CN104090580A - 加热炉进料臂的平移控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种加热炉进料臂的平移控制系统及方法,该系统包括进料臂自动控制单元、进料臂手动控制单元、进料臂中断位置保持单元；进料臂自动控制单元、进料臂手动控制单元和进料臂中断位置保持单元的输出端分别连接至进料臂速度和位置控制切换功能块的输入端；进料臂速度和位置控制切换功能块的输出端连接至加减速率控制功能块，加减速率控制功能块输出的信号通过数模转换功能块处理后输出至进料臂平移液压马达比例控制阀功率放大板。本发明可以有效解决大H型钢加热炉进料机进料臂下滑以及钢坯滑落的问题，还可以避免变频电机驱动加热炉进料臂的下滑。
Description
技术领域
本发明涉及一种加热炉进料臂的平移控制系统及方法，属于液压传动控制技术领域。
背景技术
对于坯料侧进侧出的钢坯加热炉，其进出料端将分别设置进料机和出料机，就进料机而言，通常由进料臂本体、进料臂滑动导轨、进料臂平移和升降驱动机构所组成，进料臂平移驱动机构通常采用液压马达，经减速机和齿轮齿条来驱动进料臂前进与后退，而进料臂升降则采用靠近入料炉门一侧的一组液压缸来驱动，并使用一个三位四通换向阀来控制该组液压缸。
进料臂采用单侧（即靠近入料炉门一侧）升降，这样在进料臂处于高位的情况下，进料臂连同其滑动导轨将与水平面具有一定的倾角。另外，为了在进料机动力系统故障情况下便于将已处于炉内的进料臂人工退出炉外，通常进料臂平移驱动机构中不设置任何种类的抱闸。马钢大H型钢加热炉进料机也采用这种结构，其加热炉进料机侧视图和平面示意图分别如下图1和2所示。目前，国内外针对这种结构的进料机，其控制方式有两种，一种是自动控制方式，另一种是手动控制方式。
在进料机自动控制方式下，进料臂平移为有差位置闭环控制。在进料臂平移过程中，进料臂的高低位始终处于监测之中，一旦在平移过程中进料臂高位或低位信号发生丢失，现有的进料臂平移液压控制系统输出至液压马达比例控制阀放大板的电压信号为零，液压马达比例控制阀将处于中位自锁状态，使进料臂平移驱动液压马达的进出油路被液压控制器件截流，马钢大H型钢加热炉进料机平移液压系统图如下图3所示。在这种情况下，若进料臂由于某种原因而发生位置变动，现有的进料臂平移液压控制系统将仍然保持零输出，不对进料臂的位置进行修正。由此可知，若进料机的进料臂较短，进料臂因处于较大的倾斜状态而存在一个较大的重力下滑分力，并且该重力下滑分力大于进料臂的下滑摩擦阻力，在这种情况下，若进料臂高位信号丢失时间过长，则进料臂连同进料臂上的钢坯必然产生较长距离的下滑现象。另外，进料臂在高位故障等待时，进料臂的实际停留高度将主要取决于进料臂升降液压缸自身的密封状态，若在一组升降液压缸中有任何一个存在一定的内泄或外泄，则进料臂的实际高度将会随其在高位等待时间的增加而逐渐降低，在种情况下，进料臂连同进料臂上的钢坯将会出现边下滑边下降的现象。鉴于进料臂在高位时仅仅比炉前钢坯推正挡块高出20mm左右，这样，钢坯在随进料臂下滑的过程中很可能会与炉前推正挡块相碰，从而导致钢坯落到炉前钢坯推正挡块与入料炉墙间的缝隙中；在进料臂手动控制方式下，进料臂的升降高度以及平移位置完全由手动控制，进料臂的平移与升降间无联锁。进料臂手动方式下的平移为速度开环控制，当平移速度给定为零时，现有的进料臂平移液压控制系统输出至液压马达比例控制阀放大板的电压信号为零，使液压马达比例控制阀处于中位自锁状态，在这种情况下，若进料臂由于某种原因而发生位置变动，现有的进料臂平移液压控制系统仍然保持零输出，不对进料臂的位置进行修正。
同样在进料臂手动控制方式下，进料臂在高位故障等待时，进料臂的实际停留高度将主要取决于进料臂升降液压缸自身的密封状态，若在一组升降液压缸中有任何一个存在一定的内泄或外泄，则进料臂的实际高度将会随其在高位等待时间的增加而逐渐降低。在正常进钢情况下进料机采用自动方式进钢，当自动方式下进钢出现问题时，通常操作工将进料机由自动方式切换至手动方式，然后操作工手动操作进料臂对当前入炉钢坯位置进行修正，此时若需要进料臂在炉内挑着钢并且较长时间地停在高位，以便操作工临时处理进钢过程中的其它事情，在这种情况下，处于高位的进料臂连同进料臂上的钢坯同样时常出现朝炉外边下滑边下降的现象，并且有时出现钢坯滑落而卡在入料炉墙与炉口钢坯推正挡块之间。由上述可知，在手动和自动控制方式下，料臂上的钢坯时常出现朝炉外边下滑边下降的现象，甚至有时出现钢坯滑落而卡在入料炉墙与炉口钢坯推正挡块之间。
发明内容
鉴于上述的加热炉进料机所存在的问题，通过优化此种进料机手动和自动方式下进料臂的平移控制，避免进料臂在手动或自动方式下出现下滑现象，由此彻底杜绝进料臂炉前掉钢坯的问题。
一种加热炉进料臂的平移控制系统，该系统包括进料臂自动控制单元、进料臂手动控制单元、进料臂中断位置保持单元；进料臂自动控制单元、进料臂手动控制单元和进料臂中断位置保持单元的输出端分别连接至进料臂速度和位置控制切换功能块的输入端；进料臂速度和位置控制切换功能块的输出端连接至加减速率控制功能块，加减速率控制功能块输出的信号通过数模转换单元处理后输出至进料臂平移液压马达比例控制阀功率放大板。
所述进料臂自动控制单元包括双向数值超差检测功能块、数字转换开关功能块、或功能块和数值比较功能块。
所述进料臂手动控制单元包括数字转换开关功能块、数字转换开关功能块的输出端连接至加法器功能块的输入端。
所述进料臂中断位置保持单元包括数字转换开关功能、或功能块、与功能块和非功能块。
一种加热炉进料臂的平移控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将该进料臂平移控制系统以进料臂完全后退至终端位置为基准零位；步骤二、在进料臂有差位置闭环控制状态下，进料臂的给定位置与其实际位置Sact之差的绝对值大于或等于50毫米时，进料臂平移控制系统输出8V或-8V，控制电压至进料臂平移液压马达比例控制阀功率放大板；当进料臂的给定位置与其实际位置Sact之差的绝对值小于50毫米时，进料臂平移控制系统从输出8V控制电压切换为2.5V或-8V切换为-2.5V；当进料臂的给定位置与其实际位置Sact之差的绝对值小于5毫米时，进料臂平移控制系统输出至进料臂平移液压马达比例控制阀功率放大板的控制电压为零，使进料臂平移液压马达比例控制阀处于中位自锁。步骤三、在进料臂速度开环控制方式下，进料臂前进或后退时，该控制系统分别输出进料臂前进或后退控制电压至进料臂平移液压马达比例控制阀功率放大板，使进料臂前进或后退移动。该方法还包括以下步骤：步骤一、当进料臂有差位置闭环控制状态下，进料臂在高位或低位移动过程中，出现高位或低位信号丢失时，进料臂中断位置保持单元的数字转换开关功能块存储进料臂当前实际位置Sact.ZD，进料臂速度和位置控制切换功能块将进料臂的位置给定由进料臂自动步距给定切换为进料臂中断时刻的实际位置Sact.ZD；当进料臂的高位或低位信号恢复正常后，进料臂的位置给定又重新由进料臂中断时刻的实际位置Sact.ZD切换至进料臂自动步距给定，进料臂在有差位置闭环控制下由中断位置向自动步距所设定的位置移动；步骤二、在进料臂速度开环控制方式下，进料臂中断位置保持单元的数字转换开关功能块存储进料臂当前实际位置Sact.ZD，并将该时刻进料臂的实际位置Sact.ZD作为进料臂的位置给定，这样进料臂在其有差位置闭环控制下将始终处在手动操作中断点的位置；当进料臂在手动方式下继续手动操作前进或后退时，或功能块OR3输出Q变为‘0’，这样，进料臂速度和位置控制的切换信号ASW为‘0’，进料臂速度和位置控制切换功能块由手动方式下或自动方式下的位置控制切换至手动方式下的速度控制，此时进料臂又继续在手动速度控制下前进或后退。
本发明的优点是：（1）解决大H型钢加热炉进料机进料臂下滑以及钢坯滑落的问题。（2）为了避免变频电机驱动加热炉进料臂的下滑，同样可以采用这种可避免液压马达驱动加热炉进料臂下滑的进料臂平移控制系统，只要将该控制系统中的加减速率控制功能块的输出传送至进料臂变频电机传动控制装置即可。
附图说明
图1马钢大H型钢加热炉进料机侧视图。
图2马钢大H型钢加热炉进料机平面示意图。
图3马钢大H型钢加热炉进料臂平移液压系统图。
图4进料臂平移控制系统结构图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的控制系统，相互间的连接关系，及实施方法，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
对于现有的液压马达驱动加热炉进料臂的平移控制，当进料臂在自动或者手动方式下移动时，一旦由于某种原因（如进料臂自动方式下的高低位信号丢失或手动方式下的操作中断等等）使进料臂移动中断，现有的液压马达驱动加热炉进料臂平移控制系统将使液压马达比例控制阀处于中位自锁状态。在进料臂移动中断的过程中，若进料臂出现下滑而产生位置偏移，现有的液压马达驱动加热炉进料臂平移控制系统将仍然保持使进料臂液压马达比例控制阀处于中位自锁状态，不对进料臂的位置偏差进行修正。正是这种控制方式，使得进料臂在高位移动中断时很容易产生下滑以及钢坯滑落问题。为了彻底地杜绝这种问题的发生，我们设计了一种可避免液压马达驱动加热炉进料臂下滑以及钢坯滑落的进料臂平移控制系统（即进料臂平移控制方法），该控制系统如图4所示。
在图4中，LVM为“双向数值超差检测”功能块，当X≥M+L时，QU为‘1’，当M－L＜X＜M+L时，QM为‘1’，当X≤M－L时，QL为‘1’；NCM为“数值比较”功能块，当X1＞X2时，QU为‘1’，当X1=X2时，QE为‘1’，当X1＜X2时，QL为‘1’；NSW为“数字转换开关”功能块，当I=‘1’时，Y=X2，当I=‘0’时，Y=X1；RGJ为“加减速率控制”功能块；DAC为“数模转换”功能块。这种可避免进料臂下滑的加热炉进料臂平移控制系统的控制思想如下：
1）该进料臂平移控制系统以进料臂完全后退至终端位置（即机械挡块处）为基准零位。马钢大H型钢加热炉进料臂的有效行程为4265毫米。
2）在进料臂有差位置闭环控制状态下，进料臂的给定位置与其实际位置Sact之差的绝对值大于或等于50毫米时，为了快速完成定位，进料臂平移控制系统输出8V(进料臂前进即进料臂朝加热炉方向平移)或—8V（进料臂后退）控制电压至进料臂平移液压马达比例控制阀功率放大板，使进料臂以高速向目标位置移动。考虑到加热炉进料臂属于大惯性负载，故此，为了实现进料臂平稳准确的定位，在进料臂的给定位置与其实际位置Sact之差的绝对值小于50毫米时，进料臂平移控制系统从输出8V（或—8V）控制电压切换为2.5V（或—2.5V）控制电压至进料臂平移液压马达比例控制阀功率放大板，使进料臂以低速向目标位置移动。而当进料臂的给定位置与其实际位置Sact之差的绝对值小于5毫米时，进料臂平移控制系统输出至进料臂平移液压马达比例控制阀功率放大板的控制电压为零，即使进料臂平移液压马达比例控制阀处于中位自锁。但是，在进料臂有差位置闭环控制中，当进料臂的实际位置超出了设定位置±5毫米的范围时，在这种情况下，若进料臂的给定位置大于其实际位置Sact，则进料臂平移控制系统中数值比较功能块NCM的输出端QU为‘1’，这样平移控制系统将根据两者偏差的大小输出相应的正极性控制电压至进料臂平移液压马达比例控制阀放大板，使进料臂前进移动而靠近设定位置，直至两者位置偏差小于5毫米；相反若进料臂的给定位置小于其实际位置Sact，则进料臂平移控制系统中数值比较功能块NCM的输出端QU为‘0’，这样平移控制系统将根据两者偏差的大小输出相应的负极性控制电压至进料臂平移液压马达比例控制阀放大板，使进料臂后退移动而靠近设定位置，直至两者位置偏差小于5毫米。
3）考虑到进料臂手动操作方式（即进料臂速度开环控制方式）通常仅用于进料臂速度点动情况下对入炉钢坯位置进行修正，故此，进料臂的前进或后退只采用单一速度。在进料臂手动前进和后退时，该进料臂平移控制系统分别输出6V(进料臂前进)和—6V（进料臂后退）控制电压至进料臂平移液压马达比例控制阀功率放大板，使进料臂前进和后退移动。
4）为了防止进料臂在自动或手动方式下中断移动的过程中出现下滑，在液压马达驱动进料臂平移控制系统中，我们设计了一个进料臂中断位置保持功能。该功能由上图4中功能块OR1～OR4、NOT1和NOT2、AND1和AND2以及NSW1～NSW4所组成。在进料机自动操作方式下，进料臂在高位或者低位移动过程中，一旦进料臂的高位或者低位信号丢失，则功能块OR3输出Q为‘1’，这样由功能块NSW1构成的进料臂实际位置记忆单元的输出Y将存储进料臂高位或低位信号丢失时进料臂移动中断时刻的实际位置Sact.ZD，并将进料臂的位置给定由进料臂自动步距给定切换为进料臂中断时刻的实际位置Sact.ZD，这样进料臂在其有差位置闭环控制下将始终处于中断点位置。当进料臂的高位或低位信号恢复正常后，进料臂的位置给定又重新由进料臂中断时刻的实际位置Sact.ZD切换至进料臂自动步距给定，这样进料臂在其有差位置闭环控制下由中断移动位置向自动步距所设定的位置移动；在进料机手动操作方式下，进料臂在高位或者低位移动过程中，一旦进料臂停止手动前进或后退操作，则功能块OR3输出Q也为‘1’，这样，进料臂速度和位置控制的切换信号ASW为‘1’，使功能块NSW4构成的进料臂速度和位置控制切换单元由手动方式下的速度控制切换至手动方式或自动方式下的位置控制；同时由功能块NSW1构成的进料臂实际位置记忆单元的输出Y将存储进料臂停止手动前进或后退时刻进料臂的实际位置Sact.ZD，并将该时刻进料臂的实际位置Sact.ZD作为进料臂的位置给定，这样进料臂在其有差位置闭环控制下将始终处在手动操作中断点的位置。当进料臂在手动方式下继续手动操作前进或后退时，功能块OR3输出Q变为‘0’，这样，进料臂速度和位置控制的切换信号ASW为‘0’，使功能块NSW4构成的进料臂速度和位置控制切换单元由手动方式或自动方式下的位置控制切换至手动方式下的速度控制，此时进料臂又继续在手动速度控制下前进或后退。
本发明的实施效果，在2011年7月，我们所设计的液压马达驱动加热炉进料臂平移控制系统在马钢大H型钢加热炉进料机上投入了使用。在该加热炉进料臂平移控制系统投入使用以来，马钢大H型钢加热炉进料机未再出现进料臂下滑以及钢坯滑落的问题，实际使用效果很好。另外值得一提的是：国内外部分采用变频电机驱动进料臂的加热炉进料机同样也存在进料臂以及入炉钢坯下滑的问题。为了避免变频电机驱动加热炉进料臂的下滑，同样可以采用我们所设计的这种可避免液压马达驱动加热炉进料臂下滑的进料臂平移控制系统，只要将该控制系统中的加减速率控制功能块（RGJ）的输出（即进料臂变频电机的速度给定）传送至进料臂变频电机传动控制装置即可。
Claims (6)
1.一种加热炉进料臂的平移控制系统，其特征在于：该系统包括进料臂自动控制单元、进料臂手动控制单元、进料臂中断位置保持单元；进料臂自动控制单元、进料臂手动控制单元和进料臂中断位置保持单元的输出端分别连接至进料臂速度和位置控制切换功能块的输入端；进料臂速度和位置控制切换功能块的输出端连接至加减速率控制功能块，加减速率控制功能块输出的信号通过数模转换功能块处理后输出至进料臂平移液压马达比例控制阀功率放大板。
2.根据权利要求1所述的平移控制系统，其特征在于：所述进料臂自动控制单元包括双向数值超差检测功能块、数字转换开关功能块、或功能块和数值比较功能块。
3.根据权利要求1所述的平移控制系统，其特征在于：所述进料臂手动控制单元包括数字转换开关功能块、数字转换开关功能块的输出端连接至加法器功能块输入端。
4.根据权利要求1所述的平移控制系统，其特征在于：所述进料臂中断位置保持单元包括数字转换开关功能、或功能块、与功能块和非功能块。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种加热炉进料臂的平移控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将该进料臂平移控制系统以进料臂完全后退至终端位置为基准零位；
步骤二、在进料臂有差位置闭环控制状态下，进料臂的给定位置与其实际位置Sact之差的绝对值大于或等于50毫米时，进料臂平移控制系统输出8V或-8V，控制电压至进料臂平移液压马达比例控制阀功率放大板；当进料臂的给定位置与其实际位置Sact之差的绝对值小于50毫米时，进料臂平移控制系统从输出8V控制电压切换为2.5V或-8V切换为-2.5V；当进料臂的给定位置与其实际位置Sact之差的绝对值小于5毫米时，进料臂平移控制系统输出至进料臂平移液压马达比例控制阀功率放大板的控制电压为零，使进料臂平移液压马达比例控制阀处于中位自锁。
步骤三、在进料臂速度开环控制方式下，进料臂前进或后退时，该控制系统分别输出进料臂前进或进料臂后退控制电压至进料臂平移液压马达比例控制阀功率放大板，使进料臂前进或后退移动。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：该方法还包括以下步骤：
步骤一、当进料臂有差位置闭环控制状态下，进料臂在高位或低位移动过程中，出现高位或低位信号丢失时，进料臂中断位置保持单元的数字转换开关功能块存储进料臂当前实际位置Sact.ZD，进料臂速度和位置控制切换功能块将进料臂的位置给定由进料臂自动步距给定切换为进料臂中断时刻的实际位置Sact.ZD；当进料臂的高位或低位信号恢复正常后，进料臂的位置给定又重新由进料臂中断时刻的实际位置Sact.ZD切换至进料臂自动步距给定，进料臂在有差位置闭环控制下由中断位置向自动步距所设定的位置移动；
步骤二、在进料臂速度开环控制方式下，进料臂中断位置保持单元的数字转换开关功能块存储进料臂当前实际位置Sact.ZD，并将该时刻进料臂的实际位置Sact.ZD作为进料臂的位置给定，这样进料臂在其有差位置闭环控制下将始终处在手动操作中断点的位置，这时进料臂处于手动方式下的位置控制；当进料臂在手动方式下继续手动操作前进或后退时，或功能块OR3输出Q变为‘0’，这样，进料臂速度和位置控制的切换信号ASW为‘0’，进料臂速度和位置控制切换功能块由手动方式下或自动方式下的位置控制切换至手动方式下的速度控制，此时进料臂又继续在手动速度控制下前进或后退。
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