專利名稱：提高跟蹤系統控制精度保證中厚板淬火性能穩定性的方法
技術領域：
本發明屬于鋼鐵熱處理技術領域，特別是提供了一種提高跟蹤系統控制精度保 證中厚板淬火性能穩定性的方法，適用于使用無氧化輥底式爐及淬火機進行中厚板淬火 生產領域。
背景技術：
目前，國內中厚板廠普遍采用無氧化輥底式爐及爐后的淬火機進行離線淬火處 理，淬火時鋼板入水前的實際溫度、淬火噴水時間及水量是保證鋼板各部性能穩定的前 提，但是在特厚板及低輥速淬火實際生產過程中，常出現當前鋼板頭尾性能不穩定現象。據分析，目前公知的輥壓式淬火機都是采用集管式，分高、低壓兩部分，又細 分為20個能夠單獨控制流量的小控制區，通常高壓區占14個，低壓區占6個(沿淬火機 長度方向上下布置，各3個)。當鋼板入爐前放置在爐前輥道固定的位置時，對應建立鋼 板影像，影像位置由程序按爐輥電機轉動方向及轉動速度進行累計計算獲得，每根爐內 輥都是單獨的變頻器控制單獨的電機傳動的，被一個鋼板影像占用的輥道，運動方向一 致。實物鋼板到達光柵時，光柵被觸發進行鋼板影像頭、尾位置的修正，程序自動按影 像位置控制爐門的開啟、在爐內各加熱區內各個燒嘴的點燃關閉以及淬火機各部流量控 制區閥門的開閉。由于鋼板入爐后無法觀測實物，影像與實物是否完全吻合也無法觀測，對于特 厚板，在爐加熱時間長、在爐內擺動運行，速度較慢(擺動速度2-3m/min，平均速度 0.2-0.7m/min),升溫也較慢，冷鋼板與爐底輥之間易打滑，或個別爐輥暫時發生停轉， 都會造成影像與實物偏離，實物滯后于影像，同時，鋼板入爐前長度通常留有一定的正 差(200 300mm)，通常情況下，影像與實物偏離可通過爐內的光柵進行鋼板位置的 修正，但當偏差超過光柵調節范圍(0.8-1.2m)時就無法修正了，同時由于爐內光柵布置 間距較大，通常為15-20米，實際鋼板通常會在被光柵修正之前與影像脫離很遠(1 2m),而PLC控制系統根據在爐各個鋼板影像位置控制對應的輥道進行正反轉時，就會 發生輥道分組控制的沖突，導致爐內輥道得到正轉控制信號，而被實際鋼板帶動反轉， 反饋信號與控制信號不一致，爐內輥報警停轉的問題，由于爐內燒嘴控制采用跟蹤鋼板 頭尾位置，優先點燃被鋼板占用的燒嘴這樣的控制方法，這種時間長、距離長的實物和 影像脫離，必然會導致鋼板在熱處理爐內的加熱達不到預期效果，鋼板在爐加熱時就會 出現頭尾溫差大的情況。而鋼板出熱處理爐進入淬火機后，跟蹤系統按影像位置控制高 底壓區閥門開/閉時間，由于跟蹤誤差，會造成鋼鋼板尾部未出淬火機而高壓區提前關 閉，這樣會造成鋼板尾部冷卻不足，嚴重時尾部比頭部強度低30-50Mpa。影響淬火性能的另一個問題就是，對于大線能量焊接及低焊接裂紋敏感性鋼， 為了保證焊接性能，要求較低的碳當量，為了獲得淬火后性能，即使鋼板薄也要很低的 淬火機輥速，如厚度30mm鋼板采用1.5m/min淬火機輥速，鋼板進入淬火機時鋼板尾部溫度要下降約30°C左右，造成這種現象主要是因為薄鋼板在爐內運行速度較快，但當 鋼板到溫運行至爐尾時，觸發爐尾的光柵，這時程序會調整輥道速度，使之與淬火機輥 速同步，但是，鋼板距離淬火機第一道噴水管還有一段距離，所以薄板采用低輥速淬火 時，尾部強度常常會略低于頭部。
發明內容
本發明的目的在于提供一種提高跟蹤系統控制精度保證中厚板淬火性能穩定性 的方法，解決了特厚板(100mm以上)影像與實物偏離過大導致的加熱控制下頭尾溫差大 以及薄鋼板采用低輥速淬火時入水前產生溫降而引起的淬火后強度不穩定問題。本發明的主要創新點是在爐內增加4組光柵(一組光柵由一個光柵發射端和一個 光柵接收端組成，實現對爐內鋼板的檢測)，并縮小光柵修正范圍，提高特厚板在爐跟蹤 控制精度，保證加熱效果，同時保證淬火時跟蹤鋼板頭尾位置的偏差控制在淬火機各區 閥門控制允許的范圍之內，針對速度SlOm/min低輥速淬火，調整爐內輥道與淬火機輥道 速度同步的觸發點，使鋼板距離淬火機噴水管近時開始同步，減少鋼板溫降。本發明基于S7-400PLC構建的自動化網絡，該網絡以S7-400的中央處理器模塊 為網絡主站，以現場ET200模塊、輥道變頻器、燒嘴控制器為網絡子站，通過profibus工 業現場總線及其協議實現互聯，將現場設備、傳感器的狀態讀入中央處理器，經過中央 處理器內部的程序邏輯控制，輸出控制信號，控制現場執行器執行自動控制動作。技術 方案如下1、修改pic程序(1)在爐內增加4組光柵，將增加的4組光柵的信號，引入pic程序中 FC1002 "photocell treatment"功能塊，在程序中判斷光柵信號的狀態，光柵觸發信號 PC[X]_in、光柵強制信號PC[X]—op—sel—free、光柵故障信號PC[X]_fault，X對應17組光
柵(光柵的對應序號為1、2、3，…，16、17，其中1-13為原有的13組光柵，14-17為 新增的4組光柵)；本發明中所有的17組光柵均為對射式光柵，一組光柵由一個光柵發 射端和一個光柵接收端組成，當光柵被遮擋時，實現對爐內鋼板的檢測；(2)在FC411 "correct_plate_pos"功能塊中，啟用后增加的4組光柵修正鋼板位 置的功能，在FC411功能塊中，pic程序用循環語句循環掃描所有在線鋼板的頭尾位置絕 對值，判斷所有這些頭尾位置值與1 17組光柵里哪一組的距離最接近，并在光柵被觸 發時對鋼板進行位置修正，限定修正范圍為lm，偏差超過該范圍不進行鋼板位置修正；在FC1000 "fix data"功能塊中，將后增加的4組光柵的現場實測的絕對位置 值編寫進程序中；熱處理爐上料輥道、爐內輥道、淬火機輥道、下料輥道，爐本體各個 燒嘴的位置、全部17組光柵的位置，通過實際測量，均定義為沿X軸的絕對數值(單位 是m)，譬如，其中PCl (上料輥道前布置的第一組光柵)的值為定義為0.0，上料輥道第 一根輥道的值0.975，爐內輥第一根輥道的值實測為40.770，淬火機輥道第一根輥道的值 實測為98.940，下料輥道第一根輥道值實測為124.120，下料輥道最后一根輥道值實測為 147.055。鋼板在爐時，鋼板的頭、尾位置也定義為絕對數值，頭部位置數值減去鋼板長 度即為尾部位置數值，鋼板的頭、尾位置數值在由跟蹤PLC程序中FC1007 "plate loop" 功能塊實時、動態的計算得出，所有輥道均為獨立變頻器單獨傳動，并配有編碼器，程序的計算依據是，以安裝在生產線上的17組對射式光柵(本項發明中增加4組光柵后， 總數由13組光柵變為17組光柵)及所有輥道絕對坐標值為基礎，判斷鋼板占用輥道的最 后3根輥子(鋼板影像長度覆蓋的輥道定義為鋼板占用的輥道；靠近鋼板頭部的3根輥 道，在鋼板前進時定義為最后3根輥道；靠近鋼板尾部的3根輥道，在鋼板后退時定義 為最后三根輥道)，取這三根輥子的速度取平均，以20 IOOms (此單位為變頻器通訊速 率，需要與變頻器中設置一致)為最小時間單位進行運動距離的累加，并將此距離賦給 鋼板，得到頭部位置，尾部位置為頭部位置減去鋼板實際長度(實際長度在上料測長過 程中測出)得到，頭尾位置在pic計算過程中產生的累積偏差(鋼板慣性、打滑、個別輥 道停轉等)，由位置固定的光柵進行修正，光柵信號上升沿或者下降沿觸發時，修正鋼板 頭部或者尾部位置為光柵所在位置的絕對坐標值。(3)增加淬火鋼板出爐速度同步觸發點的邏輯判斷基于以上鋼板在爐跟蹤控制原理，修改pic程序，在FC1007 "plate loop"功能
塊中增加邏輯判斷，使鋼板在爐加熱結束，出爐準備淬火時，當鋼板頭部與淬火機入口 光柵PCll距離為1.5m 1.8m時，進行爐內輥道和淬火機輥道的速度同步，鋼板運輸速 度降低到淬火機設定速度(根據工藝設定低于lOm/min時)，當鋼板頭部觸發pell時， 進行鋼板頭部位置修正，以消除由于鋼板突然減速產生的慣性以及輥道電機變頻器反饋 給pic的實際速度在減速斜坡時間內進行累積計算時產生的積累偏差。2、修改熱處理爐跟蹤主操作界面增加顯示新增的4組光柵，對應其安裝位置，實時顯示信號狀態(空閑、觸發、 強制、報警)，點擊每個光柵標志，都會在彈出的對話框內附帶著時間距離最近的一塊被 該光柵修正的鋼板的板號信息及實際被修正的偏差數值。
圖1為對射光柵安裝示意圖，光柵發射端1、帶石英玻璃擋片的鋼制埋件2、熱 處理爐爐墻3、鋼板4、爐內輥5、光柵接收端6。圖2為光柵平面布置示意圖，上料輥道7、熱處理爐8、淬火機9、下料輥道 10、原有的6號光柵11、新增的14號光柵12、新增的15號光柵13、原有的7號光柵14、 新增的16號光柵15、原有的8號光柵16、新增的17號光柵17、原有的9號光柵18、原 有的11號光柵19。圖3為新增光柵信號處理以及界面顯示流程示意圖。圖4為跟蹤精確控制流程示意圖。
具體實施例方式圖1、圖2、圖3、圖4為本發明的一種實施方式。如圖1、圖2所示，在熱處理爐內增加4組對射光柵，其中新增的14號光柵12、 新增的15號光柵13安裝在原有的6號光柵11和原有的7號光柵14之間，位置分別為 1/3間距處，2/3間距處；新增的16號光柵15安裝在原有的7號光柵14和原有的8號光 柵16，位置為1/2間距處；新增的17號光柵17安裝在原有的8號光柵16和原有的9號 光柵18之間，位置為1/2間距處；
如圖3所示，將4組光柵的24v反饋信號通過數字量模塊，引入跟蹤pic中的 FC1002功能塊；在Wincc服務器中運行的工程里，在跟蹤主操作界面增加4個光柵的狀 態顯不；如圖4所示，新增4組光柵的實際位置存入功能塊FC1000中；FC1007功能塊 調用FC1000，并讀取輥道變頻器實際速度，實時計算爐內鋼板影像的頭尾位置，該計算 的頭尾位置通過FC411功能塊的位置修正，修正值返回給FC1007功能塊，繼續實時輸出 計算的頭尾位置，實現特厚板在爐的跟蹤精確控制。當計算頭尾位置到達原有的11號光柵19前1.5 1.8m處時，工藝設定的淬火 速度同時發送給淬火機輥道變頻器和爐內輥道變頻器，實現速度同步，由于速度同步推 遲，縮短了薄鋼板出爐時間。鋼板頭部經過11號光柵，頭部位置被原有的11號光柵19 修正。
權利要求
1.一種提高跟蹤系統控制精度保證中厚板淬火性能穩定性的方法，基于S7-400PLC 構建的自動化網絡，其特征在于，(1)修改pic程序包括在爐內增加4組光柵，將增加的4組光柵的信號，弓丨入pic程序中FC1002 “photocell treatment"功能塊，在程序中判斷光柵信號的狀態，光柵觸發信號PC[X]_in、光柵強制 信號PC[X]_op—sel—free、光柵故障信號PC[X]_fault，X對應原有的13組光柵以及新增的 4組光柵；一組光柵由一個光柵發射端和一個光柵接收端組成，當光柵被遮擋時，實現 對爐內鋼板的檢測在FC411 "correct_plate_pos"功能塊中，啟用后增加的4組光柵修正鋼板位置的功 能，在FC411功能塊中，pic程序用循環語句循環掃描所有在線鋼板的頭尾位置絕對值， 判斷所有這些頭尾位置值與1 17組光柵里哪一組的距離最接近，并在光柵被觸發時對 鋼板進行位置修正，限定修正范圍為lm，偏差超過該范圍不進行鋼板位置修正；在FC1000 “fix data”功能塊中，將后增加的4組光柵的現場實測的絕對位置值編寫 進程序中；熱處理爐上料輥道、爐內輥道、淬火機輥道、下料輥道，爐本體各個燒嘴的 位置、全部17組光柵的位置，通過實際測量，均定義為沿X軸的絕對數值，單位是m; 鋼板在爐時，鋼板的頭、尾位置也定義為絕對數值，頭部位置數值減去鋼板長度即為尾 部位置數值，鋼板的頭、尾位置數值在由跟蹤PLC程序中FC1007 “plateloop”功能塊實 時、動態的計算得出，所有輥道均為獨立變頻器單獨傳動，并配有編碼器，程序的計算 依據是，以安裝在生產線上的17組光柵及所有輥道絕對坐標值為基礎，判斷鋼板占用輥 道的最后3根輥子，取這三根輥子的速度取平均，以20 IOOms為最小時間單位進行運 動距離的累加，并將此距離賦給鋼板，得到頭部位置，尾部位置為頭部位置減去鋼板實 際長度得到，頭尾位置在pic計算過程中產生的累積偏差，由位置固定的光柵進行修正， 光柵信號上升沿或者下降沿觸發時，修正鋼板頭部或者尾部位置為光柵所在位置的絕對 坐標值；增加淬火鋼板出爐速度同步觸發點的邏輯判斷基于以上鋼板在爐跟蹤控制原理，修改pic程序，在FC1007 "plate loop"功能塊中增加邏輯判斷，使鋼板在爐加熱結束，出爐準備淬火時，當鋼板頭部與淬火機入口光 柵PCll距離為1.5m 1.8m時，進行爐內輥道和淬火機輥道的速度同步，鋼板運輸速度 降低到淬火機設定速度低于lOm/min時，當鋼板頭部觸發pell時，進行鋼板頭部位置修 正，以消除由于鋼板突然減速產生的慣性以及輥道電機變頻器反饋給pic的實際速度在減 速斜坡時間內進行累積計算時產生的積累偏差；(2)修改熱處理爐跟蹤主操作界面增加顯示新增的4組光柵，對應其安裝位置，實時顯示信號狀態空閑、觸發、強 制、報警，點擊每個光柵標志，都會在彈出的對話框內附帶著時間距離最近的一塊被該 光柵修正的鋼板的板號信息及實際被修正的偏差數值。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，沿X軸的絕對數值是指PCl上料輥 道前布置的第一組光柵的值為定義為0.0，上料輥道第一根輥道的值0.975，爐內輥第一 根輥道的值實測為40.770，淬火機輥道第一根輥道的值實測為98.940，下料輥道第一根 輥道值實測為124.120，下料輥道最后一根輥道值實測為147.055。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所有的17組光柵均為對射式光柵。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的最后3根輥子是指鋼板影像長 度覆蓋的輥道定義為鋼板占用的輥道；靠近鋼板頭部的3根輥道，在鋼板前進時定義為 最后3根輥道；靠近鋼板尾部的3根輥道，在鋼板后退時定義為最后三根輥道。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，頭尾位置在pic計算過程中產生的累積 偏差指鋼板慣性、打滑、個別輥道停轉的累積偏差。
全文摘要
一種提高跟蹤系統控制精度保證中厚板淬火性能穩定性的方法，屬于鋼鐵熱處理技術領域。在爐內增加4組光柵，并縮小光柵修正范圍，提高特厚板在爐跟蹤控制精度，保證加熱效果，同時保證淬火時跟蹤鋼板頭尾位置的偏差控制在淬火機各區閥門控制允許的范圍之內，針對速度≤10m/min低輥速淬火，調整爐內輥道與淬火機輥道速度同步的觸發點，使鋼板距離淬火機噴水管近時開始同步，減少鋼板溫降。優點在于，解決了特厚板影像與實物偏離過大導致的加熱控制下頭尾溫差大以及薄鋼板采用低輥速淬火時入水前產生溫降而引起的淬火后強度不穩定問題。
文檔編號C21D9/00GK102021313SQ201010232428
公開日2011年4月20日 申請日期2010年7月15日 優先權日2010年7月15日
發明者劉偉, 劉彥川, 劉曉輝, 張強, 王立堅, 田士平, 邱志宏 申請人:秦皇島首秦金屬材料有限公司, 首鋼總公司