高强钢筋热处理生产线自动控制系统

高强钢筋热处理生产线自动控制系统
范玫光;杨聚星;林双平;邓少奎;陈巧飞;孙本荣
【摘要】高强钢筋热处理生产线自动控制系统由PLC、HMI、交流变频传动及通讯网络组成,实现了温度闭环、微张力、淬火喷淋控制等功能,满足工艺要求,系统运行可靠稳定.
【期刊名称】《热处理技术与装备》
【年(卷),期】2011(032)004
【总页数】3页(P55-56,58)
【关键词】高强钢筋;热处理生产线;自动控制
【作者】范玫光;杨聚星;林双平;邓少奎;陈巧飞;孙本荣
【作者单位】中国钢研新冶轧钢部,北京100081;中国钢研新冶轧钢部,北京100081;中国钢研新冶轧钢部,北京100081;中国钢研新冶轧钢部,北京100081;中国钢研新冶轧钢部,北京100081;中国钢研新冶轧钢部,北京100081
【正文语种】中文
【中图分类】TG155.92
高强钢筋具有高强度，能够抵御建筑物在外力下发生变形的能力大;具有高塑性，在外力迫使建筑物发生变形时，钢筋不断，建筑物不塌，人们有逃生的时间;具有很高的冲击吸收功，增大对强风、地震等对建筑物突发的破坏能量的吸收能力。

同时，高强钢筋可大量节省钢材，在原材料生产、加工、交通运输、电力供应等环节
节约大量资源和能源，并有利于保护生态与自然环境。

采用添加合金元素的方法提高钢筋强度需耗费大量的 Nb、V、Ti甚至是 Cr、Mo 合金，资源消耗大，成本高。

而热处理方法只需采用低合金钢，通过控制相变激发材料的潜能。

同时，在高强钢筋热处理生产过程中，无废弃物排放，具有广阔的市场前景，可以应用于各个行业。

本文旨在通过对高强钢筋热处理生产线的自动控制系统进行分析与研究，研究结果可为高强钢筋热处理生产线的自动控制系统提供必要的试验依据。

1 工艺流程
生产线由放线机，矫直机，牵引机，淬火感应加热炉，红外测温仪，喷淋冷却器，吹干装置，回火感应加热炉，保温炉，张紧机，飞剪，下料辊道和冷床组成，工艺布置见图1。

热轧盘条经放线后先矫直，再通过感应加热炉和喷淋冷却器进行连续调质热处理，淬火介质采用水淬，然后按照成品尺寸定尺剪切，最后送入冷床冷却。

整条生产线采用PLC控制，温度闭环调节，在牵引机和张紧机之间形成微张力，
保证全线高速、稳定化生产。

图1 工艺流程Fig．1 Process flow
2 系统组成
2．1 基础自动化系统
PLC 选用 Siemens S7-400 系列产品［1］，配以WinCC监控软件，设ET200
远程I/O站，最大限度地降低现场电缆的用量，减少设备投资，方便维护。

2．2 通讯网络
第一层由工业以太网构成，实现HMI(人机接口)与PLC之间的信息交换。

通过以
太网把热处理工艺参数设定值和对电气设备的操作从HMI传送到PLC，把各设备的状态和工艺、电气参数由PLC收集送到HMI显示。

工业以太网传输速率为10 Mbit/s，适用于大量数据的传输和长距离通讯，传输介质可以是同轴电缆、双绞
线、光纤和无线通讯，具有低成本、高时效、高安全及高扩展性。

工业以太网作为工业标准，已经广泛应用于控制网络的最高层。

第二层网络由PROFIBUS-DP构成，实现PLC与远程站I/O站ET-200和各传动
装置之间的数据通讯［2］。

PLC把设定参数和控制指令传送到ET-200和各传动
装置，并收集ET-200和各传动装置的状态和电气参数。

PROFIBUS-DP是一种国际性的开放式现场总线标准，也是当前最成功的现场总线之一，主要用于过程控制和制造业的分布式控制，其数据传输率和网络规模可以按使用场合不同而进行调整改变。

控制系统配置及网络构成见图2。

图2 系统网络Fig．2 Systems network
2．3 传动控制系统
变频调速控制方式分为U/f控制、矢量控制和伺服控制等，具体采用哪种控制方式，需要根据传动对象的负载特点和工艺要求来确定。

对于牵引机和张紧机，工艺要求起动停止迅速，运行平稳，对调速精度和转矩控制都有较高要求。

矢量控制是异步电动机的一种理想控制方式，它具有许多优点。

例如，可以从零转速开始进行速度控制，调速范围大;可以对转矩进行精确控制;系统响应速度快;加减速特性好等。

因此确定采用带编码器的矢量控制方式调速，速度为闭环调节。

对于输送辊道，工艺要求每根辊子由单独的电动机拖动，辊道能够正反转，额定转速以下调速，对辊道的调速精度和快速响应没有特别要求，综合以上因素，确定采用适合于多电动机传动、速度为开环调节的U/f控制方式。

3 控制系统主要功能
3．1 温度闭环
淬火温度和回火温度是热处理过程中最重要的两个参数，温度控制的准确性、稳定性是保证产品质量的核心。

由于采用了感应加热技术，加热能量的实时可控性和能量控制的精确性等特点为生产线加热温度控制提供了可靠保障。

红外测温仪测得的
温度信号送入自动控制系统，PLC根据红外测温仪反馈的实际温度与工艺设定温度值进行比较，得到偏差，对此偏差按PID算法进行修正，调节感应加热炉的输出功率，从而实现对钢棒的温度闭环控制。

3．2 微张力
张紧机控制中最重要的环节就是张力控制，张力控制的效果直接关系到成品质量。

张力控制的目的在于保证热处理区钢筋张力恒定在设定值，从而保证成品钢筋的平直度与力学性能。

在不能直接检测张力的情况下，为了准确控制热处理区张力，必须准确控制张紧机电机的转矩。

由速度控制转为张力控制时张紧机速度给定附加一个饱和设定值，使其大于实际速度，此时速度调节器的输出饱和。

张力给定值乘以张力轮半径再加上动态补偿、空载补偿、摩擦力矩补偿和弯曲力矩补偿即转矩给定，作为卷取机的转矩/电流限幅。

由于速度调节器的输出达到饱和限幅值，控制转矩限幅就可控制电机的转矩，保证张力恒定。

3．3 淬火喷淋控制
钢筋淬火冷却的温度和冷却速度是影响产品组织性能的关键因素，所以淬火喷水控制是实现高精度淬火的保障。

为了实现对所有品种产品的淬火冷却进行自动精确控制，避免人为因素对产品质量的影响，系统针对不同规格和工艺要求建立了专家数据库。

当生产不同规格产品时，系统根据工艺设定条件自动调用淬火冷却专家数据库中的经验值，设定各组喷嘴的流量和压力。

3．4 HMI主要功能
人机界面监控系统使用工控机，监控软件采用西门子的WinCC，主要功能包括以下几个方面:
(1)热处理工艺表的存贮、修改、打印及管理;(2)生产报表的生成、存贮、显示和打印;(3)冷却程序的生成、修改及管理;(4)工艺参数的预设定及修改(包括:产品规格设
定、速度设定、感应炉功率设定、微张力控制张力系数设定、定尺剪切长度设定);(5)热处理过程状态监视;(6)电气设备的操作;(7)历史记录的查询与历史趋势曲线的查看;(8)故障报警画面显示与信息查询。

生产线的主要操作都集成在HMI画面中控制。

4 结语
本系统已经成功应用于国内某高强钢筋生产示范基地，实现了成盘放线，生产定尺长高强钢筋生产线的自动控制。

连续试生产一年以来，系统运行可靠、稳定，满足了不同工艺和生产的要求。

工程实践证明，这条热处理生产线的自动控制系统设计合理、运行稳定，控制精度高，为高强高性能钢筋的工业化生产创造了有利条件。

参考文献
［1］边春元，任双燕，满永奎．S7-300/400 PLC应用开发指南．北京:机械工业出版社，2007．
［2］崔坚，李佳．西门子工业网络通信指南．北京:机械工业出版社，2006．。