彈條坯料中頻感應(yīng)加熱閉環(huán)控制系統(tǒng)的改進

■ 張磊，寧曉紅

1. 概述

鐵路扣件系統(tǒng)中的彈條是固定鋼軌的核心零部件，其采用60Si2Mn彈簧鋼棒料進行中頻感應(yīng)加熱后熱壓成形，成形后必須進行淬火和回火處理，以使其具有良好的彈性和疲勞性能，產(chǎn)品對熱處理后的組織和晶粒度要求嚴格。彈條產(chǎn)品通用工藝為：下料→中頻感應(yīng)透熱→熱壓成形→熱處理→表面防腐處理→檢驗、包裝。彈條產(chǎn)品如圖1所示，常見的應(yīng)用形式如圖2所示。

圖 1

在生產(chǎn)中對彈條坯料加熱過程中的溫度控制是保證其力學性能和熱處理質(zhì)量的重要參數(shù)?，F(xiàn)有的彈條生產(chǎn)中，不同直徑規(guī)格的坯料通過中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)將其加熱至950～1050℃，中頻感應(yīng)加熱設(shè)備通過現(xiàn)有的閉環(huán)控制系統(tǒng)只能確保其在某一功率下穩(wěn)定運行，系統(tǒng)自身不能根據(jù)溫度變化自動進行功率調(diào)整，對溫度控制實際上處于開環(huán)狀態(tài)。在缺料或者卡料狀態(tài)下，因中頻感應(yīng)加熱控制系統(tǒng)自身不能對該狀態(tài)進行自動降低功率的調(diào)整控制，操作者如不能及時發(fā)現(xiàn)并對中頻感應(yīng)加熱控制系統(tǒng)進行人工干預(yù)，中頻將保持在原功率下運行，中頻感應(yīng)加熱爐膛內(nèi)的坯料會因加熱時間延長造成超溫過燒現(xiàn)象，嚴重時會燒融坯料，造成中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)硬件損壞。為此，必須對現(xiàn)有的中頻閉環(huán)控制系統(tǒng)進行改進，以滿足以下要求：

（1）通過設(shè)定加熱溫度，系統(tǒng)自動進行功率調(diào)整，確保在最短的時間內(nèi)工件自動達到成形所需的溫度。

（2）當外界因素影響導(dǎo)致加熱坯料溫度有起伏波動或機械故障發(fā)生卡料、缺料時，系統(tǒng)應(yīng)能及時降低加熱功率，并提示操作者有充分的時間對中頻感應(yīng)加熱送料系統(tǒng)進行處置。

圖 2

（3）針對不同料長的固定產(chǎn)品，加熱特性參數(shù)經(jīng)現(xiàn)場測定后，系統(tǒng)可以存儲下來，并設(shè)置對應(yīng)的狀態(tài)號，下次再啟動中頻感應(yīng)設(shè)備時，省去了調(diào)整的過程，可以實現(xiàn)操作的智能化。

2. 閉環(huán)控制改進原理

中頻感應(yīng)加熱溫度閉環(huán)控制擬采用智能化的閉環(huán)控制電路系統(tǒng)取代原系統(tǒng)的人工調(diào)節(jié)中頻功率模式，并配置缺料、卡料檢測、處理功能。其原理如圖3所示。

在初始加熱時，溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)會迅速將中頻升至系統(tǒng)設(shè)定的功率，然后通過逐步提升送料機進料速度，適當延長工件在加熱管內(nèi)的透熱時間，確保工件在出爐時一次性達到所設(shè)定的溫度，以解決不能滿足生產(chǎn)要求的加熱料過多的問題。進料速度的選擇是本方案中的關(guān)鍵，系統(tǒng)在大量現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上確定了每一種規(guī)格的彈條坯料從進料口至出爐口，速度達到設(shè)定速度和加熱溫度達到設(shè)定值的時間，并將相關(guān)參數(shù)儲存在CPU中，每次啟動時，CPU調(diào)用相關(guān)參數(shù)，在進料速度逐步上升的同時又確保了出爐工件達到設(shè)定的溫度要求，有效避免了工件的過燒和欠燒現(xiàn)象，保證中頻啟動運行后初始加熱坯料溫度的合格。

根據(jù)設(shè)定的工件加熱溫度、進料速度等參數(shù)，通過測溫儀測定中頻感應(yīng)加熱出料口的工件加熱溫度，并將溫度信號轉(zhuǎn)化為電流輸出信號，再按照PID數(shù)學模型，建立溫度反饋閉環(huán)控制，并將PID控制輸出電流信號分別控制中頻功率變送器的輸入端及進料電動機變頻器的電流控制端，達到控制工件加熱溫度的目的。

3. 具體改進方案

具體做法是：CPU根據(jù)料端采樣信號，用PLC內(nèi)部定時器來檢測計算工件移動速度，輸入信號直接是數(shù)字量，此數(shù)字量根據(jù)紅外檢測溫度信號，分段進行運算修正補償，基本原則是溫度偏高時，此數(shù)值正向修正，溫度偏低時，此數(shù)值反向修正（減小工件移動速度），溫度越靠近標準值時，修正系數(shù)越小。當溫度接近或等于設(shè)置值時，修正系數(shù)等于1（等于設(shè)置送料速度）。速度修正后的數(shù)值通過一路D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號送到控制送料電動機的變頻器，控制工件移動速度?？刂乒ぜ苿铀俣葋砜刂乒ぜ訜釡囟鹊墓δ苤饕窃诠ぜ隹跍囟扰c設(shè)定溫度誤差較大（>5%）的情況下使用。

圖3 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理

工件感應(yīng)加熱溫度的精確控制主要是靠 PID閉環(huán)控制實現(xiàn)的。具體電路框圖如圖4所示。

本系統(tǒng)設(shè)置了電動機、進料輸送鏈條、進料機出料端口、工件間隔4個狀態(tài)監(jiān)測，可有效檢測出送料電動機轉(zhuǎn)動故障，以及坯料進料過程中的缺料、卡料故障。正常情況下，系統(tǒng)以檢測到的料端信號為一個定時起點，在系統(tǒng)設(shè)定的時間內(nèi)，如鏈條不動，則判斷出系統(tǒng)處于卡料狀態(tài)，間隔處無料，則判斷出處于缺料狀態(tài)，系統(tǒng)會根據(jù)相應(yīng)的狀態(tài)檢測信號進行邏輯運算，并根據(jù)運算結(jié)果發(fā)出不同的控制信號，以控制中頻感應(yīng)加熱過程。

當生產(chǎn)過程出現(xiàn)缺料時，通過接近開關(guān)檢測到的開關(guān)信號，系統(tǒng)會發(fā)出報警，提示操作者，同時系統(tǒng)會自動降低中頻的功率給定電流信號或進料電動機變頻器控制電流信號，避免爐內(nèi)工件因滯留時間過長造成的過燒現(xiàn)象發(fā)生，保證出料溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)。待缺料信號消失后，系統(tǒng)再恢復(fù)到正常加熱過程。

當生產(chǎn)過程中出現(xiàn)卡料現(xiàn)象時，位于進料口的接近開關(guān)會發(fā)出相應(yīng)的報警信號，傳遞給控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)同樣也會自動降低中頻給定電流和進料電動機變頻器控制電流信號，有效防止工件過燒問題，并保護中頻感應(yīng)加熱設(shè)備。

4. 實施效果

改進后的閉環(huán)控制系統(tǒng)與目前的系統(tǒng)相比，收到了以下良好的效果：

圖4 改進的閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件框圖

（1）在初始加熱過程中，將不符合成形溫度要求的加熱坯料數(shù)量由10根左右降低為1~2根，提高了材料的利用率。

（2）在由于外界因素干擾造成溫度波動的情況下，可以通過設(shè)定好的加熱溫度值由系統(tǒng)自動進行調(diào)整控制，避免了以前需要人工觀察、人為調(diào)節(jié)功率大小的困難，杜絕了經(jīng)常因觀察不及時或注意力不集中造成的設(shè)備和質(zhì)量事故。

（3）當發(fā)生缺料或卡料情況時，系統(tǒng)可以自動進行處置并發(fā)出報警信號，避免了以前易出現(xiàn)的工件過燒或設(shè)備損壞現(xiàn)象。

（4）系統(tǒng)直接在觸摸屏上設(shè)定加熱溫度、送料速度等參數(shù)并可進行微調(diào)，同時具有記憶和儲存功能，多種坯料的加熱特性參數(shù)一次性調(diào)整完畢后可保存，以后使用時調(diào)用即可，提高了生產(chǎn)效率。

5. 結(jié)語

改進后的中頻感應(yīng)加熱閉環(huán)控制系統(tǒng)提高了生產(chǎn)效率，降低了設(shè)備故障率，實現(xiàn)了彈條坯料加熱溫度的閉環(huán)自動控制，閉環(huán)控制系統(tǒng)與中頻感應(yīng)加熱設(shè)備之間的電源、數(shù)字信號、模擬信號均加以完全的電氣隔離裝置，設(shè)備之間的連接，采用一鍵切入和退出，運行可靠，自動化程度高，是提高彈條坯料感應(yīng)加熱質(zhì)量的可靠保障。