CAN總線(xiàn)和人機(jī)界面在隧道窯控制系統(tǒng)中應(yīng)用

• 2018-09-08

黃石市科威自控有限公司 鄧小鵬、劉關(guān)、尤虎

摘要：采用CAN總線(xiàn)技術(shù)組建以嵌入式PLC為主站的CAN網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用PID算法，結(jié)合工業(yè)級(jí)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)隧道窯系統(tǒng)的邏輯控制和過(guò)程控制。

關(guān)鍵詞：隧道窯，CAN總線(xiàn)，嵌入式PLC， PID，人機(jī)界面

1引言

隧道窯是一種連續(xù)式窯爐，主要用于陶瓷建材、日用陶瓷等燒制，就其結(jié)構(gòu)而言主要由預(yù)熱區(qū)、高溫區(qū)、急冷區(qū)和緩冷區(qū)組成，隧道窯的控制涉及風(fēng)機(jī)的控制、溫度的檢測(cè)、壓力的檢測(cè)，溫度的控制、壓力的控制以及其它控制。將CAN總線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用在隧道窯控制系統(tǒng)，可以很好地滿(mǎn)足溫度和壓力實(shí)時(shí)控制的要求，系統(tǒng)通信速率高、穩(wěn)定性強(qiáng)，而工業(yè)級(jí)人機(jī)界面的參與，使得控制系統(tǒng)更加直觀化，易于用戶(hù)使用和操作。下面以河北唐山某陶瓷廠(chǎng)的一條隧道窯為案例，介紹其控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2控制對(duì)象

此窯是一條80m長(zhǎng)的燃?xì)馑淼栏G，共有溫度檢測(cè)點(diǎn)20個(gè)（K分度12個(gè)，S分度8個(gè)），其中10個(gè)溫度點(diǎn)受控，壓力檢測(cè)點(diǎn)2個(gè)，10個(gè)燃?xì)鈭?zhí)行器，10只燒嘴火焰檢測(cè)，風(fēng)機(jī)有：排煙風(fēng)機(jī)2臺(tái)（一用一備）、助燃風(fēng)機(jī)2臺(tái)（一用一備）、急冷風(fēng)機(jī)2臺(tái)（一用一備）、緩冷風(fēng)機(jī)2臺(tái)（一用一備）、抽熱風(fēng)機(jī)2臺(tái)（一用一備）、窯頭窯尾氣幕風(fēng)機(jī)各1臺(tái)。10點(diǎn)溫度控制是通過(guò)控制執(zhí)行器閥位大小，改變?nèi)剂献⑷攵嗌?，從而使溫度穩(wěn)定。2點(diǎn)壓力控制通過(guò)調(diào)節(jié)排煙風(fēng)機(jī)和急冷風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制，即通過(guò)調(diào)節(jié)排煙和急冷變頻器頻率來(lái)控制壓力。此外還有風(fēng)機(jī)連鎖，燒嘴熄火報(bào)警及各類(lèi)故障報(bào)警。

3窯爐控制系統(tǒng)的組成

本控制系統(tǒng)由3臺(tái)嵌入式PLC（EASY-M2416R）、2臺(tái)CAN-AD1216、1臺(tái)CAN-AD1208、1臺(tái)CAN-DA1208等部分組成。其中，嵌入式PLC用于邏輯開(kāi)關(guān)量的控制，PID運(yùn)算，以及通過(guò)CAN總線(xiàn)與下級(jí)的模塊進(jìn)行通訊；溫度采集模塊CAN-AD1216用來(lái)完成20點(diǎn)溫度模擬量的采集；壓力采集模塊CAN-AD1208用來(lái)采集2點(diǎn)壓力信號(hào)；模擬量輸出模塊CAN-DA1208用來(lái)控制風(fēng)機(jī)變頻器。

下面為系統(tǒng)框架圖：

作為本系統(tǒng)的控制核心嵌入式PLC Easy-AD1216，下層網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線(xiàn)來(lái)進(jìn)行通訊，對(duì)上分別用RS0口與HMI（人機(jī)界面），RS1口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。其特點(diǎn)如下：

3.1 有比較強(qiáng)大的通訊功能：

一路CAN總線(xiàn)接口在應(yīng)用層作了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃，凡遵循該標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線(xiàn)設(shè)備，可以通過(guò)CANSET軟件設(shè)置CAN網(wǎng)絡(luò)配置文件，下載固化到EASY-M2416R中，就可以把該設(shè)備映射到CAN網(wǎng)絡(luò)中。CAN總線(xiàn)由于具有良好的實(shí)時(shí)性、可靠性、抗干擾能力及檢錯(cuò)能力，所以在一些條件比較苛刻的場(chǎng)合里廣泛應(yīng)用。

另外，串行口 RS0可用于梯形圖程序及上位機(jī)的監(jiān)控，還可以與人機(jī)界面通訊；串行口RS1可用于下載CANSET軟件生成的CAN網(wǎng)絡(luò)配置文件，還可以通過(guò)RS485網(wǎng)絡(luò)連接第三方設(shè)備，如PC、三菱PLC。由于各個(gè)網(wǎng)絡(luò)都是獨(dú)立的，同個(gè)PLC在連接多個(gè)模式的網(wǎng)絡(luò)也不會(huì)受影響。

3.2有和三菱相當(dāng)?shù)倪\(yùn)算速度和幾乎完全兼容的開(kāi)發(fā)環(huán)境：

經(jīng)過(guò)測(cè)試，基本指令的運(yùn)算速度在0.5u/步以下，和三菱FX2系列的PLC相當(dāng)，這對(duì)于控制要求不是很高的用戶(hù)來(lái)說(shuō)已是足夠了。它的梯形圖以及指令和三菱PLC的也是完全兼容，并且都能在三菱編程軟件里很好的運(yùn)行。這對(duì)于使用過(guò)三菱PLC的用戶(hù)來(lái)說(shuō)減輕了很多的困難。

3.3獨(dú)立開(kāi)發(fā)的CAN總線(xiàn)互聯(lián)CANSET軟件：

CANSET軟件能很輕松方便的完成通訊設(shè)置。設(shè)置內(nèi)容包括：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備總數(shù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備地址、網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)的內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊速度等。它還能根據(jù)用戶(hù)的需要，靈活設(shè)置每個(gè)設(shè)備的任務(wù)級(jí)別，以保證網(wǎng)絡(luò)資源的合理分配。處于下層網(wǎng)絡(luò)的AD和DA，以及Easy-M2416R設(shè)備，遵循CANBUS協(xié)議的接口，能很方便地連入CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，成為系統(tǒng)的一部分。

4系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

4.1所有的邏輯控制和PID控制都由Easy-M2416R完成，在CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中三臺(tái)PLC中任選一臺(tái)作為主站，這里選Easy-M2416R-1作其主站。它通過(guò)CAN總線(xiàn)與下層網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)設(shè)備進(jìn)行通訊，兩個(gè)設(shè)備之間的通訊也必須由主站來(lái)完成。同時(shí)它又作為從站與PC（上位機(jī)）和HMI（人機(jī)界面）進(jìn)行通訊。

4.2整個(gè)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)也全由CANSET軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，它是圖形化界面的軟件，設(shè)置起來(lái)十分簡(jiǎn)便，并且在PLC的梯形圖中除了地址和主從站外無(wú)需再對(duì)其他相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，在一定程度上簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)的工作量。下圖是在CANSET下設(shè)置的本系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)配置：

4.3系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性和可維護(hù)性，在工作環(huán)境改變時(shí)，可靈活增添或減少設(shè)備。實(shí)現(xiàn)起來(lái)也只需在CANSET軟件中來(lái)設(shè)置即可，不用考慮其他事項(xiàng)，這為系統(tǒng)的不斷完善和升級(jí)換代奠定了很好的基礎(chǔ)。

4.4系統(tǒng)工作流程：下層網(wǎng)絡(luò)的AD1216、AD1208設(shè)備把采集上來(lái)的溫度和壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號(hào)上傳到Easy-M2416R-1；通過(guò)PID運(yùn)算，控制各個(gè)執(zhí)行器的正反轉(zhuǎn)和DA的輸入值，從而控制窯爐的各段溫度和壓力；另外在邏輯控制上完成各個(gè)風(fēng)機(jī)和電磁閥的控制。下面是其中一路執(zhí)行器正反轉(zhuǎn)控制的梯形圖程序：

4.5人機(jī)界面通過(guò)串口RS0與EASY-M2416R-1連接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控，其畫(huà)面包含：現(xiàn)場(chǎng)模擬圖、風(fēng)機(jī)狀態(tài)指示、溫度壓力顯示、各種參數(shù)設(shè)置、變頻調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)溫度曲線(xiàn)圖、設(shè)定溫度曲線(xiàn)圖以及報(bào)警信息。下面是本系統(tǒng)的主畫(huà)面：

5結(jié)束語(yǔ)

由于嵌入式PLC EASY-M2416R兼有CAN總線(xiàn)接口和與三菱相同的數(shù)據(jù)鏈協(xié)議接口、編程環(huán)境等特色，因此它既能很好的構(gòu)建以CAN總線(xiàn)為下層網(wǎng)絡(luò)，又能構(gòu)建以RS485和RS232總線(xiàn)為上層網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)。將它應(yīng)用在隧道窯爐系統(tǒng)，既可以滿(mǎn)足底層的控制又可以滿(mǎn)足上層的監(jiān)控，尤其是CAN總線(xiàn)的應(yīng)用，使它的實(shí)時(shí)性、靈活性、組網(wǎng)方便性以及可維護(hù)性得到很好的保證。

參考書(shū)目

[1]科威自控嵌入式PLC《EASY編程手冊(cè)》

[2]科威自控嵌入式PLC《EASY原理及應(yīng)用》

[3]HITECH《ADP軟體使用手冊(cè)》