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
发布时间：2019-05-14 发布作者：
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。
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，其较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。
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。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）介质较高出口温度：950 ℃；
4）工作压力：常压；设计压力：0.15MPa；
5）进口温度：300℃；
6）电源：380V/ 50HZ，3 相；
7）接线方式：三角形（星形）连接。
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较优的选择。
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，较终选用欧姆龙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点数较高可扩容至 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，用于限制阀门较大／较小开度、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。
4 PLC 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。
4.1 PLC RS485 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。
CP1H-XA 的串口 1 设置为定制波特率：9600，通信格式：8 1 N ，模式选择：RS-232C。
4.2 MR13 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MR13 1#通道的检测值（电炉出口温度检测值）、需要写 MR13 1#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] ：1 STX_ETX_
6）设置 BCC 块校验方式：[1-19B] ：4 None。
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“COM MODE”，仪表 com 灯变亮则设置成功为通讯模式。
4.3 MR13 通讯格式
1）通讯指令格式如图 2
图 2 通讯指令格式图
2）仪表响应格式如图 3
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。较终读 MR13 1#通道的检测值（电炉出口温度检测值）指令格式：
02 30 31 31 52 30 33 30 30 30 03 0D，读指令的响应代码为：02 30 31 31 52 30 30 2C 30 30 32 46 03 0D ，经过换算检测温度为 47℃。
写 MR13 1#通道的设定值（电炉出口温度设定值）指令格式：02 30 31 31 57 30 33 30 30 30 2C 30 30 45 43 03 0D，写指令的响应代码为：02 30 31 31 57 30 30 03 0D ，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 4 所示，这部分的控制主要由 PLC 完成。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 5 所示：
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。
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