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案例頻道1、引言
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們的生活水平的提高，各種住宅小區(qū)、商用建筑、寫字樓像雨后春筍般拔地而起。建筑業(yè)的繁榮昌盛，帶動(dòng)了砌塊生產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展與技術(shù)革新。傳統(tǒng)的砌塊上在全自然的環(huán)境中生產(chǎn)出來的，加工周期長，成功率不高。現(xiàn)在各個(gè)建材生產(chǎn)廠商專門研制出了一種砌塊養(yǎng)護(hù)窯，用來加快砌塊的出廠周期，以便提高生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益。對GJ型系列養(yǎng)護(hù)窯，整個(gè)控制系統(tǒng)是由新式窯體結(jié)構(gòu)、熱工供調(diào)系統(tǒng)、工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成的成套技術(shù)工藝設(shè)備，一般的其控制核心為單片機(jī)，這類控制系統(tǒng)雖然具有成本低、體積小、程序簡短等優(yōu)點(diǎn)，但只適合小型控制系統(tǒng)，對于較大型控制系統(tǒng)，不但成本大大增加，而且可靠性較差，對要求較高的系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)。PLC具有功能強(qiáng)、可靠性高、使用靈活方便、易于編程及適應(yīng)工業(yè)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，是一種通用的自動(dòng)控制裝置，結(jié)合當(dāng)今發(fā)展較快、應(yīng)用越來越廣的模糊控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)較大型控制系統(tǒng)，且功能完善，效果好。下面介紹一種以PLC為控制核心、以模糊控制理論為依據(jù)，爐窯溫度控制系統(tǒng)。
2、爐窯溫度控制要求
砌塊在生產(chǎn)過程中最后一道工序是養(yǎng)護(hù)。目前養(yǎng)護(hù)的方法有兩種。一種是傳統(tǒng)的自然養(yǎng)護(hù)；自然養(yǎng)護(hù)只需要一個(gè)可供養(yǎng)護(hù)的露天場地，靠陽光加溫。這種養(yǎng)護(hù)方法 投資少，養(yǎng)護(hù)成本低。缺點(diǎn)是養(yǎng)護(hù)周期太長，受環(huán)境溫度影響大，對產(chǎn)品質(zhì)量要求較高時(shí)，無法保證高質(zhì)量與短生產(chǎn)周期。尤其在我國北方地區(qū)的冬季，溫度低，陽光少，風(fēng)沙大，天氣條件惡劣，不適用這種養(yǎng)護(hù)方法。但是在一些規(guī)模較小的砌塊加工場所還經(jīng)常用到這種養(yǎng)護(hù)方法。另一種養(yǎng)護(hù)方法就是在養(yǎng)護(hù)窯中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。用戶可以根據(jù)砌塊的工藝要求指定養(yǎng)護(hù)規(guī)則，由手動(dòng)或自動(dòng)方法控制養(yǎng)護(hù)程序的進(jìn)行。養(yǎng)護(hù)窯養(yǎng)護(hù)過程是嚴(yán)格按照砌塊的工藝要求實(shí)施控制的。它能保證產(chǎn)品質(zhì)量，保證生產(chǎn)進(jìn)度，不受天氣影響。
控制過程應(yīng)該滿足如下要求：總起動(dòng)按鈕按下以后，整個(gè)系統(tǒng)允許運(yùn)行。按下總停止按鈕，整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行。每個(gè)窯都可以自行控制。按下各窯的起動(dòng)按鈕后，各窯開始運(yùn)行，按下其停止按鈕，各窯停止運(yùn)行，按下急停按鈕，禁止各窯的輸出控制。
每個(gè)窯的具體流程控制要求：啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，供風(fēng)循環(huán)熱氣流；開啟進(jìn)氣閥門，供熱氣控溫；經(jīng)過一定時(shí)間（設(shè)恒溫10h），關(guān)閉進(jìn)氣閥門；打開排氣閥門，排氣；按下停止按鈕，關(guān)風(fēng)機(jī)，關(guān)排氣閥，準(zhǔn)備砌塊出窯。連鎖要求只要有一個(gè)窯排氣，總排氣閥要打開，只有總進(jìn)氣閥打開，才能起動(dòng)各窯進(jìn)氣閥。窯溫控制示意圖如圖1所示
3、輸入輸出量的分析及硬件的選擇
系統(tǒng)控制兩個(gè)養(yǎng)護(hù)窯。每個(gè)養(yǎng)護(hù)窯有1個(gè)測溫輸入點(diǎn)(模擬量輸入)。1個(gè)進(jìn)氣電磁閥控制輸入蒸汽(開關(guān)量)，1個(gè)排氣電磁閥控制熱氣的排出(開關(guān)量)，一臺(tái)送風(fēng)電動(dòng)機(jī)(開關(guān)量)，共3個(gè)開關(guān)量輸出。1個(gè)起動(dòng)按鈕，1個(gè)停止按鈕，1個(gè)急停按鈕。一個(gè)養(yǎng)護(hù)窯需要3個(gè)開關(guān)量輸入，3個(gè)開關(guān)量輸出和1個(gè)模擬量輸入。整個(gè)系統(tǒng)還需要設(shè)置1個(gè)總起動(dòng)按鈕，1個(gè)總停按鈕(共2個(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn))。1個(gè)總進(jìn)氣電磁閥，1個(gè)總排風(fēng)電磁閥(共2個(gè)開關(guān)量輸出點(diǎn))。合計(jì)整個(gè)控制系統(tǒng)需要開關(guān)量輸入8點(diǎn)，開關(guān)量輸出8點(diǎn)，模擬量輸入2點(diǎn)。
控制核心采用西門子PLC的CPU224，提供數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)14點(diǎn)，數(shù)字量輸出點(diǎn)數(shù)10點(diǎn)(提供給擴(kuò)展單元DC5V電流能力為660mA)，完全滿足系統(tǒng)的數(shù)字量和開關(guān)量輸入輸出點(diǎn)數(shù)的要求。CPU224本身不具備模擬量輸入和輸出單元，本系統(tǒng)擴(kuò)展一模擬量輸入模塊EM231，提供4路模擬量輸入（消耗DC5V電流為10mA）。模擬量輸入部分，由熱敏電阻R1，R2（PT100）和恒溫變送器（電流輸入型）構(gòu)成，組成硬件部分如圖2。
4、輸入輸出地址和內(nèi)存變量分配表
（1）輸入輸出點(diǎn)地址分配（見表1）。
表1輸入輸出地址分配
（2）內(nèi)存變量分配表（見表2）
表2內(nèi)存變量分配表
5、程序設(shè)計(jì)
（1）總體思路：
因?yàn)楸鞠到y(tǒng)用來控制規(guī)模相同的2個(gè)養(yǎng)護(hù)窯，所以控制程序采用分塊結(jié)構(gòu)。其中子程序SBR0控制1號窯溫，SRB2控制2號窯溫。主程序0B1分別調(diào)用SBR0，SBR2子塊程序，對2個(gè)養(yǎng)護(hù)窯分別控制。每個(gè)養(yǎng)護(hù)窯由一個(gè)熱敏電阻檢測窯內(nèi)溫度，由1個(gè)進(jìn)氣電磁閥周期閉合與斷開來控制進(jìn)氣量，調(diào)節(jié)窯內(nèi)溫度。本例子中采用的控制算法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)寫成控制規(guī)則，成為簡單的模糊控制。
（2）主程序中的具體流程控制：
本例子中，由于只采用了子程序調(diào)用而沒有采用中斷，因此結(jié)構(gòu)比較簡單。在系統(tǒng)總起動(dòng)之后，主程序只要不斷查詢各個(gè)子程序的起動(dòng)條件，并根據(jù)啟動(dòng)條件去決定是否調(diào)用溫控程序即可，如圖3所示。
圖3 窯溫?cái)?shù)字量輸出控制程序流程圖
系統(tǒng)的控制核心采用S7-200型PLC，外加輸入輸出模塊構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制算法有多種。本例子所采用的控制算法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)寫成的控制規(guī)則，用模糊控制算法去控制的。其控制規(guī)則有：
如果檢測溫度低于設(shè)定值的50%，則進(jìn)氣閥門打開的占空比為100%。
如果檢測溫度高于設(shè)定值的50%，則低于設(shè)定值的80%，則進(jìn)氣閥門打開的占空比為70%。
如果檢測溫度高于設(shè)定值的80%，且低于設(shè)定值的90%，則進(jìn)氣閥門打開的占空比為50%。
如果檢測溫度高于設(shè)定值的90%，且低于設(shè)定值的100%，則進(jìn)氣閥門打開的占空比為30%。
如果檢測溫度高于設(shè)定值的100%，且低于設(shè)定值的102%，則進(jìn)氣閥門打開的占空比為10%。
如果檢測溫度高于設(shè)定值的102%，則進(jìn)氣閥門打開的占空比為0%。
為了實(shí)現(xiàn)控制算法，在程序設(shè)計(jì)中，每個(gè)養(yǎng)護(hù)窯安排了8個(gè)延時(shí)斷開定時(shí)器（TON），產(chǎn)生4種不同占空比的脈沖。再由這些脈沖去控制進(jìn)氣閥門的打開與關(guān)斷。
（4）控制程序：
主程序OB1和子程序SBR0、SBR2略。
6、結(jié)束語
本文介紹了一種利用S7-200型PLC的模糊控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)砌塊養(yǎng)護(hù)窯的自動(dòng)控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件配置以及軟件設(shè)計(jì)流程圖，并介紹了編程中的關(guān)鍵問題。該控制系統(tǒng)提高了砌塊的生產(chǎn)周期和質(zhì)量，創(chuàng)新了"強(qiáng)制式熱交換、聲能、負(fù)壓養(yǎng)護(hù)技術(shù)"，使窯內(nèi)溫度場、濕度場、壓力場、速度場、聲能場分布均勻，使水泥制品水化反應(yīng)具備良好條件，提高水泥砌塊等制品密實(shí)度和彈性模量，相應(yīng)地提高了砌塊的抗壓強(qiáng)度、抗凍性能、抗?jié)B透性能，減少相對含水率，有效地解決了砌塊建筑存在的熱、裂、滲等難題。
該控制系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，可靠性高，以一臺(tái)PLC控制2個(gè)養(yǎng)護(hù)窯為例，用戶也可根據(jù)控制需要，對系統(tǒng)的I/O模塊進(jìn)行擴(kuò)展，控制多個(gè)養(yǎng)護(hù)窯。所以，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性強(qiáng)。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號