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
發(fā)布時間：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�？刂葡到y(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)在某鑄造廠具體實施，結(jié)果表明：該設(shè)計邏輯控制安全可靠，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，并滿足對工藝加熱反應(yīng)溫度的要求，實行溫度控制，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，自動啟動電加熱器，并可恒溫在一個任意給定的設(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間去調(diào)試PID 參數(shù)，對于沒有工程經(jīng)驗的工程師需要花大
量的時間去調(diào)試和編寫程序，為了減少在工程上的調(diào)試時間、同時保持輸出溫度的穩(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 點輸入，16 點輸出型單元。
2）僅通過 CPU 單元即可使用高速計數(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點數(shù)較高可擴(kuò)容至 320。
5）使用 CP 系列擴(kuò)展單元，可實現(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，計量精度為 0.3 級(千分之三)。
2）獨立三回路定值調(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 PLC 需要接受溫控儀表的故障信息。該控制系統(tǒng)設(shè)計采用 RS485 總線實現(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)置儲存方式：[1-17B] ：RAM(存儲次數(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
樹脂砂處理中的運(yùn)動控制主要包括：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實現(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)勢參與樹脂砂處理的運(yùn)動控制部分；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)試時間更少，溫度控制精度更高，滿足±1℃的要求。
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