步進式淬火爐與回火爐的自動控制

黃旭東

【摘 要】隨著當前社會經濟的快速進步，工業(yè)企業(yè)也得到了極大的發(fā)展，工業(yè)企業(yè)在發(fā)展中有效的加強科學技術的研究以及創(chuàng)新。在管加工熱處理生產線中，對于淬火爐與回火爐的應用非常普遍，本文僅就步進式淬火爐與回火爐的自動控制進行較為詳細地闡述和分析。

【關鍵詞】步進式；淬火爐；回火爐；自動控制

步進式淬火爐與回火爐的工藝功能

淬火爐和回火爐的生產工藝過程如下：

由上游生產線輸送來的成品無縫鋼管按預定的生產計劃送至爐前上料輥道上，經爐前上料輥道和爐內輥道配合將鋼管送入淬火爐（回火爐）內，鋼管在淬火爐（回火爐）內由步進梁從裝料端輸送到出料端，同時加熱到熱處理工藝要求的溫度。根據(jù)出鋼要求鋼管由出料輥道送出爐外進入下一道熱處理工序。

當成品無縫鋼管送至爐前上料輥道上，同時將鋼管的基本數(shù)據(jù)傳輸至淬火爐和回火爐的計算機系統(tǒng)，由自動化程序進行工藝過程的監(jiān)控和

跟蹤。

鋼管由爐內懸臂輥道側裝料和側出料。裝出料輥道為V型輥，張角130?，采用變頻調速電機單獨驅動，以便與爐外輥道速度相匹配。同時在兩座爐子的裝料端 （淬火爐與回火爐均為單側裝料）裝有檢測光電管，以保證入爐鋼管在爐內裝料輥道上準確定位。

入爐的鋼管在爐外一定距離處等待，當接到允許鋼管入爐信號后，爐外輥道及爐內裝料輥道啟動，待鋼管運行到指定位置后裝料輥道停止

轉動。

進入爐內的鋼管在裝料輥道上定位后，隨即被步進梁（包括活動梁和固定梁）支托，并通過活動梁上升—前進—下降—后退的周期運動從裝料端向出料端移送。步進梁的形狀是弧形齒槽，不但適合于鋼管的等間距布置，而且鋼管在每前進一步的過程中，都能轉動一個角度。即活動梁將鋼管托起、前進，放到固定梁上，完成一個步距的前進；同時利用活動梁的前進步距（180mm）小于固定梁的齒距（220mm），使鋼管每前進一步都能在固定梁上轉動一個角度。如此，鋼管在前進的同時被逐漸加熱，不僅使鋼管的加熱溫度更加均勻，同時還可以避免鋼管在爐內的彎曲變形。

待鋼管被加熱到指定溫度并被保溫至預定的時間后，由活動梁送至出料懸臂輥道上，由出料輥道送往下一道處理工序。

步進爐的爐區(qū)設備有：裝料爐門、爐內裝料輥道、步進機械、爐內出料輥道、出料爐門以及液壓站、風機等介質系統(tǒng)。爐區(qū)設備的控制包括以上各單體設備的控制設定及所有上述設備的順序聯(lián)鎖控制?？刂品绞綖椋菏謩樱胱詣雍妥詣涌刂?。

手動控制：當操作人員就地發(fā)出一個動作指令時，各單體設備能完成一個單獨動作，或相互配合各設備按照聯(lián)鎖關系相應動作，或調試時某一設備發(fā)出信號，其它設備停止運轉（安全措施）；

半自動控制：當操作人員給出一個單循環(huán)操作信號，爐區(qū)各設備按聯(lián)鎖關系相互配合自動完成一個單循環(huán)動作；

自動控制：爐區(qū)各設備按聯(lián)鎖關系自動進行循環(huán)控制。

步進式淬火爐與回火爐的自動控制

（一）控制系統(tǒng)介紹

（1）淬火爐的控制系統(tǒng)構成

淬火爐的控制系統(tǒng)由以下幾部分構成：淬火爐主操作臺、HMI淬火爐操作員畫面、機旁操作箱、PLC系統(tǒng)。

（2）回火爐的控制系統(tǒng)構成

回火爐的控制系統(tǒng)主要有以下幾部分構成：回火爐主操作臺、HMI回火爐操作員畫面（為操作方便，與淬火爐畫面同時顯示在一個界面）、機旁操作箱、PLC系統(tǒng)。

本項目采用西門子S7-300系列PLC系統(tǒng)，HMI畫面采用WINCC 7.0。

（二）HMI操作畫面

圖1 主畫面舉例

圖2 跟蹤畫面舉例

圖3 報警畫面舉例

（三）功能簡述：

主畫面：主畫面可以顯示淬火爐和回火爐中主要設備的運行狀況，相關數(shù)據(jù)的輸入和控制方式的選擇。主要包括：

（1）裝出料爐門手動、自動控制方式的選擇；

（2）裝出料輥道手動、自動控制方式的選擇，輥道運行速度的設定與顯示；

（3）步進梁周期運行時間特別是拐點等待時間的預設與顯示；

（4）鋼管爐內定位方式的選擇；

（5）選擇手動輸入鋼管信息或從二級系統(tǒng)獲取鋼管信息；

（6）選擇是否進行隔齒布料；

（7）在液壓站畫面中可以監(jiān)視液壓站內相關設備的運行情況，以及液壓系統(tǒng)油箱溫度、壓力、液位等信息。

跟蹤畫面：在跟蹤畫面中可以監(jiān)視鋼管在爐內的運行位置信息及鋼管信息，可以手動干預爐內各個位置有鋼無鋼信息；可以在簽到表中實現(xiàn)各班簽到及相關工作量的統(tǒng)計。

報警記錄畫面：在報警記錄中可以監(jiān)視淬火爐及回火爐控制系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的所有故障，以及出現(xiàn)故障的時間等信息，并可對上述故障進行確認。

（四）爐區(qū)設備的自動控制和設定

1、鋼管入爐定位

為了使鋼管在上步進梁時不會橫向跑偏，必須使鋼管在爐內裝料輥道上準確定位。本套系統(tǒng)可以根據(jù)實際情況（如不同長度的鋼管坯料）選擇定位方式，同時可以選用編碼器定位或光電定位。由于采用編碼器定位難以克服入爐輥道打滑、鋼管輕度彎曲造成輥道空轉等弊端，步進式加熱爐普遍優(yōu)先采用爐內和爐外光電管配合的方式進行裝料定位。

當鋼管的頭部被爐外光電管檢測后，爐內輥道速度高速轉動，當鋼管的頭部被爐內光電管檢測后，經過△t時間后，爐內輥道減速，低速運轉的爐內輥道在料坯運行一段距離S后制動，從而料坯按布料圖在爐內裝料輥道上準確定位?！鱰理論計算公式：

△ t=（A-S）/V

公式中：A—鋼管在爐內定位后，鋼管端頭至爐內光電管的距離（m），為固定值；

S—低速運行和制動的距離（S初定為500mm）；

V—高速運行速度m/s；

在調試中以此為依據(jù)，可以通過實測來校核調整。

2、步進梁控制

步進梁可以通過集中操作臺和就地操作箱分別實現(xiàn)集中和機旁手動控制。

1）當選擇集中控制方式且步進梁控制方式選擇“手動控制”時，可以在集中操作臺或機旁操作箱上手動控制步進梁的分解動作，及上升、下降、前進、后退。

2）當選擇集中控制方式且步進梁控制方式選擇“自動方式1”時，可以在集中操作臺實現(xiàn)步進梁的正循環(huán)、逆循環(huán)的連續(xù)控制，步進梁踏步和中間保持操作。

正循環(huán)：步進梁的運動軌跡為0→1→2→3→0，即上升、前進、下降、后退，將鋼管從裝料端輸送到出料端。如圖4

圖4 圖5

逆循環(huán)：步進梁的運動軌跡為0→3→2→1→0，即前進、上升、后退、下降，將鋼管從出料端向裝料端運行，倒空爐子，此時為手動半自動控制。如圖5

踏步：活動梁作上升、下降運動，40mm行程的前進、后退運動稱為踏步。當管加工線停機時間不超過20分鐘，遠大于出鋼周期時，為了保證鋼管與活動梁和固定梁接觸時間盡可能相等，不至于溫度過高而導致鋼管發(fā)生形變，活動梁進行踏步動作：活動梁相對固定梁上表面上升100mm，前進40mm，下降100mm，后退40mm，此時鋼管在原齒槽內轉動一個角度，系統(tǒng)中每次踏步周期時間設置為4分鐘。

中間位置保持：當管加工線停機時間超過20分鐘，爐子長時間不出鋼時，為了防止鋼管下彎，要求活動梁上表面與固定梁上表面停在一個標高處，即：活動梁與固定梁同時支撐鋼管，叫中間位置保持，開軋前20分鐘再轉入踏步控制。

3）當選擇集中控制方式且步進梁控制方式選擇“自動方式2”時，可以在集中操作臺實現(xiàn)步進梁的連續(xù)自動裝料、自動出料和自動裝出料整周期運動的控制，自動狀態(tài)下可以根據(jù)實際需要在畫面中選擇隔尺或不隔尺操作（如圖6所示）。

（六）步進梁全自動控制方式

1、全自動裝料周期

當選擇全自動裝料時，系統(tǒng)檢測到爐外有鋼且裝料輥道上沒有鋼，則自動執(zhí)行步進梁停在后下位，裝料爐門升起，鋼管由爐外進入爐內。系統(tǒng)判斷裝料輥道有鋼則步進梁自動執(zhí)行一次“正循環(huán)”，若選擇隔尺操作則步進梁連續(xù)運行兩次“正循環(huán)”，并以此類推。當跟蹤表倒數(shù)第2位即和出料輥道相鄰的槽有鋼且無出鋼要求時系統(tǒng)自動停止自動裝料動作，如有出鋼要求則步進梁再向出料方向行走一步，執(zhí)行出鋼動作。全自動裝料周期的原則是，“若要出料一支，則必須裝料一支”，以避免空爐。若無出鋼要求，則裝料至滿爐為止。

圖6

2、全自動出料周期

全自動出料周期的原則是“只出料不裝料”，即當選擇全自動出料周期時，不執(zhí)行裝鋼動作，只執(zhí)行出鋼動作，用于執(zhí)行清空爐子的操作。若跟蹤表中出料輥道無鋼，則步進梁執(zhí)行“正循環(huán)”，出料輥道有鋼則步進梁自動停止“正循環(huán)”。出料輥道接到要鋼信號后執(zhí)行一次出料動作，出料輥道再次無鋼則步進梁繼續(xù)執(zhí)行“正循環(huán)”。如此循環(huán)直至將爐內鋼管全部出爐，通過操作臺手動停止出料周期動作。

當要求爐子的出鋼周期比步進周期略長時，把多出的時間作為“等待”分配到步進梁軌跡的拐點0、1、2、3的位置上，使活動梁動作狀態(tài)的時間加等待時間之和與出鋼周期要求的時間相等。步進周期時間需要在畫面中進行人為設定，而步進梁實際運行時間由系統(tǒng)自動算出并顯示在畫面中。

結語

對于步進式淬火爐與回火爐的自動控制的應用，在一定程度上能夠提高企業(yè)的經濟效益，同時可促進企業(yè)的快速發(fā)展，提升產成品質量。

參考文獻：

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