基于PLC技术的步进式加热炉步进梁控制系统

基于PLC技术的步进式加热炉步进梁控制系统

1陈俊刚2刘成1吴士伟

（1北京澳柯清洁煤气工程技术有限公司北京102299；2江苏省冶金设计院有限公司江苏南京210019）

摘要：本文以作者编程调试的工程案例为背景，详细阐述了步进梁的运行原理和控制方法，解决了工艺上对坯料轻托、轻放的平稳要求，具备抬平、踏步以及步距补偿等辅助功能。通过调试和实验发现该控制系统程序运算处理方法正确，能够实现精度控制、自动调节等工艺要求，维护和运行操作简单可靠，步进梁运行平稳，动作周期满足装出钢节奏，实现了全/半自动生产。

关键词：PLC；步进梁；步距补偿；控制算法

1工艺概况

步进梁：位于炉步进炉内，由4～5根定梁和3～4根动梁和炉底机械构成步进梁系统，通过动梁的矩形周期运动，将钢坯从入炉口移动到出炉口，实现钢坯的输送。步进梁由液压驱动，共有升、降、进和退四个动作。正循环动作即为上升、前进、下降、后退四步顺序动作一次，为一个周期。动作一个周期，炉内钢坯被移动一次。从生产节奏看，步进梁动作一次，装、出料一支。

步进梁是步进炉的核心设备，国内投产的步进炉通常为18米至45米不等，越长的炉子对步进梁运行平稳、坯料跑偏、步距精度控制要求越高。

2控制系统构成

HMI：电气操作计算机，人机界面，由Wincc平台开发完成。PLC主机柜：电气自动化程序控制中心，控制模块CPU416-2DP+CP443网卡通讯，负责基础自动化程序及与轧机的通讯。ET200M配合作为分布I/站，扩展信号模块，简称PG1；AC1：电气主操作台，内含ET200M及信号模块及按钮、指示灯，分布在仪表室。AC3：加热炉液压站操作箱，内含ET200M配合信号模块及按钮、指示灯，分布在液压站房。

3控制功能及实现

3.1控制框图

PLC驱动比例阀的信号大小受位置信息影响，随着位置变化，实时调整给出的速度比值。

3.2位置信息标定

步进梁升降位移传感器随着液压缸的动作，输出线性4～20mA电流信号给PLC模拟量板卡。程序对经A/D转换后的数值做工程单位换算，标定垂直位置高度，工程上通常以定梁的上表面标定为0.0mm，生产工艺要求动梁上极限为高于定梁100mm，下位极限为低于定梁100mm，形成200mm落差。

根据工程经验，液压缸、传感器与步进梁的垂直高度值无法直接按仪表量程标定，所以试车时结合现场实测，PLC在线调试时，通过调整FC程序块的Isl，Ish，Osl，Osh四个变量设定值，得到精确的步进梁当前实时高度值。

3.3控制与步距补偿

步进梁的运行动作有四个，分别是上升、前进、下降、后退。见图：步进梁梁运动轨迹分解图。

首先是分解动作：观察步进梁的运动轨迹是分四步，但据实际的工程经验，我设计plc程序时将其划分为六步：前进，后退，因为不需要明显的顿点，所以单列为两步（图3-2所示：3为前进，6为后退）；上升，下降因为需要在动梁移动到与静梁水平位置相当时，工艺要求其速度缓慢，以便使整炉钢坯在离开或放置在静梁上时实现轻托，轻放。所以以静梁水平线为基准将其分别分成上升一步（1），上升二步（2）；下降一步（4），下降二步（5）。

其次是定义位置点位：程序设计时在每一步按顺序都定义出四个点，即启动点，加速点，减速点，停止点。如果步进梁停止时停止不平滑，也可通过设计增加减速点的办法进行解决。但增加加速或减速点的设计会对完成一步周期的时间有影响。（一般步距较大的步进炉会考虑使用此方法）

步距补偿：由于液压惯性及机械误差原因，步进梁每次动作会有步距的误差，设定步距260mm，实际可能会行走259mm。以26米长炉子为例，规定260mm步距，坯料需行走100步到达出料侧，若每步误差1mm，累计误差将达100mm，无法准确送到出料悬臂辊道上，这种累计误差是不允许的。因此需要对每一步的误差，在下一步微调目标值，补偿上一步的误差。以260mm基准步距装钢为例，下次步角度=基准步角度，为260mm，当装完一支料，启动步进梁“正循环”后，PLC程序在第一步停止点时捕捉平移油缸的位置，记录为HORZ_P1，在第四步停止点时，再次捕捉平移油缸的位置，记录为HORZ_P2，P2-P1，得到实际步距值。计算实际步距与下次步距的差值，得到实际误差值，延时500ms，将实际误差值+基准步角度放入下次步角度。这样，下次步角度更新了，可能是260.5或者259.4mm，该值作为下次动作的目标值。每正循环一次，下次步角度更新一次，补偿上一步的误差。实际工程中，利用步距补偿，再通过加速减速点的调整和速度匹配调试，单步误差控制在了0.5mm，补偿功能又消除累计误差，钢坯从入炉到出炉行走100步，钢坯准确放置到出钢辊道上，验证了这种控制方法效果相当好。

结语

利用PLC（可编程逻辑控制器）具备的灵活、可在线调整等特点，通过PLC技术（计时、计数）方法和手段可以测得机械工艺的实际现场参数或者安装误差，可以辅助担当调试工具和测试手段。论文所述控制方法通过PLC编程实现，已经在若干个项目现场得到实际工程的验证，应用效果非常好，得到业主和检修人员的一致好评。

参考文献：

[1]王秉铨.工业炉设计手册（第3版），ISBN：9787111295822，机械工业，2010.

[2]苏哲.深入浅出WinccV6[M].第2版.北京：北京航空航天大学出版社，2006.