一种热处理炉钢板位置跟踪控制方法及系统与流程

本发明涉及钢板热处理技术领域，尤其涉及一种热处理炉钢板位置跟踪控制方法及系统。

背景技术：

辊底式热处炉是对金属工件进行金属热处理的工业炉，对炉温、炉内气氛和炉内钢板的位置控制要求较为严格。在炉子整个长度方向每隔一定的距离安装一根辊子，物料在辊子上运行，炉内的温度一般从300～1150℃，为了防止炉内辊道的弯曲，炉内辊道必须不停的旋转；即便在炉子空烧或不出料时，也要用低速以每分钟0.5～1.5周的转速摆动或旋转。

对于需要进行热处理的钢板，辊底式热处炉对炉内钢板位置的跟踪要求及其严格，钢板从进炉到出炉，在炉时间从10几分钟到几个小时时间不等。炉内燃烧器的打开、关闭，打开时所需控制的温度多与少均与钢板在炉内的位置不同而有所差异。这是热处炉对金属工件进行热处理质量保证的基础，同时可为二级数学模型计算和钢板温度计算提供有力保证。为了达到这一目标，要求对炉内钢板跟踪必须精准和所有辊道变频器进行精确矢量控制，特别是加减速斜坡函数的应用。否则，很难控制炉内钢板在炉内跟踪的准确性。

目前，工程上通常采用变频器自带的线性斜坡函数，配合变频器矢量控制来完成，对于大负载大惯性的物件来说，变频器自身根据惯性会自动延长斜坡函数的时间，这样就造成钢板在炉内跟踪和实际位置产生误差。由于炉体整体长度较长(一般为70～100米)，如果钢板在炉内运行时间较长，累计误差不可估量。

在西门子6SE70和现在已经广泛使用的S120矢量变频器，其斜坡函数默认为线性函数，无法简单快速解决在辊道高速启动和高速停止时的抖动。

虽然在其参数中提供了斜坡函数发生器初始圆弧时间和终止圆弧时间。但是，对于如此精度较高和变频器数量较大的位置控制，造成了在调试期间无法精确快速调试，在进行微量调整方面变频器也显示出力不从心的状况，其调整时间为秒。另外，在辊底式热处理炉的应用中，炉内变频控制器使用数量都在150台左右，如果要达到我们控制精度要求，其工作量也是巨大的。

技术实现要素：

为克服现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种热处理炉钢板位置跟踪控制方法，其可控制多个独立的炉外辊道和炉内辊道的电机变频器，使其在输出时按照事先设定好的S型曲线加速斜坡函数方程和S型曲线减速斜坡函数方程进行变化，克服了炉内辊道在加速和减速时对钢板的冲击。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种热处理炉钢板位置跟踪控制方法，其包括：

编写斜坡函数控制程序及S型曲线加速斜坡函数方程和S型曲线减速斜坡函数方程计算程序，并下装到PLC控制器；

炉门开启，根据所述S型曲线加速斜坡函数方程确定炉外上料辊道的电机频率，钢板进入热处理炉内；

当入炉检测器检测到炉内钢板的尾部时，根据S型曲线减速斜坡函数方程确定钢板所在区域的辊道的电机频率，降低钢板所在区域的辊道速度，以使得钢板在炉内低速移动；

当出炉检测器检测到炉内钢板的头部时，根据S型曲线加速斜坡函数方程确定钢板所在区域的辊道的电机频率，提高钢板所在区域的辊道速度，以使得钢板高速出炉。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述S型曲线加速斜坡函数方程包括两个tA1时间段对应的加速曲线和tA2时间段对应的加速直线，具体方程为：

其中，y为电机频率，Frs为电机额定频率，t1为加速总时间，0～X1为初始tA1时间段内对应的时间点，X1～X2为tA2时间段内对应的时间点，X2～t1为余下tA1时间段内对应的时间点。

进一步，所述S型曲线减速斜坡函数方程包括两个tA1时间段对应的减速曲线和tA2时间段对应的减速直线，具体方程为：

其中，y为电机频率，Frs为电机额定频率，t1为减速总时间，0～X1为初始tA1时间段内对应的时间点，X1～X2为tA2时间段内对应的时间点，X2～t1为余下tA1时间段内对应的时间点。

进一步，当炉内钢板需后退移动或在后退移动后再前进时，根据S型曲线减速斜坡函数方程和S型曲线加速斜坡函数方程确定钢板所在区域的辊道的电机频率。

进一步，依据编码器反馈的炉内辊道的速度计算该钢板在炉内的理论位置，根据炉内检测器的检测信号确定钢板在炉内的实际位置；根据钢板在炉内的理论位置和实际位置的差值调整钢板所在区域的辊道速度，使得计算的钢板在炉内的理论位置与实际位置一致。

进一步，若炉内的钢板数量大于2，计算在钢板移动方向上前后相邻钢板的位置间隙，若所述位置间隙小于预设安全间隙，降低后一块钢板的运行速度。

进一步，所述入炉检测器和所述出炉检测器为激光检测器或红外线检测器。

本发明还提供一种热处理炉钢板位置跟踪控制系统，其包括：

多个炉内检测器，其间隔固定在热处理炉中，用于检测炉内钢板的实际位置并触发信号；

PLC控制器，用于根据S型曲线加速斜坡函数方程确定炉外上料辊道的电机频率，启动炉外上料辊道；并用于根据炉内检测器的触发信号，基于S型曲线加速斜坡函数方程和S型曲线减速斜坡函数方程设定炉内钢板所在区域的辊道的电机频率。

进一步，还包括：

编码器，用于检测炉内辊道的速度；

第一计算模块，用于根据编码器反馈的炉内辊道的速度计算该钢板在炉内的理论位置；

第二计算模块，用于根据钢板在炉内的理论位置和根据炉内检测器的检测信号确定的钢板在炉内的实际位置，计算调整后的钢板所在区域的辊道速度。

与现有技术相比，本发明提供的热处理炉钢板位置跟踪控制方法和系统，其可控制多个独立的炉外辊道和炉内辊道的电机变频器，使其在输出时按照事先设定好的S型曲线加速斜坡函数方程和S型曲线减速斜坡函数方程进行变化，避免了炉内辊道在开始启动或停止时的抖动现象，克服了炉内辊道在加速和减速时对钢板的冲击；另外，在放置大惯性负载时，电机变频器为了防止直流母线电压过高可自动调整减速时间，减少钢板在炉内辊道上打滑的现象。

附图说明

图1为现有技术的电机变频器中自带的加速线性斜坡函数的波形图；

图2为现有技术的电机变频器中自带的减速线性斜坡函数的波形图；

图3、4为实际运行中现有技术中的电机变频器的加速线性斜坡函数的波形图；

图5为本发明实施例一提供的热处理炉钢板位置跟踪控制方法的流程图；

图6、7为本发明提供的S型曲线加速斜坡函数的波形图；

图8为本发明提供的S型曲线减速斜坡函数的波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

目前，国内外的炉窑公司在辊底式热处理炉中使用现有技术中，对于辊道启停和正反转均采用线性斜坡函数(变频器内自带的)其波形如图1、2所示。通过这个函数波形可以满足设备缓启和缓停的要求，减少了设备启动和停止时大的冲击，基本上满足了生产的需求。

但由于线性函数开始和结束的区域内设备存在一个频率死区，导致在辊底式热处理炉控制内，其辊道速度在加速上升和减速停车时会有一个抖动，以上升斜坡函数为例，参见图3所示，其存在一个阴影的区域(△Frs:设备运行死区)，实际运行的曲线如图4所示，其也就不再是完整的线性。频率死区△Frs越大，辊道在开始和结束时候抖动的现象就越明显，最终便形成了图4所示的运动轨迹，其加速时间或减速时间保证不了，那么经过长时间运行，其累计误差将越来越大，直至跟踪和钢板实际产生很大的误差，这时，钢板下面所承载辊道速度将不再相同，有的快有的慢，这样钢板可能会跑偏，同时，会造成钢板底部划伤，增加了机械使用故障率。

对于现有线性斜坡函数的应用，造成炉内钢板位置跟踪累计误差，经常是需要操作人员手动进行再次的校正，在生产上埋下了一些隐患，例如，由于操作人员在夜班时注意力不集中会造成累计误差越来越大，最终导致跟踪失败，造成钢板冲撞炉门事故；同时，由于跟踪误差较大，二级燃烧系统数学模型失误；在机械运行方面，由于长时间对机械转动轴的冲击，大大降低了减速机、齿轮箱和轴承的使用寿命。

实施例一

基于上述问题，本实施例提供了一种能够解决上述问题，且可根据工艺需求能够随意修改加速和减速斜坡函数，使其加速和减速达到最优，为此，提出了如下技术方案，如图5所示，该实施例给出了其中一个具体实施方式，该热处理炉钢板位置跟踪控制方法，其包括：

S1：编写斜坡函数控制程序及S型曲线加速斜坡函数方程和S型曲线减速斜坡函数方程计算程序，并下装到PLC控制器；

任何设备在启动和停止均存在死区，为了保护设备减少设备在和运行区域的临界位置的冲击，将图3的线性函数的死区(阴影部分)变为图6中的曲线阴影区域，将图4的实线运行曲线变为图7的实线运行曲线。为实现如图7所示的运行曲线，需在PLC中通过SCL语言编制S型曲线加速斜坡函数和S型曲线减速斜坡函数。其中的S型曲线加速斜坡函数方程具体为：将曲线分为三段，分别为两个tA1时间段对应的加速曲线和一个tA2时间段对应的加速直线，如图6所示，可以在一定条件下随意调整tA1和tA2的设定值，改变S型曲线的斜率，达到工艺要求和保护设备的目的，其数学模型如下：

其中，y为电机频率，Frs为电机额定频率，t1为加速总时间，0～X1为初始tA1时间段内对应的时间点，X1～X2为tA2时间段内对应的时间点，X2～t1为余下tA1时间段内对应的时间点。

可通过设定不同的tA1时间段，试验不同设定值下炉内辊道在加速启动和减速停止时的抖动，当没有出现抖动现象或抖动较小不会对钢板产生影响时，将此时设定的tA1作为最优的参数。

相应地，还需在PLC中通过SCL语言编制S型曲线减速斜坡函数，其波形图如图8所示，减速过程各个时间段与加速过程的各个时间段相对应，所应用的S型曲线减速斜坡函数方程也包括两个tA1时间段对应的减速曲线和tA2时间段对应的减速直线，具体方程为：

其中，y为电机频率，Frs为电机额定频率，t1为减速总时间，0～X1为初始tA1时间段内对应的时间点，X1～X2为tA2时间段内对应的时间点，X2～t1为余下tA1时间段内对应的时间点。

其中的减速总时间和加速总时间相同，减速整个过程所划分的时间段也和加速过程的一致，加、减速总时间的确定可根据待处理钢种、热处理模式等工艺要求而确定，在确定了加、减速总时间后，再设定合适的tA1时间段，试验加、减速过程中炉内辊道的抖动，选出最优值作为钢板热处理实际控制过程中所设定的参数，在炉内辊道的加、减速运行过程中，将对钢板的冲击降低到最小。

具体地，在程序编写调试完成之后，可对150台电机变频器进行模拟测试，利用S型曲线加速斜坡函数和S型曲线减速斜坡函数，让其完成加速和减速过程，同时，任意调整tA1时间段，检测在不同设定参数下，同一个斜坡函数是否能够实现不同的输出运行曲线。

经过对变频器端的检测，通过PLC端发送过来的斜坡函数完全与PLC输出端的斜坡函数一致。同时，检测了改变参数设定下的PLC输出端和变频器接收端也是一致的，通过试验可得到所需要的合适参数下的斜坡函数。

S2：炉门开启，根据所述S型曲线加速斜坡函数方程确定炉外上料辊道的电机频率，启动炉外上料辊道，钢板进入热处理炉内；

在实际生产中，每块钢板在吊装到上料辊道之前，通过一级系统中PDI将钢板的相关信息全部一次性入炉到上位机中，也可通过二级系统将钢板的信息传送到一级系统中。其中，这些钢板信息包括钢板的ID号、钢种、热处理模式、长度、宽度、厚度、重量、加热速率和保温时间，一级系统的PDI模块自动计算出钢板的运行速度、摆动速度、摆动幅度和在炉时间，钢板一吊装上上料辊道后，这些所有信息便一直赋值在这块钢板之上。

随着炉内空位的满足，炉门开启，启动炉外上料辊道，为避免上料辊道启动时的振动，需根据上述的S型曲线加速斜坡函数方程确定炉外上料辊道的电机频率，将炉外上料辊道加速至一定速度，使得炉外上料辊道带动钢板以所述速度进入炉内。其加速总时间t1和时间段tA1的设定较为随意，以保证钢板可快速进入热处理炉内为目的。根据设定好相关参数的S型曲线加速斜坡函数方程控制每个炉外辊道的电机频率，钢板高速进入热处理炉内，一般将炉外上料辊道加速至20m/min，使得钢板以20m/min的速度进入炉内。

S3：当入炉检测器检测到炉内钢板的尾部时，根据S型曲线减速斜坡函数方程确定钢板所在区域的辊道的电机频率，降低钢板所在区域的辊道速度，以使得钢板在炉内低速移动；

从钢板头部即将进入炉内开始到炉内第一根辊道开始加速提速，这个时间远远大于其炉内辊道的加速时间。在钢板高速进入炉内后，钢板加速前进，当入炉检测器检测到炉内钢板的尾部时，这时需要将钢板的移动速度降低至运行速度或摆动速度。需运用S型曲线减速斜坡函数方程确定钢板所在区域的辊道的电机频率，降低钢板所在区域的辊道速度，使得钢板的移动速度降低至运行速度或摆动速度，例如，降低至0.3m/min的运行速度继续前行。此时，刚刚入炉的钢板头部位置和之前进入炉内的钢板的尾部位置刚好为设定最小间距，一般为1m。

另外，钢板进入炉内后，根据生产要求，钢板有时需要前进一段距离再后退一段距离，此时，在前进启动和后退启动时需要频繁的使用S型曲线加速斜坡函数和S型曲线减速斜坡函数。具体地，当炉内钢板需后退时，需根据S型曲线减速斜坡函数方程确定钢板所在区域的辊道的电机频率，将其速度逐渐降低为零，再根据S型曲线加速斜坡函数方程确定钢板所在区域的辊道的电机频率，将其速度增加至运行速度，带动钢板后退。当炉内钢板在后退一段距离后再重新前进移动时，同样地，首先需根据S型曲线减速斜坡函数方程确定钢板所在区域的辊道的电机频率，将其速度降低为零，再根据S型曲线加速斜坡函数方程确定钢板所在区域的辊道的电机频率，将其速度增加至运行速度，带动钢板前进。在钢板后退或后退后再前进的过程中，运用S型曲线加速斜坡函数方程和S型曲线减速斜坡函数方程控制钢板所在区域的辊道的速度，其可避免炉内辊道在突然加速或突然减速时对钢板的冲击，避免钢板发生抖动，保持钢板的平稳移动；同时，由于设备运行的时间和设备本身的误差，造成各个辊道启动时的线速度不一致，这时，需要调整S型曲线中的时间，从而保证所有辊道的线速度一致同步。

S4：当出炉检测器检测到炉内钢板的头部时，根据S型曲线加速斜坡函数方程确定钢板所在区域的辊道的电机频率，提高钢板所在区域的辊道速度，以使得钢板高速出炉。

上述所述的入炉检测器和出炉检测器均设置于炉内，入炉检测器设置在炉内靠近入口处的侧面，出炉检测器设置在炉内靠近出口处的侧面。当出炉检测器检测到炉内钢板的头部时，此时，钢板的加热温度符合出钢条件，钢板需加速出炉，需利用S型曲线加速斜坡函数方程将该钢板所在区域的辊道速度加速至出炉速度，例如60m/min，此时，炉外设备也运行正常，出料炉门自动打开，钢板以60m/min的高速将钢板输送至炉外出料辊道，此块钢板运行生产结束。

在具体实施方式中，该控制方法所采用的系统可包括一套西门子PLC控制系统、两台工控机、55面电气传动控制柜和一套自动控制系统。其中，55面电气传动控制柜安装在MCC控制室中，用于控制所有炉内和炉外辊道。其中的入炉检测器和所述出炉检测器为激光检测器或红外线检测器，例如，可将7个激光检测器依次间隔安装在炉体侧面，主要用于检测和修正钢板在炉内的跟踪位置，靠近炉门入口的为第一个激光检测器，靠近炉门出口的为第七个激光检测器，炉内的中间段还间隔设置有5个激光检测器，可检测炉内钢板的实际位置，为炉内钢板的跟踪提供依据。可设置150个编码器安装在炉内150台变频电机的后端，与变频器构成闭环系统，同时为钢板跟踪计算提供位置计算依据。

在工控机上安装STEP7控制软件，采用SCL语言编写斜坡函数控制程序，编写S型曲线加速斜坡函数方程和S型曲线减速斜坡函数方程计算程序，并下装到PLC控制器中。在工控机与PLC之间采用工业以太网通讯协议实现操作人员、维护人员和PLC之间的数据交换。针对于此S型曲线斜坡函数的通讯内容主要包括钢板的运行速度，是否摆动等。PLC与变频器之间采用Profibus-DP通讯协议进行交换数据，针对此斜坡函数，其通讯内容为150台变频器的当前反馈频率、反馈电流、反馈运行状态、反馈转矩和设定的控制参数以及每块钢板头、尾中间所在炉内位置和辊道所承载着这块钢板的信息等。

辊底式热处理炉在实际生产后，所有控制程序均下装至PLC控制器中，各个程序功能块根据不同的控制精度要求，下装到PLC不同循环中去，控制程序实时的进行数据的采集和数据交换，根据编码器反馈的钢板所在区域的辊道的速度计算钢板在炉内的理论位置，并根据炉内检测器的检测信号确定钢板在炉内的实际位置，如果理论位置与实际位置有偏差，则需要根据其差值调整该辊道对应的电机频率，以调整钢板所在区域的辊道速度，使得计算的钢板在炉内的理论位置与实际位置一致，避免跟踪误差。

在钢板的热处理处理过程中，利用上述控制方法可实现对炉内辊道和炉外辊道的对应的变频器进行精确控制，实现炉内钢板的精确跟踪。但在实际热处理过程中，若操作人员操作错误，则有可能导致炉内钢板的追尾风险，为此，本发明其中一个实施方式提供的跟踪控制方法还包括：

若热处理炉内的钢板数量大于2，计算在钢板移动方向上前后相邻钢板的位置间隙，若所述位置间隙小于预设安全间隙，需降低后一块钢板的运行速度，使得前后相邻钢板的位置间隙刚好为设定最小间距，一般为1m。

待钢板头部运行至炉内出炉检测器，即第七个激光检测器后，此时，钢板的加热温度符合出钢条件，同时炉外设备正常，出料炉门自动打开，钢板可以60m/min的高速将钢板输送至炉外出料辊道，此块钢板运行生产结束。

实施例二

基于实施例一提供的热处理炉钢板位置跟踪控制方法，本实施例提供了一种热处理炉钢板位置跟踪控制系统，其包括：

多个炉内检测器，其间隔固定在热处理炉中，用于检测炉内钢板的实际位置并触发信号；

PLC控制器，用于根据S型曲线加速斜坡函数方程确定炉外上料辊道的电机频率，启动炉外上料辊道；并用于根据炉内检测器的触发信号，基于S型曲线加速斜坡函数方程和S型曲线减速斜坡函数方程设定炉内钢板所在区域的辊道的电机频率。

其中的多个炉内检测器依次间隔设置炉内的侧面，其包括靠近炉门入口的入炉检测器、靠近炉门出口的出炉检测器及位于入炉检测器和出炉检测器之间的其他炉内检测器。该炉内检测器可为激光检测器或红外线检测器。

首先，炉门开启，根据所述S型曲线加速斜坡函数方程确定炉外上料辊道的电机频率，启动炉外上料辊道将钢板高速运送至炉内。当入炉检测器检测到钢板尾部时，根据S型曲线减速斜坡函数方程确定钢板所在区域的辊道的电机频率，将钢板所在区域的辊道速度降低至一定速度，带动钢板在炉内低速移动。

钢板在其辊道的带动下在炉内移动，完成钢板的热处理，当出炉检测器检测到炉内钢板的头部时，此时，钢板的加热温度符合出钢条件，同时炉外设备正常，此时钢板需加速出炉，此时，需根据S型曲线加速斜坡函数方程提高钢板所在区域的辊道速度至出炉速度，例如60m/min，出料炉门打开，钢板可以以60m/min的高速将钢板输送至炉外出料辊道，此块钢板运行生产结束。

为进一步提高该跟踪控制系统的跟踪精度，该跟踪控制系统还包括：

编码器，用于检测炉内辊道的速度；

第一计算模块，用于根据编码器反馈的炉内辊道的速度计算该钢板在炉内的理论位置；

第二计算模块，用于根据钢板在炉内的理论位置和根据炉内检测器的检测信号确定的钢板在炉内的实际位置，计算调整后的钢板所在区域的辊道速度。

根据编码器反馈的钢板所在区域的辊道的速度计算钢板在炉内的理论位置，并根据炉内检测器的检测信号确定钢板在炉内的实际位置，如果理论位置与实际位置有偏差，则需要根据其差值调整该辊道对应的电机频率，以调整钢板所在区域的辊道速度，使得计算的钢板在炉内的理论位置与实际位置一致，避免跟踪误差。

在钢板的热处理处理过程中，利用上述控制方法可实现对炉内辊道和炉外辊道的对应的变频器进行精确控制，实现炉内钢板的精确跟踪。但在实际热处理过程中，若操作人员操作错误，则有可能导致炉内钢板的追尾风险，为此，本发明其中一个实施方式提供的跟踪控制系统还包括：

还包括第三计算模块，若热处理炉内的钢板数量大于2，用于计算在钢板移动方向上前后相邻钢板的位置间隙，若所述位置间隙小于预设安全间隙，则降低后一块钢板的运行速度。

本实施例提供的跟踪控制系统，其摒弃了使用线性斜坡函数的传统变频器，利用S型曲线斜坡函数方程设定变频器加减速时间，间接控制钢板的运行速度、加减速和钢板的位置；并通过编码器和检测器修正钢板位置，达到精确跟踪钢板位置的目的。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。