混合型PLC在窯爐控制系統中的應用

我公司成功的開發了一款混合型（既有開關量又有模擬量）PLC產品EASY-M0808R-A0404NB。
EASY-M0808R-A0404NB是建立在高速CAN總線和公司自主研發的嵌入式PLC芯片組技術的應用基礎之上，所以產品除了具有CAN總線連網外還具有梯形圖編程設置功能。產品在底層編程設計時留有功能函數接口和系統控制字，用戶可以結合自己的工藝及設備要求通過對輸入輸出口串并聯電阻及用梯形圖編程來設置AI，D0為0-10V，4-20mA等標準信號，從而可以適應大多數傳感器、執行器的輸入輸出要求。并且可以輸入各通道分度號及溫度—毫伏非線性表使得EASY-M0808R-A0404NB不僅適用常用的K、S、B分度熱電偶，也適合用于其它一些不常用的分度的熱電偶，比如T分度等。還可以通過零點量程設置及調用線性轉換程序也可以滿足不同量程的輸入輸出要求。
以下是我公司的PLC以及AD模塊應用于湖北黃岡“華窯集團——中亞窯爐”隧道窯的控制系統

一、用戶資料
1、溫度控制區8組。
2、溫度顯示區10組。
3、熱電偶：18支。
其中： K分度11支
S分度7支
4、風機選型
排煙風機： 15kw 一開一備 要星-三角啟動。
助燃風機： 15kw 一開一備 要星-三角啟動。
急冷風機： 11kw 一開一備 （變頻）
抽熱風機： 15kw 一開一備 要星-三角啟動。
快冷風機： 7.5kw 一開一備 普通，直接啟動。
軸流風機： 0.18kw 8臺 直接啟動
5、 安全連鎖。
開關量互鎖：必須的硬件互鎖和軟件互鎖。在設計時進一步落實工藝互鎖要求。
6、用人機界面和計算機。
現場設人機界面，所有操作均可在人機界面完成；
面板按鈕與人機界面按鈕互為備份。（集中分散型控制）
7、有關控制信息能傳到計算機，計算機只作信息管理用，不參與控制。
計算機畫面應含有：現場模擬圖、溫度實時曲線圖、控制設定曲線圖、歷史趨勢曲線圖、并完成報表打印功能。

二、解決方案
1、溫度采集部分
10支熱電偶，K、S兩種分度號。選用每路可設K、S、B分度號的溫度檢測模塊。
每塊CAN-AD1216A可采集16路溫度信號。
CAN-AD1216 1塊。

2、溫度控制部分
18點溫度中，其中8點（設計時需指定）用來作溫度控制用。此處溫度控制是控制執行器閥位大小，改變燃料注入多少，從而使溫度穩定。其它因素由人工調整（如助燃風、燃氣壓力等）。
每個控溫度點占用一路模擬量輸出點。
執行器采取開度定位方式。
因此溫度控制占用：
8路模擬量（輸入、輸出）。

3、相關風機部分
①、排煙風機控制。
排煙風機一用一備，二者邏輯上互鎖，但電氣控制采用兩套獨立的星-三角控制，每套占三個開關輸出點（主、星、三角），占三個開關輸入點（啟動、停止、故障），因此排煙風機控制占用：
6點開關輸入：（啟動、停止、故障）＊2。
6點開關輸出：（主接觸器、星接觸器、三角接觸器）＊2。
②助燃風機控制。
助燃風機一用一備，二者邏輯上互鎖，但電氣控制采用兩套獨立的星-三角控制，每套占三個開關輸出點（主、星、三角），占三個開關輸入點（啟動、停止、故障），因此排煙風機控制占用：
6點開關輸入：（啟動、停止、故障）＊2。
6點開關輸出：（主接觸器、星接觸器、三角接觸器）＊2。
③、急冷風機調節。
急冷風機快慢由變頻器調整，但由PLC經過PID調節可以在人機界面上實行手自動控制。因此急冷風機占用：
5點開關輸入：急冷A啟動、急冷B啟動、急冷停止、急冷A故障、急冷B故障
2點開關輸出：（運行控制）＊2。
1點模擬輸出：頻率調整（手自動調節）。4—20mA
④、抽熱風機控制。
抽熱風機一用一備，二者邏輯上互鎖，但電氣控制采用兩套獨立的星-三角控制，每套占三個開關輸出點（主、星、三角），占三個開關輸入點（啟動、停止、故障），因此抽熱風機控制占用：
6點開關輸入：（啟動、停止、故障）＊2。
6點開關輸出：（主接觸器、星接觸器、三角接觸器）＊2。
⑤、快冷風機控制。
快冷風機一開一備，直接輸出控制，因此占用：
6點開關量輸入：（啟動、停止、故障）＊2。
2點開關量輸出：（運行控制）＊2。
⑥、軸流風機控制。
軸流風機：0.18kw 8臺，直接輸出控制，因此占用：
3點開關量輸入：啟動、停止、故障。
2點開關量輸出：運行控制。
⑦、安全連鎖。
開關量互鎖：必須的硬件互鎖和軟件互鎖。在設計時進一步落實工藝互鎖要求。
4、構架框圖
據以上統計，有
控制部分：
模擬量部分：
溫度采集：CAN-AD1216 K、S、B分度 1塊
溫度控制：8點使用Easy-M0808R-A0404NB 2臺
風機控制部分采用Easy-M1608R 2臺
另外做主站的PLC（Easy-M1608R）1臺，用于拖車部分的PLC（Easy-M1608R）4臺
每塊CAN-AD1216A：
有16路溫度輸入
有與CAN網連接的現場總線接口，以便于各采集模塊相連以及Easy系列的PLC相連組成網絡。
每臺Easy-M0808R-A0404NB：
有8點開關量輸入、8點開關量輸出。有4路模擬量輸入、4路模擬量輸出。
有與CAN網連接的現場總線接口，以便于各采集模塊相連。
有與通用人機界面相連的RS0串口，便于現場監示和操作。
有與計算相連的RS1串口，便于計算機記錄管理。
每臺塊Easy-M2416R：
有24點開關量輸入、16點開關量輸出。
有與CAN網連接的現場總線接口，以便于各采集模塊相連。
有與通用人機界面相連的RS0串口，便于現場監示和操作。
有與計算相連的RS1串口，便于計算機記錄管理。
每臺塊Easy-M1608R：
有16點開關量輸入、8點開關量輸出。
有與CAN網連接的現場總線接口，以便于各采集模塊相連。
有與通用人機界面相連的RS0串口，便于現場監示和操作。
有與計算相連的RS1串口，便于計算機記錄管理。
另外做主站的PLC（Easy-M1608R）1臺，用于拖車部分的PLC（Easy-M1608R）4臺
顯示控制的人機界面一臺（10.4英寸，真彩色）
其他電器部分：
變頻器，開關電源，空氣開關，接觸器，繼電器，按鈕，指示燈，報警器，柜體。

其中控制部分的價格為：
CAN-AD1216A一臺價格為1680元
Easy-M2416R兩臺價格為1680×2=3360元
Easy-M0808R-A0404NB兩臺價格為1680×2=3360元
Easy-M1608R五臺價格為1280×5=6400元
人機界面一臺價格為12000元
總計價格為：26800元



三、控制結構圖以及各風機控制圖

結合梯形圖PID、順控及功能指令使得這臺PLC在各類型，各量程的模擬量信號控制中大顯身手，并且價格只相當于一臺控制儀表，從而可以向下覆蓋部分儀表市場，增加了其廣泛性和性價比。據調查在一款控制產品上集成如此多的功能在國內市場尚屬空白。

圖一 控制結構圖

四、PLC接線示意圖

1#從站接線示意圖

2#從站接線示意圖

3#從站接線示意圖

4#從站接線示意圖

5#從站接線示意圖

注：其中拖車部分（6#從站-9#從站）的PLC接線示意圖略
五、系統功能的實現
1．所有的風機控制和電磁閥以及拖車都是由PLC的開關量控制。
下面是排煙風機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經過PID調節輸出（4-20mA給執行器和變頻器），控制執行器與變頻器從而控制窯爐的溫度；
下面是其中一路PID輸出控制執行器的梯形圖程序：


4．所有的控制設備組成了一個網絡，整個CAN總線網絡互聯由CANSET軟件來實現,它是圖形化界面的軟件,設置起來十分簡便,并且在PLC的梯形圖中除了地址和主從站外無須再對其他相關內容進行設置，在一定程度上簡化程序設計的工作量。CANSET軟件能很輕松方便的完成通訊設置。設置內容包括：網絡設備總數、網絡設備地址、網絡通訊數據的內容、網絡數據通訊速度等。它還能根據用戶的需要，靈活設置每個設備的任務級別，以保證網絡資源的合理分配。處于下層網絡的AD，以及從站PLC設備，遵循CANBUS協議的接口，能很方便的聯入CAN總線網絡中，構成系統的主體。（CAN網絡的數據線在300米以內都為最佳傳輸距離）
下圖是在CANSET下設置的本系統CAN網絡配置：

5．相關信息通過RS485網絡傳到計算機，計算機只作信息管理用，不參與控制。
在計算機中包含有：現場模擬圖、溫度實時曲線圖、控制設定曲線圖、歷史趨勢曲線圖、并完成報表打印功能。其中在計算機中的各個曲線圖每隔2分鐘自動保存一次。
六、 人機界面操作說明

主畫面由四部份組成，上面是日期時間顯示與警報走馬燈及中英文切換按鈕。其中時間日期可以在“畫面四”中進行設置（一般情況下無須設置）。警報走馬燈顯示11臺風機的運行故障與燃氣超限（上下限）以及9個從站掉線顯示。當系統無故障時，報警走馬燈顯示設備運行正常。
中間是現場模擬圖， 從中可以觀測到現場設備及工藝運行的一些情況。包括11臺風機的運行指示燈，在運行時相應的指示燈的燈會變成綠色；主電磁閥以及各支電磁閥的開啟指示，當電磁閥開啟時其對應的指示燈的燈會變成綠色。

下面是11臺風機的啟動與停止按鈕以及主電磁閥的開與關按鈕，根據工藝及安全連鎖要求，只有排煙風機（A或B）啟動后才能啟動助燃風機（A或B），助燃風機啟動后（A或B）才能開啟總閥，總閥開啟后才能開啟各支電磁閥。以上各設備的連鎖要求依次是排煙風機——助燃風機——總閥——各支電磁閥。在沒有啟動前級設備的情況下是不會啟動后級設備的，反之如果停止了前級設備，后級設備也相應的自動停止。上述各設備之間的啟動順序在程序上進行了連鎖，同時在硬件配線上也進行了連鎖。
底部是四個換面按鈕與警報解除按鈕以及按鍵鎖按鈕，按壓各個換畫面按鈕可以進入其對應的子畫面。“警報解除”按鈕是一個交替型按鈕，按壓“警報解除”按鈕可以解除發生故障時的聲光報警輸出，它只能暫時解除當前的聲光報警，報警走馬燈上還會顯示相應的故障，如果故障沒有排除，在下次PLC啟動運行時還會發出聲光報警。“按鍵有效”按鈕是一個交替型按鈕，“按鈕無效”鍵是為了保護界面按鈕不被誤按而設置的，當“按鈕無效”時，按壓風機啟停按鍵及總閥按鈕是不會產生動作的。

此畫面是溫度與急冷變頻器手自動調節畫面，按溫度對應的“自動”按鍵變為“手動”時，此時可以人為的“+”與“-”調節輸出閥位值，當按一下“+”或“-”時，閥位值“增加”或“減少”1.25。當手自動調節為“自動”時，閥位值輸出由PLC的PID程序控制輸出。按急冷控制下面的“自動”按鍵變為“手動”時，通過的“增速”和“減速”鍵調節輸出閥位值，從而改變變頻器的頻率輸出來控制急冷風機的運行速度。當按一下“增速”或“減速”時，閥位值“增加”或“減少”1.25。當手自動調節為“自動”時，變頻器的頻率由PLC的PID程序控制輸出。
在此畫面中的溫度給定與實測溫度都是不能改變的，都只是數值顯示。
按壓返回按鈕返回主畫面。

故障信息顯示有三部分組成，分別是當前警報表，歷史警報表，和在主畫面中的警報走馬燈組成。如果有故障發生首先在警報走馬燈上會有指示，這時打開故障信息畫面在當前故障表中有關于此故障的詳細說明。待排除故障后，當前警報信息會自動消失，但在歷史警報表中會有記錄，當前故障顯示里面記錄20條故障信息，其中運行正常也放進了故障顯示里面。當前故障顯示與歷史故障顯示里面最多能夠存儲1000故障信息。當有1001條故障信息發生時，系統會自動刪除第一條信息。但在計算機上面還會保存這些故障信息。在當前故障顯示與歷史故障顯示里面能夠顯示發生故障的詳細時間。
按壓返回按鈕返回主畫面。

此畫面顯示的是PLC 8組PID運算所需要的參數設置值，這些值按照現場工藝要求一經設置好后不許改動。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。“設定日期時間”是一個設值按鈕，可以設置時間日期。其中上限值與下限值最大值限定在100以內，在設定時，上限值應該大于下限值，閥位開度顯示值為“0-100”，當閥位開度為“0”時，PLC輸出電流實際值為4mA，當閥位開度為“50”時，PLC輸出電流實際值為12mA。當閥位開度為“100”時，PLC輸出電流實際值為20mA。按壓返回按鈕返回主畫面。

實時曲線由兩條曲線組成，紅色為實測值曲線，藍色為設定值曲線。橫坐標表示溫度點，縱坐標表示溫度值。按壓采樣周期設定按鈕可以設置采樣周期，采樣周期設定按鈕其實是設置曲線的更新時間。按壓返回按鈕返回主畫面。

七、小結
本系統由于采用了EASY系列網絡型PLC產品，使整個系統組成了一個局域網，實現了“集中分散控制”（在人機界面上控制屬于集中控制，在各個柜子面板上的按鈕控制屬于分散控制，兩者處于同一個優先級），本方案采用的是PLC+HMI窯爐專用控制系統。該系統是針對計算機控制系統的優點及存在的問題而專門開發的，它克服了使用工業計算機存在的三大問題，即①計算機可靠性難以保證（如：風扇、硬盤、、鍵盤、鼠標等原因）②很難標準化（硬件不斷升級、經常淘汰一些機型，軟件不斷更新，編程語言眾多，很難規范化），③維護麻煩（如去年的硬件，今年買不到等）；PLC+HMI系統早就成功應用于數控機床、壓磚機等設備上，PLC+HMI系統的關鍵技術是將熱工參數引入到PLC中，通過高可靠性PLC完成控制功能，同時HMI（工業通用人機界面，觸摸屏10.4）可提供一個良好的用戶接口。不僅能實現對窯爐各系統的綜合控制，而且能直接地看到不同溫區工作狀況，并能自動記錄及畫面語音提示。
另外本系統還采用計算機監控，計算機只作信息管理用，不參與控制。在計算機中包括現場模擬圖、溫度實時曲線圖、控制設定曲線圖、歷史趨勢曲線圖、并完成報表打印功能。上述的曲線在計算機中是每隔2分鐘自動保存一次。計算機可以通過485網絡（傳輸距離1000米）放在辦公室里面，在辦公室里實現查看現場運行的一些情況，分析曲線，工藝。
系統具有很大的擴展性和可維護性，在工作環境改變時，可靈活增添或減少設備。實現起來也只需在CANSET軟件中來設置即可，不用考慮其他事項，這對于系統的不斷完善和升級換代奠定了很好的基礎。