【文章內(nèi)容簡介】 特點(diǎn)的實(shí)際調(diào)研和其生產(chǎn)環(huán)境的了解得知，電石爐現(xiàn)場條件較為惡劣，灰塵多，溫度高，電磁干擾嚴(yán)重。因此對控制設(shè)備的可靠性要求較高。為此除一方面設(shè)置防塵屏蔽各種措施外，另一方面則要設(shè)計(jì)高性能和高可靠的控制系統(tǒng)。 在生產(chǎn)過程控制中，目前國內(nèi)外，普遍采用 PLC 系統(tǒng)。該電石爐控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)回路較少，而檢測參數(shù)較多，模擬量較少，開關(guān) 量較多，屬于中等規(guī)模的技改項(xiàng)目。參考冶金行業(yè)類似的電弧爐等成功案例情況以及較高的性價(jià)比，控制系統(tǒng)的硬件采用了可編程控制器和上位計(jì)算機(jī)構(gòu)成 PLC 控制系統(tǒng)。可編程控制器的可靠性較高和抗干擾性較強(qiáng)，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)現(xiàn)場及控制，上位計(jì)算機(jī)選用工業(yè)控制級(jí)計(jì)算機(jī)，主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)過程參數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示、存儲(chǔ)和監(jiān)督控制工作。 方案的選擇，由工控機(jī)控制參數(shù)的變化，通過 PLC 把采集到的信號(hào)和設(shè)定值作比較進(jìn)而控制電磁閥，調(diào)節(jié)電極的升降，增加或減小電弧強(qiáng)度，達(dá)到改變溫度的目的，與 PLC 相連的 2 個(gè) A/D 模塊作用是及時(shí)的把變送器送來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù) 字信號(hào)并送 PLC 中，電流互感器作用是把測到的電流或電壓按比例轉(zhuǎn)換成 A/D 模塊能接受的范圍，保護(hù)模塊不被損壞（如圖 41所示）。如果此循環(huán)工作系統(tǒng)成立，就能達(dá)到使?fàn)t內(nèi)溫度盡量恒定在最佳溫度值，進(jìn)而能達(dá)到提高生產(chǎn)質(zhì)量 [19]。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 14 頁 共 43 頁 圖 41 電石爐 PLC 控制系統(tǒng)示意圖 工控機(jī)的選型 主站 上位計(jì)算機(jī)選用研華系列工業(yè)控制機(jī) 如圖 42 所示 ， 臺(tái)灣研華股份有限公司生產(chǎn)的高性能工業(yè)控制機(jī)是專為工業(yè)環(huán)境下保證系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行而設(shè) 計(jì)制作的?？梢栽?0~50 ℃ 的溫度范圍內(nèi) 正 常工作。電源采用開關(guān)電源，其 MTBF（ 平均無故障時(shí)間 ） 至少在 50 000 h，機(jī)箱采用鋼制全封閉結(jié)構(gòu)。有效地防止了 EMI（ 電磁干擾 ） ，系統(tǒng)易于擴(kuò)展，可采用 IEEE488， RS232， RS422/485 通訊卡來實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)采集與控制，還配有豐富的接口板 。 工控機(jī) PLC 電磁閥 電磁閥 電磁閥 電極升降 電極升降 電極升降 A/D 模塊 A/D 模塊 電壓變送器 電壓互感器 二次測電壓 電壓變送器 電壓變送器 電流變送器 電流變送器 電流變送器 電壓互感器 電壓互感器 電流互感器 電流互感器 電流互感器 二次測電壓 二次測電壓 一次測電流 一次測電流 一次測電流 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 15 頁 共 43 頁 圖 42 研華工控機(jī)實(shí)物圖 圖 43 FX2N16MR001 型 PLC PLC的選型 PLC 程序是整 個(gè)控制系統(tǒng)的核心，也連接現(xiàn)場信號(hào)和人機(jī)界面的紐帶， PLC 程序完成的功能包括數(shù)據(jù)采集和處理，按照工藝完成相應(yīng)的工序，還有三項(xiàng)電極調(diào)節(jié)算法的部分實(shí)現(xiàn)工作。同時(shí)，上位計(jì)算機(jī)中的監(jiān)控程序讀寫 PLC 中的數(shù)據(jù)，完成儲(chǔ)存、設(shè)定和報(bào)警的功能。 PLC單元選用 FX2N16MR001型 PLC如圖 43所示 ， 參數(shù) 如下： 8點(diǎn)輸入點(diǎn)數(shù) 、 8點(diǎn)輸出點(diǎn)數(shù) 、 可控硅輸出可用 FX2n16MS、晶體管輸出可用 FX2n16MT、擴(kuò)展模塊可用點(diǎn)數(shù)為 24～ 32。 FX2n系列是 FX系列 PLC家族中較先進(jìn)的系列。由于 FX2n系列具備如下特點(diǎn) ：包容了標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)、程式執(zhí)行快、補(bǔ)充了通信功能、適合不同的電源以及滿足單個(gè)需要的大量特殊功能模塊，可以自動(dòng)化應(yīng)用提供最大的靈活性和控制能力。 為大量實(shí)際應(yīng)用而開發(fā)的特殊功能 開發(fā)了各個(gè)范圍的特殊功能模塊以滿足不同的需要 模擬 I/O，高速計(jì)數(shù)器。 24V、 400mA直流電源可用于外圍設(shè)備，如傳感器或其它元件。采用了優(yōu)良的可維護(hù)性快速斷開端子塊，并在 FX2N系列 PLC中都有實(shí)時(shí)時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)間設(shè)置和比較指令易于操作，還有小時(shí)表功能對過程跟蹤和機(jī)器維護(hù)提供了有價(jià)值的信息。為應(yīng)用所需求的持續(xù)掃描時(shí)間定義操作周期?？梢杂?輸入濾波器平整輸入信號(hào)（在基本單元中 x000到 x017）。元件注解可以記錄在程序寄存器中，在線改變程序不會(huì)損失工作時(shí)間或停止生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)。面板上運(yùn)行 /停止開關(guān)易于操作，遠(yuǎn)處的編程軟件可以通過調(diào)制解調(diào)器通信來監(jiān)測、上載或卸載程序和數(shù)據(jù)，并使用一個(gè)八位數(shù)字密碼保護(hù)您的程序 [19]。 模擬量輸入 /輸出的選型 模擬量輸入模塊選用三菱的 FX2N4AD 如圖 44所示，該模塊有 4 個(gè)輸入通道，其分辨率為 12 位?？蛇x擇電流或電壓輸入，選擇通過用戶接線來實(shí)現(xiàn)。可 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 16 頁 共 43 頁 選為模擬值范圍為177。 10VDC（分辨率位 5mV）或 4～ 20mA、 20～ 20mA（分辨率位20181。A）。轉(zhuǎn)換的速度最高位 6ms/通道。 FX2N4AD 占用 8 個(gè) I/O 點(diǎn)。 模擬量輸出模塊選用三菱的 FX2N4DA 如圖 45所示，該模塊有 4 個(gè)輸出通道。提供了 12位高精度分辨率的數(shù)字輸入。轉(zhuǎn)換速度為 ，使用的通道數(shù)變化不會(huì)改變轉(zhuǎn)換速度。其他的性能與 FX2N2DA 相似。 圖 44 FX2NAD 模塊 圖 45 FX2NDA 模塊 可編程控制器采用三菱公 司的 FX2N16MR001。上位計(jì)算機(jī)采用臺(tái)灣研華公司的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和液晶顯示器。 PLC 控制程序的編程采用了 組 態(tài)王軟件作為開發(fā)工具，上 位 機(jī)監(jiān)控部分的設(shè)計(jì)采用了 組態(tài) 軟件作為開發(fā)工具 [20]。 本系統(tǒng)上位機(jī)選用研華工控機(jī)，運(yùn)行 Windows20xx 操作系統(tǒng)，以滿足上位組態(tài)軟件的運(yùn)行要求。 17 寸彩色液晶顯示器，可清晰的現(xiàn)實(shí)各種圖形和文字，相對于傳統(tǒng)的 CRT 顯示器，可免受電磁干擾的影響。工控及外接打印機(jī)以打印報(bào)表， 由 一臺(tái) 500VA 的不間斷電源 UPS 供電，保證工控機(jī)的正常工作和數(shù)據(jù)的完整記錄。 考慮到電石爐電 流檢測受電磁干擾比較嚴(yán)重 ,程序中考慮到當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)意外情況下 ,電極電流偏差嚴(yán)重超限時(shí) ,通過聲光報(bào)警及時(shí)通知操作人員進(jìn)行人工干預(yù)。由于系統(tǒng)的實(shí)際需要 ,系統(tǒng)設(shè)“自動(dòng)控制”和“手動(dòng)控制” 2 種工作方式 。 5 控制系統(tǒng)的 PLC 程序設(shè)計(jì) FX2N 系列 PLC 的工作原理 及元件介紹 FX2N 系列 PLC 的工作原理 PLC 大多采用成批輸入 /輸出的周期掃描方式工作，按用戶程序的先后次序逐條運(yùn)行。一個(gè)完整的周期可分為三個(gè)階段： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 17 頁 共 43 頁 （ 1）輸入刷新階段 :程序開始時(shí)，監(jiān)控程序使機(jī)器以掃描方式逐個(gè)輸入所有輸入端口上的信號(hào)，并依次存入對應(yīng)的輸入映象寄存器。 （ 2）程序處理階段 :所有的輸入端口采樣結(jié)束后，即開始進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始，逐條加以執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)行結(jié)果，存入對應(yīng)的中間元件和輸出元件映象寄存器，當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸出刷新處理。 （ 3）輸出刷新階段 :將輸出元件映象寄存器的內(nèi)容，從第一個(gè)輸出端口開始，到最后一個(gè)結(jié)束，依次讀入對應(yīng)的輸出鎖存器，從而驅(qū)動(dòng)輸出器件形成可編程的實(shí)際輸出。 一般地， PLC 的一個(gè)掃描周期約 10ms，另外，可編程序控制器的輸入 /輸出還有響應(yīng)滯后（輸入濾波約 10ms），繼電器機(jī)械滯后約 10ms，所以，一個(gè)信號(hào)從輸入到實(shí)際輸出，大約有 2030ms 的滯后。輸入信號(hào)的有效寬度應(yīng)大于 1 個(gè)周期 +10ms。 可編程控制器通過輸入模塊接受外來的輸入信號(hào)，通過輸出模塊驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而各種信號(hào)之間的邏輯關(guān)系則通過用戶程序來實(shí)現(xiàn)?？删幊炭刂破鞅举|(zhì)上是一臺(tái)計(jì)算機(jī)，和其他計(jì)算機(jī)一樣，他按照分時(shí)工作的原理進(jìn)行工作。也就是說，它在每一個(gè)時(shí)刻只能進(jìn)行一項(xiàng)操作。按照既定的順序一步一步地完成各種操作。 FX2N 系列 PLC 的元件介紹 FX2N 系列 PLC 一般含有一下元件： 輸入繼電器 X 輸出繼電器 Y 輔助繼電器 M： （ 1）通用輔助繼電器（ 2）掉電保持輔助繼電器（ 3）特殊輔助繼電器 狀態(tài)繼電器 S 定時(shí)器 T： （ 1）定時(shí)器（ 2）積算定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 C 數(shù)據(jù)寄存器 D PLC的 PID 功能介紹 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 18 頁 共 43 頁 PID 控制 在工業(yè)控制中， PID 控制（比例 積分 微分控制）得到了廣泛的應(yīng)用，這是因?yàn)?PID 控制具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）不需要知道被控對象的數(shù)學(xué)模型。實(shí)際 上大多數(shù)工業(yè)對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是無法獲得的，對于這一類系統(tǒng)，使用 PID 控制可以得到比較滿意的效果。據(jù)日本統(tǒng)計(jì)，目前 PID 及變型 PID 約占總控制回路數(shù)的 90%左右。 2） PID 控制器具有典型的結(jié)構(gòu)，程序設(shè)計(jì)簡單，參數(shù)調(diào)整方便。 3）有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，根據(jù)被控對象的具體情況，可以采用各種PID 控制的變種和改進(jìn)的控制方式，如 PI、 PD、帶死區(qū)的 PID、積分分離式 PID、變速積分 PID 等。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展， PID 控制與模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代控制方法相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn) PID 控制器的參數(shù)自整定， 使 PID 控制器具有經(jīng)久不衰的生命力。 PLC 實(shí)現(xiàn) PID 控制的方法 如圖 51 所示為采用 PLC 對模擬量實(shí)行 PID 控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。用 PLC對模擬量進(jìn)行 PID 控制時(shí)，可以采用以下幾種方法： 圖 51 用 PLC 實(shí)現(xiàn)模擬量 PID 控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 1）使用 PID 過程控制模塊。這種模塊的 PID 控制程序是 PLC 生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)的，并存放在模塊中，用戶在使用時(shí)只需要設(shè)置一些參數(shù)，使用起來非常方便，一塊模塊可以控制幾路甚至幾十路閉環(huán)回路。但是這種模塊的 PLC PVf PV Pv(t) C(t) mv(t) MV EV SV PID 調(diào)節(jié)器 數(shù)字濾波 A/D 測量變送 被控對象 執(zhí)行機(jī)構(gòu) D/A 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 19 頁 共 43 頁 價(jià)格昂貴，一般在大型控制系統(tǒng)中使用。如三菱的 A 系列、 Q 系列 PLC的 PID 控制模塊。 2）使用 PID 功能指令?，F(xiàn)在很多中小型 PLC 都提供 PID 控制用的功能指令，如 FX2N 系列 PLC 的 PID 指令。它們實(shí)際上是用于 PID 控制的子程序，與 A/D、 D/A 模塊一起使用，可以得到類似于使用 PID 過程控制模塊的效果，價(jià)格卻便宜得多。 3）使用自編程序?qū)崿F(xiàn) PID 閉環(huán)控制。有的 PLC 沒有有 PID 過程控制模塊和 PID 控制指令，有時(shí)雖然有 PID 控制指令，但用戶希望采用變型 PID 控制算法。在這些情況下，都需要由用戶自己編制 PID控制程序。 FX2N 的 PID 指令 PID 指令的編號(hào)為 FNC88，如圖 52所示源操作數(shù)［ S1］、［ S2］、 [S3]和目標(biāo)操作數(shù) [D]均為數(shù)據(jù)寄存器 D， 16位指令，占 9個(gè)程序步。［ S1］和［ S2］分別用來存放給定值 SV 和當(dāng)前測量到的反饋值 PV，［ S3］ ~[S3]＋ 6用來存放控制參數(shù)的值，運(yùn)算結(jié)果 MV存放在［ D］中。源操作數(shù)［ S3］占用從［ S3］開始的25 個(gè)數(shù)據(jù)寄存器。 圖 52 PID 指令 X000 FNC 88 D0 D1 D100 D150 PID [S1] [S2] [S3] [D] 給定值 反饋值 參數(shù) 輸出值 （ SV） (PV) (MV) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 第 20 頁 共 43 頁 PID 指令是用來調(diào)用 PID 運(yùn)算程序，在 PID 運(yùn)算開始之前，應(yīng)使用 MOV 指令將參數(shù)（見表 51）設(shè)定值預(yù)先寫入對應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中。如果使用有斷電保持功能的數(shù)據(jù)寄存器，不需要重復(fù)寫入。如果目標(biāo)操作數(shù) [D]有斷電保持功能，應(yīng)使用初始化脈沖 M8002 的常開觸點(diǎn)將其復(fù)位。 表 51 PID 控制參數(shù)及設(shè)定 源操作數(shù) 參 數(shù) 設(shè)定范圍或說明 備 注 ［ S