嵌入式PLC在梭式窑控制系统中的应用
摘要：采用CAN总线技术组建以嵌入式PLC为主站的CAN网络，运用PID算法，结合工业级人机界面，实现梭式窑的逻辑控制和过程控制。
关键词：嵌入式PLC；人机界面；CAN总线；梭式窑；控制
1 引言
20多年来，窑炉控制系统的发展经历从人工看火，手动调节，到单显表显示，手动调节；到智能调节仪表自动调节，到计算机自动控制，到计算机+智能调节仪表双重控制等多个阶段。我们在黄冈市华泰窑炉公司承建的河南郑州上街铝厂80立方燃气梭式窑上，采用了全新的窑炉控制方案——PLC+人机界面控制方案。该窑已于2005年6月投产，温度控制精度达到±3℃，深受用户好评。
2用户需求
2、1梭式窑控制要求
梭式窑是一种间歇窑炉，主要用于日用陶瓷、卫生洁具、艺术陶瓷、微晶玻璃和电瓷等烧结工程，以及钢铁热处理等行业。 就陶瓷的烧结工程而言，对梭式窑控制提出了以下要求:
（1） 由于陶瓷是一种硅酸盐材料，特别是在晶型转换剧烈的阶段，要求温度的升降应该是渐进的，一般不允许突升猛降。
（2）由于不同的气氛会影响陶瓷产品的色泽，所以对气氛的控制要求比较严格。
（3）陶瓷产品烧成依据配方要求在不同温度段，升温速率也不尽相同。
可见，梭式窑的控制主要是气氛和温度的控制，在实际应用中温度的控制主要通过调节烧嘴的燃烧和助燃风的流量或压力，气氛的控制主要通过调节火焰性质和窑内压力。梭式窑控制系统涉及温度和压力的采集、控制、风机动作和变频调节。
2、2用户资料
该梭式窑是 80 立方米的燃气梭式窑，有18个烧嘴分6组温度控制区，采用脉冲信号（占空比）控制助燃风电磁阀，燃气阀则依靠比例阀控制，以此实现烧嘴的控制，2个压力控制点分别控制窑压和助燃风压力，以达到调节窑内气氛的目的，另外还有排烟风机 2 台（ 1# 排烟风机作正常使用， 2# 排烟风机作补给使用）助燃风机 1 台， 1# 排烟风机和助燃风机采用变频器控制， 2# 排烟风机采用星 - 三角控制。整个系统有温度检测点 7 个（ 6 点 S 分度用于控制， 1 点 K 分度用于显示），压力检测点 2 个， 18 个烧嘴火焰检测。
3 系统方案
3.1系统组成
鉴于用户以上要求，选用一台嵌入式 PLC （ EASY-M2416R ）作为主结点实现整个系统的逻辑控制和过程控制，并通过 CAN 总线连接温度采集模块（ CAN-AD1216 ）和压力采集模块（ CAN-AD1208A ）及模拟量输出模块（ CAN-DA1208 ），整个系统的运行状态通过人机界面（ 10.4寸，真彩色 ）显示、控制，通过互连的计算机监控、记录。
控制系统框图如下：
3.2系统组成控件介绍
EASY-M2416R
是一款嵌入式 PLC ，有24点开关量输入、16 点开关量输出，其编程环境与三菱 FX2n 兼容。除具有通用PLC功能之外，还可与多家HMI相连，方便地实现CAN、485通信，可多组成多层网络。
CAN-AD1216
是温度采集模块， CAN 总线产品， 16 个通道，它将热电偶毫伏信号转化为数值信号，通过CAN 现场总线网络将数字信号送到PLC 。
CAN-AD1208A
是压力采集模块， CAN 总线产品，有 8 个通道，接受 4-20mA 的模拟信号转化
为 0-1000 的数字信号。
CAN-DA1208
是 0-10V 的'模拟量输出模块， CAN 总线产品，有 8 个通道，它接收 CAN 总
线的数字信号转化为 0-10V 的模拟信号。
人机界面
能与EASY-M2416R连接的人机界面很多，如三菱、台达、 HITECH 、 Eview 等，这里选用 HITECH 的PWS3216 ，它是一款 256 色 10.4 ”的人机界面。
4、工艺要求的实现
4.1进程工艺实现
根据产品及工艺的多样性要求，提供了三条工艺曲线以供选择。每条曲线都由20个温度段组成，在每个温度段中可以设置所需的温度要求及所需要的时间。按下图画面左下脚“工艺选择”设值按钮，填入所需的工艺曲线及起始段号后，再返回主画面按下“进程启动”按钮，这时PLC就调入这条曲线参数进行处理运算，同时进程指示灯会点亮，以指示当前所调入的参数段，并且随着进程段数的增加而改变。“当前给定”显示框，显示的是PLC根据所选段号参数，计算出来的当前给定温度值。PLC把此值同时赋给六个脉冲阀，当成其PID运算的目标值。并且在PLC开机初始化或进程启动时，所显示的是从1#加热区所采样到的当前炉温，进程是在这个温度基础上开始运行的。当“当前段号”数值框中的数值大于“终止段号”中的数值时，就表示进程结束，这时要想重新启动，就需要重新设置起始段号，并返回主画面按下“进程启动”按钮。“给定周期”设值框是用来改变“当前给定”数值框数字跳动的频率周期，给定周期小，数值显示的跳动频率就快，数值变化的幅度就小，反之亦然。此值已被限制在1-20秒之内。画面下方的“温度曲线”按钮是一个子画面打开按钮，实现该温度进程工艺的人机界面画面如下：
其相应部分梯形图程序如下：
4.2 烧嘴的控制
该梭式窑烧嘴的控制方式是：脉冲信号控制助燃风电磁阀，燃气阀依靠比例阀控制，要求脉冲周期可调，同时可设置最小开启时间和最小关闭时间。画面显示的是PLC 8组PID运算所需要的参数设置值，这些值按照现场工艺要求一经设置好后不许改动。它由密码进行保护，只有持有密码者才可以打开画面进去修改。“脉冲周期”是一个设值按钮，其值控制六个脉冲阀的输出周期，即多长时间阀动作一次。此值已被限制在3——20秒。“最小开启时间”和“最小关闭时间”分别对应脉冲阀的两个参数。程序处理时，当阀的理论开启时间小于阀的“最小开启时间”时，阀全关，当阀的理论关闭时间小于阀的“最小关闭时间”时，阀全闭。实现该过程的人机界面画面如下：
对应的梯形图程序如下：
4.3人机界面画面功能
该窑控制系统的所有操作均可在人机界面上完成,面板按钮与人机界面按钮互为备份,操作时可无扰切换。除上述两个设置画面外，还展示了梭式窑的现场模拟图、风机和烧嘴状态指示、温度压力显示、设定温度曲线、实时温度曲线及故障信息。下面是该系统的主画面。
5 结语
应用嵌入式 PLC 、CAN 总线技术加工业级人机界面的梭式窑控制系统，与传统的梭式窑计算机控制系统相比有以下优势：
（1）组成了一个局域网，实现了“集中分散型控制”，在人机界面上控制属于集中控制，在各个柜子面板按钮属于分散控制，两者处于同一个优先级。
（2）克服了工业计算机在使用过程中存在的三大问题：
计算机可靠性难以保证。（如：风扇、硬盘、键盘、鼠标等部件容易损坏）
很难标准化。（硬件不断升级、软件不断更新、编程语言众多、很难规范化等）
维护麻烦。
（3） 可通过485网络接口外接计算机。（传输距离可达1000米），可在办公室里实现远程监控。计算机只作信息管理用，不参与控制。计算机中包括现场模拟图、温度实时曲线图、控制设定曲线图、历史趋势曲线图，并可设隔2分钟自动保存一次（保存时间可改变），还可完成报表打印，便于分析工艺。
（4） 具有很好的扩展性和可维护性，在工作环境改变时可灵活增添或减少设备。对于系统不断完善和升级换代奠定了良好的基础。
（5） 该系统具有网络互连功能：能接互连网，进行远程维护，能接入国际知名公司的控制网，还可以与带CAN协议、RS485接口的产品互连。
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