CAN总线和人机界面在隧道窑控制系统中应用

    黄石市科威自控有限公司   邓小鹏、刘关、尤虎

摘要：采用CAN总线技术组建以嵌入式PLC为主站的CAN网络，运用PID算法，结合工业级人机界面，实现隧道窑系统的逻辑控制和过程控制。

关键词：隧道窑，CAN总线，嵌入式PLC， PID，人机界面

1引言

隧道窑是一种连续式窑炉，主要用于陶瓷建材、日用陶瓷等烧制，就其结构而言主要由预热区、高温区、急冷区和缓冷区组成，隧道窑的控制涉及风机的控制、温度的检测、压力的检测，温度的控制、压力的控制以及其它控制。将CAN总线技术应用在隧道窑控制系统，可以很好地满足温度和压力实时控制的要求，系统通信速率高、稳定性强，而工业级人机界面的参与，使得控制系统更加直观化，易于用户使用和操作。下面以河北唐山某陶瓷厂的一条隧道窑为案例，介绍其控制系统的实现过程。

2控制对象

此窑是一条80m长的燃气隧道窑，共有温度检测点20个（K分度12个，S分度8个），其中10个温度点受控，压力检测点2个，10个燃气执行器，10只烧嘴火焰检测，风机有：排烟风机2台（一用一备）、助燃风机2台（一用一备）、急冷风机2台（一用一备）、缓冷风机2台（一用一备）、抽热风机2台（一用一备）、窑头窑尾气幕风机各1台。10点温度控制是通过控制执行器阀位大小，改变燃料注入多少，从而使温度稳定。2点压力控制通过调节排烟风机和急冷风机转速来控制，即通过调节排烟和急冷变频器频率来控制压力。此外还有风机连锁，烧嘴熄火报警及各类故障报警。

3窑炉控制系统的组成

    本控制系统由3台嵌入式PLC（EASY-M2416R）、2台CAN-AD1216、1台CAN-AD1208、1台CAN-DA1208等部分组成。其中，嵌入式PLC用于逻辑开关量的控制，PID运算，以及通过CAN总线与下级的模块进行通讯；温度采集模块CAN-AD1216用来完成20点温度模拟量的采集；压力采集模块CAN-AD1208用来采集2点压力信号；模拟量输出模块CAN-DA1208用来控制风机变频器。         

下面为系统框架图：

作为本系统的控制核心嵌入式PLC  Easy-AD1216，下层网络采用CAN总线来进行通讯，对上分别用RS0口与HMI（人机界面），RS1口与计算机进行通讯。其特点如下：

3.1有比较强大的通讯功能：

一路CAN总线接口在应用层作了标准规划，凡遵循该标准的CAN总线设备，可以通过CANSET软件设置CAN网络配置文件，下载固化到EASY-M2416R中，就可以把该设备映射到CAN网络中。CAN总线由于具有良好的实时性、可靠性、抗干扰能力及检错能力，所以在一些条件比较苛刻的场合里广泛应用。

另外，串行口 RS0可用于梯形图程序及上位机的监控，还可以与人机界面通讯；串行口RS1可用于下载CANSET软件生成的CAN网络配置文件，还可以通过RS485网络连接第三方设备，如PC、三菱PLC。由于各个网络都是独立的，同个PLC在连接多个模式的网络也不会受影响。

3.2有和三菱相当的运算速度和几乎完全兼容的开发环境：

经过测试，基本指令的运算速度在0.5u/步以下，和三菱FX2系列的PLC相当，这对于控制要求不是很高的用户来说已是足够了。它的梯形图以及指令和三菱PLC的也是完全兼容，并且都能在三菱编程软件里很好的运行。这对于使用过三菱PLC的用户来说减轻了很多的困难。

3.3独立开发的CAN总线互联CANSET软件：

CANSET软件能很轻松方便的完成通讯设置。设置内容包括：网络设备总数、网络设备地址、网络通讯数据的内容、网络数据通讯速度等。它还能根据用户的需要，灵活设置每个设备的任务级别，以保证网络资源的合理分配。处于下层网络的AD和DA，以及Easy-M2416R设备，遵循CANBUS协议的接口，能很方便地连入CAN总线网络中，成为系统的一部分。

4系统功能的实现

4.1所有的逻辑控制和PID控制都由Easy-M2416R完成，在CAN总线网络中三台PLC中任选一台作为主站，这里选Easy-M2416R-1作其主站。它通过CAN总线与下层网络的每个设备进行通讯，两个设备之间的通讯也必须由主站来完成。同时它又作为从站与PC（上位机）和HMI（人机界面）进行通讯。

4.2整个CAN总线网络互联也全由CANSET软件来实现，它是图形化界面的软件，设置起来十分简便，并且在PLC的梯形图中除了地址和主从站外无需再对其他相关内容进行设置，在一定程度上简化了程序设计的工作量。下图是在CANSET下设置的本系统CAN网络配置：

4.3系统具有很好的扩展性和可维护性，在工作环境改变时，可灵活增添或减少设备。实现起来也只需在CANSET软件中来设置即可，不用考虑其他事项，这为系统的不断完善和升级换代奠定了很好的基础。

4.4系统工作流程：下层网络的AD1216、AD1208设备把采集上来的温度和压力信号转化为数据信号上传到Easy-M2416R-1；通过PID运算，控制各个执行器的正反转和DA的输入值，从而控制窑炉的各段温度和压力；另外在逻辑控制上完成各个风机和电磁阀的控制。下面是其中一路执行器正反转控制的梯形图程序：

4.5人机界面通过串口RS0与EASY-M2416R-1连接，实现整个系统运行监控，其画面包含：现场模拟图、风机状态指示、温度压力显示、各种参数设置、变频调节、实时温度曲线图、设定温度曲线图以及报警信息。下面是本系统的主画面：

5结束语

由于嵌入式PLC EASY-M2416R兼有CAN总线接口和与三菱相同的数据链协议接口、编程环境等特色，因此它既能很好的构建以CAN总线为下层网络，又能构建以RS485和RS232总线为上层网络的系统。将它应用在隧道窑炉系统，既可以满足底层的控制又可以满足上层的监控，尤其是CAN总线的应用，使它的实时性、灵活性、组网方便性以及可维护性得到很好的保证。 

参考书目

[1]科威自控嵌入式PLC《EASY编程手册》

[2]科威自控嵌入式PLC《EASY原理及应用》

[3]HITECH《ADP软体使用手册》