CN102021313A - 提高跟踪系统控制精度保证中厚板淬火性能稳定性的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高跟踪系统控制精度保证中厚板淬火性能稳定性的方法，属于钢铁热处理技术领域。在炉内增加4组光栅，并缩小光栅修正范围，提高特厚板在炉跟踪控制精度，保证加热效果，同时保证淬火时跟踪钢板头尾位置的偏差控制在淬火机各区阀门控制允许的范围之内，针对速度≤10m/min低辊速淬火，调整炉内辊道与淬火机辊道速度同步的触发点，使钢板距离淬火机喷水管近时开始同步，减少钢板温降。优点在于，解决了特厚板影像与实物偏离过大导致的加热控制下头尾温差大以及薄钢板采用低辊速淬火时入水前产生温降而引起的淬火后强度不稳定问题。

Description

提高跟踪系统控制精度保证中厚板淬火性能稳定性的方法

技术领域

本发明属于钢铁热处理技术领域，特别是提供了一种提高跟踪系统控制精度保证中厚板淬火性能稳定性的方法，适用于使用无氧化辊底式炉及淬火机进行中厚板淬火生产领域。

背景技术

目前，国内中厚板厂普遍采用无氧化辊底式炉及炉后的淬火机进行离线淬火处理，淬火时钢板入水前的实际温度、淬火喷水时间及水量是保证钢板各部性能稳定的前提，但是在特厚板及低辊速淬火实际生产过程中，常出现当前钢板头尾性能不稳定现象。

据分析，目前公知的辊压式淬火机都是采用集管式，分高、低压两部分，又细分为20个能够单独控制流量的小控制区，通常高压区占14个，低压区占6个(沿淬火机长度方向上下布置，各3个)。当钢板入炉前放置在炉前辊道固定的位置时，对应建立钢板影像，影像位置由程序按炉辊电机转动方向及转动速度进行累计计算获得，每根炉内辊都是单独的变频器控制单独的电机传动的，被一个钢板影像占用的辊道，运动方向一致。实物钢板到达光栅时，光栅被触发进行钢板影像头、尾位置的修正，程序自动按影像位置控制炉门的开启、在炉内各加热区内各个烧嘴的点燃关闭以及淬火机各部流量控制区阀门的开闭。

由于钢板入炉后无法观测实物，影像与实物是否完全吻合也无法观测，对于特厚板，在炉加热时间长、在炉内摆动运行，速度较慢(摆动速度2-3m/min，平均速度0.2-0.7m/min)，升温也较慢，冷钢板与炉底辊之间易打滑，或个别炉辊暂时发生停转，都会造成影像与实物偏离，实物滞后于影像，同时，钢板入炉前长度通常留有一定的正差(200～300mm)，通常情况下，影像与实物偏离可通过炉内的光栅进行钢板位置的修正，但当偏差超过光栅调节范围(0.8-1.2m)时就无法修正了，同时由于炉内光栅布置间距较大，通常为15-20米，实际钢板通常会在被光栅修正之前与影像脱离很远(1～2m)，而PLC控制系统根据在炉各个钢板影像位置控制对应的辊道进行正反转时，就会发生辊道分组控制的冲突，导致炉内辊道得到正转控制信号，而被实际钢板带动反转，反馈信号与控制信号不一致，炉内辊报警停转的问题，由于炉内烧嘴控制采用跟踪钢板头尾位置，优先点燃被钢板占用的烧嘴这样的控制方法，这种时间长、距离长的实物和影像脱离，必然会导致钢板在热处理炉内的加热达不到预期效果，钢板在炉加热时就会出现头尾温差大的情况。而钢板出热处理炉进入淬火机后，跟踪系统按影像位置控制高底压区阀门开/闭时间，由于跟踪误差，会造成钢钢板尾部未出淬火机而高压区提前关闭，这样会造成钢板尾部冷却不足，严重时尾部比头部强度低30-50Mpa。

影响淬火性能的另一个问题就是，对于大线能量焊接及低焊接裂纹敏感性钢，为了保证焊接性能，要求较低的碳当量，为了获得淬火后性能，即使钢板薄也要很低的淬火机辊速，如厚度30mm钢板采用1.5m/min淬火机辊速，钢板进入淬火机时钢板尾部温度要下降约30℃左右，造成这种现象主要是因为薄钢板在炉内运行速度较快，但当钢板到温运行至炉尾时，触发炉尾的光栅，这时程序会调整辊道速度，使之与淬火机辊速同步，但是，钢板距离淬火机第一道喷水管还有一段距离，所以薄板采用低辊速淬火时，尾部强度常常会略低于头部。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高跟踪系统控制精度保证中厚板淬火性能稳定性的方法，解决了特厚板(100mm以上)影像与实物偏离过大导致的加热控制下头尾温差大以及薄钢板采用低辊速淬火时入水前产生温降而引起的淬火后强度不稳定问题。

本发明的主要创新点是在炉内增加4组光栅(一组光栅由一个光栅发射端和一个光栅接收端组成，实现对炉内钢板的检测)，并缩小光栅修正范围，提高特厚板在炉跟踪控制精度，保证加热效果，同时保证淬火时跟踪钢板头尾位置的偏差控制在淬火机各区阀门控制允许的范围之内，针对速度≤10m/min低辊速淬火，调整炉内辊道与淬火机辊道速度同步的触发点，使钢板距离淬火机喷水管近时开始同步，减少钢板温降。

本发明基于S7-400PLC构建的自动化网络，该网络以S7-400的中央处理器模块为网络主站，以现场ET200模块、辊道变频器、烧嘴控制器为网络子站，通过profibus工业现场总线及其协议实现互联，将现场设备、传感器的状态读入中央处理器，经过中央处理器内部的程序逻辑控制，输出控制信号，控制现场执行器执行自动控制动作。技术方案如下：

1、修改plc程序：

(1)在炉内增加4组光栅，将增加的4组光栅的信号，引入plc程序中FC1002“photocell treatment”功能块，在程序中判断光栅信号的状态，光栅触发信号PC[X]_in、光栅强制信号PC[X]_op_sel_free、光栅故障信号PC[X]_fault，X对应17组光栅(光栅的对应序号为1、2、3，…，16、17，其中1-13为原有的13组光栅，14-17为新增的4组光栅)；本发明中所有的17组光栅均为对射式光栅，一组光栅由一个光栅发射端和一个光栅接收端组成，当光栅被遮挡时，实现对炉内钢板的检测；

(2)在FC411“correct_plate_pos”功能块中，启用后增加的4组光栅修正钢板位置的功能，在FC411功能块中，plc程序用循环语句循环扫描所有在线钢板的头尾位置绝对值，判断所有这些头尾位置值与1～17组光栅里哪一组的距离最接近，并在光栅被触发时对钢板进行位置修正，限定修正范围为1m，偏差超过该范围不进行钢板位置修正；

在FC1000“fix data”功能块中，将后增加的4组光栅的现场实测的绝对位置值编写进程序中；热处理炉上料辊道、炉内辊道、淬火机辊道、下料辊道，炉本体各个烧嘴的位置、全部17组光栅的位置，通过实际测量，均定义为沿X轴的绝对数值(单位是m)，譬如，其中PC1(上料辊道前布置的第一组光栅)的值为定义为0.0，上料辊道第一根辊道的值0.975，炉内辊第一根辊道的值实测为40.770，淬火机辊道第一根辊道的值实测为98.940，下料辊道第一根辊道值实测为124.120，下料辊道最后一根辊道值实测为147.055。钢板在炉时，钢板的头、尾位置也定义为绝对数值，头部位置数值减去钢板长度即为尾部位置数值，钢板的头、尾位置数值在由跟踪PLC程序中FC1007“plate loop”功能块实时、动态的计算得出，所有辊道均为独立变频器单独传动，并配有编码器，程序的计算依据是，以安装在生产线上的17组对射式光栅(本项发明中增加4组光栅后，总数由13组光栅变为17组光栅)及所有辊道绝对坐标值为基础，判断钢板占用辊道的最后3根辊子(钢板影像长度覆盖的辊道定义为钢板占用的辊道；靠近钢板头部的3根辊道，在钢板前进时定义为最后3根辊道；靠近钢板尾部的3根辊道，在钢板后退时定义为最后三根辊道)，取这三根辊子的速度取平均，以20～100ms(此单位为变频器通讯速率，需要与变频器中设置一致)为最小时间单位进行运动距离的累加，并将此距离赋给钢板，得到头部位置，尾部位置为头部位置减去钢板实际长度(实际长度在上料测长过程中测出)得到，头尾位置在plc计算过程中产生的累积偏差(钢板惯性、打滑、个别辊道停转等)，由位置固定的光栅进行修正，光栅信号上升沿或者下降沿触发时，修正钢板头部或者尾部位置为光栅所在位置的绝对坐标值。

(3)增加淬火钢板出炉速度同步触发点的逻辑判断

基于以上钢板在炉跟踪控制原理，修改plc程序，在FC1007“plate loop”功能块中增加逻辑判断，使钢板在炉加热结束，出炉准备淬火时，当钢板头部与淬火机入口光栅PC11距离为1.5m～1.8m时，进行炉内辊道和淬火机辊道的速度同步，钢板运输速度降低到淬火机设定速度(根据工艺设定低于10m/min时)，当钢板头部触发pc11时，进行钢板头部位置修正，以消除由于钢板突然减速产生的惯性以及辊道电机变频器反馈给plc的实际速度在减速斜坡时间内进行累积计算时产生的积累偏差。

2、修改热处理炉跟踪主操作界面

增加显示新增的4组光栅，对应其安装位置，实时显示信号状态(空闲、触发、强制、报警)，点击每个光栅标志，都会在弹出的对话框内附带着时间距离最近的一块被该光栅修正的钢板的板号信息及实际被修正的偏差数值。

附图说明

图1为对射光栅安装示意图，光栅发射端1、带石英玻璃挡片的钢制埋件2、热处理炉炉墙3、钢板4、炉内辊5、光栅接收端6。

图2为光栅平面布置示意图，上料辊道7、热处理炉8、淬火机9、下料辊道10、原有的6号光栅11、新增的14号光栅12、新增的15号光栅13、原有的7号光栅14、新增的16号光栅15、原有的8号光栅16、新增的17号光栅17、原有的9号光栅18、原有的11号光栅19。

图3为新增光栅信号处理以及界面显示流程示意图。

图4为跟踪精确控制流程示意图。

具体实施方式

图1、图2、图3、图4为本发明的一种实施方式。

如图1、图2所示，在热处理炉内增加4组对射光栅，其中新增的14号光栅12、新增的15号光栅13安装在原有的6号光栅11和原有的7号光栅14之间，位置分别为1/3间距处，2/3间距处；新增的16号光栅15安装在原有的7号光栅14和原有的8号光栅16，位置为1/2间距处；新增的17号光栅17安装在原有的8号光栅16和原有的9号光栅18之间，位置为1/2间距处；

如图3所示，将4组光栅的24v反馈信号通过数字量模块，引入跟踪plc中的FC1002功能块；在Wincc服务器中运行的工程里，在跟踪主操作界面增加4个光栅的状态显示；

如图4所示，新增4组光栅的实际位置存入功能块FC1000中；FC1007功能块调用FC1000，并读取辊道变频器实际速度，实时计算炉内钢板影像的头尾位置，该计算的头尾位置通过FC411功能块的位置修正，修正值返回给FC1007功能块，继续实时输出计算的头尾位置，实现特厚板在炉的跟踪精确控制。

当计算头尾位置到达原有的11号光栅19前1.5～1.8m处时，工艺设定的淬火速度同时发送给淬火机辊道变频器和炉内辊道变频器，实现速度同步，由于速度同步推迟，缩短了薄钢板出炉时间。钢板头部经过11号光栅，头部位置被原有的11号光栅19修正。

Claims (5)

1.一种提高跟踪系统控制精度保证中厚板淬火性能稳定性的方法，基于S7-400PLC构建的自动化网络，其特征在于，

(1)修改plc程序：包括：

在炉内增加4组光栅，将增加的4组光栅的信号，引入plc程序中FC1002“photocell treatment”功能块，在程序中判断光栅信号的状态，光栅触发信号PC[X]_in、光栅强制信号PC[X]_op_sel_free、光栅故障信号PC[X]_fault，X对应原有的13组光栅以及新增的4组光栅；一组光栅由一个光栅发射端和一个光栅接收端组成，当光栅被遮挡时，实现对炉内钢板的检测

在FC411“correct_plate_pos”功能块中，启用后增加的4组光栅修正钢板位置的功能，在FC411功能块中，plc程序用循环语句循环扫描所有在线钢板的头尾位置绝对值，判断所有这些头尾位置值与1～17组光栅里哪一组的距离最接近，并在光栅被触发时对钢板进行位置修正，限定修正范围为1m，偏差超过该范围不进行钢板位置修正；

在FC1000“fix data”功能块中，将后增加的4组光栅的现场实测的绝对位置值编写进程序中；热处理炉上料辊道、炉内辊道、淬火机辊道、下料辊道，炉本体各个烧嘴的位置、全部17组光栅的位置，通过实际测量，均定义为沿X轴的绝对数值，单位是m；钢板在炉时，钢板的头、尾位置也定义为绝对数值，头部位置数值减去钢板长度即为尾部位置数值，钢板的头、尾位置数值在由跟踪PLC程序中FC1007“plateloop”功能块实时、动态的计算得出，所有辊道均为独立变频器单独传动，并配有编码器，程序的计算依据是，以安装在生产线上的17组光栅及所有辊道绝对坐标值为基础，判断钢板占用辊道的最后3根辊子，取这三根辊子的速度取平均，以20～100ms为最小时间单位进行运动距离的累加，并将此距离赋给钢板，得到头部位置，尾部位置为头部位置减去钢板实际长度得到，头尾位置在plc计算过程中产生的累积偏差，由位置固定的光栅进行修正，光栅信号上升沿或者下降沿触发时，修正钢板头部或者尾部位置为光栅所在位置的绝对坐标值；

增加淬火钢板出炉速度同步触发点的逻辑判断

基于以上钢板在炉跟踪控制原理，修改plc程序，在FC1007“plate loop”功能块中增加逻辑判断，使钢板在炉加热结束，出炉准备淬火时，当钢板头部与淬火机入口光栅PC11距离为1.5m～1.8m时，进行炉内辊道和淬火机辊道的速度同步，钢板运输速度降低到淬火机设定速度低于10m/min时，当钢板头部触发pc11时，进行钢板头部位置修正，以消除由于钢板突然减速产生的惯性以及辊道电机变频器反馈给plc的实际速度在减速斜坡时间内进行累积计算时产生的积累偏差；

(2)修改热处理炉跟踪主操作界面

增加显示新增的4组光栅，对应其安装位置，实时显示信号状态：空闲、触发、强制、报警，点击每个光栅标志，都会在弹出的对话框内附带着时间距离最近的一块被该光栅修正的钢板的板号信息及实际被修正的偏差数值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沿X轴的绝对数值是指：PC1上料辊道前布置的第一组光栅的值为定义为0.0，上料辊道第一根辊道的值0.975，炉内辊第一根辊道的值实测为40.770，淬火机辊道第一根辊道的值实测为98.940，下料辊道第一根辊道值实测为124.120，下料辊道最后一根辊道值实测为147.055。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所有的17组光栅均为对射式光栅。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的最后3根辊子是指：钢板影像长度覆盖的辊道定义为钢板占用的辊道；靠近钢板头部的3根辊道，在钢板前进时定义为最后3根辊道；靠近钢板尾部的3根辊道，在钢板后退时定义为最后三根辊道。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，头尾位置在plc计算过程中产生的累积偏差指：钢板惯性、打滑、个别辊道停转的累积偏差。

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