PLC 與溫控儀表相結(jié)合的電加熱樹脂砂處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間：2019-05-14 發(fā)布作者：
摘 要：介紹了電加熱樹脂舊砂處理的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)采用可編程序控制器(PLC)和溫控儀表相結(jié)合的控制方式：PLC 控制優(yōu)勢(shì)是邏輯控制，現(xiàn)場設(shè)備的啟停用 PLC 控制更為方便簡單；溫控儀表控制優(yōu)勢(shì)是溫控精度高，溫控穩(wěn)定。該控制系統(tǒng)在某鑄造廠具體實(shí)施，結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)邏輯控制安全可靠，溫控精度高。
引言
電加熱樹脂砂處理控制系統(tǒng)主要包括：樹脂砂前處理控制系統(tǒng)、樹脂舊砂電加熱再生爐控制系統(tǒng)、樹脂砂氣力輸送控制系統(tǒng)、除塵設(shè)備控制系統(tǒng)、冷卻設(shè)備控制系統(tǒng)。樹脂砂前處理控制、樹脂砂氣力輸送控制、除塵控制、冷卻設(shè)備控制的主要特點(diǎn)是控制電機(jī)啟停的邏輯先后循序，該部分工作由 PLC 來控制簡單便捷；樹脂舊砂電加熱再生爐控制的特點(diǎn)是保持溫度的穩(wěn)定以及無差跟隨，該部分由專用的溫控儀表來控制更穩(wěn)定可靠，可以減少現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間。
1 電加熱樹脂砂再生線主要工藝介紹
電加熱樹脂砂再生是將樹脂舊砂進(jìn)行電加熱處理去除砂粒上積聚的粘結(jié)劑等殘留物和惰性薄膜以及有害微粒、粉塵，使舊砂的各種工藝性能得到恢復(fù)的一種砂再生工藝，其較終目的就是力求減少鑄造生產(chǎn)中的新砂用量，節(jié)約經(jīng)濟(jì)投入、提高鑄件質(zhì)量、保護(hù)自然環(huán)境。[1]主要工藝包括樹脂舊砂的前處理，樹脂舊砂電加熱法再生系統(tǒng)。另外其他的氣力輸送系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)主要是完成工藝的輔助設(shè)備，使舊砂再生線更流暢和干凈[2]。其主要工藝流程圖如圖 1 所示。
2 電加熱設(shè)備主要技術(shù)數(shù)據(jù)介紹
電加熱設(shè)備是由壓力容器、電加熱器、控溫設(shè)備、溫度測量一體的單元組合設(shè)備。本加熱器主要用于空氣加熱，并滿足對(duì)工藝加熱反應(yīng)溫度的要求，實(shí)行溫度控制，溫度達(dá)到設(shè)定值電加熱器關(guān)閉，系統(tǒng)溫度低于設(shè)定值，自動(dòng)啟動(dòng)電加熱器，并可恒溫在一個(gè)任意給定的設(shè)定值上。
主要技術(shù)參數(shù)如下：
1）加熱介質(zhì)：空氣；
2）流量：1000m3/s ；
3）介質(zhì)較高出口溫度：950 ℃；
4）工作壓力：常壓；設(shè)計(jì)壓力：0.15MPa；
5）進(jìn)口溫度：300℃；
6）電源：380V/ 50HZ，3 相；
7）接線方式：三角形（星形）連接。
3 電加熱樹脂砂處理控制系統(tǒng)硬件
選型概述
樹脂砂處理中的運(yùn)行控制主要包括：前處理設(shè)備控制、斗提輸送設(shè)備控制、氣力輸送設(shè)備控制、除塵設(shè)備控制、冷卻設(shè)備控制。這些設(shè)備控制方式是典型的邏輯控制方式，主要負(fù)責(zé)設(shè)備的按先后順序啟動(dòng)停止[3]。非常適用 PLC 控制。電加熱器主要保證出口溫度的穩(wěn)定和無差跟隨設(shè)定溫度，控制方式是典型的大滯后模擬量控制，如果用 PLC 直接控制需要大量的時(shí)間去調(diào)試PID 參數(shù)，對(duì)于沒有工程經(jīng)驗(yàn)的工程師需要花大
量的時(shí)間去調(diào)試和編寫程序，為了減少在工程上的調(diào)試時(shí)間、同時(shí)保持輸出溫度的穩(wěn)定采用專用的溫控儀表來控制是較優(yōu)的選擇。
3.1 電加熱樹脂砂處理控制系統(tǒng) PLC 硬件選型
選用 PLC 的原則按照經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性、能夠以太網(wǎng)通訊、RS485 通訊，較終選用歐姆龍CP1H 系列的-XA 型 PLC。
該 PLC 的主要性能如下：
1）PLC 單元為 24 點(diǎn)輸入，16 點(diǎn)輸出型單元。
2）僅通過 CPU 單元即可使用高速計(jì)數(shù)器和
4 軸脈沖輸出功能。
3）CPU 單元內(nèi)置 4 路模擬量電壓 / 電流輸入和 2 路模擬量電壓 / 電流輸出。
4）使用 CP 系列擴(kuò)展 I/O 單元，CP1H 的 I/O點(diǎn)數(shù)較高可擴(kuò)容至 320。
5）使用 CP 系列擴(kuò)展單元，可實(shí)現(xiàn)更多功能 ( 如溫度傳感器輸入 )。
6）可擴(kuò)展安裝選件板，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)、RS-232C 和 RS-422A/485 通信。
由于 PLC 本身帶的 DI、DO、AI、AO 數(shù)量不能滿足系統(tǒng)的需求，需要選用擴(kuò)展模塊進(jìn)行擴(kuò)展。
DI/DO模塊：CP1W-40EDR （24DI,16DO）兩塊；
AI/AO模塊：CP1W-MAD44 （4AI,4DAO）1塊；
溫度模塊： CP1W-TS004 （12路熱電偶）1塊；
Ethernet 選件板： CP1W-CIF4（為后期遠(yuǎn)程控制做準(zhǔn)備）；
RS45通訊板：CP1W-CIF11(便于和溫控儀表進(jìn)行自由口通訊，需通過通訊PLC給溫控儀表設(shè)定溫度輸出值和故障反饋)。
3.2 電加熱器溫控儀表選型
電加熱器主要保證出口溫度的穩(wěn)定和無差跟隨設(shè)定溫度，控制方式是典型的大滯后模擬量控制，如果用 PLC 直接控制需要大量的時(shí)間去調(diào)試 PID 參數(shù)。為了保證出口溫度誤差保持在±1℃，能夠自整定 PID 參數(shù)的特性，選用島電MR13 三回路 0.3 級(jí)可編程九段 “專家” PID調(diào)節(jié)器。
MR13 主要性能如下：
1）輸入：面板按鍵可自由選擇十二種熱電偶：兩種鉑電阻 Ptl00／JPtl00；六種毫伏：六種電壓：兩種電流等輸入類型。直流輸入量程范圍可設(shè)。采樣周期 0.5，計(jì)量精度為 0.3 級(jí)(千分之三)。
2）獨(dú)立三回路定值調(diào)節(jié)和共用一組程序的三溫區(qū)調(diào)節(jié)。每回路定值一組或程序三組 PID、三組輸出限幅和三組抗超調(diào)系數(shù)。輸出限幅，用于限制閥門較大／較小開度、避開閥門非線性段。
3）調(diào)節(jié)算法：專家 PID，可選擇的抗超調(diào)SF 系數(shù)，有效地克服到達(dá)目標(biāo)設(shè)定值時(shí)的超調(diào)、欠調(diào)。
4 PLC 與溫控儀表 RS485 通訊設(shè)置
在電加熱樹脂砂處理控制系統(tǒng)的控制過程中需要 PLC 給溫控儀表給定指令，同時(shí) PLC 需要接受溫控儀表的故障信息。該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用 RS485 總線實(shí)現(xiàn) PLC 與 MR13 之間的通訊。
4.1 PLC RS485 通訊設(shè)置
硬件設(shè)置：
CP1H-XA 的左側(cè)撥碼開關(guān) DIP#5 置 on，選用 Port2，其他開關(guān)均置 off；
CP1W-CIF11 的 DIP#4 置 off，其他開關(guān)均置 on；放置在 PLC 內(nèi)置通訊串口 2 位置上。
CP1H-XA 的串口 1 設(shè)置為定制波特率：9600，通信格式：8 1 N ，模式選擇：RS-232C。
4.2 MR13 溫控儀表 RS485 通訊設(shè)置
為保證 PLC 與 MR13 通信，通信格式必須與 PLC 系統(tǒng)設(shè)置一致。根據(jù)項(xiàng)目需要，需要讀MR13 1#通道的檢測值（電爐出口溫度檢測值）、需要寫 MR13 1#通道的設(shè)定值（電爐出口溫度設(shè)定值）。
MR13 溫控儀表參數(shù)設(shè)置如下：
1）通信地址：[1-14B] ：1；
2）波特率：[1-15B] ：9600；
3）通訊字符格式：[1-16B] ：8N1；
4）設(shè)置儲(chǔ)存方式：[1-17B] ：RAM(存儲(chǔ)次數(shù)不受限)；
5）字符串控制：[1-18B] ：1 STX_ETX_
6）設(shè)置 BCC 塊校驗(yàn)方式：[1-19B] ：4 None。
MR13 有兩種工作方式：
“LOC”：機(jī)內(nèi)方式，PLC 僅能讀。
“COM”：通訊方式，PLC 能讀能寫，需要
通過島電的專用軟件 shimaden_com 進(jìn)行設(shè)置，點(diǎn)擊“COM MODE”，儀表 com 燈變亮則設(shè)置成功為通訊模式。
4.3 MR13 通訊格式
1）通訊指令格式如圖 2
圖 2 通訊指令格式圖
2）儀表響應(yīng)格式如圖 3
3）讀寫指令
由于儀表采用的是 ASCII 代碼，需要將協(xié)議按照 ASCII 碼表進(jìn)行轉(zhuǎn)換。較終讀 MR13 1#通道的檢測值（電爐出口溫度檢測值）指令格式：
02 30 31 31 52 30 33 30 30 30 03 0D，讀指令的響應(yīng)代碼為：02 30 31 31 52 30 30 2C 30 30 32 46 03 0D ，經(jīng)過換算檢測溫度為 47℃。
寫 MR13 1#通道的設(shè)定值（電爐出口溫度設(shè)定值）指令格式：02 30 31 31 57 30 33 30 30 30 2C 30 30 45 43 03 0D，寫指令的響應(yīng)代碼為：02 30 31 31 57 30 30 03 0D ，表示寫正常。
5 電加熱樹脂砂處理控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
樹脂砂處理中的運(yùn)動(dòng)控制主要包括：前處理設(shè)備控制、氣力輸送設(shè)備控制、除塵設(shè)備控制、冷卻設(shè)備控制，主要是邏輯控制，控制邏輯流程圖如圖 4 所示，這部分的控制主要由 PLC 完成。樹脂砂處理中的溫度控制部分由溫控儀表集成的溫度控制算法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，溫度控制輸出效果既穩(wěn)定， 精度又高，滿足±1℃的精度要求。溫度指令給出采用歐姆龍串口自由通訊指令：發(fā)送 TXD；接收 RXD。根據(jù)讀寫指令格式，將相應(yīng)數(shù)據(jù)賦值給對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)[3]，編寫指令如圖 5 所示：
6 結(jié)論
該樹脂砂處理控制系統(tǒng)采用可編程序控制器(PLC)和溫控儀表相結(jié)合的控制方式：PLC 發(fā)揮自身邏輯控制優(yōu)勢(shì)參與樹脂砂處理的運(yùn)動(dòng)控制部分；溫控儀表發(fā)揮自身溫控精度高，溫控穩(wěn)定，控制算法成熟的控制優(yōu)勢(shì)參與電加熱器的溫度控制。PLC 與溫控儀表相結(jié)合的控制方式使該控制系統(tǒng)更穩(wěn)定，現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間更少，溫度控制精度更高，滿足±1℃的要求。
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