嵌入式PLC在隧道窯控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

一、引言
　　隧道窯是一種連續(xù)式窯爐，由預(yù)熱區(qū)、高溫區(qū)、急冷區(qū)和緩冷區(qū)組成，主要用于建筑陶瓷、日用陶瓷等燒制。隧道窯的控制涉及傳動(dòng)控制，溫度、壓力的檢測(cè)、控制以及其它控制。我們采用科威EASY系列PLC開(kāi)發(fā)出的高可靠性、高性?xún)r(jià)比的隧道窯控制系統(tǒng)，已于2005年7月成功應(yīng)用在湖北華窯集團(tuán)中亞窯爐公司承建的越南某隧道窯中。下面介紹此窯的控制方案。
　　二、用戶(hù)要求
　　1、溫度控制區(qū)8組。
　　2、溫度顯示區(qū)10組。
　　3、熱電偶：18支。 其中： K分度11支 S分度7支
　　4、風(fēng)機(jī)選型
　　排煙風(fēng)機(jī)： 15kw 一開(kāi)一備 要星-三角啟動(dòng)。
　　助燃風(fēng)機(jī)： 15kw 一開(kāi)一備 要星-三角啟動(dòng)。
　　急冷風(fēng)機(jī)： 11kw 一開(kāi)一備 （變頻）
　　抽熱風(fēng)機(jī)： 15kw 一開(kāi)一備 要星-三角啟動(dòng)。
　　快冷風(fēng)機(jī)： 7.5kw 一開(kāi)一備 直接啟動(dòng)。
　　 軸流風(fēng)機(jī)： 0.18kw 8臺(tái) 直接啟動(dòng)
　　5、安全連鎖。
　　 　　開(kāi)關(guān)量互鎖：必須是硬件互鎖和軟件互鎖。在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)一步落實(shí)工藝互鎖要求。
　　6、使用人機(jī)界面控制
　　現(xiàn)場(chǎng)設(shè)人機(jī)界面，所有操作均可在人機(jī)界面上完成；面板按鈕與人機(jī)界面按鈕互為備份。（集中分散型控制）
　　7、關(guān)控制信息能傳到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)只作信息管理用，不參與控制。
　　計(jì)算機(jī)畫(huà)面應(yīng)含有：現(xiàn)場(chǎng)模擬圖、溫度實(shí)時(shí)曲線(xiàn)圖、控制設(shè)定
　　曲線(xiàn)圖、歷史趨勢(shì)曲線(xiàn)圖、并完成報(bào)表打印功能。
　　三、解決方案
　　1、系統(tǒng)分析
　　1）溫度采集部分
　　10支熱電偶，K、S兩種分度號(hào)。
　　2）溫度控制部分
　　18點(diǎn)溫度中，其中8點(diǎn)（設(shè)計(jì)時(shí)需指定）用來(lái)作溫度控制用。
　　在這8點(diǎn)溫度控制中，其中7點(diǎn)是控制執(zhí)行器閥位值，改變?nèi)剂献⑷肓?，從而使溫度穩(wěn)定。另外一點(diǎn)是控制急冷變頻器輸出頻率，改變急冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行速度，從而調(diào)節(jié)急冷區(qū)溫度。其它因素由人工調(diào)整（如助燃風(fēng)、燃?xì)鈮毫Φ龋?BR>　　每個(gè)控溫點(diǎn)占用一路模擬量輸出，急冷變頻器占用一路模擬量
　　輸出，執(zhí)行器采取開(kāi)度定位方式。
　　因此溫度控制占用：
　　8路模擬量（輸入、輸出）。
　　3）相關(guān)風(fēng)機(jī)部分
　　a、排煙風(fēng)機(jī)控制
　　排煙風(fēng)機(jī)一用一備，二者邏輯上互鎖，電氣控制采用兩套獨(dú)立的星-三角控制，每套占三個(gè)開(kāi)關(guān)輸出點(diǎn)（主、星、三角），占三個(gè)開(kāi)關(guān)輸入點(diǎn)（啟動(dòng)、停止、故障），因此排煙風(fēng)機(jī)控制占用：
　　6點(diǎn)開(kāi)關(guān)輸入：（啟動(dòng)、停止、故障）*2。
　　6點(diǎn)開(kāi)關(guān)輸出：（主、星、三角）*2。
　　b、助燃風(fēng)機(jī)控制
　　助燃風(fēng)機(jī)一用一備，二者邏輯上互鎖，電氣控制采用兩套獨(dú)立的星-三角控制，每套占三個(gè)開(kāi)關(guān)輸出點(diǎn)（主、星、三角），占三個(gè)開(kāi)關(guān)輸入點(diǎn)（啟動(dòng)、停止、故障），因此排煙風(fēng)機(jī)控制占用：
　　6點(diǎn)開(kāi)關(guān)輸入：（啟動(dòng)、停止、故障）*2。
　　6點(diǎn)開(kāi)關(guān)輸出：（主、星、三角）*2。
　　c、急冷風(fēng)機(jī)控制
　　急冷風(fēng)機(jī)快慢由變頻器調(diào)整，通過(guò)PLC內(nèi)部PID運(yùn)算輸出4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，來(lái)控制變頻器的輸出頻率。同時(shí)在人機(jī)界面上也可以實(shí)行手自動(dòng)切換進(jìn)行控制。因此急冷風(fēng)機(jī)占用：
　　5點(diǎn)開(kāi)關(guān)輸入：急冷A啟動(dòng)、急冷B啟動(dòng)、急冷停止、急冷A故障、急冷B故障
　　2點(diǎn)開(kāi)關(guān)輸出：（運(yùn)行控制）*2。
　　1點(diǎn)模擬輸出：頻率調(diào)節(jié)（手自動(dòng)調(diào)節(jié)）。
　　d、抽熱風(fēng)機(jī)控制
　　抽熱風(fēng)機(jī)一用一備，二者邏輯上互鎖，但電氣控制采用兩套獨(dú)立的星-三角控制，每套占三個(gè)開(kāi)關(guān)輸出點(diǎn)（主、星、三角），占三個(gè)開(kāi)關(guān)輸入點(diǎn)（啟動(dòng)、停止、故障），因此抽熱風(fēng)機(jī)控制占用：
　　6點(diǎn)開(kāi)關(guān)輸入：（啟動(dòng)、停止、故障）*2。
　　 6點(diǎn)開(kāi)關(guān)輸出：（主、星、三角）*2。
　　e、快冷風(fēng)機(jī)控制
　　 　快冷風(fēng)機(jī)一開(kāi)一備，直接輸出控制，因此占用：
　　 6點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入：（啟動(dòng)、停止、故障）*2。
　　 　2點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出：（運(yùn)行控制）*2。
　　f、軸流風(fēng)機(jī)控制
　　 　軸流風(fēng)機(jī)：0.18kw 8臺(tái)，直接輸出控制，因此占用：
　　 3點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入：?jiǎn)?dòng)、停止、故障。
　　 1點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出：運(yùn)行控制。
　　g、安全連鎖
　　 開(kāi)關(guān)量互鎖：必須的硬件互鎖和軟件互鎖。在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)一步落實(shí)工藝互鎖要求。
　　2、控制器件選型
　　據(jù)以上統(tǒng)計(jì)，有溫度采集8點(diǎn)；開(kāi)關(guān)量輸入：49點(diǎn)； 模擬量輸入：8點(diǎn)；開(kāi)關(guān)量輸出：34點(diǎn)； 模擬量輸出：8點(diǎn)
　　故需選用：溫度采集模塊：CAN—AD1216 　 1臺(tái)
　　溫度控制：EASY—M0808R—A0404NB 　 2臺(tái)
　　風(fēng)機(jī)控制部分采用：Easy-M1608R 　 2臺(tái)
　　 另需做主站的PLC（Easy-M1608R）1臺(tái)，用于控制拖車(chē)部分的PLC（Easy-M1608R）4臺(tái)，顯示控制的人機(jī)界面一臺(tái)（10.4英寸，真彩色），用于監(jiān)控的普通計(jì)算機(jī)一臺(tái)。其他電器部分：變頻器，開(kāi)關(guān)電源，空氣開(kāi)關(guān)，接觸器，繼電器，按鈕，指示燈，報(bào)警器，柜體等。
　　CAN-AD1216：
　　有16路溫度輸入有與CAN網(wǎng)連接的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口，可與各采集模塊、Easy系列的PLC互連組成網(wǎng)絡(luò)。
　　Easy-M0808R-A0404NB：
　　有8點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入、8點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出。有4路模擬量輸入、4路模擬量輸出。
　　有與CAN網(wǎng)連接的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口，可與各采集模塊、PLC互連。
　　有與通用人機(jī)界面相連的RS0串口，便于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視和操作。
　　有與計(jì)算相連的RS1串口，便于計(jì)算機(jī)記錄管理。
　　Easy-M2416R：
　　有24點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入、16點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出。
　　有與CAN網(wǎng)連接的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口，可與各采集模塊、PLC互連。
　　有與通用人機(jī)界面相連的RS0串口，便于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視和操作。
　　有與計(jì)算相連的RS1串口，便于計(jì)算機(jī)記錄管理。
　　每臺(tái)塊Easy-M1608R：
　　有16點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入、8點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸出。
　　有與CAN網(wǎng)連接的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口，以便于各采集模塊相連。
　　有與通用人機(jī)界面相連的RS0串口，便于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)示和操作。
　　有與計(jì)算相連的RS1串口，便于計(jì)算機(jī)記錄管理。
　　3、控制結(jié)構(gòu)圖
　　
　　
　　
　　 4、PLC接線(xiàn)示意圖
　　
　　1#從站接線(xiàn)示意圖
　　
　　2#從站接線(xiàn)示意圖
　　
　　
　　
　　3#從站接線(xiàn)示意圖
　　
　　注：其中主站與拖車(chē)部分（6#從站-9#從站）的PLC接線(xiàn)示意圖略
　　四、系統(tǒng)控制的實(shí)現(xiàn)
　　1）所有的風(fēng)機(jī)控制和電磁閥以及拖車(chē)都是由PLC的開(kāi)關(guān)量控制。
　　下面是排煙風(fēng)機(jī)A的星--三角控制程序的梯形圖程序：
　　
　　2）模擬量溫度采集由一臺(tái)AD1216采集。
　　3）所有的模擬量控制都由Easy-M0808R-A0404NB完成，溫度由Easy-M0808R-A0404NB經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)輸出（4-20mA給執(zhí)行器和變頻器），控制執(zhí)行器與變頻器，從而控制窯爐的溫度。
　　4）所有的控制設(shè)備組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)由CANSET軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),它是圖形化界面的軟件,設(shè)置起來(lái)十分簡(jiǎn)便。設(shè)置內(nèi)容包括：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備總數(shù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備地址、網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)的內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊速度等。它還能根據(jù)用戶(hù)的需要，靈活設(shè)置每個(gè)設(shè)備的任務(wù)級(jí)別，以保證網(wǎng)絡(luò)資源的合理分配。
　　下圖是在CANSET下設(shè)置的本系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)配置：
　　
　　5）相關(guān)信息通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò)傳到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)只作信息管理用，不參與控制。
　　在計(jì)算機(jī)中包含有：現(xiàn)場(chǎng)模擬圖、溫度實(shí)時(shí)曲線(xiàn)圖、控制設(shè)定曲線(xiàn)圖、歷史趨勢(shì)曲線(xiàn)圖、并完成報(bào)表打印功能。計(jì)算機(jī)中的各個(gè)曲線(xiàn)圖每隔2分鐘自動(dòng)保存一次。
　　6）人機(jī)界面操作說(shuō)明
　　
　　上圖是主畫(huà)面，由四部份組成。最上面是日期時(shí)間顯示與警報(bào)走馬燈及中英文切換按鈕。其中時(shí)間日期可以在“畫(huà)面四”中進(jìn)行設(shè)置（一般情況下無(wú)須設(shè)置）。警報(bào)走馬燈顯示11臺(tái)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行故障與燃?xì)獬蓿ㄉ舷孪蓿┮约?個(gè)從站掉線(xiàn)顯示。當(dāng)系統(tǒng)無(wú)故障時(shí)，報(bào)警走馬燈顯示設(shè)備運(yùn)行正常。
　　中間上半部分是現(xiàn)場(chǎng)模擬圖， 從中可以觀(guān)測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及工藝運(yùn)行的一些情況，如11臺(tái)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行指示燈，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)的指示燈會(huì)變成綠色；主電磁閥以及各支電磁閥開(kāi)啟時(shí)其對(duì)應(yīng)的指示燈會(huì)變成綠色。
　　中間下半部分是11臺(tái)風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)、停止按鈕以及主電磁閥的開(kāi)、關(guān)按鈕，根據(jù)工藝及安全連鎖要求，只有排煙風(fēng)機(jī)（A或B）啟動(dòng)后才能啟動(dòng)助燃風(fēng)機(jī)（A或B），助燃風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后（A或B）才能開(kāi)啟總閥，總閥開(kāi)啟后才能開(kāi)啟各支電磁閥。以上各設(shè)備的連鎖要求依次是排煙風(fēng)機(jī)——助燃風(fēng)機(jī)——總閥——各支電磁閥。在沒(méi)有啟動(dòng)前級(jí)設(shè)備的情況下，是不會(huì)啟動(dòng)后級(jí)設(shè)備的，反之如果停止了前級(jí)設(shè)備，后級(jí)設(shè)備也相應(yīng)的自動(dòng)停止。上述各設(shè)備之間的啟動(dòng)順序在程序上進(jìn)行了連鎖，同時(shí)在硬件配線(xiàn)上也進(jìn)行了連鎖。
　　最底部是四個(gè)換面按鈕與警報(bào)解除按鈕以及按鍵鎖按鈕，按壓各個(gè)換畫(huà)面按鈕可以進(jìn)入其對(duì)應(yīng)的子畫(huà)面。“警報(bào)解除”按鈕是一個(gè)交替型按鈕，按壓“警報(bào)解除”按鈕可以解除發(fā)生故障時(shí)的聲光報(bào)警輸出，它只能暫時(shí)解除當(dāng)前的聲光報(bào)警，報(bào)警走馬燈上還會(huì)顯示相應(yīng)的故障，如果故障沒(méi)有排除，在下次PLC啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)還會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。“按鍵有效”按鈕是一個(gè)交替型按鈕，“按鈕無(wú)效”鍵是為了保護(hù)界面按鈕不被誤按而設(shè)置的，當(dāng)“按鈕無(wú)效”時(shí)，按壓風(fēng)機(jī)啟停按鍵及總閥按鈕是不會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作的。
　　五、總結(jié)
　　本控制系統(tǒng)采用EASY系列PLC，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，響應(yīng)速度快，性?xún)r(jià)比高，還可以根據(jù)實(shí)際需要很方便地進(jìn)行擴(kuò)展，有極強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。現(xiàn)場(chǎng)使用表明，其性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠。