基于PLC的三燒嘴熔化爐自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊一曼

摘 要： 針對(duì)工業(yè)上相同噸位的燃煤熔化爐和電熔化爐硬件資源浪費(fèi)、能源浪費(fèi)、成本升高和不環(huán)保等特點(diǎn)，采用對(duì)燃?xì)馊刍癄t進(jìn)行自動(dòng)控制?？刂葡到y(tǒng)中的三燒嘴熔化爐即是三個(gè)帶噴火燃燒裝置的熔化爐，其中，兩個(gè)燒嘴的作用是將鋁料熔化，一個(gè)燒嘴將熔化的鋁液進(jìn)行保溫。以PLC為核心，對(duì)系統(tǒng)硬件、軟件關(guān)鍵技術(shù)和MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)；溫度控制采用PLC程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；MCGS組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)定作用，系統(tǒng)能夠達(dá)到控制要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)三燒嘴熔化爐的自動(dòng)控制。該設(shè)計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)線中運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，有效地提高系統(tǒng)自動(dòng)控制水平。

關(guān)鍵詞： PLC； 燒嘴； 溫度控制； MCGS組態(tài)軟件

中圖分類號(hào)： TP 273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1671-2153（2018）02-0081-04

0 引 言

在當(dāng)前國(guó)家提倡節(jié)約能源，綠色環(huán)保情況下，改進(jìn)工廠工藝設(shè)備，提供能源效率，降低企業(yè)成本尤為重要[1]。燃?xì)馊刍癄t能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制并且能夠達(dá)到安全生產(chǎn)的目的，同時(shí)燃?xì)馊紵浞郑瑹煔馀欧乓走_(dá)到燃?xì)庠O(shè)備所要求的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可減輕對(duì)環(huán)境的污染，熱輻射能力強(qiáng)，釋放的熱效率高。本文以PLC為核心對(duì)三燒嘴熔化爐自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、PLC軟件設(shè)計(jì)及MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)；觸摸屏作為人機(jī)操作界面，能夠真實(shí)的模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)組態(tài)調(diào)用曲線模塊，使溫度按預(yù)先設(shè)定的曲線執(zhí)行，達(dá)到控制溫度的目的，使鋁液溫度在誤差范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)三燒嘴熔化爐的自動(dòng)控制[2]。

1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

基于PLC的三燒嘴熔化爐自動(dòng)控制系統(tǒng)以三菱可編程控制器PLC為控制核心，由MCGS嵌入式[3]一體化工控機(jī)通過(guò)編程電纜實(shí)現(xiàn)同PLC的通信、三個(gè)燃燒裝置。該裝置由燒嘴、比例蝶閥、溫度傳感器熱電偶、模擬量檢測(cè)模塊、光電檢測(cè)鋁料、鋁液滿檢測(cè)探針、火焰檢測(cè)模塊、限位開關(guān)、按鈕和電動(dòng)機(jī)等組成，系統(tǒng)硬件組成如圖1所示；控制系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖2所示。圖1中，按下啟動(dòng)按鈕，鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)和上料小車電機(jī)開始運(yùn)行，鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行爐膛預(yù)掃，小車開始運(yùn)送鋁料，熔化鋁料的燒嘴1、燒嘴2開始工作，保溫?zé)?開始工作，通過(guò)光電檢測(cè)鋁料裝置判斷鋁料熔化程度自動(dòng)關(guān)閉和啟動(dòng)熔化燒嘴，當(dāng)鋁液達(dá)到上限時(shí)鋁液滿檢測(cè)探針導(dǎo)通，停止熔化鋁料，溫度傳感器檢測(cè)溫度，經(jīng)過(guò)模擬量檢測(cè)模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)量存入PLC中，經(jīng)過(guò)PLC程序運(yùn)算后，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)控制比例蝶閥的開關(guān)，從而控制熔化爐里鋁液的溫度達(dá)到設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)三燒嘴熔化爐的自動(dòng)控制。

1.1 系統(tǒng)主要功能

（1） 實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作和自動(dòng)操作的切換；

（2） 實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)運(yùn)送鋁料一鍵式操作；

（3） 通過(guò)觸摸屏設(shè)置鋁液期望溫度及相關(guān)參數(shù)，良好的人機(jī)交互界面，能夠查看計(jì)劃溫度曲線、實(shí)時(shí)溫度曲線，實(shí)現(xiàn)保密功能；

（4） PLC自動(dòng)檢測(cè)鋁液溫度，并根據(jù)給定的期望溫度，通過(guò)PLC程序設(shè)計(jì)，最后實(shí)現(xiàn)鋁液溫度精確控制，誤差范圍2 ℃；

（5） 實(shí)現(xiàn)節(jié)假日期間及生產(chǎn)間歇后的曲線升溫，節(jié)假日在MCGS里預(yù)設(shè)好曲線，升溫就按設(shè)定好的曲線變化。

（6） 具有鋁原料料滿檢測(cè)、鋁液液位檢測(cè)；

（7） 具有鋁原料預(yù)熱系統(tǒng)，可利用余熱將鋁原料加熱到至少200 ℃，節(jié)約能源，除塵的同時(shí)會(huì)帶走一部分熱量，利用這部分熱量對(duì)鋁料進(jìn)行預(yù)熱。除塵風(fēng)機(jī)通過(guò)管道與排煙罩相連，排煙罩與上料塔相連，上料塔內(nèi)裝有鋁原料，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)熱的功能，節(jié)約能源。

1.2 控制系統(tǒng)硬件組成

1.2.1 燒嘴的控制原理

燒嘴是燃燒設(shè)備的核心部件，關(guān)系到燃料的點(diǎn)火及火焰的穩(wěn)定性，影響熔化爐的安全運(yùn)行、穩(wěn)定性和節(jié)能環(huán)保等方面，三個(gè)燒嘴的控制原理相同如圖3所示。圖3中，按下啟動(dòng)按鈕，熔化的燒嘴1、燒嘴2開始工作，PLC向端子“5”送高電平，點(diǎn)火變壓器由低壓轉(zhuǎn)換到高壓，電流要求低并且是小間隙產(chǎn)生放電火花，起到點(diǎn)火的目的；之后同時(shí)向端子“1”和“4”送高電平，空氣閥小檔及燃?xì)忾y小檔打開，燒嘴開始燃燒；之后停止點(diǎn)火變壓器，為快速熔化根據(jù)鋁料的多少PLC向端子“3”送高電平啟動(dòng)燃?xì)忾y大檔閥門。熔化燒嘴3控制原理與其相似。燒嘴的保護(hù)措施：當(dāng)燒嘴停止燃燒時(shí)自動(dòng)退出爐膛其溫度較高，高溫會(huì)使點(diǎn)火電極及火焰檢測(cè)探頭烤壞，為了避免這些，在燒嘴停止工作時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)不停止工作，讓其吹出的冷風(fēng)冷卻點(diǎn)火電極及檢測(cè)探頭。

火焰采用在燒嘴內(nèi)空氣與燃?xì)忸A(yù)先設(shè)定的比例混合獲取，能夠使燃?xì)馊紵浞?，火焰平穩(wěn)，不回火或者脫火[4]。在調(diào)整過(guò)程中通過(guò)流量和壓力表的變化作為依據(jù)，剛性好的火焰打到快熔化的金屬上很快熔化，所以系統(tǒng)火焰采用細(xì)長(zhǎng)火焰，剛性強(qiáng)，穩(wěn)定性較好。

火焰檢測(cè)模塊ZKM5（A）檢測(cè)是根據(jù)紫外線檢測(cè)原理，模塊具有較強(qiáng)的抗干擾性能，不受人工光源和自然光源的影響，靈敏度高，能檢測(cè)到火焰中特定波長(zhǎng)的紫外線是否存在，適合于以燃?xì)鉃橹饕剂系娜裏烊刍癄t自動(dòng)控制系統(tǒng)中的火焰檢測(cè)。火焰檢測(cè)模塊將火焰中的紫外光信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換后顯示火焰狀態(tài)，同時(shí)給外部設(shè)備提供與繼電器作用相似的觸點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。火焰檢測(cè)模塊安裝位置需要根據(jù)火焰情況，能夠可靠檢測(cè)火焰，同時(shí)應(yīng)該盡可能的遠(yuǎn)離高溫區(qū)爐膛的位置安裝，用目測(cè)的方法調(diào)整傳感器光窗的角度，使其有效地觀測(cè)到火焰情況，同時(shí)注意火焰檢測(cè)探頭位置不要超過(guò)燒嘴。

1.2.2 鋁料滿檢測(cè)

鋁料檢測(cè)電氣原理如圖4所示。由圖4可以看出，基于PLC的三燒嘴熔化爐自動(dòng)控制系統(tǒng)采用光電檢測(cè)開關(guān)檢測(cè)鋁原料是否裝滿。光電開關(guān)檢測(cè)鋁料是否裝滿的原理是利用鋁料對(duì)光束的遮擋或反射，由發(fā)射端、接受端和檢測(cè)電路組成，發(fā)射器的作用是將輸入的電流轉(zhuǎn)換成光信號(hào)發(fā)射出，接收器的作用是根據(jù)接收到的光線強(qiáng)弱或者有無(wú)對(duì)鋁料進(jìn)行檢測(cè)，從而檢測(cè)鋁料是否裝滿。

1.2.3 鋁液滿檢測(cè)

鋁液滿檢測(cè)電氣原理如圖5所示。由圖5可以看出，熔化爐裝有鋁液是有限制的，不能無(wú)限的熔化鋁料，所以必須有檢測(cè)鋁液是否滿的裝置。當(dāng)鋁液滿時(shí)兩個(gè)檢測(cè)探針通過(guò)鋁液導(dǎo)通形成回路，K1繼電器得電，K1常開觸點(diǎn)閉合，鋁液滿指示燈亮，熔化燒嘴1和熔化燒嘴2停止熔化鋁。

1.2.4 熱電偶與模擬量檢測(cè)模塊的PLC接線

熱電偶與模擬量檢測(cè)模塊的PLC接線如圖6所示。由圖6可以看出，當(dāng)鋁液溫度變化時(shí)，K型熱電偶（WR-130）產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)模擬量檢測(cè)模塊（FX2N-4AD-TC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量存入模塊中，PLC可以從中讀取數(shù)值。

2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)I/O口的點(diǎn)數(shù)選擇PLC型號(hào)，選擇PLC型號(hào)時(shí)要考慮為以后設(shè)備擴(kuò)展功能預(yù)留I/O點(diǎn)數(shù)，還應(yīng)該考慮到如果早期設(shè)計(jì)有問(wèn)題也可以方便彌補(bǔ)，所以一般PLC型號(hào)選擇時(shí)I/O口點(diǎn)數(shù)會(huì)預(yù)留10%備用點(diǎn)。根據(jù)三燒嘴熔化爐自動(dòng)控制系統(tǒng)控制要求不同，由PLC實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)傳送、控制和各種運(yùn)算，并實(shí)現(xiàn)與MCGS嵌入式一體化工控機(jī)的通信并傳送各種顯示所需參數(shù)。

模擬量的數(shù)據(jù)采集、比較運(yùn)算是程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是控制溫度的主要算法。三菱可編程控制器PLC控制器中FROM指令的作用是從特殊模塊FX2N-4AD-TC中把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量之后的數(shù)據(jù)讀出存到可編程控制器PLC控制器中，TO指令是把可編程控制器PLC中的數(shù)據(jù)存入特殊模塊中，數(shù)據(jù)采集、比較運(yùn)算程序示意圖如圖7所示，此梯形圖程序能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集并且采樣輸出，實(shí)際溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果控制PLC輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁液溫度的控制，此程序設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是省去了復(fù)雜的PID編程，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)對(duì)溫度的控制，符合誤差范圍2 ℃的要求。

2.2 MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)包括主控窗口、用戶窗口界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)備窗口設(shè)置及運(yùn)行策略設(shè)計(jì)[5]，這五部分實(shí)現(xiàn)了變量定義、畫面的設(shè)計(jì)、屬性設(shè)置及動(dòng)畫連接、通信參數(shù)設(shè)置與地址關(guān)聯(lián)[6]、報(bào)警處理、保密處理、保溫升溫曲線、熔化升溫曲線的實(shí)時(shí)曲線及預(yù)設(shè)的期望曲線。

為了避免溫度快速升溫對(duì)設(shè)備的損壞，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在組態(tài)里組態(tài)出期望的鋁料熔化升溫曲線和鋁液保溫升溫的溫度曲線。溫度曲線應(yīng)采用折線形式最后到達(dá)期望溫度值是水平直線。在運(yùn)行環(huán)境中，根據(jù)實(shí)際溫度曲線，調(diào)整期望溫度曲線，最后確定組態(tài)的期望溫度曲線。

3 系統(tǒng)調(diào)試

通過(guò)鈕子開關(guān)和按鈕來(lái)模擬輸入信號(hào)調(diào)試，輸出信號(hào)狀態(tài)用發(fā)光二極管的狀態(tài)來(lái)表示，來(lái)模擬調(diào)試PLC程序，之后對(duì)MCGS仿真界面進(jìn)行調(diào)試；調(diào)試好后進(jìn)行控制現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)機(jī)調(diào)試，在自動(dòng)方式下，觀察顯示的溫度曲線是否達(dá)到系統(tǒng)對(duì)溫度的控制要求，根據(jù)溫度曲線修改程序或參數(shù)，反復(fù)調(diào)試，直到PLC程序與MCGS組態(tài)人機(jī)交互界面都達(dá)到系統(tǒng)要求為止。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于PLC的三燒嘴熔化爐自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了三燒嘴熔化爐的自動(dòng)控制，提高了自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的主要功能，具有良好的人機(jī)交互界面，使操作更加方便，在實(shí)際應(yīng)用中，鋁液溫度達(dá)到了控制精度要求，運(yùn)行穩(wěn)定。

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