摘要：採用CAN總線技術組建以嵌入式PLC爲主站的CAN網絡，運用PID算法，結合工業級人機界面，實現梭式窯的邏輯控制和過程控制。
關鍵詞：嵌入式PLC；人機界面；CAN總線；梭式窯；控制
1 引言
20多年來，窯爐控制系統的發展經歷從人工看火，手動調節，到單顯表顯示，手動調節；到智能調節儀表自動調節，到計算機自動控制，到計算機+智能調節儀表雙重控制等多個階段。我們在黃岡市華泰窯爐公司承建的河南鄭州上街鋁廠80立方燃氣梭式窯上，採用了全新的窯爐控制方案——PLC+人機界面控制方案。該窯已於2005年6月投產，溫度控制精度達到±3℃，深受用戶好評。
2用戶需求
2、1梭式窯控制要求
梭式窯是一種間歇窯爐，主要用於日用陶瓷、衛生潔具、藝術陶瓷、微晶玻璃和電瓷等燒結工程，以及鋼鐵熱處理等行業。 就陶瓷的燒結工程而言，對梭式窯控制提出了以下要求:
（1） 由於陶瓷是一種硅酸鹽材料，特別是在晶型轉換劇烈的階段，要求溫度的升降應該是漸進的，一般不允許突升猛降。
（2）由於不同的氣氛會影響陶瓷產品的色澤，所以對氣氛的控制要求比較嚴格。
（3）陶瓷產品燒成依據配方要求在不同溫度段，升溫速率也不盡相同。
可見，梭式窯的控制主要是氣氛和溫度的控制，在實際應用中溫度的控制主要通過調節燒嘴的燃燒和助燃風的流量或壓力，氣氛的控制主要通過調節火焰性質和窯內壓力。梭式窯控制系統涉及溫度和壓力的採集、控制、風機動作和變頻調節。
2、2用戶資料
該梭式窯是 80 立方米的燃氣梭式窯，有18個燒嘴分6組溫度控制區，採用脈衝信號（佔空比）控制助燃風電磁閥，燃氣閥則依靠比例閥控制，以此實現燒嘴的控制，2個壓力控制點分別控制窯壓和助燃風壓力，以達到調節窯內氣氛的目的，另外還有排煙風機 2 臺（ 1# 排煙風機作正常使用， 2# 排煙風機作補給使用）助燃風機 1 臺， 1# 排煙風機和助燃風機採用變頻器控制， 2# 排煙風機採用星 - 三角控制。整個系統有溫度檢測點 7 個（ 6 點 S 分度用於控制， 1 點 K 分度用於顯示），壓力檢測點 2 個， 18 個燒嘴火焰檢測。
3 系統方案
3.1系統組成
鑑於用戶以上要求，選用一臺嵌入式 PLC （ EASY-M2416R ）作爲主結點實現整個系統的邏輯控制和過程控制，並通過 CAN 總線連接溫度採集模塊（ CAN-AD1216 ）和壓力採集模塊（ CAN-AD1208A ）及模擬量輸出模塊（ CAN-DA1208 ），整個系統的運行狀態通過人機界面（ 10.4寸，真彩色 ）顯示、控制，通過互連的計算機監控、記錄。
控制系統框圖如下：
3.2系統組成控件介紹
EASY-M2416R
是一款嵌入式 PLC ，有24點開關量輸入、16 點開關量輸出，其編程環境與三菱 FX2n 兼容。除具有通用PLC功能之外，還可與多家HMI相連，方便地實現CAN、485通信，可多組成多層網絡。
CAN-AD1216
是溫度採集模塊， CAN 總線產品， 16 個通道，它將熱電偶毫伏信號轉化爲數值信號，通過CAN 現場總線網絡將數字信號送到PLC 。
CAN-AD1208A
是壓力採集模塊， CAN 總線產品，有 8 個通道，接受 4-20mA 的模擬信號轉化
爲 0-1000 的數字信號。
CAN-DA1208
是 0-10V 的'模擬量輸出模塊， CAN 總線產品，有 8 個通道，它接收 CAN 總
線的數字信號轉化爲 0-10V 的模擬信號。
人機界面
能與EASY-M2416R連接的人機界面很多，如三菱、臺達、 HITECH 、 Eview 等，這裏選用 HITECH 的PWS3216 ，它是一款 256 色 10.4 ”的人機界面。
4、工藝要求的實現
4.1進程工藝實現
根據產品及工藝的多樣性要求，提供了三條工藝曲線以供選擇。每條曲線都由20個溫度段組成，在每個溫度段中可以設置所需的溫度要求及所需要的時間。按下圖畫面左下腳“工藝選擇”設值按鈕，填入所需的工藝曲線及起始段號後，再返回主畫面按下“進程啓動”按鈕，這時PLC就調入這條曲線參數進行處理運算，同時進程指示燈會點亮，以指示當前所調入的參數段，並且隨着進程段數的增加而改變。“當前給定”顯示框，顯示的是PLC根據所選段號參數，計算出來的當前給定溫度值。PLC把此值同時賦給六個脈衝閥，當成其PID運算的目標值。並且在PLC開機初始化或進程啓動時，所顯示的是從1#加熱區所採樣到的當前爐溫，進程是在這個溫度基礎上開始運行的。當“當前段號”數值框中的數值大於“終止段號”中的數值時，就表示進程結束，這時要想重新啓動，就需要重新設置起始段號，並返回主畫面按下“進程啓動”按鈕。“給定週期”設值框是用來改變“當前給定”數值框數字跳動的頻率週期，給定週期小，數值顯示的跳動頻率就快，數值變化的幅度就小，反之亦然。此值已被限制在1-20秒之內。畫面下方的“溫度曲線”按鈕是一個子畫面打開按鈕，實現該溫度進程工藝的人機界面畫面如下：
其相應部分梯形圖程序如下：
4.2 燒嘴的控制
該梭式窯燒嘴的控制方式是：脈衝信號控制助燃風電磁閥，燃氣閥依靠比例閥控制，要求脈衝週期可調，同時可設置最小開啓時間和最小關閉時間。畫面顯示的是PLC 8組PID運算所需要的參數設置值，這些值按照現場工藝要求一經設置好後不許改動。它由密碼進行保護，只有持有密碼者纔可以打開畫面進去修改。“脈衝週期”是一個設值按鈕，其值控制六個脈衝閥的輸出週期，即多長時間閥動作一次。此值已被限制在3——20秒。“最小開啓時間”和“最小關閉時間”分別對應脈衝閥的兩個參數。程序處理時，當閥的理論開啓時間小於閥的“最小開啓時間”時，閥全關，當閥的理論關閉時間小於閥的“最小關閉時間”時，閥全閉。實現該過程的人機界面畫面如下：
對應的梯形圖程序如下：
4.3人機界面畫面功能
該窯控制系統的所有操作均可在人機界面上完成,面板按鈕與人機界面按鈕互爲備份,操作時可無擾切換。除上述兩個設置畫面外，還展示了梭式窯的現場模擬圖、風機和燒嘴狀態指示、溫度壓力顯示、設定溫度曲線、實時溫度曲線及故障信息。下面是該系統的主畫面。
5 結語
應用嵌入式 PLC 、CAN 總線技術加工業級人機界面的梭式窯控制系統，與傳統的梭式窯計算機控制系統相比有以下優勢：
（1）組成了一個局域網，實現了“集中分散型控制”，在人機界面上控制屬於集中控制，在各個櫃子面板按鈕屬於分散控制，兩者處於同一個優先級。
（2）克服了工業計算機在使用過程中存在的三大問題：
計算機可靠性難以保證。（如：風扇、硬盤、鍵盤、鼠標等部件容易損壞）
很難標準化。（硬件不斷升級、軟件不斷更新、編程語言衆多、很難規範化等）
維護麻煩。
（3） 可通過485網絡接口外接計算機。（傳輸距離可達1000米），可在辦公室裏實現遠程監控。計算機只作信息管理用，不參與控制。計算機中包括現場模擬圖、溫度實時曲線圖、控制設定曲線圖、歷史趨勢曲線圖，並可設隔2分鐘自動保存一次（保存時間可改變），還可完成報表打印，便於分析工藝。
（4） 具有很好的擴展性和可維護性，在工作環境改變時可靈活增添或減少設備。對於系統不斷完善和升級換代奠定了良好的基礎。
（5） 該系統具有網絡互連功能：能接互連網，進行遠程維護，能接入國際知名公司的控制網，還可以與帶CAN協議、RS485接口的產品互連。