楊一曼

摘 要： 針對工業(yè)上相同噸位的燃煤熔化爐和電熔化爐硬件資源浪費、能源浪費、成本升高和不環(huán)保等特點，采用對燃氣熔化爐進行自動控制。控制系統(tǒng)中的三燒嘴熔化爐即是三個帶噴火燃燒裝置的熔化爐，其中，兩個燒嘴的作用是將鋁料熔化，一個燒嘴將熔化的鋁液進行保溫。以PLC為核心，對系統(tǒng)硬件、軟件關鍵技術和MCGS組態(tài)軟件進行設計；溫度控制采用PLC程序設計實現(xiàn)；MCGS組態(tài)軟件實現(xiàn)人機交互、監(jiān)控和參數(shù)設定作用，系統(tǒng)能夠達到控制要求，實現(xiàn)對三燒嘴熔化爐的自動控制。該設計在實際生產(chǎn)線中運行穩(wěn)定，操作方便，有效地提高系統(tǒng)自動控制水平。

關鍵詞： PLC； 燒嘴； 溫度控制； MCGS組態(tài)軟件

中圖分類號： TP 273 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2018）02-0081-04

0 引 言

在當前國家提倡節(jié)約能源，綠色環(huán)保情況下，改進工廠工藝設備，提供能源效率，降低企業(yè)成本尤為重要[1]。燃氣熔化爐能夠實現(xiàn)自動化控制并且能夠達到安全生產(chǎn)的目的，同時燃氣燃燒充分，煙氣排放易達到燃氣設備所要求的國家標準，可減輕對環(huán)境的污染，熱輻射能力強，釋放的熱效率高。本文以PLC為核心對三燒嘴熔化爐自動控制系統(tǒng)進行總體結構設計、PLC軟件設計及MCGS組態(tài)設計；觸摸屏作為人機操作界面，能夠真實的模擬現(xiàn)場環(huán)境并進行實時監(jiān)控，通過組態(tài)調用曲線模塊，使溫度按預先設定的曲線執(zhí)行，達到控制溫度的目的，使鋁液溫度在誤差范圍內，實現(xiàn)三燒嘴熔化爐的自動控制[2]。

1 控制系統(tǒng)整體設計方案

基于PLC的三燒嘴熔化爐自動控制系統(tǒng)以三菱可編程控制器PLC為控制核心，由MCGS嵌入式[3]一體化工控機通過編程電纜實現(xiàn)同PLC的通信、三個燃燒裝置。該裝置由燒嘴、比例蝶閥、溫度傳感器熱電偶、模擬量檢測模塊、光電檢測鋁料、鋁液滿檢測探針、火焰檢測模塊、限位開關、按鈕和電動機等組成，系統(tǒng)硬件組成如圖1所示；控制系統(tǒng)運行流程如圖2所示。圖1中，按下啟動按鈕，鼓風機電機和上料小車電機開始運行，鼓風機進行爐膛預掃，小車開始運送鋁料，熔化鋁料的燒嘴1、燒嘴2開始工作，保溫燒嘴3開始工作，通過光電檢測鋁料裝置判斷鋁料熔化程度自動關閉和啟動熔化燒嘴，當鋁液達到上限時鋁液滿檢測探針導通，停止熔化鋁料，溫度傳感器檢測溫度，經(jīng)過模擬量檢測模塊轉換成數(shù)據(jù)量存入PLC中，經(jīng)過PLC程序運算后，經(jīng)過D/A轉換模塊將數(shù)字量轉換為模擬信號控制比例蝶閥的開關，從而控制熔化爐里鋁液的溫度達到設定值，實現(xiàn)三燒嘴熔化爐的自動控制。

1.1 系統(tǒng)主要功能

（1） 實現(xiàn)手動操作和自動操作的切換；

（2） 實現(xiàn)小車自動運送鋁料一鍵式操作；

（3） 通過觸摸屏設置鋁液期望溫度及相關參數(shù)，良好的人機交互界面，能夠查看計劃溫度曲線、實時溫度曲線，實現(xiàn)保密功能；

（4） PLC自動檢測鋁液溫度，并根據(jù)給定的期望溫度，通過PLC程序設計，最后實現(xiàn)鋁液溫度精確控制，誤差范圍2 ℃；

（5） 實現(xiàn)節(jié)假日期間及生產(chǎn)間歇后的曲線升溫，節(jié)假日在MCGS里預設好曲線，升溫就按設定好的曲線變化。

（6） 具有鋁原料料滿檢測、鋁液液位檢測；

（7） 具有鋁原料預熱系統(tǒng)，可利用余熱將鋁原料加熱到至少200 ℃，節(jié)約能源，除塵的同時會帶走一部分熱量，利用這部分熱量對鋁料進行預熱。除塵風機通過管道與排煙罩相連，排煙罩與上料塔相連，上料塔內裝有鋁原料，可以實現(xiàn)預熱的功能，節(jié)約能源。

1.2 控制系統(tǒng)硬件組成

1.2.1 燒嘴的控制原理

燒嘴是燃燒設備的核心部件，關系到燃料的點火及火焰的穩(wěn)定性，影響熔化爐的安全運行、穩(wěn)定性和節(jié)能環(huán)保等方面，三個燒嘴的控制原理相同如圖3所示。圖3中，按下啟動按鈕，熔化的燒嘴1、燒嘴2開始工作，PLC向端子“5”送高電平，點火變壓器由低壓轉換到高壓，電流要求低并且是小間隙產(chǎn)生放電火花，起到點火的目的；之后同時向端子“1”和“4”送高電平，空氣閥小檔及燃氣閥小檔打開，燒嘴開始燃燒；之后停止點火變壓器，為快速熔化根據(jù)鋁料的多少PLC向端子“3”送高電平啟動燃氣閥大檔閥門。熔化燒嘴3控制原理與其相似。燒嘴的保護措施：當燒嘴停止燃燒時自動退出爐膛其溫度較高，高溫會使點火電極及火焰檢測探頭烤壞，為了避免這些，在燒嘴停止工作時，鼓風機電機不停止工作，讓其吹出的冷風冷卻點火電極及檢測探頭。

火焰采用在燒嘴內空氣與燃氣預先設定的比例混合獲取，能夠使燃氣燃燒充分，火焰平穩(wěn)，不回火或者脫火[4]。在調整過程中通過流量和壓力表的變化作為依據(jù)，剛性好的火焰打到快熔化的金屬上很快熔化，所以系統(tǒng)火焰采用細長火焰，剛性強，穩(wěn)定性較好。

火焰檢測模塊ZKM5（A）檢測是根據(jù)紫外線檢測原理，模塊具有較強的抗干擾性能，不受人工光源和自然光源的影響，靈敏度高，能檢測到火焰中特定波長的紫外線是否存在，適合于以燃氣為主要燃料的三燒嘴熔化爐自動控制系統(tǒng)中的火焰檢測?；鹧鏅z測模塊將火焰中的紫外光信號轉成電信號，經(jīng)過內部結構轉換后顯示火焰狀態(tài)，同時給外部設備提供與繼電器作用相似的觸點來實現(xiàn)聯(lián)動控制。火焰檢測模塊安裝位置需要根據(jù)火焰情況，能夠可靠檢測火焰，同時應該盡可能的遠離高溫區(qū)爐膛的位置安裝，用目測的方法調整傳感器光窗的角度，使其有效地觀測到火焰情況，同時注意火焰檢測探頭位置不要超過燒嘴。

1.2.2 鋁料滿檢測

鋁料檢測電氣原理如圖4所示。由圖4可以看出，基于PLC的三燒嘴熔化爐自動控制系統(tǒng)采用光電檢測開關檢測鋁原料是否裝滿。光電開關檢測鋁料是否裝滿的原理是利用鋁料對光束的遮擋或反射，由發(fā)射端、接受端和檢測電路組成，發(fā)射器的作用是將輸入的電流轉換成光信號發(fā)射出，接收器的作用是根據(jù)接收到的光線強弱或者有無對鋁料進行檢測，從而檢測鋁料是否裝滿。

1.2.3 鋁液滿檢測

鋁液滿檢測電氣原理如圖5所示。由圖5可以看出，熔化爐裝有鋁液是有限制的，不能無限的熔化鋁料，所以必須有檢測鋁液是否滿的裝置。當鋁液滿時兩個檢測探針通過鋁液導通形成回路，K1繼電器得電，K1常開觸點閉合，鋁液滿指示燈亮，熔化燒嘴1和熔化燒嘴2停止熔化鋁。

1.2.4 熱電偶與模擬量檢測模塊的PLC接線

熱電偶與模擬量檢測模塊的PLC接線如圖6所示。由圖6可以看出，當鋁液溫度變化時，K型熱電偶（WR-130）產(chǎn)生熱電動勢，通過模擬量檢測模塊（FX2N-4AD-TC）轉換成數(shù)字量存入模塊中，PLC可以從中讀取數(shù)值。

2 控制系統(tǒng)的軟件設計

2.1 PLC軟件設計

根據(jù)I/O口的點數(shù)選擇PLC型號，選擇PLC型號時要考慮為以后設備擴展功能預留I/O點數(shù)，還應該考慮到如果早期設計有問題也可以方便彌補，所以一般PLC型號選擇時I/O口點數(shù)會預留10%備用點。根據(jù)三燒嘴熔化爐自動控制系統(tǒng)控制要求不同，由PLC實現(xiàn)各種信號傳送、控制和各種運算，并實現(xiàn)與MCGS嵌入式一體化工控機的通信并傳送各種顯示所需參數(shù)。

模擬量的數(shù)據(jù)采集、比較運算是程序設計的關鍵，也是控制溫度的主要算法。三菱可編程控制器PLC控制器中FROM指令的作用是從特殊模塊FX2N-4AD-TC中把模擬量轉換為數(shù)字量之后的數(shù)據(jù)讀出存到可編程控制器PLC控制器中，TO指令是把可編程控制器PLC中的數(shù)據(jù)存入特殊模塊中，數(shù)據(jù)采集、比較運算程序示意圖如圖7所示，此梯形圖程序能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并且采樣輸出，實際溫度值與設定的溫度值進行比較，根據(jù)比較的結果控制PLC輸出，實現(xiàn)對鋁液溫度的控制，此程序設計方法的優(yōu)點是省去了復雜的PID編程，同樣能夠實現(xiàn)系統(tǒng)對溫度的控制，符合誤差范圍2 ℃的要求。

2.2 MCGS組態(tài)軟件設計

MCGS組態(tài)軟件設計包括主控窗口、用戶窗口界面、實時數(shù)據(jù)、設備窗口設置及運行策略設計[5]，這五部分實現(xiàn)了變量定義、畫面的設計、屬性設置及動畫連接、通信參數(shù)設置與地址關聯(lián)[6]、報警處理、保密處理、保溫升溫曲線、熔化升溫曲線的實時曲線及預設的期望曲線。

為了避免溫度快速升溫對設備的損壞，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在組態(tài)里組態(tài)出期望的鋁料熔化升溫曲線和鋁液保溫升溫的溫度曲線。溫度曲線應采用折線形式最后到達期望溫度值是水平直線。在運行環(huán)境中，根據(jù)實際溫度曲線，調整期望溫度曲線，最后確定組態(tài)的期望溫度曲線。

3 系統(tǒng)調試

通過鈕子開關和按鈕來模擬輸入信號調試，輸出信號狀態(tài)用發(fā)光二極管的狀態(tài)來表示，來模擬調試PLC程序，之后對MCGS仿真界面進行調試；調試好后進行控制現(xiàn)場聯(lián)機調試，在自動方式下，觀察顯示的溫度曲線是否達到系統(tǒng)對溫度的控制要求，根據(jù)溫度曲線修改程序或參數(shù)，反復調試，直到PLC程序與MCGS組態(tài)人機交互界面都達到系統(tǒng)要求為止。

4 結束語

基于PLC的三燒嘴熔化爐自動控制系統(tǒng)設計，實現(xiàn)了三燒嘴熔化爐的自動控制，提高了自動化水平，實現(xiàn)了系統(tǒng)的主要功能，具有良好的人機交互界面，使操作更加方便，在實際應用中，鋁液溫度達到了控制精度要求，運行穩(wěn)定。

參考文獻：

[1] 戴慧敏. 工業(yè)燃煤鍋爐智能控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D]. 昆明理工大學，2010.

[2] 魏玉斌，虎恩典. 基于PLC的燒結爐監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 計算機測量與控制，2016，24（12）：71-74，80.

[3] 王洪稷，羅小林，宋鵬，等. 玉米自動考種流水線控制系統(tǒng)設計——基于MCGS嵌入式組態(tài)軟件[J]. 農機化研究，2017，39（02）：196-199，252.

[4] 馮明杰，李德立，王恩剛. 火焰長度可調式燃燒器的數(shù)值模擬[J]. 東北大學學報（自然科學版），2014，35（9）：1279-1283.

[5] 程力. 基于MCGS與PLC橋式起重機起升機構監(jiān)控系統(tǒng)研究[D]. 昆明理工大學，2016.

[6] 梁海峰. MCGS組態(tài)軟件在粗紗機控制中的應用[J]. 毛紡科技，2017，45（2）：60-63.