CN104451115A - 步进式加热炉步进梁步距精确控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了步进式加热炉步进梁步距精确控制系统与方法，应用于自动控制领域。提高步进梁步距的精确度，提高钢坯的准确出炉率、生产的可靠性和稳定性。本发明实施例中，所述系统包括加热炉、第一测距传感器、与所述第一测距传感器通信连接的控制器；所述加热炉，用于加热钢坯；所述第一测距传感器，用于测量步进梁每步进一次后钢坯的第一位置，并将该第一位置发送到控制器；所述控制器，用于实时接收所述第一位置，根据相邻两次第一位置的差值确定步进梁下一步的目标步距，控制步进梁按照目标步距步进。最终使得步进梁的平均步距符合标准步距的要求。

Description

步进式加热炉步进梁步距精确控制系统与方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种步进式加热炉步进梁步距精确控制系统与方法。

背景技术

在步进式加热炉中，比如步进梁式加热炉，钢坯从入料炉口进入加热炉，通过步进梁的步进实现钢坯的输送，在生产过程中，步进梁托着钢坯按照标准步距进行步进，炉子大小是固定的，步进梁从入料炉口到出料炉口步进一定步数后，将钢坯放到炉内悬臂辊道上，钢坯正好处在悬臂辊道的中心线上(或与中心线在一定的误差范围内)，保证可以正常出钢。因此在步进梁步进的过程中，保持步进梁步距的准确度非常重要。

但是在实际的生产过程中，由于机械本身的运行误差或步进梁运动过程中产生的抖动都会使得步进梁的步距偏离标准值。现在普遍使用位移传感器测量步进梁的步距，由于位移传感器安装于加热炉炉底，水封槽后的水可能会损坏位移传感器，无法测量步进梁的步距；同时，位移传感器与油缸接触且同步运动来测量位移，也可能会造成位移传感器的损坏，使得测量的步进梁的步距不准确。步进梁步进结束后，由于步距不准确导致钢坯无法正常出钢，严重的甚至会撞坏加热炉，影响生产节奏和产量，无法保证长期生产运营的可靠性与稳定性。

发明内容

本发明实施例提供了一种步进式加热炉步进梁步距精确控制系统与方法，以解决由于步进梁步距测量不准确导致的钢坯无法正常出钢，严重的甚至会撞坏加热炉，无法保证长期生产运营的可靠性与稳定性的技术问题。提高步进梁步距的精确度，提高钢坯的准确出炉率，由此，提高长期生产运营的可靠性与稳定性。

有鉴于此，本发明第一方面提供一种步进式加热炉步进梁步距精确控制系统，可包括：

加热炉、第一测距传感器、与所述第一测距传感器通信连接的控制器；

所述第一测距传感器设置在与钢坯运行方向垂直且靠近出料炉门的第一炉墙外侧，在所述第一炉墙的中心位置有孔，第一测距传感器通过所述孔将垂直于炉墙的信号波打到距离第一炉墙最近的钢坯上；

所述加热炉，用于加热钢坯；

所述第一测距传感器，用于测量步进梁每步进一次后钢坯的第一位置，并将该第一位置发送到控制器；

所述控制器，用于实时接收所述第一位置，根据相邻两次第一位置的差值确定步进梁下一步的目标步距，控制步进梁按照目标步距步进；

确定公式如下：

B＝M-[∑(J-(M+Q))]；

其中B为确定的步进梁下一步的目标步距，J为相邻两次第一位置的距离的差值，M为标准步距，Q为系统误差，∑表示以步进次数求和。

优选的，所述系统还包括：

设置在与钢坯运行方向垂直且靠近入料炉门的第二炉墙外侧的第二测距传感器，在所述第二炉墙的中心位置有孔，第二测距传感器通过所述孔将垂直于炉墙的信号波打到距离第二炉墙最近的钢坯上；

所述第二测距传感器，用于步进梁每步进一次，测量距离第二炉墙最近的钢坯的第二位置，并将第二位置发送到控制器；

相应的，所述控制器用于实时接收第二位置，根据接收的相邻两次第一位置的差值和相邻两次第二位置的差值确定步进梁的下一步目标步距，并控制步进梁按照目标步距步进；

确定公式如下：

B＝M-[∑(K-(M+Q))]；

其中B为确定的步进梁下一步的目标步距，M为标准步距，Q为系统误差，K为相邻两次第一位置的差值与相邻两次第二位置的差值取平均，∑表示以步进次数求和。

优选的，所述控制器还用于：若步进梁步进预设步数后钢坯的第一位置与出炉悬臂辊道中心线之间的距离在预设范围内时，控制钢坯出炉，否则，控制步进梁步进所述距离值的步距，控制钢坯出炉。

优选的，炉墙上的孔的孔径小于预设阈值。

优选的，所述预设范围为步进梁标准步距的千分之一。

优选的，在步进梁的液压缸的尾部设置有挡铁，在挡铁的两侧分别设置第一位置检测开关和第二位置检测开关；

所述控制器用于在步进梁步进的过程中，当挡铁在第一位置检测开关和第二位置检测开关之间运动时，参考步进梁的速度时间曲线控制步进梁的运动速度。

本发明第二方面提供一种步进式加热炉步进梁步距精确控制方法，可包括：

步进梁每步进一步，测量距离第一炉墙最近的钢坯的第一位置，第一炉墙为与钢坯运行方向垂直且靠近出料炉门的炉墙；

根据相邻两次第一位置的差值确定步进梁下一步的目标步距，并控制步进梁按照目标步距步进；

确定公式如下：

B＝M-[∑(J-(M+Q))]；

其中B为确定的步进梁下一步的目标步距，J为相邻两次第一位置的差值，M为标准步距，Q为系统误差，∑表示以步进次数求和。

优选的，所述方法还包括：

步进梁每步进一步后，测量距离第二炉墙最近的钢坯的第二位置，第二炉墙为与钢坯运行方向垂直且靠近入料炉门的炉墙；

根据接收的相邻两次第一位置的差值和相邻两次第二位置的差值确定步进梁的目标步距，并控制步进梁按照目标步距步进；

确定公式如下：

B＝M-[∑(K-(M+Q))]；

其中B为确定的步进梁下一步的目标步距，M为标准步距，Q为系统误差，K为相邻两次第一位置的差值与相邻两次第二位置的差值取平均，∑表示以步进次数求和。

优选的，所述方法还包括：若步进梁步进预设步数后钢坯的第一位置与出炉悬臂辊道中心线之间的距离在预设范围内时，控制钢坯出炉；

否则，控制步进梁步进所述距离值的步距，控制钢坯出炉。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例中，测量的是钢坯的实际位置，通过测量的相邻两次位置的差值可以确定步进梁一次后钢坯实际的位移，然后依据钢坯实际位移，参考标准步距以及系统本身的机械误差，调整步进梁的下一次的步距，使得步进梁步距预设的步数后可以将钢坯放置在出炉悬臂辊道中心线上，保证钢坯准确出炉。通过实时测量钢坯的实际位移来调整步进梁的步距值，可以保证步进梁步距的精确度，避免钢坯碰撞炉墙对炉墙造成的损害，提高生产运营的可靠性与稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例一种步进式加热炉步进梁步距精确控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例步距控制原理图；

图3为本发明实施例步进梁平移控制原理图；

图4为步进梁位移-速度控制曲线；

图5为对应图4的步进梁时间-速度控制曲线；

图6为本发明实施例一种步进式加热炉步进梁步距精确控制方法的流程图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种步进式加热炉步进梁步距精确控制系统及方法，提高钢坯的准确出炉率。为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为本发明提供的一种步进式加热炉步进梁步距精确控制系统的结构示意图，所述系统包括：加热炉、第一测距传感器、与所述第一测距传感器通信连接的控制器(图1中未示出，优选的，控制器可以选用PLC控制器)。

所述第一测距传感器设置在与钢坯运行方向垂直且靠近出料炉门的第一炉墙1外侧，在所述第一炉墙1的中心位置有孔2，第一测距传感器通过所述孔将垂直于炉墙的信号波打到距离第一炉墙最近的钢坯3上。

其中，所述加热炉，用于加热钢坯；优选的，加热炉为步进梁式加热炉，为钢坯提供加热空间，钢坯从入料炉口进入加热炉，在入炉悬臂辊道上由定位装置对钢坯进行定位，使钢坯的中心位置在加热炉的中心线上，钢坯在加热炉中，由步进梁带动传输。

第一测距传感器可以为激光测距传感器、超声波测距传感器或红外测距传感器，所以第一测距传感器向外发送的信号波视采用的具体测距传感器而定，比如激光或超声波。信号波通过炉墙上的孔2打到钢坯的中间位置，第一测距传感器利用信号波的反射原理测得距离出料炉门最近的钢坯3的位置，这里记为第一位置，对于第一测距传感器来说，这里的第一位置实质为钢坯到第一测距传感器的距离，每当步进梁步进一次，第一测距传感器测量得到一个第一位置，将测得的第一位置发送到控制器。

控制器接收第一测距传感器发送的第一位置，步进梁每步进一次，控制器就接收到一个第一位置，优选的，控制器在实时接收所述第一位置之后，可以根据相邻两次第一位置的差值确定步进梁下一步的目标步距，使得步进梁的实际步距尽可能的与标准步距一致，减少由于步距误差带来的影响，调整公式如下：

B＝M-[∑(J-(M+Q))]        (1)

其中，B为确定的步进梁下一步的目标步距，J为相邻两次第一位置的差值，M为标准步距，Q为系统误差，∑表示以步进次数求和。举个例子，参考图2所示，为步距控制原理图，假设在当前步进之前，对应钢坯的第一位置为D1，步进梁步进一步后，对应的第一位置为D2，则D1与D2之间的差值为步进梁单步步进前后钢坯移动的距离J。优选的，D1为步进梁抬起钢坯的第一位置，D2为步进梁步进一步时放下钢坯的位置。其中，系统误差可以理解为由于机械本身的误差或者步进梁前进过程中发生抖动造成的误差、液压缸行走误差等，具体的可以通过实验的方式获得，比如，通过位移传感器的数值与实际测量的步进值比较得到系统误差，或者计算步进梁走完加热炉的过程中的平均步距，将平均步距与标准步距比较得到系统误差。

举个例子，假设标准步距为250mm，若当前测量的实际步距为248mm，系统误差为1mm，则由上述描述可知，累计误差为-1mm，则目标步距为251mm。步进两次的距离为500mm，可以理解的是，经过调整，可以保证步进梁步进多次后，钢坯步进的总步距与以标准步距步进相同。

本实施例提供的技术方案中，测量的是钢坯的实际位置，通过测量的相邻两次位置的差值可以确定步进梁一次后钢坯实际的位移，然后依据钢坯实际位移，参考标准步距以及系统本身的机械误差，调整步进梁的下一次的步距，使得步进梁步距预设的步数后可以将钢坯放置在出炉悬臂辊道中心线上，保证钢坯准确出炉。通过实时测量钢坯的实际位移来调整步进梁的步距值，可以保证步进梁步距的精确度，避免钢坯碰撞炉墙对炉墙造成的损害，提高生产运营的可靠性与稳定性。

为了进一步提高步进梁步距的精确控制，在实施例1的基础上，所述系统还可以包括第二测距传感器，第二测距传感器设置在与钢坯运行方向垂直且靠近入料炉门的第二炉墙4外侧，在所述第二炉墙的中心位置有孔，第二测距传感器通过所述孔将垂直于炉墙的信号波打到距离第二炉墙最近的钢坯上；

步进梁每步进一次，所述第二测距传感器测量距离第二炉墙4最近的钢坯的第二位置，并将第二位置发送到控制器；需要说明的是，在钢坯加热过程中，如果钢坯不断由入料炉口进入加热炉，则距离第二炉墙4最近的钢坯是一直在变化的。第二测距传感器测量距离第二炉墙4最近的钢坯第二位置后，同样将第二位置发送到控制器。在钢坯入炉定位和出炉过程中，不读取传感器的信息。

相应的，控制器实时接收第二位置，与上述内容不同的是，控制器根据接收的相邻两次第一位置的差值和相邻两次第二位置的差值确定步进梁的目标步距，公式如下：

B＝M-[∑(K-(M+Q))]        (2)

其中B为确定的步进梁下一步的目标步距，M为标准步距，Q为系统误差，K为相邻两次第一位置的差值与相邻两次第二位置的差值取平均，∑表示以步进次数求和。在步进梁的一次步进中，对于不同的钢坯来说，造成的影响可能不同，采用不同钢坯在步进梁一次步进中位置变化的平均值对步进梁步距进行调整，可以进一步的减小步进梁步距误差带来的影响。

采用本实施例提供的系统，对步进梁步距进行控制并修正步距误差，可以改善步进梁步距控制的准确性，通过直接测量钢坯的实际位置对步距进行控制。

在上述实施例的基础上，为了进一步提高钢坯出炉的准确度，优选的，当步进梁步进预设步数后，控制器还可以进行一次判断过程，具体如下：此时的第一位置如果与出炉悬臂辊道中心线之间的距离是否在预设范围内，若是，则说明钢坯可以出炉，反之，则需要调整钢坯的位置，具体的，控制步进梁以第一位置与出炉悬臂辊道中心线之间的距离为步距步进即可，然后再控制钢坯出炉。在实际操作中，可以多次重复上述过程直至第一位置如果与出炉悬臂辊道中心线之间的距离在预设范围内。通过判断钢坯距离加热炉炉口的实际距离，判断钢坯的位置是否适合出钢，降低了钢坯位置不合适，钢坯撞坏炉墙的可能性。

另外，由于钢坯的水平步距可以通过入炉和出炉侧的测距传感器进行测量，在节省成本的情况下，步进梁平移控制可以取消位移传感器的使用。如图3所示，为步进梁平移控制原理图，在步进梁平移液压缸上加装挡铁，在挡铁的两侧分别设置一检测开关和第二检测开关，所述检测开关可以为限位开关或接近开关，一方面可以控制步进梁步进一次的距离不会超出第一检测开关和第二检测开关确定的距离，起到保护步进梁的作用。控制器在步进梁步进的过程中，当挡铁在第一检测开关和第二检测开关之间运动时，参考步进梁的速度-时间曲线控制步进梁的运动速度。参考图4和图5所示，分别为步进梁位移-速度控制曲线以及步进梁时间-速度控制曲线。其中，步进梁位移、时间和速度关系如表1中所示。同时，也可以使用测距传感器测得的步进距离按照距离和速度曲线进行步进梁控制。利用测距传感器按照以前使用位移传感器时的曲线进行计算，比时间速度曲线要精确，两个限位作为极限限位进行保护。另外，由于步进梁运动时会上下运动，在作为此时使用时，在安装高度上要保证在其运动过程中都能够检测到钢坯。

表1步进梁理论计算平移位移和加减速要求

序号	时间(s)	油缸位移(mm)	比例阀输入值(YVHP03，YVHP04)
				1	1.0	40	0～57％
2	2.5	180	57％
				3	1.5	30	57％～0％
Σ	5.1	250

在上述各实施例中，当在炉墙上开孔时，需要将孔的大小限制在一定范围内，比如孔径小于预设阈值，这是因为如果孔开的过大，炉内的高温烟气或者火苗窜出，较为危险，也会对测距传感器造成损害。同时，所述预设范围为可以设置为步进梁标准步距的千分之一。对于测距传感器来说，精确度越高越好，要求其能测量的最小距离至少在30cm以下，最大距离值视采用的加热炉的型号而定。

对应于上述系统实施例，本发明还提供一种钢坯出炉控制方法，参考图6所示，为对应的方法流程图，本实施例可以应用于上述系统，可以包括：

S61、步进梁每步进一步，测量距离第一炉墙最近的钢坯的第一位置，第一炉墙为与钢坯运行方向垂直且靠近出料炉门的炉墙；

S62、根据相邻两次第一位置的差值确定步进梁下一步的目标步距，并控制步进梁按照目标步距步进。

根据相邻两次第一位置的差值确定步进梁下一步的目标步距，公式如下：

B＝M-[∑(J-(M+Q))]；        (3)

其中B为确定的步进梁下一步的目标步距，J为相邻两次第一位置的差值，M为标准步距，Q为系统误差，∑表示以步进次数求和。

本实施例提供的技术方案中，

测量的是钢坯的实际位置，通过测量的相邻两次位置的差值可以确定步进梁一次后钢坯实际的位移，然后依据钢坯实际位移，参考标准步距以及系统本身的机械误差，调整步进梁的下一次的步距，使得步进梁步距预设的步数后可以将钢坯放置在出炉悬臂辊道中心线上，保证钢坯准确出炉。通过实时测量钢坯的实际位移来调整步进梁的步距值，可以保证步进梁步距的精确度，避免钢坯碰撞炉墙对炉墙造成的损害，提高生产运营的可靠性与稳定性。

为了进一步提高步进梁步距的精确度，优选的，在上述各步骤的基础上进一步还可以包括如下步骤：

步进梁每步进一步后，测量距离第二炉墙最近的钢坯的第二位置，第二炉墙为与钢坯运行方向垂直且靠近入料炉门的炉墙；

根据接收的相邻两次第一位置的差值和相邻两次第二位置的差值确定步进梁的目标步距，并控制步进梁按照目标步距步进；

公式如下：

B＝M-[∑(K-(M+Q))]；        (4)

其中B为确定步进梁下一步的目标步距，M为标准步距，Q为系统误差，K为相邻两次第一位置的差值与相邻两次第二位置的差值取平均，∑表示以步进次数求和。

在保证步进梁步距的精确度的前提下，为了进一步提高钢坯出炉的准确性，优选的，在上述各实施例的基础上，还可以包括如下步骤：

若步进梁步进预设步数后钢坯的第一位置与出炉悬臂辊道中心线之间的距离在预设范围内时，控制钢坯出炉；

否则，控制步进梁步进所述距离值的步距，控制钢坯出炉。

在实际操作中，可以多次重复上述过程直至第一位置如果与出炉悬臂辊道中心线之间的距离在预设范围内。通过判断钢坯距离加热炉炉口的实际距离，判断钢坯的位置是否适合出钢，降低了钢坯位置不合适撞坏炉墙的可能性。

需要说明，在炉子装满钢时，使用两个测距传感器的平均值计算钢坯的移动距离可以提高计算的精确度，但是为了节省成本或者炉子较小的情况下，测距传感器测量范围可以达到整个炉子的距离，则可以考虑只使用出炉侧的测距传感器。为了保证精度及炉子较大的情况下，炉内是空的，出炉侧的半截无钢，靠近入炉炉门前半截炉子，钢坯位置控制使用第二传感器，或则在入炉侧无钢的情况(比如停止装料时)，少量钢坯存在出炉侧时，使用第一传感器控制。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种步进式加热炉步进梁步距精确控制系统，其特征在于，所述系统包括：

加热炉、第一测距传感器、与所述第一测距传感器通信连接的控制器；

所述第一测距传感器设置在与钢坯运行方向垂直且靠近出料炉门的第一炉墙外侧，在所述第一炉墙的中心位置有孔，第一测距传感器通过所述孔将垂直于炉墙的信号波打到距离第一炉墙最近的钢坯上；

所述加热炉，用于加热钢坯；

所述第一测距传感器，用于测量步进梁每步进一次后钢坯的第一位置，并将该第一位置发送到控制器；

所述控制器，用于实时接收所述第一位置，根据相邻两次第一位置的差值确定步进梁下一步的目标步距，控制步进梁按照目标步距步进；

确定公式如下：

B＝M-[∑(J-(M+Q))]；

其中B为确定的步进梁下一步的目标步距，J为相邻两次第一位置的距离的差值，M为标准步距，Q为系统误差，∑表示以步进次数求和。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

设置在与钢坯运行方向垂直且靠近入料炉门的第二炉墙外侧的第二测距传感器，在所述第二炉墙的中心位置有孔，第二测距传感器通过所述孔将垂直于炉墙的信号波打到距离第二炉墙最近的钢坯上；

所述第二测距传感器，用于步进梁每步进一次，测量距离第二炉墙最近的钢坯的第二位置，并将第二位置发送到控制器；

相应的，所述控制器用于实时接收第二位置，根据接收的相邻两次第一位置的差值和相邻两次第二位置的差值确定步进梁的下一步目标步距，并控制步进梁按照目标步距步进；

确定公式如下：

B＝M-[∑(K-(M+Q))]；

其中B为确定的步进梁下一步的目标步距，M为标准步距，Q为系统误差，K为相邻两次第一位置的差值与相邻两次第二位置的差值取平均，∑表示以步进次数求和。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述控制器还用于：若步进梁步进预设步数后钢坯的第一位置与出炉悬臂辊道中心线之间的距离在预设范围内时，控制钢坯出炉，否则，控制步进梁步进所述距离值的步距，控制钢坯出炉。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，炉墙上的孔的孔径小于预设阈值。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述预设范围为步进梁标准步距的千分之一。

6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，在步进梁的液压缸的尾部设置有挡铁，在挡铁的两侧分别设置第一位置检测开关和第二位置检测开关；

所述控制器用于在步进梁步进的过程中，当挡铁在第一位置检测开关和第二位置检测开关之间运动时，参考步进梁的速度时间曲线控制步进梁的运动速度。

7.一种步进式加热炉步进梁步距精确控制方法，其特征在于，所述方法包括：

步进梁每步进一步，测量距离第一炉墙最近的钢坯的第一位置，第一炉墙为与钢坯运行方向垂直且靠近出料炉门的炉墙；

根据相邻两次第一位置的差值确定步进梁下一步的目标步距，并控制步进梁按照目标步距步进；

确定公式如下：

B＝M-[∑(J-(M+Q))]；

其中B为确定的步进梁下一步的目标步距，J为相邻两次第一位置的差值，M为标准步距，Q为系统误差，∑表示以步进次数求和。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

步进梁每步进一步后，测量距离第二炉墙最近的钢坯的第二位置，第二炉墙为与钢坯运行方向垂直且靠近入料炉门的炉墙；

根据接收的相邻两次第一位置的差值和相邻两次第二位置的差值确定步进梁的目标步距，并控制步进梁按照目标步距步进；

确定公式如下：

B＝M-[∑(K-(M+Q))]；

其中B为确定的步进梁下一步的目标步距，M为标准步距，Q为系统误差，K为相邻两次第一位置的差值与相邻两次第二位置的差值取平均，∑表示以步进次数求和。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：若步进梁步进预设步数后钢坯的第一位置与出炉悬臂辊道中心线之间的距离在预设范围内时，控制钢坯出炉；

否则，控制步进梁步进所述距离值的步距，控制钢坯出炉。