关键词 步进梁加热炉 程序 动态补偿 编码器
1 前言
济钢第一小型轧钢厂2004年进行了全连轧改造，为满足年产80～100万吨棒材的要求，配备了一座加热能力为130t/h（热装170t/h）的步进梁式空、煤气双蓄热式、侧进侧出加热炉，因此如何提高步进梁式加热炉的出钢速度和出钢系统工作的稳定性一直是倍受关注的课题。
2 问题的提出
整个加热炉区的电控系统由一套S7-414CPU实现，原加热炉的出钢周期大约为40秒左右，小时出钢支数大约为100支，按钢坯单重1.7吨计算，每小时的产量为170吨。大大低于热装时的加热炉的加热能力，这个矛盾在试产初期时钢坯单重仅为0.8吨时显得更加突出。而且步进梁的工作十分不稳定，故障频发，更加制约了加热炉加热能力的释放。经分析其主要原因如下:
1、控制系统的逻辑连锁关系存在着重复，如：装出料的炉门每次出钢的过程中都要动作一次；只有在步进梁回到后下位才可以进钢；步进梁只有在定位推钢机回到后位时才可以启动等等，以上的不必要的逻辑连锁关系耗费了大量的时间。使加热炉的出钢周期大大加长。
2、步进梁由液压缸驱动，在使用中由于步进梁的动作曲线未考虑整个步进机械的惯性，经常出现步进梁前冲的现象，使钢坯在炉内的排列不均匀，在出钢时不得不手动调整步距也影响了加热炉的出钢节奏。
3、原来的步进梁动作的逻辑连锁程序存在着大量的逻辑死区，在实际应用中经常出项程序进入死循环，这时只有将PLC重新上电才可以继续工作，影响了加热炉出钢节奏。
3 控制策略与改进方案
1、出钢速度不高主要原因在于出钢动作的逻辑连锁太复杂和加热炉电控系统的不稳定。在保证整个炉区设备的安全运行的前提下，对动作的逻辑连锁关系进行优化，尽量的压缩出钢周期。主要有以下几个方面：
①取消原来的炉前定位档板，可以节约大约2秒的时间。利用炉前变频辊道的制动，使钢坯准确停在的炉前。
②进出料炉门由原来的每进一根钢坯各开关一次改为平时一直打开，同时利用变频辊道的制动防止钢坯冲撞步进梁。
③进钢指令提前发出，由原来的步进梁回到后下位启动进钢，提前到步进梁到达前上位就启动进钢。
④步进梁的提前启动，由原来的定位推钢机回到后位启动步进梁，提前到定位推钢机达到前位就启动步进梁。
改进后的电控系统逻辑连锁关系如图一：
2、增加步距补偿程序。当步进梁上升通过托钢点时自动记忆当前平移编码器的数值，然后根据步距计算出前位的平移编码器的数值。当步进梁达到前上位后下降的过程中，运用自适应的数字PID算法对步进梁的前位进行补偿修正，确保当步进梁下降到放钢点时本次前进的步距为给定的步距。
①补偿的主程序设计（见图二）
在主程序设计中，步距补偿仅仅在步进梁达到前上位后下降到放钢点的一段时间内起作用。而且为防止步进梁颤动设计了一个死区（5mm）
②补偿的数字PID算法框图如图三：
本程序在PLC的循环定时中断OB32（周期为200ms）中调用，程序记忆三个扫描周期内的位置偏差按照公式：
Un=Kp[E（n）×K1+E（N-1）×K2+E（n-2）×K3]
计算，其中K1，K2，K3为预先设定的系数，根据整个系统的大惯量的特性，分别设定为：0.8，0.1，0.05。
③自适应系数的确定方法：在主程序中设定了一个补偿停止条件，当步距偏差小于5mm时，停止步距补偿。同时对比例系数Kp进行修正，修正公式如下：
Kp+1=（Xp-Xm）×0.15+Kp
其中：Kp+1为下一次计算的数字PID增益,
Kp为本次计算的数字PID增益,
Xp为理论计算前位编码器值,
Xm为补偿结束后编码器的实际值。
3、对原来的步进梁程序进行优化，确保在逻辑上没有死区，主要有以下几个方面：
①增加手动回零程序，使步进梁程序进入逻辑死区后，可以手动回到原始点，同时对程序所有的状态重新初始化。
②在步进梁按照曲线减速到零后，而还没有达到预定位置后，通过程序自动重新给定一个速度推动步进梁动作。
③如果加上速度后在一定的时间内，仍然没有达到预定位置，通过程序进行判断，如果实际位置与预定位置的偏差小于10mm，则自动转入下一个动作，继续执行。
4、针对原来的加热炉前检测元件多而且没有容错处理的情况，通过对控制程序的优化，把两个激光物体检测器合为一个。而且在程序中进行了容错处理，确保了工作的可靠性。彻底消除了原来的钢坯炉内定位失败的情况。
4 结论及使用效果
此次加热炉电控系统的改进后，经过7个多月的运行，电控设备运行良好，出钢周期由原来的40秒左右提高到了29秒，提速效果十分显著，而且实现了零故障，满足了高节奏生产任务的需要,而且各项指标均达到了设计要求。
