辊底式热处理炉辊道传动控制模式的研究

第34卷第5期2010年9月冶金自动化METALLURGICALINDUSTRYAUTOMATIONVO134NO5SEP2010综述与评论辊底式热处理炉辊道传动控制模式的研究叶成龙，康大庆中冶赛迪工程技术股份有限公司自动化事业部，重庆401122摘要对辊底式热处理炉炉内辊道典型的传动控制模式进行了介绍和分析对比，对单独传动控制模式进行了重点介绍。单独传动控制模式具有辊道动态分组、坯料精确跟踪、辊道按需自动摆动等功能，在燃烧空间的利用率、提高产能、减低能耗等方面有很大的优势，为今后辊底式热处理炉传动控制的设计提供了思路和方法，符合“精准设计，精细控制”的发展方向，并可产生较好的经济效益，值得推广。关键词辊底式热处理炉；单独控制模式；动态分组；自动按需摆动中图分类号TG161；TM92151文献标志码A文章编号10007059201005000905STUDYONROLLERTABLEDRIVECONTROLFORROLLERHEARTHHEATTREATMENTFURNACEYECHENGLONG，KANGDAQING1AUTOMATIONDEPARTMENT，CHINAMETALLURGYSAIDIENGINEERINGTECHNOLOGYCO，LTD，CHONGQING401122，CHINAABSTRACTTYPICALDRIVECONTROLMODESOFROLLERTABLEINROLLERHEARTHHEATTREATMENTFURNACEAREINTRODUCEDANDANALYZEDSINGLEDRIVECONTROLMODEISDESCRIBEDINDETAILFUNCTIONSOFSINGLEDRIVECONTROLMODEINCLUDEDYNAMICGROUPINGOFROLLERTABLE，PRECISIONTRACKINGOFBILLET，AUTOMATICSWINGOFROLLERTABLEACCORDINGTONEEDANDSOONSINGLEDRIVECONTROLMODEHASSUPERIORITYINUTILIZATIONRATIOOFEOMBUSTIONSPACE，IMPROVEMENTOFYIELDANDDECREASEOFENERGYCONSUMPTIONITISDEFINITELYHELPFULTOFUTUREDRIVECONTROLDESIGNFORTHISKINDOFFURNACE，ANDITISINACCORDWITHTHEDIRECTIONOFTHE“PRECISIONDESIGN，FINECONTROL”，ITCANBRINGGOODECONOMYBENEFITS，ANDISWORTHTOPOPULARIZEKEYWORDSROLLERHEARTHHEATTREATMENTFURNACE；SINGLECONTROLMODE；DYNAMICGROUPING；AUTOMATICSWINGACCORDINGTONEED0引言辊底式热处理是在高端中、宽厚板产品生产过程中不可或缺的重要工艺，在产品试制和新产品开发中占有非常重要的地位。目前国内在这个领域内已经有了很大的技术进步，但是对辊底式热处理炉辊道的传动控制水平，还有进一步提高的必要。本文以一个典型的工艺流程为例，介绍和分析辊底式热处理炉的辊道传动控制。图1所示为典型的辊底式热处理炉的辊道传动工艺流程。图中，辊底式热处理炉由113根22KW电动机单独驱动的辊道构成炉内辊道，炉外辊道是集中传动的辊道；每根辊道间距为580MM，需热处理的板坯长度规格为2612M之间。1传动控制的3种模式辊底式热处理炉炉内辊道现有的传动控制模式主要分为3种集中传动控制模式、单独传动控制模式和混合传动控制模式。3种模式的比较见表1。对辊底式热处理炉来说，对炉内辊道控制水平的高低直接关系到辊底式热处理炉空间利用率的高低，生产节奏的快慢，产品的质量以及单位产品的能耗高低。此外，还影响到生产的灵活性、收稿日期20100305；修改稿收到日期2010071L作者简介叶成龙1970，男，重庆人，高级工程师，主要从事冶金行业电气设计工作。10冶金自动化第34卷PG0LLMDOLLMD02LMDO3LMD4口口口炉门开炉门保护跟踪修正A1辊道集中传动。坯料运行方向LMD05口跟踪修正B1B113炉内单独传动辊道113根后前图1辊底式热处理炉的辊道传动典型工艺流程图FIG1TYPETECHNICSDRAWINGOFROLLERHEARTHHEATTREATMENTFURNACE表1辊底式热处理炉辊道传动控制模式的比较TABLE1COMPARISONAMONGDIFFERENTDRIVECONTROLMODESOFROLLERHEARTHHEATTREATMENTFURNACE安全性、操控的方便性以及生产信息的完整性等。下面对这3种模式进行分别介绍2集中传动控制模式集中传动控制模式分为机械集中传动和电气集中传动控制两大类。机械集中传动是用一台大的电动机通过机械结构的连接来驱动多台辊道。电气集中传动控制是指在机械设备采用单台电动机驱动单台辊道的情况下，选用一台大的变频装置对相邻的多台辊道电动机一起进行传动控制。集中传动控制模式的控制技术相对成熟并简单实用。但是有以下缺点采用这种控制模式灵活性很低，浪费大空间，存在短坯料占用大空间的现象，不能最大限度地提高产能和生产节奏。以图1的典型生产工艺为例。在辊道间距为580MM，最长坯长度为12IN的情况下，每组集中传动控制的辊道数量为12058207根，也就是说，大约21或22根相邻的辊道电动机被分成一组进行控制。在这种情况下，如果生产的是26M的短坯料，那么这么短的一块坯料也要占用整组辊道的12IN空间，显然是不经济的。21辊道分组及变频装置设置在集中传动控制模式下，热处理炉内的辊道根据工艺要求按最长坯料的长度进行分组，因此变频装置的数量是最少的。以上述典型项目为例，炉内辊道数量113根，由此可以把整个炉内辊道分为5组，每组约22根或23根辊道。相应设置5组变频装置。22炉内跟踪定位检测元气件设置在确定好辊道分组和变频装置的数量后，就可以确定炉内跟踪定位检测元气件的设置了。通常在每组辊道的分断处需要设置1个跟踪用的光栅检测器。电气集中传动辊道通常不设置编码一洲一一一洲嘟_二二T_二二二亘二二二二丫丁U第5期叶成龙，等辊底式热处理炉辊道传动控制模式的研究器，但为提高速度控制精度，也可以每段辊道设置1台编码器。以典型项目为例，根据21节的分组，可以设置516台光栅检测器，不设置或设置5台编码器。23炉内辊道控制在集中传动控制模式下，炉内辊道控制相对简单。自动化系统根据检测元件的ONOFF信号和辊道占有信号等，对辊道的运行进行自动控制。当坯料到达出料端但不能满足出炉条件时，辊道及其上的坯料需要反复正反转摆动，摆动时，通常全炉辊道同时正反转摆动。当前面1组辊道上停有坯料或坯料正在向前运行时，后面1组辊道需停止等待前面1组辊道上无坯料后才能继续向前运行。3单独传动控制模式单独传动控制是指所有的炉内辊道都是采用一台单独的电动机来驱动一台辊道；同时采用一台单独的变频传动装置来控制一台电动机。采用单独传动控制模式的特点是控制技术比较复杂，辊道控制复杂但相对灵活；坯料跟踪信息丰富但难度较大；空间利用率可以最大化；生产节奏可以大幅度提高。以图1媳型生产工艺为例。在工艺条件不变，最短坯长度为26M的情况下，采用合适的控制技术，可以将辊道按坯料长度自动分组。在这种情况下，如果生产的是26M的短坯料，这么短的一块坯料占用辊道的数量约为26058155，即6根辊子，占用的空间约为348M；如果生产的是12M的长坯料，这么长的一块坯料占用辊道的数量约为120581217，即22根辊子，占用的空间约为L276M。显然在单独传动控制模式下，解决了短坯料占用大空间的现象，最大限度地提高了产能和生产节奏。31辊道分组及变频装置设置在单独传动控制模式下，热处理炉内的每台辊道设置1台电动机，每台电动机对应设置1台变频装置。因此变频装置的数量是最多的。以典型项目为例，炉内辊道数量113根，相应地需要配置113台变频装置。32炉内跟踪定位检测元气件设置在单独传动控制模式下，通常在每根辊道对应的电动机上设置1台编码器，用于速度控制和位置跟踪。光栅设置可以根据需要，每间隔30M左右设置1个，用于位置跟踪的精度修正。以图1为例，按每间隔30M左右设置1个检测器考虑，可以设置大约4台光栅检测器，设置113台编码器。33炉内辊道控制在单独传动控制模式下，炉内辊道控制相对复杂。331动态分组辊道分组非常灵活，根据将要人炉和已经入炉的坯料长度，对辊道进行自动分组。采用1辊道分组技术，即已经人炉的坯料数量为，则辊道分为，V1组。之所以要加1，是因为对没有被坯料占有的其他辊道，统一设置为1组辊道进行控制。已经在炉内的坯料，根据坯料长度和辊道间距，算出需要占有的G根辊道数量，同时把这G根辊道相邻的前1根和后2根辊道，即G3根辊道，作为1组辊道进行动态控制。动态分组时，辊道数量与坯料关系如图2所示。后运行方向前图2动态分组时的辊道数量和坯料长度关系FIG2RELATIONSHIPBETWEENTHEROLLERNUMBERANDBILLETLENGTH332分组辊道重叠和共有辊道速度覆盖图3所示为辊道动态分组重叠示意图。采用“前1后2”的方式后，有可能在2组相邻辊道间的1根辊子既属于前1组辊道，同时又属于后1组辊道。在这种情况下，我们采取了速度覆盖的方法进行处理。基本思想是以前一组辊道速度为准。即先分配装炉侧方向辊道速度，再分配出炉侧方向辊道速度，以出炉侧方向辊道的速度对装炉侧方向的辊道速度进行覆盖。这样在程序的每个扫描周期，都是以在该重叠辊道的出炉侧方向的1组辊道的速度为准。这样做的优点是当后面钢板速度大于前面钢板速度时，可以让后面钢板减速，防止钢板在炉内碰撞，有利于控制前L2冶金自动化第34卷后运行方向前所有空辊道为1组坯料头尾间距大于设定最小值E竺L。_J囝国国国画炉辊道分组第肘2匀E固画画囝炉辊道分组第ML卜E互二二画画固囝固晕L入炉辊道分组第肘组L这根辊子重叠归属前面1组图3动态分组时的辊道分组重叠示意图FIG3OVERLAPHINTDRAWINGWHENTHEDYNAMICGROUPINGROLLER后相邻钢板的间距。333最小头尾间距控制考虑到辊道控制的安全性，为防止前后两块相邻钢板头尾碰撞，对两块相邻钢板头尾的间距必须设置最小间距控制。当跟踪显示前后2块相邻钢板头尾间距不大于最小头尾安全间距的设定值时，前后2段辊道的速度同步，后面1段辊道的速度以前面1段辊道的速度运行，防止碰撞。在摆动时不论向前还是向后，这2段相邻辊道的控制作为1段来控制。334自动按需摆动当坯料到达出料端但不能满足出炉条件时，辊道及其上的坯料需要进行反复正反转摆动。摆动时，不需要全炉辊道一起正反摆动，可以只摆动相关的前面几组辊道。对后面辊道来说，只要上面的坯料与前面1组的间距足够大，就可以继续前进。335坯料位置精确跟踪上述控制功能的核心是辊道的动态分组技术。为实现这个技术，必须以坯料位置的精确跟踪为基础，因此我们对每台辊道的传动控制分别采用带编码器的闭环控制。为实现坯料位置的精确跟踪，还必须考虑到炉内辊道辊径的热变化，根据跟踪位置和实际位置的偏差实时进行修正，这样坯料位置跟踪才能更精确。336其他控制功能在以上主要功能的基础上，由于单独传动控制具有的灵活性，因此还开发了一些辅助功能。1满空间加热控制技术。由于不同规格加热坯料在炉时间不同，因此如果后面的加热坯料在炉时间短，同时与前面一块坯料问的距离大于设定的最小间距，那么后面的坯料就可以向前快速运行，以增大加热空间，提高生产节奏和产能。2自动换规格控制技术。以前在加热坯料规格相差大时，需要腾空热处理炉，等待时间长，浪费能源高。而在单独传动的基础上，则可以实现自动换规格，不需要等待时间。4混合型传动控制模式混合传动控制是介于上面提到的集中传动控制和单独传动控制之间的一种传动控制模式。对部分影响生产节奏小、对空间利用率要求不高的地方，采用集中传动控制方式；对影响生产节奏大、对空间利用率要求高的地方，采用单独传动控制方式。通常对靠近装炉或出炉的区域，即炉前区和炉后区，可以采用集中传动控制模式，而对于中间段，则采用单独传动控制模式。混合模式下，如果单独传动的辊道长度太短，那么对产能和生产节奏的提高没有太多的帮助，因为其控制的灵活性受到很大的限制，反而增加了控制的难度。因此在采用这样的模式时需要和工艺专业技术人员共同研究可行性，一般除改造项目外，不推荐采用这种模式。由于混合模式只是对这两种模式的综合，因此可以参见前面的内容，这里不再赘述。5经济技术比较这里针对集中传动控制模式和单独传动控制模式进行比较。某厂改造前采用的是集中传动控制模式，2009年改造后采用了中冶赛迪工程技术股份有限公司开发的单独传动控制模式。从表2的对比可以看出，单独传动控制模式在各个性能参数上都有很大的提高。第5期叶成龙，等辊底式热处理炉辊道传动控制模式的研究13表2辊底式热处理炉改造前和改造后性能参数对比TABLE2COMPARISONOFFURNACEPARAMETERBEFOREANDAFTERREBUILD由表2可见，该热处理炉改造后，产量、质量和生产节奏等方面效果