嵌入式PLC在隧道窑控制系统中的应用

 摘要：以嵌入式PLC为主站，运用PID算法，结合工业级人机界面，实现隧道窑集中分散型控制，减轻了设计、施工工作量，利于现场操作和维护。
关键词：嵌入式PLC 隧道窑 CAN总线 人机界面 集散型控制

　　1引言

　　隧道窑是一种连续式窑炉，由预热区、高温区、急冷区和缓冷区组成，主要用于建筑陶瓷、日用陶瓷等烧制。隧道窑的控制涉及传动控制，温度、压力的检测、控制以及其它控制。我们采用科威EASY系列PLC开发出的高可靠性、高性价比的隧道窑控制系统，已于2005年7月成功应用在湖北华窑集团中亚窑炉公司承建的越南某隧道窑中。下面介绍此窑的控制方案。

　　2用户要求

　　1、温度控制区8组。

　　2、温度显示区10组。

　　3、热电偶：18支。 其中： K分度11支 S分度7支

　　4、风机选型

　　排烟风机： 15kw 一开一备 要星-三角启动。

　　助燃风机： 15kw 一开一备 要星-三角启动。

　　急冷风机： 11kw 一开一备 （变频）

　　抽热风机： 15kw 一开一备 要星-三角启动。

　　快冷风机： 7.5kw 一开一备 直接启动。

　　 轴流风机： 0.18kw 8台 直接启动

　　5、 安全连锁。

　　开关量互锁：必须是硬件互锁和软件互锁。在设计时进一步落实工艺互锁要求。

　　6、使用人机界面控制

　　现场设人机界面，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。（集中分散型控制）

　　7.关控制信息能传到计算机，计算机只作信息管理用，不参与控制。

　　计算机画面应含有：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、并完成报表打印功能。

　　3 解决方案

　　3、1系统分析

　　3、1、1温度采集部分

　　10支热电偶，K、S两种分度号。

　　3.1、2温度控制部分

　　18点温度中，其中8点（设计时需指定）用来作温度控制用。在这8点温度控制中，其中7点是控制执行器阀位值，改变燃料注入量，从而使温度稳定。另外一点是控制急冷变频器输出频率，改变急冷风机运行速度，从而调节急冷区温度。其它因素由人工调整（如助燃风、燃气压力等）。

　　每个控温点占用一路模拟量输出，急冷变频器占用一路模拟量输出，执行器采取开度定位方式。

　　因此温度控制占用：

　　8路模拟量（输入、输出）。

　　3.1、3相关风机部分

　　3.1.3、1 排烟风机控制

　　排烟风机一用一备，二者逻辑上互锁，电气控制采用两套独立的星-三角控制，每套占三个开关输出点（主、星、三角），占三个开关输入点（启动、停止、故障），因此排烟风机控制占用：

　　 6点开关输入：（启动、停止、故障）*2。

　　 6点开关输出：（主、星、三角）*2。

　　3.1、3.2助燃风机控制

　　助燃风机一用一备，二者逻辑上互锁，电气控制采用两套独立的星-三角控制，每套占三个开关输出点（主、星、三角），占三个开关输入点（启动、停止、故障），因此排烟风机控制占用：

　　 6点开关输入：（启动、停止、故障）*2。

　　 6点开关输出：（主、星、三角）*2。

　　3.1、3.3急冷风机控制

　　急冷风机快慢由变频器调整，通过PLC内部PID运算输出4-20mA标准信号，来控制变频器的输出频率。同时在人机界面上也可以实行手自动切换进行控制。因此急冷风机占用：

　　5点开关输入：急冷A启动、急冷B启动、急冷停止、急冷A故障、急冷B故障

　　2点开关输出：（运行控制）*2。

　　1点模拟输出：频率调节（手自动调节）。

　　3.1、3.4抽热风机控制

　　抽热风机一用一备，二者逻辑上互锁，但电气控制采用两套独立的星-三角控制，每套占三个开关输出点（主、星、三角），占三个开关输入点（启动、停止、故障），因此抽热风机控制占用：

　　6点开关输入：（启动、停止、故障）*2。

　　 6点开关输出：（主、星、三角）*2。

　　3.1、3.5快冷风机控制

　　 快冷风机一开一备，直接输出控制，因此占用：

　　 6点开关量输入：（启动、停止、故障）*2。

　　 2点开关量输出：（运行控制）*2。

　　 3.1、3.6轴流风机控制

　　 轴流风机：0.18kw 8台，直接输出控制，因此占用：

　　 3点开关量输入：启动、停止、故障。

　　 1点开关量输出：运行控制。

　　 3.1、3.7安全连锁

　　 开关量互锁：必须的硬件互锁和软件互锁。在设计时进一步落实工艺互锁要求。

　　3.2控制器件选型

　　据以上统计，有温度采集8点；

　　开关量输入：49点模拟量输入：8点

　　开关量输出；34点模拟量输出；8点

　　故需选用：温度采集模块：CAN—AD1216 1台

　　温度控制：EASY—M0808R—A0404NB 2台

　　风机控制部分采用：Easy-M1608R 2台

　　另需做主站的PLC（Easy-M1608R）1台，用于控制拖车部分的PLC（Easy-M1608R）4台，

　　显示控制的人机界面一台（10.4英寸，真彩色），用于监控的普通计算机一台。其他电器部分：变频器，开关电源，空气开关，接触器，继电器，按钮，指示灯，报警器，柜体等。

　　CAN-AD1216：

　　有16路温度输入

　　有与CAN网连接的现场总线接口，可与各采集模块、Easy系列的PLC互连组成网络。

　　Easy-M0808R-A0404NB：

　　有8点开关量输入、8点开关量输出。有4路模拟量输入、4路模拟量输出。

　　有与CAN网连接的现场总线接口，可与各采集模块、PLC互连。

　　有与通用人机界面相连的RS0串口，便于现场监视和操作。

　　有与计算相连的RS1串口，便于计算机记录管理。

　　Easy-M2416R：

　　有24点开关量输入、16点开关量输出。

　　有与CAN网连接的现场总线接口，可与各采集模块、PLC互连。

　　有与通用人机界面相连的RS0串口，便于现场监视和操作。

　　有与计算相连的RS1串口，便于计算机记录管理。

　　每台块Easy-M1608R：

　　有16点开关量输入、8点开关量输出。

　　有与CAN网连接的现场总线接口，以便于各采集模块相连。

　　有与通用人机界面相连的RS0串口，便于现场监示和操作。

　　有与计算相连的RS1串口，便于计算机记录管理。

　　3、3控制结构图

　　3、4 PLC接线示意图

　　1#从站接线示意图

　　2#从站接线示意图

　　3#从站接线示意图

　　4#从站接线示意图

　　5#从站接线示意图

　　注：其中主站与拖车部分（6#从站-9#从站）的PLC接线示意图略

　　4、系统控制的实现

　　4.1所有的风机控制和电磁阀以及拖车都是由PLC的开关量控制。

　　下面是排烟风机A的星--三角控制程序的梯形图程序：

　　4、2 模拟量温度采集由一台AD1216采集。

　　4、3所有的模拟量控制都由Easy-M0808R-A0404NB完成，温度由Easy-M0808R-A0404NB经过PID调节输出（4-20mA给执行器和变频器），控制执行器与变频器，从而控制窑炉的温度。

　　下面是其中一路PID输出控制执行器的梯形图程序：

　　4、4所有的控制设备组成一个网络，整个CAN总线网络互联由CANSET软件来实现,它是图形化界面的软件,设置起来十分简便。设置内容包括：网络设备总数、网络设备地址、网络通讯数据的内容、网络数据通讯速度等。它还能根据用户的需要，灵活设置每个设备的任务级别，以保证网络资源的合理分配。

　　下图是在CANSET下设置的本系统CAN网络配置：

　　4、 5相关信息通过RS485网络传到计算机，计算机只作信息管理用，不参与控制。

　　在计算机中包含有：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、并完成报表打印功能。计算机中的各个曲线图每隔2分钟自动保存一次。

　　4、6 人机界面操作说明

　　上图是主画面，由四部份组成。最上面是日期时间显示与警报走马灯及中英文切换按钮。其中时间日期可以在“画面四”中进行设置（一般情况下无须设置）。警报走马灯显示11台风机的运行故障与燃气超限（上下限）以及9个从站掉线显示。当系统无故障时，报警走马灯显示设备运行正常。

　　中间上半部分是现场模拟图， 从中可以观测到现场设备及工艺运行的一些情况，如11台风机的运行指示灯，在风机运行时，相应的指示灯会变成绿色；主电磁阀以及各支电磁阀开启时其对应的指示灯会变成绿色。

　　中间下半部分是11台风机的启动、停止按钮以及主电磁阀的开、关按钮，根据工艺及安全连锁要求，只有排烟风机（A或B）启动后才能启动助燃风机（A或B），助燃风机启动后（A或B）才能开启总阀，总阀开启后才能开启各支电磁阀。以上各设备的连锁要求依次是排烟风机——助燃风机——总阀——各支电磁阀。在没有启动前级设备的情况下，是不会启动后级设备的，反之如果停止了前级设备，后级设备也相应的自动停止。上述各设备之间的启动顺序在程序上进行了连锁，同时在硬件配线上也进行了连锁。

　　最底部是四个换面按钮与警报解除按钮以及按键锁按钮，按压各个换画面按钮可以进入其对应的子画面。“警报解除”按钮是一个交替型按钮，按压“警报解除”按钮可以解除发生故障时的声光报警输出，它只能暂时解除当前的声光报警，报警走马灯上还会显示相应的故障，如果故障没有排除，在下次PLC启动运行时还会发出声光报警。“按键有效”按钮是一个交替型按钮，“按钮无效”键是为了保护界面按钮不被误按而设置的，当“按钮无效”时，按压风机启停按键及总阀按钮是不会产生动作的。

　　5总结

　　本控制系统采用EASY系列PLC，硬件结构简单，成本低廉，响应速度快，性价比高，还可以根据实际需要很方便地进行扩展，有极强的灵活性和适应性。现场使用表明，其性能稳定，运行可靠。

　　参考书目

　　[1]科威自控嵌入式PLC《EASY编程手册》

　　[2]科威自控嵌入式PLC《EASY原理及应用》

　　[3]科威自控《混合型可编程逻辑控制器使用说明书》

　　[4]科威自控《AD1216使用说明书》

　　[5]HITECH《ADP软体使用手册》

　　[6]北京人民大学出版社《Visual Basic 程序设计教程》