PLC 與溫控儀表相結合的電加熱樹脂砂處理控制系統的設計
發布時間：2019-05-14 發布作者：
摘 要：介紹了電加熱樹脂舊砂處理的控制系統的設計。控制系統采用可編程序控制器(PLC)和溫控儀表相結合的控制方式：PLC 控制優勢是邏輯控制，現場設備的啟停用 PLC 控制更為方便簡單；溫控儀表控制優勢是溫控精度高，溫控穩定。該控制系統在某鑄造廠具體實施，結果表明：該設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主要包括：樹脂砂前處理控制系統、樹脂舊砂電加熱再生爐控制系統、樹脂砂氣力輸送控制系統、除塵設備控制系統、冷卻設備控制系統。樹脂砂前處理控制、樹脂砂氣力輸送控制、除塵控制、冷卻設備控制的主要特點是控制電機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定以及無差跟隨，該部分由專用的溫控儀表來控制更穩定可靠，可以減少現場調試時間。
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行電加熱處理去除砂粒上積聚的粘結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的一種砂再生工藝，其較終目的就是力求減少鑄造生產中的新砂用量，節約經濟投入、提高鑄件質量、保護自然環境。[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。另外其他的氣力輸送系統和除塵系統主要是完成工藝的輔助設備，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 電加熱設備主要技術數據介紹
電加熱設備是由壓力容器、電加熱器、控溫設備、溫度測量一體的單元組合設備。本加熱器主要用于空氣加熱，并滿足對工藝加熱反應溫度的要求，實行溫度控制，溫度達到設定值電加熱器關閉，系統溫度低于設定值，自動啟動電加熱器，并可恒溫在一個任意給定的設定值上。
主要技術參數如下：
1）加熱介質：空氣；
2）流量：1000m3/s ；
3）介質較高出口溫度：950 ℃；
4）工作壓力：常壓；設計壓力：0.15MPa；
5）進口溫度：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硬件
選型概述
樹脂砂處理中的運行控制主要包括：前處理設備控制、斗提輸送設備控制、氣力輸送設備控制、除塵設備控制、冷卻設備控制。這些設備控制方式是典型的邏輯控制方式，主要負責設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定和無差跟隨設定溫度，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試PID 參數，對于沒有工程經驗的工程師需要花大
量的時間去調試和編寫程序，為了減少在工程上的調試時間、同時保持輸出溫度的穩定采用專用的溫控儀表來控制是較優的選擇。
3.1 電加熱樹脂砂處理控制系統 PLC 硬件選型
選用 PLC 的原則按照經濟性、可擴展性、能夠以太網通訊、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器和
4 軸脈沖輸出功能。
3）CPU 單元內置 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 系列擴展 I/O 單元，CP1H 的 I/O點數較高可擴容至 320。
5）使用 CP 系列擴展單元，可實現更多功能 ( 如溫度傳感器輸入 )。
6）可擴展安裝選件板，實現以太網、RS-232C 和 RS-422A/485 通信。
由于 PLC 本身帶的 DI、DO、AI、AO 數量不能滿足系統的需求，需要選用擴展模塊進行擴展。
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（為后期遠程控制做準備）；
RS45通訊板：CP1W-CIF11(便于和溫控儀表進行自由口通訊，需通過通訊PLC給溫控儀表設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定和無差跟隨設定溫度，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試 PID 參數。為了保證出口溫度誤差保持在±1℃，能夠自整定 PID 參數的特性，選用島電MR13 三回路 0.3 級可編程九段 “專家” PID調節器。
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。采樣周期 0.5，計量精度為 0.3 級(千分之三)。
2）獨立三回路定值調節和共用一組程序的三溫區調節。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系數。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）調節算法：專家 PID，可選擇的抗超調SF 系數，有效地克服到達目標設定值時的超調、欠調。
4 PLC 與溫控儀表 RS485 通訊設置
在電加熱樹脂砂處理控制系統的控制過程中需要 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。該控制系統設計采用 RS485 總線實現 PLC 與 MR13 之間的通訊。
4.1 PLC RS485 通訊設置
硬件設置：
CP1H-XA 的左側撥碼開關 DIP#5 置 on，選用 Port2，其他開關均置 off；
CP1W-CIF11 的 DIP#4 置 off，其他開關均置 on；放置在 PLC 內置通訊串口 2 位置上。
CP1H-XA 的串口 1 設置為定制波特率：9600，通信格式：8 1 N ，模式選擇：RS-232C。
4.2 MR13 溫控儀表 RS485 通訊設置
為保證 PLC 與 MR13 通信，通信格式必須與 PLC 系統設置一致。根據項目需要，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#通道的設定值（電爐出口溫度設定值）。
MR13 溫控儀表參數設置如下：
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）設置儲存方式：[1-17B] ：RAM(存儲次數不受限)；
5）字符串控制：[1-18B] ：1 STX_ETX_
6）設置 BCC 塊校驗方式：[1-19B] ：4 None。
MR13 有兩種工作方式：
“LOC”：機內方式，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 進行設置，點擊“COM MODE”，儀表 com 燈變亮則設置成功為通訊模式。
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，需要將協議按照 ASCII 碼表進行轉換。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，讀指令的響應代碼為：02 30 31 31 52 30 30 2C 30 30 32 46 03 0D ，經過換算檢測溫度為 47℃。
寫 MR13 1#通道的設定值（電爐出口溫度設定值）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軟件設計
樹脂砂處理中的運動控制主要包括：前處理設備控制、氣力輸送設備控制、除塵設備控制、冷卻設備控制，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，溫度控制輸出效果既穩定， 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：發送 TXD；接收 RXD。根據讀寫指令格式，將相應數據賦值給對應數據區[3]，編寫指令如圖 5 所示：
6 結論
該樹脂砂處理控制系統采用可編程序控制器(PLC)和溫控儀表相結合的控制方式：PLC 發揮自身邏輯控制優勢參與樹脂砂處理的運動控制部分；溫控儀表發揮自身溫控精度高，溫控穩定，控制算法成熟的控制優勢參與電加熱器的溫度控制。PLC 與溫控儀表相結合的控制方式使該控制系統更穩定，現場調試時間更少，溫度控制精度更高，滿足±1℃的要求。
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