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摘 要 本系统以棒材厂加热炉控制现场为背景，设计并制作完成与实际相结合的步进式加热炉演示系统。下位部分采用西门子PLC来控制实现加热炉的动作；利用MCGS完成上位在线演示。该系统为培养学生实践和创新能力提供了良好的平台。
关键词 加热炉；PLC；MCGS；演示系统
中图分类号：TP315 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2013）27-0033-03
1 引言
目前我校电气工程学院自动化实验室普遍存在控制对象单一，而开出的综合性实验由于缺少实际具体被控对象而大都处于模拟调试阶段，无法实现控制器与实际被控单元的在线调试，同学们很难将实验室设备与现场联系在一起，无法真正做到实际技能培养和训练的目的。
为了更好地帮助自动化专业学生对现场控制系统结构有更清晰的认识，利用学习过的工业现场的有关知识来解决实际问题[1]，本次设计以八钢棒材厂加热炉为背景，开发完成了与生产实际紧密结合的步进式加热炉实验演示系统。学生不仅可以更好地了解封闭加热炉内部结构，还可以演示加热炉内部工作情况。这对于学生建立对加热炉及复杂工业生产过程的认识，自主实现模拟工业过程中检测和控制技术，综合掌握所学知识，提高学生工程实践和创新能力具有很好的帮助。
2 模型总体设计
加热控制是棒材加工过程中的关键步骤。根据控制工艺，只有对加热炉的燃烧温度以及进出钢顺序进行控制，才能保证棒材产品的质量。
2.1 工艺流程
加热炉由进钢、出钢和炉体三部分组成。加热炉的进、出钢部分分别在炉体两侧进出。首先将准备加工的钢坯送到上料台架上，按照炉体大小，通过钢坯切割，由拉钢机逐根拉至分钢机，并传递到炉前的装料辊道上。按照控制炉内悬臂辊道速度的方法使钢坯在炉内辊道上准确定位，然后由对齐推钢机将定位好的钢坯推到加热炉固定梁中开始加热。
加热炉内部由预热段、加热段、均热段三段式连续顺序加热组成。在预热段先利用烟气对刚送入炉体的钢坯进行缓慢加热，减小钢坯的热应力，一般温度控制在350 ℃；而加热段控制在800 ℃左右，通过快速加热来降低钢坯在高温区的停留时间以降低氧化和脱碳程度，提高钢坯品质；最后均热段为了消除由于快速加热而产生的“黑印”问题，一般温度控制在1050 ℃，此时钢坯表面温度不再升高。一般加热段和均热段烧嘴顶部采用平焰形式。钢坯在炉体内由预热段到达均热段的过程都是由步进梁通过上升，前进和下降及后退不断往复一步步地把加工好的钢坯送到炉子的出钢段，最后由出钢部分的炉内悬臂辊道将钢坯送出炉外，完成钢坯加热过程。如果当炉子在检修或者发生事故时，可通过控制步进梁反向逆循环运动，将钢坯由出钢部分送回到进钢部分[2-3]。
2.2 模型装置制作
按照工艺流程，所设计和制作的模型比实际加热炉系统简化和美观。模型是开放式的，学生可以很清楚地看到炉体内部结构。模型由进钢机、步进梁、出钢机、推钢机、温度传感器、霍尔开关等部分组成。为保证系统安全可靠运行，在装置中还安装了到位开关、报警灯装置[4]。其模型如图1所示。
3 模型控制系统设计
炉温和步进梁控制是加热炉的控制核心问题。为了保证钢坯在加热炉内的顺利传递，满足对轧钢机的供应量，本次采用西门子PLC完成对下位加热炉模拟装置的控制，并通过MCGS实现对模型的上位监测[5]。
3.1 下位控制系统
根据模拟装置控制点的要求，本次控制系统选用西门子PLC中CPU224控制器和EM235模拟量模块。由于CPU224控制器本身具有14输入/10输出共24个数字量I/O点[7]，满足输入/输出控制点个数要求，可根据检测到的行程开关及霍尔开关等信号来判断控制各部件的运行状态。由于加热炉各部件动作是根据温度操作，系统还扩展了EM 235模块，完成对炉内不同区域段温度的模拟采集。最后利用PPI协议实现与上位监测系统通讯，实现对加热炉工作状态的在线观测。其控制总体流程如图2所示。
3.2 上位监测系统
由于加热炉周边温度很高，往往无法直接观测其内部状态，因此为了更贴合实际，还利用MCGS软件制作完成了上位监测系统。该系统由进入界面、监测系统主界面、步进梁运功轨迹、实时和历史曲线、实时和历史数据等界面组成。监测主界面由氧气和煤气管道、进钢机、步进梁和出钢机、推钢机、报警等控件组成。当系统进入运行环境后，可以在线监测到各部件的情况及温度数据和曲线[8]。主界面如图3所示。
4 演示系统运行调试
在完成上位系统设计后，就可将下位PLC控制系统与上位系统进行通讯联调。最重要的就是利用西门子PPI通讯协议，将上位系统实时数据库的各个变量与下位PLC所对应的程序变量相互连接定义，并设置串口通讯参数。最后通过不断运行调试，达到画面能够监测和跟踪上加热炉各部件的运行情况，其系统在线监测画面如图4所示。
5 结论
本次制作的步进式加热炉演示装置以棒材厂加热炉为实际对象，采用在实际现场中常用到的PLC、传感器及继电器等工业级元件，设计制作了演示模型。并根据工艺流程，编写演示控制程序，实现上位在线监测和下位控制。该系统不仅可以实现PLC自动控制，还可根据要求完成手动操作控制。而且该装置来自于现场，控制过程直观，为学生进一步了解实际现场的控制要求和思路提供了便利。同时，该装置还可作为过程控制、单片机控制及计算机控制的被控对象，为相关课程的学习提供更实际的实验平台。
参考文献
[1]李雪龙，满新梅，曹晓岭.八钢棒材轧钢加热炉工艺特点[J].新疆钢铁，2005（3）：12-15.
[2]王珍，赵延峰.鞍钢厚板厂步进梁式加热炉工艺设计[J].鞍钢技术，1997（7）：14-16.
[3]汤秀琴，王云川，张东平.加热炉加热过程优化控制系统的研究与应用[J].控制工程，2006（3）：18-22.
[4]乔坤.基于PLC和WinCC的步进式钢坯加热炉过程控制[J].自动化应用，2012（7）：52-53.
[5]SIEMENS AG.SIMATIC S7-200 Programm-able Controller System Manual，2004.
[6]北京昆仑通态公司.MCGS用户指南[M].北京昆仑通态自动化软件科技有限公司，2002.
[7]贺平，闫学勤，娄毅.镀锌生产线过程控制系统教学演示仪的设计[J].甘肃科技，2009（4）：152-153.
关键词 加热炉；PLC；MCGS；演示系统
中图分类号：TP315 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2013）27-0033-03
1 引言
目前我校电气工程学院自动化实验室普遍存在控制对象单一，而开出的综合性实验由于缺少实际具体被控对象而大都处于模拟调试阶段，无法实现控制器与实际被控单元的在线调试，同学们很难将实验室设备与现场联系在一起，无法真正做到实际技能培养和训练的目的。
为了更好地帮助自动化专业学生对现场控制系统结构有更清晰的认识，利用学习过的工业现场的有关知识来解决实际问题[1]，本次设计以八钢棒材厂加热炉为背景，开发完成了与生产实际紧密结合的步进式加热炉实验演示系统。学生不仅可以更好地了解封闭加热炉内部结构，还可以演示加热炉内部工作情况。这对于学生建立对加热炉及复杂工业生产过程的认识，自主实现模拟工业过程中检测和控制技术，综合掌握所学知识，提高学生工程实践和创新能力具有很好的帮助。
2 模型总体设计
加热控制是棒材加工过程中的关键步骤。根据控制工艺，只有对加热炉的燃烧温度以及进出钢顺序进行控制，才能保证棒材产品的质量。
2.1 工艺流程
加热炉由进钢、出钢和炉体三部分组成。加热炉的进、出钢部分分别在炉体两侧进出。首先将准备加工的钢坯送到上料台架上，按照炉体大小，通过钢坯切割，由拉钢机逐根拉至分钢机，并传递到炉前的装料辊道上。按照控制炉内悬臂辊道速度的方法使钢坯在炉内辊道上准确定位，然后由对齐推钢机将定位好的钢坯推到加热炉固定梁中开始加热。
加热炉内部由预热段、加热段、均热段三段式连续顺序加热组成。在预热段先利用烟气对刚送入炉体的钢坯进行缓慢加热，减小钢坯的热应力，一般温度控制在350 ℃；而加热段控制在800 ℃左右，通过快速加热来降低钢坯在高温区的停留时间以降低氧化和脱碳程度，提高钢坯品质；最后均热段为了消除由于快速加热而产生的“黑印”问题，一般温度控制在1050 ℃，此时钢坯表面温度不再升高。一般加热段和均热段烧嘴顶部采用平焰形式。钢坯在炉体内由预热段到达均热段的过程都是由步进梁通过上升，前进和下降及后退不断往复一步步地把加工好的钢坯送到炉子的出钢段，最后由出钢部分的炉内悬臂辊道将钢坯送出炉外，完成钢坯加热过程。如果当炉子在检修或者发生事故时，可通过控制步进梁反向逆循环运动，将钢坯由出钢部分送回到进钢部分[2-3]。
2.2 模型装置制作
按照工艺流程，所设计和制作的模型比实际加热炉系统简化和美观。模型是开放式的，学生可以很清楚地看到炉体内部结构。模型由进钢机、步进梁、出钢机、推钢机、温度传感器、霍尔开关等部分组成。为保证系统安全可靠运行，在装置中还安装了到位开关、报警灯装置[4]。其模型如图1所示。
3 模型控制系统设计
炉温和步进梁控制是加热炉的控制核心问题。为了保证钢坯在加热炉内的顺利传递，满足对轧钢机的供应量，本次采用西门子PLC完成对下位加热炉模拟装置的控制，并通过MCGS实现对模型的上位监测[5]。
3.1 下位控制系统
根据模拟装置控制点的要求，本次控制系统选用西门子PLC中CPU224控制器和EM235模拟量模块。由于CPU224控制器本身具有14输入/10输出共24个数字量I/O点[7]，满足输入/输出控制点个数要求，可根据检测到的行程开关及霍尔开关等信号来判断控制各部件的运行状态。由于加热炉各部件动作是根据温度操作，系统还扩展了EM 235模块，完成对炉内不同区域段温度的模拟采集。最后利用PPI协议实现与上位监测系统通讯，实现对加热炉工作状态的在线观测。其控制总体流程如图2所示。
3.2 上位监测系统
由于加热炉周边温度很高，往往无法直接观测其内部状态，因此为了更贴合实际，还利用MCGS软件制作完成了上位监测系统。该系统由进入界面、监测系统主界面、步进梁运功轨迹、实时和历史曲线、实时和历史数据等界面组成。监测主界面由氧气和煤气管道、进钢机、步进梁和出钢机、推钢机、报警等控件组成。当系统进入运行环境后，可以在线监测到各部件的情况及温度数据和曲线[8]。主界面如图3所示。
4 演示系统运行调试
在完成上位系统设计后，就可将下位PLC控制系统与上位系统进行通讯联调。最重要的就是利用西门子PPI通讯协议，将上位系统实时数据库的各个变量与下位PLC所对应的程序变量相互连接定义，并设置串口通讯参数。最后通过不断运行调试，达到画面能够监测和跟踪上加热炉各部件的运行情况，其系统在线监测画面如图4所示。
5 结论
本次制作的步进式加热炉演示装置以棒材厂加热炉为实际对象，采用在实际现场中常用到的PLC、传感器及继电器等工业级元件，设计制作了演示模型。并根据工艺流程，编写演示控制程序，实现上位在线监测和下位控制。该系统不仅可以实现PLC自动控制，还可根据要求完成手动操作控制。而且该装置来自于现场，控制过程直观，为学生进一步了解实际现场的控制要求和思路提供了便利。同时，该装置还可作为过程控制、单片机控制及计算机控制的被控对象，为相关课程的学习提供更实际的实验平台。
参考文献
[1]李雪龙，满新梅，曹晓岭.八钢棒材轧钢加热炉工艺特点[J].新疆钢铁，2005（3）：12-15.
[2]王珍，赵延峰.鞍钢厚板厂步进梁式加热炉工艺设计[J].鞍钢技术，1997（7）：14-16.
[3]汤秀琴，王云川，张东平.加热炉加热过程优化控制系统的研究与应用[J].控制工程，2006（3）：18-22.
[4]乔坤.基于PLC和WinCC的步进式钢坯加热炉过程控制[J].自动化应用，2012（7）：52-53.
[5]SIEMENS AG.SIMATIC S7-200 Programm-able Controller System Manual，2004.
[6]北京昆仑通态公司.MCGS用户指南[M].北京昆仑通态自动化软件科技有限公司，2002.
[7]贺平，闫学勤，娄毅.镀锌生产线过程控制系统教学演示仪的设计[J].甘肃科技，2009（4）：152-153.