科威混合型PLC在隧道窑的控制系统上的应用

以下是我公司的PLC以及AD模块应用于湖北黄冈“华窑集团--中亚窑炉”隧道窑的控制系统

一、用户资料
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 普通，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。
6、用人机界面和计算机。
现场设人机界面，所有操作均可在人机界面完成；
面板按钮与人机界面按钮互为备份。（集中分散型控制）
7、有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。

二、解决方案
1、温度采集部分
10支热电偶，K、S两种分度号。选用每路可设K、S、B分度号的温度检测模块。
每块CAN-AD1216A可采集16路温度信号。
CAN-AD1216   1块。

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。此处温度控制是控制执行器阀位大小，改变燃料注入多少，从而使温度稳定。其它因素由人工调整（如助燃风、燃气压力等）。
每个控温度点占用一路模拟量输出点。
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、相关风机部分
①、排烟风机控制。
排烟风机一用一备，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：（主接触器、星接触器、三角接触器）*2。
②助燃风机控制。
助燃风机一用一备，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：（主接触器、星接触器、三角接触器）*2。
③、急冷风机调节。
急冷风机快慢由变频器调整，但由PLC经过PID调节可以在人机界面上实行手自动控制。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：频率调整（手自动调节）。4—20mA
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：（主接触器、星接触器、三角接触器）*2。
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。
    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。
                  2点开关量输出：运行控制。
    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。

4、构架框图
据以上统计，有
控制部分：
模拟量部分：
          温度采集：CAN-AD1216  K、S、B分度      1块
         温度控制：8点使用Easy-M0808R-A0404NB   2台
            风机控制部分采用Easy-M1608R             2台
另外做主站的PLC（Easy-M1608R）1台，用于拖车部分的PLC（Easy-M1608R）4台
每块CAN-AD1216A：
有16路温度输入
有与CAN网连接的现场总线接口，以便于各采集模块相连以及Easy系列的PLC相连组成网络。
每台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，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。
每台块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，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。
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。
   另外做主站的PLC（Easy-M1608R）1台，用于拖车部分的PLC（Easy-M1608R）4台
   显示控制的人机界面一台（10.4英寸，真彩色）
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。

其中控制部分的价格为：
CAN-AD1216A一台价格为1680元
Easy-M2416R两台价格为1680×2=3360元
Easy-M0808R-A0404NB两台价格为1680×2=3360元
Easy-M1608R五台价格为1280×5=6400元
人机界面一台价格为12000元
总计价格为：26800元

三、控制结构图以及各风机控制图

图一 控制结构图

四、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：其中拖车部分（6#从站-9#从站）的PLC接线示意图略

五、系统功能的实现
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：


2．模拟量温度采集由一台AD1216采集。
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．所有的控制设备组成了一个网络，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,并且在PLC的梯形图中除了地址和主从站外无须再对其他相关内容进行设置，在一定程度上简化程序设计的工作量。CANSET软件能很轻松方便的完成通讯设置。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。处于下层网络的AD，以及从站PLC设备，遵循CANBUS协议的接口，能很方便的联入CAN总线网络中，构成系统的主体。（CAN网络的数据线在300米以内都为最佳传输距离）
下图是在CANSET下设置的本系统CAN网络配置：


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。其中在计算机中的各个曲线图每隔2分钟自动保存一次。

六、 人机界面操作说明


主画面由四部份组成，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。包括11台风机的运行指示灯，在运行时相应的指示灯的灯会变成绿色；主电磁阀以及各支电磁阀的开启指示，当电磁阀开启时其对应的指示灯的灯会变成绿色。

下面是11台风机的启动与停止按钮以及主电磁阀的开与关按钮，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。
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。


此画面是温度与急冷变频器手自动调节画面，按温度对应的“自动”按键变为“手动”时，此时可以人为的“+”与“-”调节输出阀位值，当按一下“+”或“-”时，阀位值“增加”或“减少”1.25。当手自动调节为“自动”时，阀位值输出由PLC的PID程序控制输出。按急冷控制下面的“自动”按键变为“手动”时，通过的“增速”和“减速”键调节输出阀位值，从而改变变频器的频率输出来控制急冷风机的运行速度。当按一下“增速”或“减速”时，阀位值“增加”或“减少”1.25。当手自动调节为“自动”时，变频器的频率由PLC的PID程序控制输出。
  在此画面中的温度给定与实测温度都是不能改变的，都只是数值显示。
  按压返回按钮返回主画面。


故障信息显示有三部分组成，分别是当前警报表，历史警报表，和在主画面中的警报走马灯组成。如果有故障发生首先在警报走马灯上会有指示，这时打开故障信息画面在当前故障表中有关于此故障的详细说明。待排除故障后，当前警报信息会自动消失，但在历史警报表中会有记录，当前故障显示里面记录20条故障信息，其中运行正常也放进了故障显示里面。当前故障显示与历史故障显示里面最多能够存储1000故障信息。当有1001条故障信息发生时，系统会自动删除第一条信息。但在计算机上面还会保存这些故障信息。在当前故障显示与历史故障显示里面能够显示发生故障的详细时间。
按压返回按钮返回主画面。


此画面显示的是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。“设定日期时间”是一个设值按钮，可以设置时间日期。其中上限值与下限值最大值限定在100以内，在设定时，上限值应该大于下限值，阀位开度显示值为“0-100”，当阀位开度为“0”时，PLC输出电流实际值为4mA，当阀位开度为“50”时，PLC输出电流实际值为12mA。当阀位开度为“100”时，PLC输出电流实际值为20mA。按压返回按钮返回主画面。


  实时曲线由两条曲线组成，红色为实测值曲线，蓝色为设定值曲线。横坐标表示温度点，纵坐标表示温度值。按压采样周期设定按钮可以设置采样周期，采样周期设定按钮其实是设置曲线的更新时间。按压返回按钮返回主画面。

七、小结
本系统由于采用了EASY系列网络型PLC产品，使整个系统组成了一个局域网，实现了“集中分散控制”（在人机界面上控制属于集中控制，在各个柜子面板上的按钮控制属于分散控制，两者处于同一个优先级），本方案采用的是PLC+HMI窑炉专用控制系统。该系统是针对计算机控制系统的优点及存在的问题而专门开发的，它克服了使用工业计算机存在的三大问题，即①计算机可靠性难以保证（如：风扇、硬盘、、键盘、鼠标等原因）②很难标准化（硬件不断升级、经常淘汰一些机型，软件不断更新，编程语言众多，很难规范化），③维护麻烦（如去年的硬件，今年买不到等）；PLC+HMI系统早就成功应用于数控机床、压砖机等设备上，PLC+HMI系统的关键技术是将热工参数引入到PLC中，通过高可靠性PLC完成控制功能，同时HMI（工业通用人机界面，触摸屏10.4）可提供一个良好的用户接口。不仅能实现对窑炉各系统的综合控制，而且能直接地看到不同温区工作状况，并能自动记录及画面语音提示。
另外本系统还采用计算机监控，计算机只作信息管理用，不参与控制。在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、并完成报表打印功能。上述的曲线在计算机中是每隔2分钟自动保存一次。计算机可以通过485网络（传输距离1000米）放在办公室里面，在办公室里实现查看现场运行的一些情况，分析曲线，工艺。
系统具有很大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。实现起来也只需在CANSET软件中来设置即可，不用考虑其他事项，这对于系统的不断完善和升级换代奠定了很好的基础。