí)，輸入產(chǎn)品編號(hào)，機(jī)器自動(dòng)按編號(hào)調(diào)用對(duì)應(yīng)參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)控制運(yùn)行。

目前已將以上閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用到多臺(tái)高速鐵路彈條壓型生產(chǎn)線上，在保證棒料加熱溫度的一致性，防止棒料過(guò)燒等方面取得了較好的效果。經(jīng)過(guò)一年多的應(yīng)用，從產(chǎn)品的過(guò)程控制和出廠檢驗(yàn)數(shù)據(jù)看，尺寸異常波動(dòng)更少，變化范圍更小，金相組織評(píng)級(jí)也更加穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

中頻感應(yīng)加熱爐以其加熱速度快、熱效率高、無(wú)污染、易于控制等優(yōu)點(diǎn),成為許多工業(yè)生產(chǎn)廠家的首選設(shè)備,目前國(guó)內(nèi)中頻加熱設(shè)備性能已接近國(guó)際先進(jìn)水平。而加熱設(shè)備溫度控制技術(shù),則與國(guó)際先進(jìn)水平相距甚遠(yuǎn)?？販厮降穆浜?，已成為制約產(chǎn)品質(zhì)量的瓶頸。通過(guò)一年多的研究和應(yīng)用探索，積累了有益的經(jīng)驗(yàn)。

研究實(shí)踐表明，通過(guò)式中頻感應(yīng)加熱爐可以實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制。由于中頻加熱設(shè)備電器特性存在差異，用于不同型號(hào)、規(guī)格產(chǎn)品的生產(chǎn)，因尺寸、形狀不同，棒料直徑、長(zhǎng)度各異，要針對(duì)各種具體設(shè)備和產(chǎn)品的特性加以研究，采用不同針對(duì)性的控制模式和算法才能取得較好的控制效果。

閉環(huán)控制系統(tǒng)可以針對(duì)不同規(guī)格長(zhǎng)度和直徑的棒料通過(guò)快速試驗(yàn)獲得初始數(shù)據(jù)、自動(dòng)確定初始控制參數(shù)，保存到相應(yīng)的程序編號(hào)，供生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)調(diào)用，方便了不同型號(hào)彈條中頻加熱生產(chǎn)中的快速應(yīng)用。目前正在研究引入包含AI技術(shù)的智能學(xué)習(xí)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)彈條產(chǎn)品的自適應(yīng)，以進(jìn)一步完善其功能，提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。