一、引言
可編程控制器（Programmable Logic Controller）簡稱PLC或PC，是一種以微處理器為核心器件的過程控制裝置，主要用于生產(chǎn)過程中按時間順序控制或邏輯控制的場合，以取代復(fù)雜的繼電器控制裝置。PLC一般采用梯形圖（LAD）、功能塊圖（FBD）、指令表和順序功能表圖（SFC）編程，可以方便地通過改變控制程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的改進(jìn)和擴(kuò)充，不必改變硬件設(shè)備，具有良好的柔性。它從最初的邏輯控制、順序控制已發(fā)展成為具有邏輯判斷、定時、計(jì)數(shù)、記憶和算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理、聯(lián)網(wǎng)通訊及PID回路調(diào)節(jié)等功能的現(xiàn)代PLC。PLC系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)可直接或通過通訊處理單元、通訊轉(zhuǎn)接器相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)信息的轉(zhuǎn)換，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可由一臺計(jì)算機(jī)與多臺PLC構(gòu)成，以便完成較大規(guī)模的復(fù)雜控制。它以構(gòu)成簡單、編程簡單、可靠性高、有優(yōu)良的抗干擾能力，適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境等特點(diǎn)，越來越得到廣泛的應(yīng)用。
山西鋁廠3#焙燒爐采用丹麥?zhǔn)访芩构镜臍鈶B(tài)懸浮焙燒爐。焙燒爐是將含水分的氫氧化鋁經(jīng)高溫焙燒成工業(yè)用氧化鋁，它的熱能來自四套燃燒站，分別為干燥熱發(fā)生器、啟動熱發(fā)生器、點(diǎn)火燃燒站和主燃燒站。四套燃燒站都采用德國西門子S5—95U小型可編程控制器，與
Honeywell 的TPS系統(tǒng)連接構(gòu)成整個控制系統(tǒng)。下面以3#焙燒爐的干燥熱發(fā)生器為例來說明了編程控制器在焙燒爐的應(yīng)用。
二、S5—95U簡介
S5—95U是德國西門子公司開發(fā)的SIMATIC S5系列控制器中一種小型控制器，其構(gòu)成系統(tǒng)模塊化，使其體積小而功能強(qiáng)大。它不單獨(dú)運(yùn)行，需與其它部件交換數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成廉價(jià)的分布式控制系統(tǒng)。
1．組成
S5—95U由電源模板、中央處理單元（CPU）、存儲器、用戶存儲器、輸入輸出模板（I/O）、編程器及外部設(shè)備組成。本機(jī)有16個數(shù)字輸入、16個數(shù)字輸出、8個模擬輸入、1個模擬輸出、4個中斷輸入、2個記數(shù)輸入，可用擴(kuò)展單元增加其容量，最大擴(kuò)展到256個數(shù)字輸入輸出，通過接口與過程控制系統(tǒng)及其它PLC通訊，實(shí)現(xiàn)指令控制和數(shù)據(jù)交換。
2．程序的編程及結(jié)構(gòu)
S5—95U的控制功能是靠程序的執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)的。通過用梯形圖、語句表在個人計(jì)算機(jī)上編程，也可通過SIMATIC編程器用語句表編程，然后裝載到PLC的存儲器中。程序采用STEP5語言編程，模塊化結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)化編程可完成復(fù)雜的任務(wù)，它把整個程序分成一個個獨(dú)立的程序塊，這樣可使編程簡單、容易修改，能使程序部分標(biāo)準(zhǔn)化，程序測試調(diào)試簡便。有五種塊類型：
（1）組織塊OB（組織管理程序）用以表示操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間的接口。分兩大類，一類由系統(tǒng)程序調(diào)用，另一類由用戶調(diào)用。由系統(tǒng)調(diào)用的組織塊用以控制循環(huán)、中斷驅(qū)動和定時驅(qū)動程序的執(zhí)行，如可編程控制器的重新啟動和設(shè)備出錯的恢復(fù)等功能塊。由用戶調(diào)用的組織塊如OB3觸發(fā)掃描時間、OB251PID控制算法，它集成在操作系統(tǒng)中。組織塊不是應(yīng)用程序的一部分，因而不能被讀或修改。
（2）順序塊SB（給順序控制編程的特殊塊）
（3）程序塊PB（經(jīng)結(jié)構(gòu)化處理的應(yīng)用程序所產(chǎn)生的塊）一些主要程序塊應(yīng)能提供一個應(yīng)用程序的總貌，與各種工藝相關(guān)的功能則在不同的次級程序塊中被編程。應(yīng)用程序大部分都由程序塊組成。
（4）功能塊FB（一個控制程序功能需補(bǔ)充操作或用于實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用和特別復(fù)雜的功能）它在程序存貯中只存放一次而可重復(fù)調(diào)用，每次調(diào)用可賦于不同的參數(shù)。其類型有可編程功能塊、集成入操作系統(tǒng)的功能塊和標(biāo)準(zhǔn)化功能塊。
（5）數(shù)據(jù)塊（存儲處理控制程序所需的數(shù)據(jù)）
3．程序的掃描
應(yīng)用程序掃描一般是循環(huán)掃描。在啟動程序之前，輸入模板的信號被讀出并傳送到過程輸入映象。在執(zhí)行程序后，過程輸出映象的信號狀態(tài)被傳送給輸出模板，然后開始一新的程序掃描。它的掃描周期由控制程序的長短來決定。此外，還有中斷控制程序處理和時間控制程序處理。
4．程序的裝載和存貯
程序裝載到PLC有兩種方法：一種是以編程器在線裝載，另一種是以存貯器子模板裝載，分自動和手動裝載。自動程序裝載是程序由存貯器子模板自動裝載到PLC的程序存貯器中。手動程序裝載是程序由存貯器子模板拷貝到PLC的程序存貯器中。
存貯時，程序從PLC的程序存貯器拷貝到PLC的程序存貯器中。
三、工藝流程及控制要求
1．工藝流程
濕的氫氧化鋁進(jìn)入文丘里干燥器（由干燥熱發(fā)生器提供熱能），物料水分被蒸發(fā)后，被氣流帶走，文丘里干燥器的出口溫度大約控制在130—160℃范圍內(nèi)。干燥熱發(fā)生器的好壞直接影響氧化鋁的提產(chǎn)。
2．控制要求
（1）點(diǎn)火過程控制
干燥熱發(fā)生器的點(diǎn)火過程控制是一典型的順序控制。其啟動順序如下：
a）煤氣閥V02到啟動位置，風(fēng)機(jī)M12啟動。
b）9秒后，風(fēng)門M11到最大。
c）40秒后，風(fēng)門M11調(diào)到啟動位置。
d）煤氣排空閥V05關(guān)，9秒后，泄漏控制開始，運(yùn)行18秒。
e）檢漏閥V04開，煤氣噴入，點(diǎn)火槍打火，燃燒運(yùn)行，火焰連續(xù)監(jiān)測。
（2）溫度控制
干燥熱發(fā)生器主要靠調(diào)節(jié)進(jìn)入文丘里干燥器的煤氣流量來實(shí)現(xiàn)溫度的控制。
四、控制功能的實(shí)現(xiàn)
1．順序控制及邏輯控制
順序控制是可編程控制器的主要功能。以前順序控制是采用繼電器、計(jì)數(shù)器、閥門等機(jī)械設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。S5—95U利用最基本的邏輯元素和運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)邏輯控制功能，利用定時器、記時器來實(shí)現(xiàn)時間控制功能。干燥熱發(fā)生器的程序包括主順序程序塊、風(fēng)門電機(jī)（M11/M12）控制程序塊、閥門（V02/V03/V04）控制程序塊、煤氣撿漏控制程序塊、報(bào)警聯(lián)鎖程序塊、模擬量的處理等幾部分程序。
主程序循環(huán)掃描，通過主程序調(diào)用其它程序。
現(xiàn)場報(bào)警會引起啟動過程中斷。如電機(jī)M12報(bào)警、閥V03 V04 V05報(bào)警、火焰報(bào)警、點(diǎn)火槍位置報(bào)警、點(diǎn)火槍
電磁閥報(bào)警等。過程報(bào)警會引起停車。如煤氣壓力P05報(bào)警、煤氣流量報(bào)警、燃燒風(fēng)流量報(bào)警等。報(bào)警信號不僅輸出到繼電器，同時也輸出到可編程控制器的控制面板的指示燈。
干燥熱發(fā)生器的起停與焙燒爐其它設(shè)備有聯(lián)鎖，該聯(lián)鎖通過TPS系統(tǒng)中IPC620的邏輯控制實(shí)現(xiàn)，并直接輸出到可編程控制器的聯(lián)鎖指示燈。
2．模擬量的控制及處理
（1）V02閥定位器控制，通過TPS自控系統(tǒng)中回路調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)
V02閥在點(diǎn)火過程中，都處在啟動位置，燃燒運(yùn)行后，通過系統(tǒng)給定值來自動增減閥門，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。
（2）燃燒風(fēng)風(fēng)門的控制，通過S5—95U可編程控制器實(shí)現(xiàn)
燃燒風(fēng)風(fēng)門的控制是根據(jù)檢測的煤氣流量值，經(jīng)模擬量處理后，按一定的對應(yīng)關(guān)系，由S5—95U計(jì)算出風(fēng)門開度，然后輸出到風(fēng)門。具體處理過程如下：
a）煤氣檢測流量FT01（脈沖信號）轉(zhuǎn)換成煤氣流量（電流信號）
b）煤氣流量值的修正
c）據(jù)修正后的標(biāo)準(zhǔn)流量FI01計(jì)算出風(fēng)門控制量FC11
（3）模擬量的處理
S5—95U可編程控制器只做定點(diǎn)運(yùn)算，它的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，但程序設(shè)計(jì)比較麻煩。在解決實(shí)際問題時，為不導(dǎo)致定點(diǎn)數(shù)溢出，必須在編制程序時，為參加運(yùn)算的數(shù)選擇適當(dāng)?shù)谋壤蜃樱箙⒓舆\(yùn)算的數(shù)和中間結(jié)果的絕對值都符合定點(diǎn)表示法的形式，算出的得數(shù)還需程序人員還原。它的數(shù)字量一般都是二進(jìn)制碼的16位定點(diǎn)數(shù)，可以直接使用STEP5操作進(jìn)行加減和比較運(yùn)算。而標(biāo)準(zhǔn)功能塊則用于這些值的乘除運(yùn)算。所有模擬量的讀入和輸出都通過模擬輸入輸出模板和標(biāo)準(zhǔn)功能塊FB250讀入和FB251輸出，其數(shù)據(jù)都存入數(shù)據(jù)塊中。模擬輸入模板把模擬過程信號轉(zhuǎn)換成CPU能夠處理的數(shù)字值，模擬輸出模板則實(shí)現(xiàn)相反的功能。如模擬輸入量有煤氣壓力P05、煤氣流量F01、風(fēng)流量FT11、閥位反饋值、煤氣溫度T01、煤氣壓力P01等，模擬輸出量有閥位設(shè)定ZY01、面板顯示的流量值FI01、面板顯示風(fēng)流量FI11等。
五、功能塊的應(yīng)用
1．功能塊的特點(diǎn)
功能塊可用處理器的全部操作指令系統(tǒng)對一個功能塊編程，只能用語句表對功能塊編程和存檔，可用圖形表示，可給功能塊賦參數(shù)，功能塊具有名稱等特點(diǎn)。因此，功能塊可充分利用處理器，但另一方面，功能塊不如程序塊那樣容易編程。
2．功能塊的編程
功能塊采用語句表用編程器來編程。功能塊分為兩大類：即帶塊參數(shù)的功能塊和不帶功能塊的功能塊。無塊參數(shù)的功能塊編程在本質(zhì)上同程序塊的編程基本一樣，隨著編程器提示，輸入功能塊名（包含8個以內(nèi)的字符）。帶塊參數(shù)的功能塊，則在輸入塊名以后應(yīng)該指定這些塊參數(shù)的名字、參數(shù)類型和數(shù)據(jù)類型。當(dāng)所有塊參數(shù)都引入后，再用控制功能的編程繼續(xù)輸入。
3．標(biāo)準(zhǔn)功能塊的應(yīng)用
標(biāo)準(zhǔn)功能塊都集成在CPU操作系統(tǒng)中，執(zhí)行速度極快，且不占用戶存儲空間，常用的標(biāo)準(zhǔn)功能塊有模擬量讀入功能塊FB250 RLG： AE、模擬量輸出功能塊FB251 。此外，可編程在運(yùn)算過程中經(jīng)常還會用到16位定點(diǎn)碼變換器FB241 COD：16、16位二進(jìn)制乘法FB242 MUL：16、16位二進(jìn)制除法FB243 DIV：16、定點(diǎn)數(shù)到浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換FB15、浮點(diǎn)數(shù)到定點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換 FB16、浮點(diǎn)數(shù)相乘FB19、浮點(diǎn)數(shù)相除FB20等標(biāo)準(zhǔn)功能塊。還有一種由用戶編程的功能塊，如V02
調(diào)節(jié)閥自動增減功能塊FB21和FB22。
六、結(jié)束語
實(shí)踐證明，PLC是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場自動化的理想控制器。它的體積小、功能強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡單、靈活通用、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)特別是高可靠性和較強(qiáng)的適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力，更是得到用戶的好評。作為從事工業(yè)自動化的技術(shù)人員，不但要熟悉各種控制系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)，而且還要了解控制對象的工藝過程和控制要求。只有這樣，才能設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試和維護(hù)好工業(yè)自動控制系統(tǒng)，確保氧化鋁生產(chǎn)過程安全和經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。
