一種基于PLC的加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬軍華,楊志和

(1.湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006;2.湖南理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

某熱處理加工廠的加熱爐原為手動(dòng)控制爐溫,現(xiàn)在改造為采用西門子的PLC進(jìn)行爐溫自動(dòng)控制,為此需要設(shè)計(jì)一個(gè)加熱爐溫度控制系統(tǒng).

1 系統(tǒng)整體控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,本系統(tǒng)由位于中央控制室的上位機(jī)、西門子可編程控制器PLC和一些現(xiàn)場檢測設(shè)備等控制系統(tǒng)硬件設(shè)備和監(jiān)控、編程軟件及操作臺(tái)、控制箱柜等組成.

在辦公樓設(shè)立中央控制室,在現(xiàn)場設(shè) PLC工作站,中央控制室中的上位機(jī)通過RS485與現(xiàn)場的工作站相連,在中控室可對(duì) PLC和各現(xiàn)場加熱爐實(shí)施裝料指導(dǎo)和爐體加熱開、?？刂?同時(shí),加熱爐的溫度通過熱電偶測定后送PLC工作站,并送到上位管理系統(tǒng)實(shí)施顯示,以便隨時(shí)監(jiān)控加熱爐運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài).整個(gè)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 1所示.

圖1 系統(tǒng)整體控制結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)備選型和電路設(shè)計(jì)

中控室的上位機(jī)無任何特殊要求,故可直接采用普通的微機(jī);各現(xiàn)場工作站的 PLC負(fù)責(zé)本站所有加熱爐的自動(dòng)控制、溫度數(shù)據(jù)采集、與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信和現(xiàn)場各加熱爐的狀態(tài)顯示控制.根據(jù)環(huán)境、投資及現(xiàn)場要求情況,應(yīng)采用小型 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制,德國西門子的 S7-200系列(圖 2為S7-200PLC實(shí)體圖)具有良好的穩(wěn)定性、可靠性,能滿足本系統(tǒng)的需求,完全可以勝任系統(tǒng)的各項(xiàng)要求,并在實(shí)踐中運(yùn)行良好.具體來說,各PLC下位機(jī)實(shí)現(xiàn)的主要功能如下:

● 檢測加熱爐熱電偶送來的溫度信號(hào);

● 檢測控制柜電壓、電流、功率信號(hào);

● 檢測控制柜分、合閘狀態(tài);

● 與上位機(jī)進(jìn)行通信;

● 控制加熱爐各狀態(tài)的顯示和報(bào)警;

● 控制加熱爐按預(yù)定計(jì)劃對(duì)材料進(jìn)行熱處理;同時(shí),現(xiàn)場有如下信號(hào)需要進(jìn)行采集與控制.

圖2 S7-200 PLC

1 輸入信號(hào)

序號(hào) 信號(hào)名稱 類 型 信號(hào)來源 數(shù)量 備 注1 加熱爐溫度信號(hào) AI 熱電偶 30 2 手自動(dòng)切換輸入信號(hào) DI 繼電器 15 3 判斷主回路反饋信號(hào) DI 繼電器 15 4 電壓輸入信號(hào) AI 電壓互感器 15 5 爐門狀態(tài)信號(hào) DI 行程6 電流輸入信號(hào) AI 電流互感器 15

2 輸出信號(hào)

序號(hào) 信號(hào)名稱 類 型 元件名稱 數(shù)量 備 注1 自動(dòng)啟動(dòng)停止輸出信號(hào) DO 繼電器 15 2 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)停止輸出信號(hào) DO 繼電器 15 3 手動(dòng)/自動(dòng)隔離輸出信號(hào) DO 繼電器 15

3 信號(hào)采集與控制

1)開關(guān)量輸入信號(hào)

開關(guān)量輸入信號(hào)有一種,由繼電器給出,為無源開關(guān)點(diǎn),連接結(jié)構(gòu)圖如圖3所示.

圖3 開關(guān)量輸入信號(hào)連接結(jié)構(gòu)圖

2)模擬量輸入信號(hào)

模擬量輸入信號(hào)主要是熱電偶送來的溫度信號(hào),信號(hào)的采集主要由上、下兩個(gè)熱電偶組成,結(jié)構(gòu)圖如圖4所示.

圖4 模擬量輸入信號(hào)連接結(jié)構(gòu)圖

3)開關(guān)量輸出信號(hào)

開關(guān)量信號(hào)由PLC輸出給繼電器,通過繼電器控制相關(guān)動(dòng)作.現(xiàn)場控制采用手動(dòng)優(yōu)先原則,當(dāng)自動(dòng)投入時(shí),若現(xiàn)場人工操作,自動(dòng)轉(zhuǎn)換為手動(dòng)運(yùn)行模式,連接圖如圖5所示.

圖5 開關(guān)量輸出信號(hào)連接結(jié)構(gòu)圖

4)通訊方式

現(xiàn)場PLC和上位機(jī)之間采用RS485通訊,其連接長度可達(dá)1000米,上位機(jī)與PLC連接如圖6所示.

圖6 上位機(jī)與PLC的連接結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

PLC的工作流程如下:熱電偶送來的信號(hào)進(jìn)入到PLC中,并隨時(shí)上傳到中控室,以便及時(shí)畫出溫度變化過程曲線,并在中控室打印機(jī)上完成曲線打印;當(dāng)達(dá)到預(yù)定的溫度后,PLC開始計(jì)時(shí),仍用溫控器來穩(wěn)定溫度,達(dá)到溫度調(diào)節(jié)的目的;當(dāng)計(jì)時(shí)到達(dá)設(shè)定的溫度后(如三個(gè)小時(shí)),由 PLC發(fā)出指令斷開主回路,停止加熱,達(dá)到時(shí)間控制和自動(dòng)開關(guān)的目標(biāo);在原有控制柜中加裝電壓互感器和電流互感器,測出相應(yīng)的電壓和電流,經(jīng)過計(jì)算,得到電量,將其與車間原有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì),得到理論上的溫度值,再與實(shí)際值相比較,作為參考數(shù)據(jù)來控制爐體保溫的時(shí)間.控制流程圖如圖7所示.

4 現(xiàn)場設(shè)備安裝與調(diào)試

現(xiàn)場設(shè)備安裝主要就是控制柜的安裝和布線,控制柜安裝在加熱爐的南邊,PLC安裝在控制柜里.如圖8所示.

圖8 控制柜安裝示意圖

圖7 控制過程流程圖

5 結(jié)論

在該加熱爐控制系統(tǒng)中,仍采用原有的溫控器中的數(shù)據(jù)讀入 PLC進(jìn)行溫度的控制,最大限度利用了原來的設(shè)備性能,簡化了程序,降低了成本,采用PLC與上位機(jī)通信進(jìn)行加熱爐溫度的自動(dòng)控制,達(dá)到了在中控室進(jìn)行控制的原有目標(biāo),同時(shí),該系統(tǒng)還具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,控制精度高,強(qiáng)魯棒性等特點(diǎn).

[1] 周 東,李 敏.加熱爐PLC控制系統(tǒng)改造[A].全國冶金自動(dòng)化信息網(wǎng)2010年年會(huì)論文集[C].2010

[2] 劉鳳春,周曉丹.可編程序控制器原理及應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009