PLC与温控仪表相结合的电加热树脂砂处理控制系统的设计

PLC与温控仪表相结合的电加热树脂砂处理控制系统的设计

吴卓坪卫新宇孟令宽

中机中联工程有限公司重庆400039

摘要：介绍了电加热树脂旧砂处理的控制系统的设计。控制系统采用可编程序控制器（PLC）和温控仪表相结合的控制方式：PLC控制优势是逻辑控制，现场设备的启停用PLC控制更为方便简单；温控仪表控制优势是温控精度高，温控稳定。该控制系统在某铸造厂具体实施，结果表明：该设计逻辑控制安全可靠，温控精度高。

关键词：PLC；温控仪表；树脂旧砂

引言

电加热树脂砂处理控制系统主要包括：树脂砂前处理控制系统、树脂旧砂电加热再生炉控制系统、树脂砂气力输送控制系统、除尘设备控制系统、冷却设备控制系统。树脂砂前处理控制、树脂砂气力输送控制、除尘控制、冷却设备控制的主要特点是控制电机启停的逻辑先后循序，该部分工作由PLC来控制简单便捷；树脂旧砂电加热再生炉控制的特点是保持温度的稳定以及无差跟随，该部分由专用的温控仪表来控制更稳定可靠，可以减少现场调试时间。

1电加热树脂砂再生线主要工艺介绍

电加热树脂砂再生是将树脂旧砂进行电加热处理去除砂粒上积聚的粘结剂等残留物和惰性薄膜以及有害微粒、粉尘，使旧砂的各种工艺性能得到恢复的一种砂再生工艺，其最终目的就是力求减少铸造生产中的新砂用量，节约经济投入、提高铸件质量、保护自然环境。[1]主要工艺包括树脂旧砂的前处理，树脂旧砂电加热法再生系统。另外其他的气力输送系统和除尘系统主要是完成工艺的辅助设备，使旧砂再生线更流畅和干净[2]。其主要工艺流程图如图1所示。

图1电加热树脂砂热法再生线工艺流程图

2电加热设备主要技术数据介绍

电加热设备是由压力容器、电加热器、控温设备、温度测量一体的单元组合设备，结构图如图2所示。

本加热器主要用于空气加热，并满足对工艺加热反应温度的要求，实行温度控制，温度达到设定值电加热器关闭，系统温度低于设定值，自动启动电加热器，并可恒温在一个任意给定的设定值上。主要技术参数如下：

1、加热介质：空气，

2、流量：1000m3/s；

3、介质最高出口温度：950℃；

4、工作压力：常压；设计压力：0.15MPa；

5、进口温度：300℃；

6、电加热器功率：300KW，效率＞97％；

7、电源：380V/50HZ，3相；

8、接线方式：三角形（星形）连接；

9、要求出口温度误差为±1℃。

图2电加热器结构图

3电加热树脂砂处理控制系统硬件选型概述

树脂砂处理中的运行控制主要包括：前处理设备控制、斗提输送设备控制、气力输送设备控制、除尘设备控制、冷却设备控制；这些设备控制方式是典型的逻辑控制方式，主要负责设备的按先后顺序启动停止[3]。非常适用PLC控制。电加热器主要保证出口温度的稳定和无差跟随设定温度，控制方式是典型的大滞后模拟量控制，如果用PLC直接控制需要大量的时间去调试PID参数，对于没有工程经验的工程师需要花大量的时间去调试和编写程序，为了减少在工程上的调试时间、同时保持输出温度的稳定采用专用的温控仪表来控制是最优的选择。

3.1电加热树脂砂处理控制系统PLC硬件选型

选用PLC的原则按照经济性、可扩展性、能够以太网通讯、RS485通讯，最终选用欧姆龙CP1H系列的-XA型PLC。

该PLC的主要性能如下：

1、PLC单元为24点输入，16点输出型单元。

2、仅通过CPU单元即可使用高速计数器和4轴脉冲输出功能。

3、CPU单元内置4路模拟量电压/电流输入和2路模拟量电压/电流输出。

4、使用CP系列扩展I/O单元，CP1H的I/O点数最高可扩容至320。

5、使用CP系列扩展单元，可实现更多功能（如温度传感器输入）。

6、可扩展安装选件板，实现以太网、RS-232C和RS-422A/485通信。

由于PLC本身带的DI、DO、AI、AO数量不能满足系统的需求，需要选用扩展模块进行扩展。

DI/DO模块：CP1W-40EDR（24DI，16DO）两块；

AI/AO模块：CP1W-MAD44（4AI，4DAO）1块；

温度模块：CP1W-TS004（12路热电偶）1块；

Ethernet选件板：CP1W-CIF4（为后期远程控制做准备）；

RS45通讯板：CP1W-CIF11（便于和温控仪表进行自由口通讯，需通过通讯PLC给温控仪表设定温度输出值和故障反馈）。

3.2电加热器温控仪表选型

电加热器主要保证出口温度的稳定和无差跟随设定温度，控制方式是典型的大滞后模拟量控制，如果用PLC直接控制需要大量的时间去调试PID参数。为了保证出口温度误差保持在±1℃，能够自整定PID参数的特性，选用岛电MR13三回路0.3级可编程九段"专家"PID调节器。

MR13主要性能如下：

1、输入：面板按键可自由选择十二种热电偶：两种铂电阻Ptl00／JPtl00；六种毫伏：六种电压：两种电流等输入类型。直流输入量程范围可设。采样周期0.5，计量精度为0.3级（千分之三）。

2、独立三回路定值调节和共用一组程序的三温区调节。每回路定值一组或程序三组PID、三组输出限幅和三组抗超调系数。输出限幅，用于限制阀门最大／最小开度、避开阀门非线性段。

3、调节算法：专家PID，可选择的抗超调SF系数，有效地克服到达目标设定值时的超调、欠调。

4PLC与温控仪表RS485通讯设置

在电加热树脂砂处理控制系统的控制过程中需要PLC给温控仪表给定指令，同时PLC需要接受温控仪表的故障信息。该控制系统设计采用RS485总线实现PLC与MR13之间的通讯。

4.1PLCRS485通讯设置

硬件设置：

CP1H-XA的左侧拨码开关DIP#5置on，选用Port2，其他开关均置off；

CP1W-CIF11的DIP#4置off，其他开关均置on；放置在PLC内置通讯串口2位置上。

软件设置如图3所示：

图3PLC软件设置图

CP1H-XA的串口1设置为定制波特率：9600，通信格式：81N，模式选择：RS-232C。

4.2MR13温控仪表RS485通讯设置

为保证PLC与MR13通信，通信格式必须与PLC系统设置一致。根据项目需要，需要读MR131#通道的检测值（电炉出口温度检测值）、需要写MR131#通道的设定值（电炉出口温度设定值）。

MR13温控仪表参数设置如下：

1、通信地址：[1-14B]：1；

2、波特率：[1-15B]：9600；

3、通讯字符格式：[1-16B]：8N1；

4、设置储存方式：[1-17B]：RAM（存储次数不受限）；

5、字符串控制：[1-18B]：1STX_ETX_CR；

6、设置BCC块校验方式：[1-19B]：4None。

MR13有两种工作方式：

“LOC”：机内方式，PLC仅能读。

“COM”：通讯方式，PLC能读能写，需要通过岛电的专用软件shimaden_com进行设置，点击“COMMODE”，仪表com灯变亮则设置成功为通讯模式。

4.3MR13通讯格式

1、通讯指令格式如图4

图4通讯指令格式图

2、仪表响应格式如图5

图5仪表响应格式图

3、读写指令

由于仪表采用的是ASCII代码，需要将协议按照ASCII码表进行转换。最终读MR131#通道的检测值（电炉出口温度检测值）指令格式：02303131523033303030030D，读指令的响应代码为：023031315230302C30303246030D，经过换算检测温度为47℃。

写MR131#通道的设定值（电炉出口温度设定值）指令格式：023031315730333030302C30304543030D，写指令的响应代码为：02303131573030030D，表示写正常。

5电加热树脂砂处理控制系统软件设计

树脂砂处理中的运动控制主要包括：前处理设备控制、气力输送设备控制、除尘设备控制、冷却设备控制，主要是逻辑控制，控制逻辑流程图如图6所示，这部分的控制主要由PLC完成。

图6树脂砂处理运动控制流程图

树脂砂处理中的温度控制部分由温控仪表集成的温度控制算法自动实现，温度控制输出效果既稳定，精度又高，满足±1℃的精度要求。温度指令给出采用欧姆龙串口自由通讯指令：发送TXD；接收RXD。根据读写指令格式，将相应数据赋值给对应数据区[3]，编写指令如图7所示：

图7温控仪表通讯读写指令图

6结论

该树脂砂处理控制系统采用可编程序控制器（PLC）和温控仪表相结合的控制方式：PLC发挥自身逻辑控制优势参与树脂砂处理的运动控制部分；温控仪表发挥自身温控精度高，温控稳定，控制算法成熟的控制优势参与电加热器的温度控制。PLC与温控仪表相结合的控制方式使该控制系统更稳定，现场调试时间更少，温度控制精度更高，满足±1℃的要求。

参考文献：

[1]郭思福.铸造旧砂再生利用及污染治理[M].广州：中山大学出版社，2001，12.

[2]汪华平.PID算法仿真在树脂砂热法再生炉中的应用[J]．中国铸造装备与技术，2015，3：30-33．

[3]刘宏亮.铸造车间砂处理系统的工程设计探讨[J]．中国铸造装备与技术，2015，6：33-36．