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[摘 要]环形加热炉为热轧生产线上第一道工序设备，负责钢坯的加热。其控制系统包括热工控制系统和传动控制系统。本文主要阐述其控制系统的硬件和软件的组成和作用，以及各部分控制系统的基本控制原理。
[关键词]环形加热炉 PLC 编码器 线性控制
中图分类号：F214 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）11-0055-01
[Abstract]RHF is the first process equipment in the hot rolling production line， taking charge of heating the billet. The RHF control system includes the thermal control system and the transmission control system. The article focuses on expounding the hardware and software of the RHF control system， and the control principle for every control system.
[Key words]RHF PLC Encoder Linear control
1、应用背景
随着钢铁行业的不断发展，工厂对热轧生产线上设备的高效性和稳定性要求越来越高，而环形加热炉又是热轧过程中必不可少的主要设备之一，所以对环形加热炉的控制系统要求变得越来越严格。 环形加热炉作为一个典型的热轧设备，其燃烧加热控制、电气和液压设备的连锁关系、工艺上的控制要求等，均对自动化控制系统提出了很高的要求，应用更多、更有效的现代控制设备和控制技术，是提高生产效率，降低生产成本，节约能源及保护环境必须进行的技术工作。
2、控制系统的构成
环形加热炉的整套自动控制系统包括热工测量和控制系统（简称热工控制系统）、电气传动控制系统（简称传动控制系统）。热工控制系统和传动控制系统分别各用一套PLC系统，两套PLC系统通过以太网进行数据通讯。环形加热炉与上下游设备之间采用工业以太网进行数据通讯，与用户能源采集系统之间也采用以太网进行数据通讯。
环形加热炉每一套PLC控制系统都采用PROFIBUS 现场总线技术，将安置在现场的远程I/O模块通过PROFIBUS-DP连接到中央处理器，即在每个从站ET200M （I/O站）上，安装一块IM153通讯接口模块，通过总线连接器连接到现场工业总线上，这样就很大程度的提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的安全性、可维护性。
热工控制系统、传动控制系统的PLC，配置了工业以太网模块，与作为人机界面的上位机联网。PLC通过工业以太网方式与上位机进行数据通讯，实现人机界面的操作。
3、自动控制系统
3.1 热工控制系统
3.1.1温度控制系统环形加热炉温度控制主要采用在工业炉窑控制系统中广泛使用的“偏差比例型双交叉制约限幅燃烧控制”方式。该控制方式可保证加热炉温度控制的平稳性，空燃比准确。同时加入适当的“偏差比例型”动态补偿信号，可以提高系统的动态响應速度。实践证明，这种方法可以有效的将系统的响应速度提高，使之适应加热炉的热负荷变化的需要（如：进、出料时炉门的开闭，突然性的保温待锻，快速的升温，上游锻压设备锻制节奏的变化等）。
该控制方式的具体实现过程是将各分区热电偶温度信号采集到PLC控制系统中，通过PLC的编程实现PID的运算和相关限幅和空燃比的计算，最后通过PLC输出调节各分区空气调节阀和煤气调节阀的开度来实现炉温的控制。
3.1.2炉压控制系统 环形炉炉压的控制采用了传统的PID调节方式，是将微差压压力变送器测量出来的压力信号送到PLC的模拟量输入模块，通过PLC编程实现PID的运算，运算出来0-100%的控制输出去控制烟道闸板的开度。在这里要注意炉压的控制为反作用控制，如果想要炉压升高，就需要适当的关闭烟道闸板，想要炉压降低，就要打开烟道闸板。
3.1.4煤气阀站控制系统 考虑到煤气的安全问题，环形加热炉的煤气阀站设计了两道切断阀进行保护，阀门都为六级硬密封切断阀，当加热炉热工控制系统出现紧急状况（如：燃气压力过低，助燃空气压力过低，炉温超极限温度等），就要通过PLC逻辑输出切断这两个调节阀，以确保设备和人身安全。另外阀站还设置了一个压力开关和一个密封测试旁通阀门，用来在启炉前配合测试两道阀门的密封性，由PLC软件编程实现。如果两道阀门的气密测试没有通过，将无法启炉。
3.1.5热风放散控制系统 为了防止空气换热器过热而烧损，环形炉采用的是通过调节热风管路分配器上放散管路的调节阀来控制热风温度的。通过热风管路上热电偶采集的温度信号，经过PLC编程进行线性温度控制处理，然后通过PLC输出4-20mA信号调节热风放散调节阀的开度来控制热风的温度。该控制技术即可有效的保护空气换热器不致因过热而烧损，又可防止因热风放散过多而影响燃烧。
PID控制方式在热风管路上不是很适用，因为一旦偏差过大就会使系统产生振荡，调节阀的反复振荡会引起风压的波动，就会给风压控制系统以及整个温度控制系统的制造扰动。而线性的控制方式就不会出现这种振荡，它根据温度的变化直接给阀门输出相应的线性阀位，相应的速度很快，不会发生PID调节时出现超调后产生振荡的情况。
3.1.6掺冷风控制系统为了防止空气换热器入口的烟气温度过高烧坏换热器，环形加热炉设立了换热器前掺冷风控制系统，用一个独立的掺冷风机向换热器前烟道中通入冷风。此系统也是利用热电偶采集温度信号，经过PLC编程实现线性温度控制，最终调节掺冷风调节阀开度来实现降温的。由于对烟道掺冷风会影响炉压的控制，所以这部分也用线性控制代替了PID控制。 3.2 传动控制系统
3.2.1炉底控制系统环形加热炉的炉底是传动系统的主要部分，其主要的控制在于对炉底的精确定位和物料的准确跟踪，以确保每一根坯料从装料测入炉后能准确的旋转到出料测，同时物料的信息也能准确的从装料测的上游设备经过环形炉传递到出料测的下游设备。
此控制系统采用高分辨率的编码器对炉底进行精确定位，通过编码器读出高精度的脉冲值进入PLC系统，经过PLC软件编程完成脉冲到角度的转换，不同步距下的单排、双排和交叉布料的方式，以及物料在上位机监控画面上的跟踪，最终通过控制变频电机或液压马达的运转来实现准确的定位。
炉底的控制模式分为自动、单步和点动三种，在正常生产运行时炉底采用自动控制模式，炉底会按设定的时间节拍进行单步旋转，这时装出料炉门和装出料机也会投到自动控制模式下，这样炉底就可以同炉门、装出料机实现整个环形炉传动系统的全自动化。当装出料系统出现问题不能自动运行时，炉底可以切换为单步控制模式，人工对炉底进行单步的旋转。点动控制模式是在炉底出现问题或检修时，人工通过点动按钮可以将炉底调整到任意位置。
3.2.2 装料控制系统装料的控制主要是对炉门、装料机夹钳的前后移动、升降移动和夹紧松开动作的控制。装料机前后移动的定位是依靠与电机同轴旋转的高分辨率绝对值编码器来实现的，将绝对值编码器采集的脉冲信号经过PLC
编程控制变频器的输出控制变频电机，实现夹钳前后移动的运行、减速和停车。
装料机夹钳的升降位置和夹钳张开位置是依靠位移传感器或接近开关来确定的，然后通过对液压系统中比例调节阀或气动系统中的电磁换向阀的控制来实现其夹钳的升降、夹紧松开动作。炉门依靠接近开关定位，通过比例方向阀来控制炉门的打开和关闭。
装料机的控制模式分为自動、半自动、手动和点动四种模式。正常生产时采用自动模式，使其与炉底和出料机形成全自动的环形炉传动控制系统。半自动模式与自动模式的区别在于半自动模式下需要人工通过按钮做一下确认，然后装料机会自动完成一个完整的装料过程。手动和点动模式是为检修设备而设计的，以便设备在故障或检修时可以将设备停在想要停到的位置。
3.2.3出料控制系统出料控制系统与装料控制系统基本上是一样的，只是在出料机上增加了左右摆动的功能，是为了防止当炉底定位出现问题时，炉内坯料转到出料侧后偏于出料机抓料位置，此时需要左右摆动机构将出料夹钳摆动到料坯所在的位置。摆动机构也是采用位移传感器或接近开关来判定位置，通过电磁换向阀来控制其向左摆动和向右摆动。
4、结论
环形加热炉是热轧生产线上主要的设备之一，其控制系统主要由热工控制系统和传动控制系统两部分组成，两套控制系统都通过PLC来实现对系统的监测和控制，系统中应用的PID调节、线性控温、位置控制等都通过PLC软件编程实现。环形加热炉通过PLC对热工仪表和传动设备的精确控制，形成了稳定、节能、安全、高效的自动化控制系统。
参考文献
[1] 齐从谦，王士兰.PLC 技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2007：35.
[2] 殷华文，刘黎明.工业控制网络设计技术[J].自动化仪表，2005，23（11）：24-27.
[关键词]环形加热炉 PLC 编码器 线性控制
中图分类号：F214 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）11-0055-01
[Abstract]RHF is the first process equipment in the hot rolling production line， taking charge of heating the billet. The RHF control system includes the thermal control system and the transmission control system. The article focuses on expounding the hardware and software of the RHF control system， and the control principle for every control system.
[Key words]RHF PLC Encoder Linear control
1、应用背景
随着钢铁行业的不断发展，工厂对热轧生产线上设备的高效性和稳定性要求越来越高，而环形加热炉又是热轧过程中必不可少的主要设备之一，所以对环形加热炉的控制系统要求变得越来越严格。 环形加热炉作为一个典型的热轧设备，其燃烧加热控制、电气和液压设备的连锁关系、工艺上的控制要求等，均对自动化控制系统提出了很高的要求，应用更多、更有效的现代控制设备和控制技术，是提高生产效率，降低生产成本，节约能源及保护环境必须进行的技术工作。
2、控制系统的构成
环形加热炉的整套自动控制系统包括热工测量和控制系统（简称热工控制系统）、电气传动控制系统（简称传动控制系统）。热工控制系统和传动控制系统分别各用一套PLC系统，两套PLC系统通过以太网进行数据通讯。环形加热炉与上下游设备之间采用工业以太网进行数据通讯，与用户能源采集系统之间也采用以太网进行数据通讯。
环形加热炉每一套PLC控制系统都采用PROFIBUS 现场总线技术，将安置在现场的远程I/O模块通过PROFIBUS-DP连接到中央处理器，即在每个从站ET200M （I/O站）上，安装一块IM153通讯接口模块，通过总线连接器连接到现场工业总线上，这样就很大程度的提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的安全性、可维护性。
热工控制系统、传动控制系统的PLC，配置了工业以太网模块，与作为人机界面的上位机联网。PLC通过工业以太网方式与上位机进行数据通讯，实现人机界面的操作。
3、自动控制系统
3.1 热工控制系统
3.1.1温度控制系统环形加热炉温度控制主要采用在工业炉窑控制系统中广泛使用的“偏差比例型双交叉制约限幅燃烧控制”方式。该控制方式可保证加热炉温度控制的平稳性，空燃比准确。同时加入适当的“偏差比例型”动态补偿信号，可以提高系统的动态响應速度。实践证明，这种方法可以有效的将系统的响应速度提高，使之适应加热炉的热负荷变化的需要（如：进、出料时炉门的开闭，突然性的保温待锻，快速的升温，上游锻压设备锻制节奏的变化等）。
该控制方式的具体实现过程是将各分区热电偶温度信号采集到PLC控制系统中，通过PLC的编程实现PID的运算和相关限幅和空燃比的计算，最后通过PLC输出调节各分区空气调节阀和煤气调节阀的开度来实现炉温的控制。
3.1.2炉压控制系统 环形炉炉压的控制采用了传统的PID调节方式，是将微差压压力变送器测量出来的压力信号送到PLC的模拟量输入模块，通过PLC编程实现PID的运算，运算出来0-100%的控制输出去控制烟道闸板的开度。在这里要注意炉压的控制为反作用控制，如果想要炉压升高，就需要适当的关闭烟道闸板，想要炉压降低，就要打开烟道闸板。
3.1.4煤气阀站控制系统 考虑到煤气的安全问题，环形加热炉的煤气阀站设计了两道切断阀进行保护，阀门都为六级硬密封切断阀，当加热炉热工控制系统出现紧急状况（如：燃气压力过低，助燃空气压力过低，炉温超极限温度等），就要通过PLC逻辑输出切断这两个调节阀，以确保设备和人身安全。另外阀站还设置了一个压力开关和一个密封测试旁通阀门，用来在启炉前配合测试两道阀门的密封性，由PLC软件编程实现。如果两道阀门的气密测试没有通过，将无法启炉。
3.1.5热风放散控制系统 为了防止空气换热器过热而烧损，环形炉采用的是通过调节热风管路分配器上放散管路的调节阀来控制热风温度的。通过热风管路上热电偶采集的温度信号，经过PLC编程进行线性温度控制处理，然后通过PLC输出4-20mA信号调节热风放散调节阀的开度来控制热风的温度。该控制技术即可有效的保护空气换热器不致因过热而烧损，又可防止因热风放散过多而影响燃烧。
PID控制方式在热风管路上不是很适用，因为一旦偏差过大就会使系统产生振荡，调节阀的反复振荡会引起风压的波动，就会给风压控制系统以及整个温度控制系统的制造扰动。而线性的控制方式就不会出现这种振荡，它根据温度的变化直接给阀门输出相应的线性阀位，相应的速度很快，不会发生PID调节时出现超调后产生振荡的情况。
3.1.6掺冷风控制系统为了防止空气换热器入口的烟气温度过高烧坏换热器，环形加热炉设立了换热器前掺冷风控制系统，用一个独立的掺冷风机向换热器前烟道中通入冷风。此系统也是利用热电偶采集温度信号，经过PLC编程实现线性温度控制，最终调节掺冷风调节阀开度来实现降温的。由于对烟道掺冷风会影响炉压的控制，所以这部分也用线性控制代替了PID控制。 3.2 传动控制系统
3.2.1炉底控制系统环形加热炉的炉底是传动系统的主要部分，其主要的控制在于对炉底的精确定位和物料的准确跟踪，以确保每一根坯料从装料测入炉后能准确的旋转到出料测，同时物料的信息也能准确的从装料测的上游设备经过环形炉传递到出料测的下游设备。
此控制系统采用高分辨率的编码器对炉底进行精确定位，通过编码器读出高精度的脉冲值进入PLC系统，经过PLC软件编程完成脉冲到角度的转换，不同步距下的单排、双排和交叉布料的方式，以及物料在上位机监控画面上的跟踪，最终通过控制变频电机或液压马达的运转来实现准确的定位。
炉底的控制模式分为自动、单步和点动三种，在正常生产运行时炉底采用自动控制模式，炉底会按设定的时间节拍进行单步旋转，这时装出料炉门和装出料机也会投到自动控制模式下，这样炉底就可以同炉门、装出料机实现整个环形炉传动系统的全自动化。当装出料系统出现问题不能自动运行时，炉底可以切换为单步控制模式，人工对炉底进行单步的旋转。点动控制模式是在炉底出现问题或检修时，人工通过点动按钮可以将炉底调整到任意位置。
3.2.2 装料控制系统装料的控制主要是对炉门、装料机夹钳的前后移动、升降移动和夹紧松开动作的控制。装料机前后移动的定位是依靠与电机同轴旋转的高分辨率绝对值编码器来实现的，将绝对值编码器采集的脉冲信号经过PLC
编程控制变频器的输出控制变频电机，实现夹钳前后移动的运行、减速和停车。
装料机夹钳的升降位置和夹钳张开位置是依靠位移传感器或接近开关来确定的，然后通过对液压系统中比例调节阀或气动系统中的电磁换向阀的控制来实现其夹钳的升降、夹紧松开动作。炉门依靠接近开关定位，通过比例方向阀来控制炉门的打开和关闭。
装料机的控制模式分为自動、半自动、手动和点动四种模式。正常生产时采用自动模式，使其与炉底和出料机形成全自动的环形炉传动控制系统。半自动模式与自动模式的区别在于半自动模式下需要人工通过按钮做一下确认，然后装料机会自动完成一个完整的装料过程。手动和点动模式是为检修设备而设计的，以便设备在故障或检修时可以将设备停在想要停到的位置。
3.2.3出料控制系统出料控制系统与装料控制系统基本上是一样的，只是在出料机上增加了左右摆动的功能，是为了防止当炉底定位出现问题时，炉内坯料转到出料侧后偏于出料机抓料位置，此时需要左右摆动机构将出料夹钳摆动到料坯所在的位置。摆动机构也是采用位移传感器或接近开关来判定位置，通过电磁换向阀来控制其向左摆动和向右摆动。
4、结论
环形加热炉是热轧生产线上主要的设备之一，其控制系统主要由热工控制系统和传动控制系统两部分组成，两套控制系统都通过PLC来实现对系统的监测和控制，系统中应用的PID调节、线性控温、位置控制等都通过PLC软件编程实现。环形加热炉通过PLC对热工仪表和传动设备的精确控制，形成了稳定、节能、安全、高效的自动化控制系统。
参考文献
[1] 齐从谦，王士兰.PLC 技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2007：35.
[2] 殷华文，刘黎明.工业控制网络设计技术[J].自动化仪表，2005，23（11）：24-27.