双频淬火机床控制系统设计及应用

　　宝钢集团上海热处理厂双频淬火机床系统是多年前从比利时OSB公司引进的轧辊淬火专用设备，1999年上海派克软件公司对淬火机算法控制计算机系统进行了改造。目前，该系统存在元器件老化，双系统切换繁杂，系统使用可靠性差、维护困难，基于上述原因，对该设备进行控制系统重新设计是当务之急。

　　随着PLC技术不断发展，具有处理逻辑控制、过程控制、运动控制、数据处理、联网通信等多种功能，结合上位机监控界面和数据服务器，组成一个由操作、监控、管理为一体的智能控制系统，整个淬火控制系统，利用先进控制算法，并进行模拟设备仿真测试，验证了系统的可行性。

　　1 轧辊淬火机床介绍

　　1.1 轧辊淬火原理

　　淬火原理基于电磁场理论，利用加载于50Hz工频和250Hz中频两种感应圈的交变电流而在其周围产生交变磁场，产生感应电动势e，金属轧辊通过交变磁场，在轧辊表面的一薄层内形成涡流，涡流强度，由焦耳定律可知，产生的热量Q = 0.24I²Rt。

　　产生的热量使轧辊表面加热，达到所需的淬火温度。同时利用两种感应圈的不同频率使感应热渗透到不同的深度，喷水使其急剧冷却淬火，从而在轧辊表面形成一定厚度的淬硬层，经双频淬火后的淬硬层有较缓和的过渡区和均匀的残余应力分布，提高了轧辊的韧性和抗疲劳强度，增加了轧辊尺寸的稳定性。

　　1.2 淬火控制工艺

　　淬火启动后，轧辊按给定的速度旋转和下降，同时开始下降位移计数，计算机连续跟踪轧辊状态变化，根据轧辊的移动位置，按照实测的温度T1和T2与设定的温度值比较，通过模型算法确定50Hz和250Hz感应线圈的设定功率，控制模型及顺序为50Hz感应圈功率预设定模型、T1升温控制的调节模型、T2温度控制的调节模型、250Hz感应圈功率预设定模型、T3升温控制的调节模型、T4温度控制的调节模型、水流量的调节控制、T2降温控制的调节模型、50Hz感应圈电源切断、T4降温控制的调节模型、250Hz感应圈电源切断，当位移计数到达淬火区终了位置时，轧辊停止位移。当轧辊完全处于淬火区域时 ，升降机构停止移动，冷却时间到达给定的时间之后，水泵停止运行 ，升降机构开始上升到位 ，卸载结束完成整个淬火的控制工艺。

　　2 系统架构设计和主要功能描述

　　本设计将淬火控制系统架构分为设备控制层、上位机监控管理层两个层级。其中，设备控制层包含“淬火算法控制系统”和“电气控制系统”两套系统，上位机监控管理层包含一个监控操作站和一个数据服务器管理站。如图1所示：设备控制层作为监控管理层的下位机，是整个系统控制的核心，是保障设备安全可靠运行的基础，其中“电气控制系统”作为任务执行系统，包含10个从站，各从站之间通过 Prifibus总线进行连接，其主要任务是完成对工频设备、中频设备、高压供电系统、淬火机及水处理的工艺顺序控制，包括设备的运行、停止、联锁保护、故障报警输出、现场数据采集及设备状态反馈。“淬火算法控制系统”采集T1-T4温度值，根据测量值与设定值的比较，运行自动控制模型和算法，并换算成重新加于电磁感应圈的电功率增量来补偿，使轧辊表面的实际温度控制在设定温度范围。