嵌入式PLC在梭式窯控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
摘要：采用CAN總線技術(shù)組建以嵌入式PLC為主站的CAN網(wǎng)絡(luò)，運用PID算法，結(jié)合工業(yè)級人機界面，實現(xiàn)梭式窯的邏輯控制和過程控制。
關(guān)鍵詞：嵌入式PLC；人機界面；CAN總線；梭式窯；控制
1 引言
20多年來，窯爐控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷從人工看火，手動調(diào)節(jié)，到單顯表顯示，手動調(diào)節(jié)；到智能調(diào)節(jié)儀表自動調(diào)節(jié)，到計算機自動控制，到計算機+智能調(diào)節(jié)儀表雙重控制等多個階段。我們在黃岡市華泰窯爐公司承建的河南鄭州上街鋁廠80立方燃氣梭式窯上，采用了全新的窯爐控制方案——PLC+人機界面控制方案。該窯已于2005年6月投產(chǎn)，溫度控制精度達到±3℃，深受用戶好評。
2用戶需求
2、1梭式窯控制要求
梭式窯是一種間歇窯爐，主要用于日用陶瓷、衛(wèi)生潔具、藝術(shù)陶瓷、微晶玻璃和電瓷等燒結(jié)工程，以及鋼鐵熱處理等行業(yè)。 就陶瓷的燒結(jié)工程而言，對梭式窯控制提出了以下要求:
（1） 由于陶瓷是一種硅酸鹽材料，特別是在晶型轉(zhuǎn)換劇烈的階段，要求溫度的升降應(yīng)該是漸進的，一般不允許突升猛降。
（2）由于不同的氣氛會影響陶瓷產(chǎn)品的色澤，所以對氣氛的控制要求比較嚴格。
（3）陶瓷產(chǎn)品燒成依據(jù)配方要求在不同溫度段，升溫速率也不盡相同。
可見，梭式窯的控制主要是氣氛和溫度的控制，在實際應(yīng)用中溫度的控制主要通過調(diào)節(jié)燒嘴的燃燒和助燃風的流量或壓力，氣氛的控制主要通過調(diào)節(jié)火焰性質(zhì)和窯內(nèi)壓力。梭式窯控制系統(tǒng)涉及溫度和壓力的采集、控制、風機動作和變頻調(diào)節(jié)。
2、2用戶資料
該梭式窯是 80 立方米的燃氣梭式窯，有18個燒嘴分6組溫度控制區(qū)，采用脈沖信號（占空比）控制助燃風電磁閥，燃氣閥則依靠比例閥控制，以此實現(xiàn)燒嘴的控制，2個壓力控制點分別控制窯壓和助燃風壓力，以達到調(diào)節(jié)窯內(nèi)氣氛的目的，另外還有排煙風機 2 臺（ 1# 排煙風機作正常使用， 2# 排煙風機作補給使用）助燃風機 1 臺， 1# 排煙風機和助燃風機采用變頻器控制， 2# 排煙風機采用星 - 三角控制。整個系統(tǒng)有溫度檢測點 7 個（ 6 點 S 分度用于控制， 1 點 K 分度用于顯示），壓力檢測點 2 個， 18 個燒嘴火焰檢測。
3 系統(tǒng)方案
3.1系統(tǒng)組成
鑒于用戶以上要求，選用一臺嵌入式 PLC （ EASY-M2416R ）作為主結(jié)點實現(xiàn)整個系統(tǒng)的邏輯控制和過程控制，并通過 CAN 總線連接溫度采集模塊（ CAN-AD1216 ）和壓力采集模塊（ CAN-AD1208A ）及模擬量輸出模塊（ CAN-DA1208 ），整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)通過人機界面（ 10.4寸，真彩色 ）顯示、控制，通過互連的計算機監(jiān)控、記錄。
控制系統(tǒng)框圖如下：
3.2系統(tǒng)組成控件介紹
EASY-M2416R
是一款嵌入式 PLC ，有24點開關(guān)量輸入、16 點開關(guān)量輸出，其編程環(huán)境與三菱 FX2n 兼容。除具有通用PLC功能之外，還可與多家HMI相連，方便地實現(xiàn)CAN、485通信，可多組成多層網(wǎng)絡(luò)。
CAN-AD1216
是溫度采集模塊， CAN 總線產(chǎn)品， 16 個通道，它將熱電偶毫伏信號轉(zhuǎn)化為數(shù)值信號，通過CAN 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字信號送到PLC 。
CAN-AD1208A
是壓力采集模塊， CAN 總線產(chǎn)品，有 8 個通道，接受 4-20mA 的模擬信號轉(zhuǎn)化
為 0-1000 的數(shù)字信號。
CAN-DA1208
是 0-10V 的'模擬量輸出模塊， CAN 總線產(chǎn)品，有 8 個通道，它接收 CAN 總
線的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為 0-10V 的模擬信號。
人機界面
能與EASY-M2416R連接的人機界面很多，如三菱、臺達、 HITECH 、 Eview 等，這里選用 HITECH 的PWS3216 ，它是一款 256 色 10.4 ”的人機界面。
4、工藝要求的實現(xiàn)
4.1進程工藝實現(xiàn)
根據(jù)產(chǎn)品及工藝的多樣性要求，提供了三條工藝曲線以供選擇。每條曲線都由20個溫度段組成，在每個溫度段中可以設(shè)置所需的溫度要求及所需要的時間。按下圖畫面左下腳“工藝選擇”設(shè)值按鈕，填入所需的工藝曲線及起始段號后，再返回主畫面按下“進程啟動”按鈕，這時PLC就調(diào)入這條曲線參數(shù)進行處理運算，同時進程指示燈會點亮，以指示當前所調(diào)入的參數(shù)段，并且隨著進程段數(shù)的增加而改變�！爱斍敖o定”顯示框，顯示的是PLC根據(jù)所選段號參數(shù)，計算出來的當前給定溫度值。PLC把此值同時賦給六個脈沖閥，當成其PID運算的目標值。并且在PLC開機初始化或進程啟動時，所顯示的是從1#加熱區(qū)所采樣到的當前爐溫，進程是在這個溫度基礎(chǔ)上開始運行的。當“當前段號”數(shù)值框中的數(shù)值大于“終止段號”中的數(shù)值時，就表示進程結(jié)束，這時要想重新啟動，就需要重新設(shè)置起始段號，并返回主畫面按下“進程啟動”按鈕�！敖o定周期”設(shè)值框是用來改變“當前給定”數(shù)值框數(shù)字跳動的頻率周期，給定周期小，數(shù)值顯示的跳動頻率就快，數(shù)值變化的幅度就小，反之亦然。此值已被限制在1-20秒之內(nèi)。畫面下方的“溫度曲線”按鈕是一個子畫面打開按鈕，實現(xiàn)該溫度進程工藝的人機界面畫面如下：
其相應(yīng)部分梯形圖程序如下：
4.2 燒嘴的控制
該梭式窯燒嘴的控制方式是：脈沖信號控制助燃風電磁閥，燃氣閥依靠比例閥控制，要求脈沖周期可調(diào)，同時可設(shè)置最小開啟時間和最小關(guān)閉時間。畫面顯示的是PLC 8組PID運算所需要的參數(shù)設(shè)置值，這些值按照現(xiàn)場工藝要求一經(jīng)設(shè)置好后不許改動。它由密碼進行保護，只有持有密碼者才可以打開畫面進去修改。“脈沖周期”是一個設(shè)值按鈕，其值控制六個脈沖閥的輸出周期，即多長時間閥動作一次。此值已被限制在3——20秒�！白钚￠_啟時間”和“最小關(guān)閉時間”分別對應(yīng)脈沖閥的兩個參數(shù)。程序處理時，當閥的理論開啟時間小于閥的“最小開啟時間”時，閥全關(guān)，當閥的理論關(guān)閉時間小于閥的“最小關(guān)閉時間”時，閥全閉。實現(xiàn)該過程的人機界面畫面如下：
對應(yīng)的梯形圖程序如下：
4.3人機界面畫面功能
該窯控制系統(tǒng)的所有操作均可在人機界面上完成,面板按鈕與人機界面按鈕互為備份,操作時可無擾切換。除上述兩個設(shè)置畫面外，還展示了梭式窯的現(xiàn)場模擬圖、風機和燒嘴狀態(tài)指示、溫度壓力顯示、設(shè)定溫度曲線、實時溫度曲線及故障信息。下面是該系統(tǒng)的主畫面。
5 結(jié)語
應(yīng)用嵌入式 PLC 、CAN 總線技術(shù)加工業(yè)級人機界面的梭式窯控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的梭式窯計算機控制系統(tǒng)相比有以下優(yōu)勢：
（1）組成了一個局域網(wǎng)，實現(xiàn)了“集中分散型控制”，在人機界面上控制屬于集中控制，在各個柜子面板按鈕屬于分散控制，兩者處于同一個優(yōu)先級。
（2）克服了工業(yè)計算機在使用過程中存在的三大問題：
計算機可靠性難以保證。（如：風扇、硬盤、鍵盤、鼠標等部件容易損壞）
很難標準化。（硬件不斷升級、軟件不斷更新、編程語言眾多、很難規(guī)范化等）
維護麻煩。
（3） 可通過485網(wǎng)絡(luò)接口外接計算機。（傳輸距離可達1000米），可在辦公室里實現(xiàn)遠程監(jiān)控。計算機只作信息管理用，不參與控制。計算機中包括現(xiàn)場模擬圖、溫度實時曲線圖、控制設(shè)定曲線圖、歷史趨勢曲線圖，并可設(shè)隔2分鐘自動保存一次（保存時間可改變），還可完成報表打印，便于分析工藝。
（4） 具有很好的擴展性和可維護性，在工作環(huán)境改變時可靈活增添或減少設(shè)備。對于系統(tǒng)不斷完善和升級換代奠定了良好的基礎(chǔ)。
（5） 該系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)互連功能：能接互連網(wǎng)，進行遠程維護，能接入國際知名公司的控制網(wǎng)，還可以與帶CAN協(xié)議、RS485接口的產(chǎn)品互連。
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