专利名称：一种步进梁平移控制方法
技术领域：
本发明涉及一种步进式加热炉步进梁移动控制技术，具体涉及一种可避免 步进式加热炉炉内钢坯跑偏或步距超差的步进梁平移控制方法。
背景技术：
对于步进式钢坯加热炉，其步进梁的升降和平移通常采用液压缸驱动，钢 坯在加热炉内的移动是通过加热炉动梁的提升、平移前进、下降以及平移后退 来实现的。而加热炉动梁升降及平移的行程控制，国内外均采用单次有差位置 控制方式，即在加热炉动梁升降和平移时，动梁运动控制系统给动梁升降和平
移的行程分别设定一个基准值和容许偏差范围(通常为士3 4咖)， 一旦动梁的 升降或平移行程处于系统设定的容许偏差范围以内，控制系统则使动梁升降或 平移驱动液压缸的比例控制阀处于中位而自锁；另外，动梁升降和平移采用互 锁的控制原则，即当动梁升降液压缸动作时，动梁平移液压缸靠其活塞杆的良 好密封以及比例控制阀中位的良好自锁状态来保持静止，反之亦然。此种控制 思想是完全依靠平移液压缸及其液压控制器件自身良好的性能和工作状况来保 证动梁升降液压缸动作时其平移液压缸位置保持不变，即平移液压缸在动梁升 降的过程中不会发生位置漂移，从而确保炉内钢坯在动梁升降时不会发生扭转 或步距超差的现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种步进梁平移控制方法，避免步进式加热炉炉内 钢坯跑偏或步距超差，设法使平移缸的实际位置处在其设定位置的范围内。 目前国内外普遍使用的加热炉步进机构如图1所示。
对于步进式加热炉的步进机构，通常主要是由动梁的提升框架2和提升液 压缸1以及动梁的平移框架3和平移液压缸7、提升轮5、平移轮6、斜轨4所 构成。目前国内外普遍使用的步进式加热炉动梁平移控制方法，完全依靠动梁 平移液压缸及其控制阀良好的性能和工作状况来保证平移液压缸的位置在动梁 升降运动过程中不会发生漂移，这在实际工作中是很难做到的，因为液压缸经 过一定时间的使用后很容易出现一定程度的内泄现象。我们知道，在加热炉动 梁提升框架作提升或下降运动时，提升框架必然通过平移框架的平移轮对平移 框架产生一个水平方向作用力，由图l加热炉步进机构示意图可知，当提升框 架提升时，提升框架将对平移框架产生一个使平移框架向加热炉入钢侧移动的 水平方向作用力，而当提升框架下降时，提升框架将对平移框架产生一个使平 移框架向加热炉出钢方向8移动的作用力。在这种情况下，如果加热炉平移缸 的有杆腔与无杆腔之间的密封性能不是很好，平移缸必然因内泄而发生一定量 的位置漂移。通过多次对马钢大H型钢加热炉钢坯在炉内出现严重扭转事故的 观察，发现加热炉动梁的平移液压缸在动梁由高位下降落钢的过程中出现了较 大的位置漂移的现象，最大位置漂移量约为10mm。
当步进式钢坯加热炉用于加热轧制线材、棒材以及型钢等产品的长条形钢 坯时，加热炉步进梁的动定梁之间的间距要根据不同规格和长度的钢坯来进行 设计，为了保证钢坯的加热效果以及钢坯在动定梁上具有合理的配重，对于不 同规格和长度的钢坯，通常步进式加热炉具有几种不同的钢坯布料方式。由马 钢大H型钢加热炉布料图(如图2所示)可知，不同定尺长度的钢坯，其在炉 内的摆放位置将有所不同，而对于某些定尺长度的钢坯，其一端伸出动梁的距 离较长，如8915 9982mm定尺长度的钢坯，在炉内摆放时其一端伸出动梁的距 离近达到2235mm。而由马钢大H型钢加热炉步进机构(即动梁提升和平移机构)
的速度图(如图3所示)可知，炉内钢坯在完成一个步距的过程中，钢坯被动 梁从定梁上托起所持续的时间(即为动梁接钢后升至高位所需的时间(约8秒)、 动梁在高位平移所需的时间(约7秒)以及动梁由高位下降至定梁落钢位置所需 的时间(约6秒)之和)约为21秒钟。钢坯在炉内加热段以及均热段尤其是在均 热段，因温度较高，钢坯的塑性提高，屈服强度变低。这样，对于某些一端伸 出动梁较多的定尺钢坯，在炉内加热段以及均热段被动梁长时间托起的过程中， 其端部伸出动梁较多的一侧将会发生严重的下垂即钢坯爬头现象，而钢坯发生 下垂的一端在动梁下降落钢的过程中将会提前落在定梁上，这时，如果平移框 架的位置在提升框架下降的过程中存在向加热炉出钢侧漂移的现象，则在动梁 下降落钢的过程中，钢坯出现下垂的一端在与定梁接触后将不能完全随平移框 架朝加热炉出钢侧漂移，由此导致钢坯在动梁下降的过程中发生扭转现象，即 钢坯出现下垂的一端比未出现下垂的一端距离加热炉出钢侧远一点。另外，在 加热炉炉内布料方式中，若待加热的钢坯两端距动梁均伸出较多，则根据上述 分析可知，钢坯在炉内不会发生扭转现象，但钢坯的步距可能会发生朝加热炉 入钢侧縮短的现象，即钢坯在加热炉内出现步距超差现象。而马钢大H型钢加 热炉钢坯由加热段经均热段移动至出钢侧大约需要步进梁循环移动42步，这样 如果钢坯在步进梁每个循环步产生一定量的跑偏或步距超差，则经过步进梁42 个循环步后，钢坯在加热炉的出钢侧将会呈现出较大的跑偏量或步距超差量。 由此可知，采用目前通用的加热炉步进梁动梁平移控制方案， 一旦加热炉步进 梁平移液压缸出现一定程度的内泄，则加热炉炉内钢坯就很容易出现跑偏或步 距超差现象，从而导致加热炉出钢困难或无法出钢。在这种情况下，通常只有 停产更换动梁平移液压缸，才能解决加热炉钢坯跑偏或超差的问题。鉴于加热 炉动梁平移液压缸通常处在加热炉平移框架的底部，更换十分不便，就马钢大H型钢加热炉而言，通常更换一次平移液压缸大约需要io个小时。故此，加热炉
一旦出现这种事故，必将对生产造成严重影响。为了在动梁平移液压缸存在一 定程度的内泄的情况下使动梁平移液压缸在动梁升降的过程中不产生位置漂 移，本发明打破常规，对动梁的平移采用动态位置控制技术。该技术的使用， 不仅彻底地避免了加热炉炉内钢坯出现跑偏或步距超差的现象，大大地延长了 加热炉动梁平移液压缸的使用寿命，同时也减少了加热炉的故障时间，为生产 稳定顺行奠定了基础。
由上述分析可知，传统的步进梁平移控制方法无法避免炉内钢坯发生跑偏 和步距超差的问题，问题是为什么国内外加热炉设备制造商至今仍然使用传统 的步进梁平移控制方法，对此，主要有以下几个原因-
(1) 加热炉设备调试以及试生产期间，加热炉步进梁的平移液压缸是刚上 线使用的新液压缸一般不会出现内泄的现象，故此，加热炉炉内钢坯 不会出现跑偏和步距超差的问题。这样加热炉设备制造商无法体验到 将来因加热炉步进梁平移液压缸的内泄而导致炉内钢坯跑偏和步距超 差的问题。
(2) 如果步进梁的动梁平移采用动态位置控制，则在动梁升降运动的过程 中动梁平移的行程控制仍然处于释放状态。这样担心在动梁升降的过 程中一旦动梁平移液压缸的位置检测装置(如线性编码器、感应同步 器(Resolver)等)工作出错，动梁将会出现既升降又平移的情况， 这样必然导致炉内钢坯严重跑偏或步距超差。
(3) 步进式钢坯加热炉的步进梁升降和平移涉及到工艺、机械、电气和液 压四个方面，为了简化设计，在加热炉设备设计时，通常只考虑在相 关设备均正常工作的情况下如何控制步进梁的升降和平移以确保炉内
钢坯的正常步进，可以说，很少考虑设备的容错性和鲁棒性的问题。 传统的步进梁平移控制方法在步进梁平移液压缸工作状况正常的情况 下也不会产生炉内钢坯跑偏和步距超差的问题。这也是加热炉设备制 造商至今仍然使用传统的步进梁平移控制方法的一个原因。 考虑到当今自动化控制系统对液压缸位置检测装置(如线性编码器、感应
同步器(Resolver)等)均具有工作状态检测功能，即液压缸位置检测装置在 工作过程中一旦出现异常，控制系统即刻封锁液压缸的位置控制，使液压缸停 止运动，由此来防止因液压缸位置检测装置故障而导致液压缸位置控制出错。 故此，为了提高步进式加热炉动梁平移控制系统的容错性和鲁棒性，避免加热 炉炉内钢坯跑偏和步距超差，本发明公开了一种可避免步进式加热炉炉内钢坯 跑偏或步距超差的步进梁平移控制方法，即一种可避免步进式加热炉炉内钢坯 跑偏或步距超差的步进梁平移位置闭环控制系统，该控制系统如图4所示。 本发明的具体技术方案如下-
一种步进梁平移控制方法，当平移缸的实际位置超出设定位置的范围，通 过平移位置控制系统根据平移缸实际位置与给定位置的差值的大小和极性来选 择输出控制电压的大小和极性，使平移缸的实际位置处于其设定位置的范围内。
采用如下步骤
(1) 平移位置控制系统以平移液压缸活塞杆完全縮回的位置为零位，平 移液压缸在一个范围内移动，以此来完成步进梁的一个平移步距；
(2) 平移缸的实际位置S^与其给定位置S^^之差大于或等于50毫米时，
平移位置控制系统输出第一控制电压至平移缸比例控制阀功率放大
板，使平移缸以第一速度向目标位置移动；
(3) 平移缸的实际位置8^与其给定位置3*之差小于50毫米时，平移位
置控制系统从输出第一控制电压切换为第二控制电压至平移缸比例
阀功率放大板，使平移缸以第二速度向目标位置移动；
(4) 平移缸的实际位置S^与其给定位置S^^之差小于3毫米时，平移位
置控制系统从输出第二控制电压切换为第三控制电压，使平移缸以
第三速度接近设定的位置；
(5) 平移缸的实际位置S^与其给定位置S^^之差小于1毫米时，平移位
置控制系统输出至平移缸比例阀功率放大板的控制电压为零，即使
平移缸控制比例阀处于中位自锁。 所述平移位置控制系统包括"双向数值超差检测"功能块LVM，"数值比较" 功能块NCM，"脉冲延时"功能块PDE，"或"功能块0R，"数字转换开关"功能 块NSW，"加减速率控制"功能块RGJ，"数模转换"功能块DAC，各模块之间通 讯连接。
所述设定位置的范围为设定位置士l毫米的范围。
第一控制电压为平移缸伸出时6V或为平移缸縮回时-6V，第二控制电压为 平移缸伸出时2V或为平移缸縮回时-2V，第三控制电压为平移缸伸出时0. 5V或 为平移缸縮回时-O. 5V。
第一速度大于第二速度，第二速度大于第三速度，第一速度约110毫米/秒， 第二速度约38毫米/秒，第三速度约8毫米/秒。
步进梁平移液压缸的有效行程为584毫米，步进梁的平移步距为530毫米， 在平移液压缸在50 580毫米范围内移动。
步进梁平移位置控制系统中的数值比较功能块NCM以及数字转换开关NSW 进行平移缸比例控制阀功率放大板输入控制电压的极性切换，当平移缸在实际 定位过程中实际位置S^大于给定位置S、平移缸比例控制阀功率放大板的输入
控制电压为负值，使平移缸向縮回的方向移动，反之则为正值，使平移缸向伸 出的方向移动。
平移位置控制系统的输出控制电压通过系统中斜坡发生器功能块RGJ来控 制平移缸控制比例阀功率放大板输入控制电压的加减速率，由此控制平移框架 步进的加减速率。
平移位置控制系统在平移框架进入平移设定位置±3毫米范围内时即允许 升降框架进行升降移动。
本发明不仅可避免步进式加热炉炉内钢坯跑偏或步距超差，大大地缓解了 液压缸内泄给设备稳定运行所带来的影响，而且由于加热炉炉内钢坯的步距得 到了准确的控制，这样又大大地提高了加热炉炉内钢坯实际步距跟踪的准确度， 由此提高了钢坯在加热炉输出辊道上的定位精度。
图l:加热炉步进机构示意图2:大H步进式加热炉布料图3:大H步进式加热炉动梁步进速度图
(a)动梁上升速度图(b)动梁高位平移前进速度图(C)动梁下降速度图4:步进梁平移位置控制系统附图标记说明
1——提升缸
2——提升框架
3——平移框架
4——斜轨
5——提升轮
6——平移轮
7——平移缸
8——出钢方向
具体实施例方式
根据附图进一步详细描述本发明
在图4中，LVM为"双向数值超差检测"功能块，当x^M + L时，QU= '1'， 当M—L<X<M + L时，QM= 'I',当XSM—L时，QL= 'l，； NCM为"数值比较" 功能块，当X1〉X2时，QU= 'I',当X^X2时，QE= '1'，当XKX2时，QL二 'l，；
PDE为"脉冲延时"功能块，当该功能块的输入端i出现上升沿并且持续为'r 时，其输出端Q在时间T后将变为'r直至输入端出现下降沿为止，若输入端
持续为'l'的时间小于时间T，则输出Q保持为'0'不变；0R为"或"功能
块；NSW为"数字转换开关"功能块，当I一1'时，Y = X2，当I一0，时，Y = X1;
RGJ为"加减速率控制"功能块；DAC为"数模转换"功能块。新的步进式加热
炉步进梁平移位置控制系统的控制思想如下
(1) 平移位置控制系统以平移液压缸活塞杆完全缩回的位置为零位。马钢
大H型钢加热炉步进梁平移液压缸的有效行程为584毫米，步进梁的平移步距为 530毫米，在实际使用过程中使平移液压缸在50 580毫米范围内移动，以此来
完成步进梁的一个平移步距。
(2) 平移缸的实际位置8^与其给定位置3*之差大于或等于50毫米时，为
了快速完成定位，平移位置控制系统输出6V(平移缸伸出)或"6V (平移缸縮回) 控制电压至平移缸比例控制阀功率放大板，使平移缸以高速(约110毫米/秒) 向目标位置移动。考虑到加热炉平移框架在布满钢坯时属于大惯性负载，而加热 炉的逻辑及位置控制系统(即可编程序控制器)的循环周期约为100毫秒，故此，
为了实现平稳准确的定位，在平移缸的实际位置S^与其给定位置Sg之差小于50
毫米时，平移位置控制系统从输出6V (或"6V)控制电压切换为2V (或一2V) 控制电压至平移缸比例阀功率放大板，使平移缸以低速(约38毫米/秒)向目标 位置移动。当平移缸的实际位置S^与其给定位置S"^之差小于3毫米时，平移位 置控制系统又从输出2V (或一2V)控制电压切换为0.5V (或一0.5V)控制电压， 使平移缸以很低的速度(约8毫米/秒)接近设定的位置。而当平移缸的实际位 置S^与其给定位置S申之差小于1毫米时，平移位置控制系统输出至平移缸比例
阀功率放大板的控制电压为零，即使平移缸控制比例阀处于中位自锁。在任何情 况下(如在步进梁提升框架升降移动过程中，平移缸因内泄而发生位置漂移)， 当平移缸的实际位置超出了设定位置士l毫米的范围，则该平移位置控制系统将 根据平移缸实际位置与给定位置的差值的大小和极性来选择输出控制电压的大 小和极性，设法使平移缸的实际位置处在其设定位置士l毫米的范围内。
(3) 通过步进梁平移位置控制系统中的"数值比较"功能块NCM以及数字 转换开关NSW5、 NSW6和NSW7来完成平移缸比例控制阀功率放大板输入控制电压 的极性切换，使得平移缸在实际定位过程中一旦其实际位置S^大于给定位置SS 平移缸比例控制阀功率放大板的输入控制电压为负值(即使平移缸向縮回的方向 移动)，反之，则为正值(即使平移缸向伸出的方向移动)。
(4) 考虑到加热炉平移框架在布满钢坯时属于大惯性负载，为了防止钢坯 在平移框架的动梁上发生滑动以及避免设备冲击，平移位置控制系统的输出控制 电压通过系统中斜坡发生器功能块RGJ来控制平移缸控制比例阀功率放大板输入 控制电压的加减速率，由此即控制了平移框架步进的加减速率。
(5) 鉴于加热炉平移框架在布满钢坯时属于大惯性负载，并且控制系统的 响应时间较长，这样将平移框架准确地控制在设定位置容许的范围内(士l毫米)
可能需要较长的时间，而步进梁升降框架的升降移动必须在平移框架步进定位 完毕后才能进行，故此，为了縮短步进梁在高位的等待时间，系统在平移框架
进入平移设定位置士3毫米范围内时即允许升降框架进行升降移动。这主要是考 虑到升降框架由高位下降至定梁落钢位置所需的时间约需6秒钟，而平移框架 在进入其设定位置土3毫米范围内后再需要2秒钟左右的时间即可完成准确定 位，故此在平移框架进入其设定位置士3毫米范围内时就让升降框架下降并不影 响平移框架或钢坯的准确步进定位。
马钢大H型钢生产线步进式加热炉炉内钢坯跑偏或步距超差的现象以往时 有发生。如05年9月21日，大H型钢生产线加热炉操作台的操作人员反映加 热炉炉内钢坯在步进过程中出现严重扭转现象，即钢坯与定梁和动梁不垂直， 由此造成加热炉出钢机无法自动出钢。为了生产，操作工必须手动操作出钢机 出钢，由于钢坯在炉内扭转严重，出钢机即使在手动方式下操作也很难将钢坯 取出， 一不小心，出钢机就会同时取到两根钢坯，在这种情况下，每出一根钢 所花费的时间是正常自动出钢的4倍以上，另外，即使钢坯被取出，出钢机只 能将钢坯歪斜地落放在加热炉输出辊道上，这样又给钢坯通过水除鳞机带来困 难，钢坯在穿过水除鳞机时频繁将水除鳞机的水嘴撞掉，由此又影响水除鳞机 的正常工作。可以说，这种加热炉炉内钢坯严重扭转故障已无法维持正常生产。 这种完全依靠液压硬件的质量来保证液压缸位置不发生偏移，在实际生产中是 很难做到的，因为液压缸内泄有时是很难避免的，即使是新液压缸也可能会出 现这样的问题，只是出现的机率较少而已，尤其是对大型液压缸，现场又不便 进行打压测试的情况下，好不容易花了很长时间换上的液压缸， 一旦存在内泄 问题，则后果不堪设想。由此可知，大H型钢加热炉平移液压缸所面临的问题 也正是世界上其它步进式加热炉通常所面临的问题。而本发明打破了加热炉提
升框架提升时加热炉平移框架位置不受控的限制，在步进梁提升框架升降时也 投入平移框架的位置控制，这样步进梁平移框架的位置始终处在控制之中，一 旦由于某种原因步进梁平移框架的实际位置超过给定目标值，则控制系统就会 自动发出控制命令给比例阀，通过控制平移液压缸移动使平移框架回到给定目 标值，从而实现平移框架实际位置的实时控制，实际位置偏差可以控制在1毫 米以内，由此完全克服了因加热炉平移液压缸内泄而导致炉内钢坯在加热炉升 降框架升降移动时而产生跑偏或步距超差的现象。
权利要求
1.一种步进梁平移控制方法，其特征在于，当平移缸的实际位置超出设定位置的范围，通过平移位置控制系统根据平移缸实际位置与给定位置的差值的大小和极性来选择输出控制电压的大小和极性，使平移缸的实际位置处于其设定位置的范围内。
2、 根据权利要求1所述的步进梁平移控制方法，其特征在于，具体采用如下步骤(1) 平移位置控制系统以平移液压缸活塞杆完全縮回的位置为零位，平移液 压缸在一个范围内移动，以此来完成步进梁的一个平移步距；(2) 平移缸的实际位置S^与其给定位置S4之差大于或等于50毫米时，平移位置控制系统输出第一控制电压至平移缸比例控制阀功率放大板，使平移缸以第一速度向目标位置移动；(3) 平移缸的实际位置S,et与其给定位置Sf之差小于50毫米时，平移位置控制系统从输出第一控制电压切换为第二控制电压至平移缸比例阀功率放大板，使平移缸以第二速度向目标位置移动；(4) 平移缸的实际位置S^与其给定位置Sf之差小于3毫米时，平移位置控制系统从输出第二控制电压切换为第三控制电压，使平移缸以第三速度接近设定的位置；(5) 平移缸的实际位置S^与其给定位置S^^之差小于1毫米时，平移位置控制系统输出至平移缸比例阀功率放大板的控制电压为零，即使平移缸控制比例 阀处于中位自锁。
3、 根据权利要求1或2所述的步进梁平移控制方法，其特征在于，所述平 移位置控制系统包括双向数值超差检测功能块LVM，数值比较功能块NCM，脉 冲延时功能块PDE，或功能块OR，数字转换开关功能块NSW，加减速率控制功能块RGJ，数模转换功能块DAC，各模块之间通讯连接。
4、 根据权利要求1所述的步进梁平移控制方法，其特征在于，所述设定位 置的范围为设定位置士l毫米的范围。
5、 根据权利要求2所述的步进梁平移控制方法，其特征在于，第一控制电 压为平移缸伸出时6V或为平移缸縮回时-6V，第二控制电压为平移缸伸出时2V 或为平移缸縮回时-2V，第三控制电压为平移缸伸出时0.5V或为平移缸縮回时 -0. 5V。
6、 根据权利要求2所述的步进梁平移控制方法，其特征在于，第一速度大 于第二速度，第二速度大于第三速度。
7、 根据权利要求6所述的步进梁平移控制方法，其特征在于，第一速度约 110毫米/秒，第二速度约38毫米/秒，第三速度约8毫米/秒。
8、 根据权利要求2所述的步进梁平移控制方法，其特征在于，步进梁平移 液压缸的有效行程为584毫米，步进梁的平移步距为530毫米，在平移液压缸 在50 580毫米范围内移动。
9、 根据权利要求3所述的步进梁平移控制方法，其特征在于，步进梁平移 位置控制系统中的数值比较功能块NCM以及数字转换开关NSW进行平移缸比例控制阀功率放大板输入控制电压的极性切换，当平移缸在实际定位过程中实际 位置S^大于给定位置S、平移缸比例控制阀功率放大板的输入控制电压为负值，使平移缸向縮回的方向移动，反之则为正值，使平移缸向伸出的方向移动。
10、 根据权利要求3所述的步进梁平移控制方法，其特征在于，平移位置 控制系统的输出控制电压通过系统中斜坡发生器功能块RGJ来控制平移缸控制 比例阀功率放大板输入控制电压的加减速率，由此控制平移框架步进的加减速
11、根据权利要求1或3或4所述的步进梁平移控制方法，其特征在于， 平移位置控制系统在平移框架进入平移设定位置±3毫米范围内时即允许升降 框架进行升降移动。
全文摘要
本发明涉及一种步进梁平移控制方法，当平移缸的实际位置超出设定位置的范围，通过平移位置控制系统根据平移缸实际位置与给定位置的差值的大小和极性来选择输出控制电压的大小和极性，使平移缸的实际位置处于其设定位置的范围内，该方法不仅可避免步进式加热炉炉内钢坯跑偏或步距超差，大大地缓解了液压缸内泄给设备稳定运行所带来的影响，而且由于加热炉炉内钢坯的步距得到了准确的控制，这样又大大地提高了加热炉炉内钢坯实际步距跟踪的准确度，由此提高了钢坯在加热炉输出辊道上的定位精度。
文档编号G05D3/12GK101369154SQ20081002427
公开日2009年2月18日 申请日期2008年5月17日 优先权日2008年5月17日
发明者叶光平, 徐建平, 李龙涛 申请人:马鞍山钢铁股份有限公司