PC钢棒热处理生产线自动控制系统 - 文章

PC钢棒热处理生产线自动控制系统

作者：浙江大学包辉熊爱明赵荣祥

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【摘要】：本文介绍了钢棒热处理生产线的构成及运行原理，阐述了控制系统的组成及其所采取的控制手段。对系统的自适应能力进行了详细的论述与说明，给出了推导公式和结论。并给出了控制系统的软件设计与流程图。最后对本系统所生产出的PC钢棒的力学性能进行了分析，并给出了结论。
【关键词】：钢棒热处理 PLC

PC钢棒是一种低碳合金钢热处理高强度预应力混凝土用钢筋，它主要应用于制作港口混凝土管桩、高层建筑地基混凝土管桩、桥墩混凝土管桩等。随着国民经济的快速增长，PC钢棒的市场在不断的扩大，PC钢棒的品种和规格也越来越丰富。由于传统的PC钢棒生产线存在的局限性已适应不了这种变化，为了改进目前PC钢棒生产线这种状况，本文系统地阐述了一种新型的，聚灵活性与可靠性于一体的钢棒热处理生产线自动控制系统。该套自动控制是浙江大学三伊公司开发的，现已投入运行。

1 钢棒热处理生产线的构成

1．1系统构成

本文所阐述的钢棒热处理生产线是一种流水线型的系统。系统框图如图（1）所示。系统可分成4个部分：电气传动，感应加热，控制台，数据采集和其它一些附属设备。电气传动部分共由5台电机（2台压送机，1台牵引机，2台收线机）组成，每台电机均采用ABB公司提供的变频器来驱动；感应加热部分由4台感应加热机（2台中频电源，其中1#中频电源的功率为P1=250KW,4#中频电源的功率为P4=160KW。2＃、3＃电源超音频电源，功率分别为P2=100KW和P3=160KW）组成。1#测温仪用于测量淬火温度，2#测温仪用于测量回火温度，张力检测仪对PC钢棒所受的张力进行检测，最后是PC钢棒的剪切和分线。控制台是整条生产线的主控台，由Simens系列PLC和触摸屏(TP27)共同对生产线进行监控。

1．2运行原理

正常运行时，钢棒从送线处开始，以一定的线速度在牵引机的牵引下，由压送机1，矫直机1和矫直机2，压送机2，送入图1中的前3台电源完成PC钢棒的淬火处理达到一定的淬火温度，经过水冷，至最后一台电源完成PC钢棒的回火处理，达到一定的回火温度，再经过水冷后，由收线分配器分线送入相应的收线机收线。在收线中，收线机的角速度则随着收线盘直径的增大而减小。系统采集和发送来的信号全部送至控制台，经过PLC的相应处理后进行相应的控制。

2 控制系统

2.1电气传动的速度控制

本系统要完成5台电机各自的速度控制及5台电机间的速度协调控制。5台电机调速均采用变频器，且由PLC进行速度给定，速度稳定性和精度均得到满足。为使5台电机协调运转，必须使5台电机带动的辊轮具有相同的线速度。电机的转速与辊轮的线速度存在着比例关系，即Vm=kVgl(其中Vm为电机转速，Vgl为辊轮转速), 在触摸屏上调整相应的速度系数k即可使得每台电机带动的辊轮具有相同的线速度，从而使得5台电机能够协调运行。

2.2 温度闭环控制

温度闭环控制主要是在系统正常运行时保证PC钢棒的淬火温度和回火温度，1#测温仪和2#测温仪测量的数据送回PLC，与给定的淬火温度和回火温度比较，根据实际温度与给定温度之差，经PI控制环节，求出控制量，调节3#超音频电源的功率，使淬火温度得到满足，调节4#中频电源的功率，使回火温度得到满足。

2.3张力闭环控制

张力闭环控制与温度闭环控制一样，张力检测仪检测到的张力信号送到PLC，与给定张力比较，根据实际张力与给定张力之差，经PI控制环节，求出控制量，调节牵引机的速度，使牵引机与矫直机之间的PC钢棒张力得到满足。

2.4自动分线

自动分线系统完成PC钢棒热处理生产线的自动收线工作。当收线机1的线满时，剪切机剪断钢棒线，当PLC检测到剪切信号时，由于该时刻收线机2处于静止状态，所以PLC控制变频器完成对收线机2的升速，使其达到整条生产线的线速度，并使收线机1停转同时送出信号使收线分配器动作，将后面生产出的线分配给收线机2进行收线，从而完成了一个自动分线过程，如此循环反复。

2.5系统自适应能力

整条PC钢棒热处理生产线要加工7~13mm不同规格的钢棒，不同的产品有不同的工艺参数要求，这就要求有不同的感应加热电源功率给定和电气传动速度。当我们知道一种型号的PC钢棒的运行参数时，便可计算出其它型号的PC钢棒的运行参数。例如，当我们知道Φ9.0mm的PC钢棒以V (m/min)的速度，给定功率P(KW)运行时，下次如果运行Φ7.1mm的PC钢棒时，系统将根据需要给出适合于Φ7.1mm的运行参数，具体计算如下。

以运行速度V为自变量（保持功率不变）时，

其中L —感应加热炉长度；
Φ —PC钢棒的直径；
P —电源的给定功率 P＝C1P1＋C2P2＋C3P3(C1，C2, C3为电源功率的分配系数)；
c —钢棒的比热系数；
η —感应加热电源的效率（在功率变化不大的情况下可视为常数）；
∆T—正常运行时3＃超音频电源出口处的PC钢棒的終值温度与初始温度的差值；
ρ —钢棒的密度。

由（2）式知，在感应加热电源功率给定和∆T不变的情况下，运行速度与PC钢棒直径的平方成反比，所以由（2）式可得Φ7.1mmPC钢棒的运行速度V_Φ7.1。

由（3）式知在运行速度和∆T不变的情况下，感应加热电源功率给定与PC钢棒的直径平方成正比，所以由（3）式可得Φ7.1mm PC钢棒所需运行功率P_Φ7.1。

对于同一型号的PC钢棒要改变运行速度，必须同时改变给定功率，即由（1）式得：

从上式可以看出对于同一型号的PC钢棒给定功率与运行速度成正比。

由（2），（3），（4）式，或这三个公式的组合即可运算得到各种运行参数，对于4＃中频电源功率及出口处的温度也用同样的方法进行控制。对于系统中存在的误差，例如，当功率变化较大时感应加热电源的效率η就不能视为常数，其它如环境温度等所造成的误差可由2.2节所述的温度闭环控制及感应加热电源功率自闭环来进行补偿。在运行时如对运行参数不满，还可在触摸屏上进行在线修改。同时本套系统还提供对不同规格、不同工艺参数的钢棒所需的运行参数存档。当要生产某种同类钢棒时，只要调用相应的运行参数即可。

2.6系统的可靠性

系统对整条生产线进行监控，当系统出现故障时（如传动故障或感应加热电源故障），故障信号送至PLC进行处理并给出实时报警，同时对系统的故障类型进行记录存档，可以在触摸屏上进行查阅。这样有效保证了系统的可靠性，可以及时对出现的故障进行处理。

3 软件设计与流程

根据设计思路，进行程序编制。程序分点动和自动两部分。S7－300系列PLC丰富的功能指令和符号寻址方式大大方便了编程。在程序中应用了A/D转换的数字滤波、PI控制、功能块、功能、数据块、和TP-27的通信接口等功能，充分体现了PLC功能控制的特点，使得整个系统的程序简捷、直观。自动程序流程图如图2所示。

图2 自动程序流程图

4 PC钢棒结果分析

为了检测所生产出来的PC钢棒质量，我们对1570MPa高强度PC钢棒进行采样分析，从检测结果（表1所示）可以看出，本套系统生产的PC钢棒的力学性能指标均达到并超过国家标准，说明该控制系统能够满足PC钢棒的质量要求。

5 结束语

本系统已成功的得到应用，取得了良好的效益，同时，此条生产线也是国内自己生产的第一条PC钢棒热处理自动控制生产线，填补了国内的空白，使PC钢棒热处理生产线由原来的手动状态实现了自动控制。实践也再次证明该自动控制系统具有良好的自适应性和可靠性。

【参考文献】：
【1】周和敏 PC钢棒热处理工艺研究[J] 金属热处理，2000，（10）：17-20

作者简介：
包辉（1979－），男，浙江大学国家电力电子工程研究中心硕士，主要从事电力电子传动与运动控制的研究与开发。导师
赵荣祥（1962－）教授，博导，浙江大学国家电力电子工程研究中心主任，主要从事电力电子传动与运动控制，感应加热电源的研究与开发。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/30/2005)


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