一种基于PLC的镀锌电加热炉加热控制系统及方法与流程
本发明涉及镀锌电加热炉加热控制领域，尤其是涉及一种基于plc的镀锌电加热炉加热控制系统及方法。
背景技术：
目前，国内铁塔热浸镀锌行业电加热控制系统通常采用的是南宁汇安电工设备有限公司的基于单片机采用全数字三相晶闸管功率控制器的电加热炉加热控制系统。而南宁汇安电工设备有限公司的基于单片机采用全数字三相晶闸管功率控制器的电加热炉加热控制系统在实际运行且无人值守的情况下，曾发生加热系统因锌液温度检测专用补偿导线松脱短路引起检测温度在370摄氏度，实际锌液温度已高达630摄氏度，而因此加热系统持续加热产生大量锌渣和使锌锅使用寿命严重受损的设备故障，并造成了较大经济损失。
针对加热系统持续加热产生大量锌渣并使锌锅使用寿命严重受损的设备故障的原因进行研究分析，直接原因为热电偶补偿导线因高温造成松脱短路；本质原因为加热系统设计时对出现意外故障风险估计不足，冗余设计不够，即温度上限保护仅依靠一套锌液温度检测装置控制，在其出现故障时，无法实现温度上限报警，不利于提高抵抗因为意外故障导致风险的能力。
针对目前普遍存在的问题，主要是通过人为进行监控，以便能够在发生意外故障时可以及时发现问题，缺乏有效技术手段进行解决。
技术实现要素：
本发明提出了一种基于plc的镀锌电加热炉加热控制系统，解决了因为单一锌液温度检测装置出现意外故障导致抵抗风险的能力不高的问题。
本发明第一方面提供了一种基于plc的镀锌电加热炉加热控制系统，包括原控制子系统，所述原控制子系统包括：第一热电偶、温控仪、信号转换器、功率控制器，所述第一热电偶与温控仪的输入端连接，所述温控仪的输入端用于检测镀锌电加热炉内锌液温度，所述温控仪的输出端用于控制信号转换器输出功率控制器的加热信号，还包括：第二热电偶、多路温控仪、plc、中间继电器，若干个所述第二热电偶与多路温控仪连接，所述多路温控仪的信号输出端与plc的信号输入端连接，所述plc的输出端连接中间继电器的工作线圈，中间继电器的两对常闭触点输入端连接信号转换器的加热信号输出端，中间继电器两对常闭触点输出端接连接功率控制器；其中多路温控仪至少包括一路输入端用于检测镀锌电加热炉内锌液温度，至少包括六路输入端用于镀锌电加热炉内检测炉膛温度。
结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述第一热电偶的自由端通过补偿导线与温控仪的输入端连接和/或所述第二热电偶的自由端通过补偿导线与多路温控仪的输入端连接。
结合第一方面，在第一方面第二种可能的实现方式中，还包括远程终端，所述多路温控仪还包括gprs模块，所述gprs模块与所述远程终端通信连接。
结合第一方面，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述多路温控仪的信号输出端与所述plc的信号输入端之间还包括至少并联的7路多路温控仪温度上限报警开关，用于检测镀锌电加热炉内温度超过设定温度上限值时报警；以及至少并联的7路多路温控仪下限启动开关，用于检测镀锌电加热炉内温度低于设定温度下限值时启动加热。
进一步地，所述plc的信号输入端还包括复位开关，所述复位开关用于当加热控制系统温度上限报警停止加热后或当某一路温度上限报警信号异常单独报警时，确认故障后通过复位开关实现镀锌电加热炉重新加热。
本发明第二方面提供了一种基于plc的镀锌电加热炉加热控制方法，所述方法是基于本发明第一方面所述的基于plc的镀锌电加热炉加热控制系统实现的，包括：
plc上电，并对plc内至少七个计数器总复位(清零)；
plc内的至少七个计数器对多路温控仪的每一路温度上限报警有效输入信号进行相应计数，并对至少七个计数器进行求和；
当plc对至少七个计数器进行求和的数值大于等于3时，plc输出继电器接通，中间继电器得电，切断信号转换器输出的功率控制器的加热信号。
结合第二方面，在第二方面第一种可能的实现方式中，还包括：
plc上电后，并对plc内至少七个数据寄存器总复位(清零)；
plc内的至少七个数据寄存器对多路温控仪的每一路温度下限启动有效输入信号进行相应存储，并对至少七个数据寄存器进行求和；
当plc对至少七个数据寄存器进行求和的数值大于等于4时，plc输出继电器断开，中间继电器失电复位，接通信号转换器输出的功率控制器的加热信号。
进一步地，所述基于plc的镀锌电加热炉加热控制方法还包括：
当plc对至少七个数据寄存器进行求和的数值大于等于4时，plc对内部全部计数器以及全部数据寄存器分别进行总复位(清零)。
结合第二方面，在第二方面第二种可能的实现方式中，所述plc输出继电器接通时对应连接plc第一内部继电器，所述plc输出继电器断开时对应连接plc第二内部继电器。
本发明采用的技术方案包括以下技术效果：
1、本发明避免了因为单一锌液温度检测装置控制在其出现故障时，无法实现温度上限报警的情况，而且通过plc进行控制，控制更全面多样，提高了抵抗因为意外故障导致风险的能力。
2、本发明利用了六路炉膛温度测量，形成炉膛温度测量与锌液温度测量互补的检测系统，多方面多角度的对镀锌电加热炉加热控制系统进行监控。
3、本发明可以通过gprs模块与远程终端的通信连接，可以实现对镀锌电加热炉加热控制系统的远程监视和控制，实现无人监控，节约了人力成本。
4、本发明通过设置复位开关，当温控系统温度上限报警停止加热后或当某一路温度上限报警信号异常单独报警时，确认故障后通过复位开关实现镀锌电加热炉重新加热，避免了通过plc重新上电的方式重新加热，从而简化了工作流程。
5、当plc对至少七个计数器进行求和的数值大于等于3时，plc输出继电器接通，中间继电器得电，切断信号转换器输出的功率控制器的加热信号；当plc对至少七个数据寄存器进行求和的数值大于等于4，plc输出继电器断开，中间继电器失电复位，接通信号转换器输出的功率控制器的加热信号；至少七路中多路同时出现故障的概率较小，极大解决了因为冗余设计不足导致无法实现温度上限报警的情况，提高了抵抗因为意外故障导致风险的能力。
6、本发明中所述plc输出继电器接通时对应连接plc第一内部继电器，所述plc输出继电器断开时对应连接plc第二内部继电器，即温度上限上限报警继电器与温度下限启动继电器分别独立工作，避免温度上限上限报警与温度下限启动共用一个继电器，造成温度上限上限报警与温度下限启动工作混乱。
应当理解的是以上的一般描述以及后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
为了更清楚说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见的，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方案中实施例一的结构示意图；
图2为本发明方案中实施例一中plc的接线示意图；
图3为本发明方案中实施例一信号转换器与不同功率控制器之间连接示意图；
图4为本发明方案中实施例一原控制子系统的控制过程示意图；
图5为本发明方案中实施例二结构示意图；
图6为本发明方案中实施例三方法流程示意图；
图7为本发明方案中实施例四方法流程示意图；
图8为本发明方案中实施例五方法流程示意图。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
实施例一
为描述方便，本发明实施例以七路为例，即多路温控仪包括一路输入端用于检测镀锌电加热炉内锌液温度，包括六路输入端用于镀锌电加热炉内检测炉膛温度，即第二热电偶数量为七个，多路温控仪选择至少七路通道的多路温控仪；如图1所示，本发明提供了一种基于plc的镀锌电加热炉加热控制系统，原控制子系统11包括：第一热电偶111、温控仪112、信号转换器113、功率控制器114，第一热电偶111与温控仪112的输入端连接，温控仪112的输入端用于检测镀锌电加热炉内锌液温度，温控仪112的输出端用于控制信号转换器113输出功率控制器114的加热信号，功率控制器114用于对镀锌电加热炉进行加热，还包括：第二热电偶14、多路温控仪15、plc16、中间继电器17，七个第二热电偶14与多路温控仪15连接，多路温控仪15的信号输出端与plc16的信号输入端连接，plc16的输出端连接中间继电器17的工作线圈，中间继电器17的两对常闭触点输入端连接信号转换器113的加热信号输出端，中间继电器17两对常闭触点输出端接连接功率控制器114；其中多路温控仪15包括一路输入端用于检测镀锌电加热炉内锌液温度，包括六路输入端用于镀锌电加热炉内检测炉膛温度。
第二热电偶14的自由端通过补偿导线与多路温控仪15的输入端连接。本发明针中第二热电偶14采用wrnk-331型柔性铠装热电偶，长度定制为4000mm,直径：6mm,第二热电偶14长度达到4米确保补偿导线与第二热电偶14的自由端连接处远离锌锅加热区，使得第二热电偶14自由端与补偿导线连接处的温度不超过100℃，从而有效防止第二热电偶14与补偿导线的连接因高温造成松脱短路的故障；第一热电偶111自由端也可以通过补偿导线与温控仪112的输入端连接，本发明中温控仪指单路温控仪，本发明中第一热电偶111也采用wrnk-331型柔性铠装热电偶，长度定制为4000mm,直径：6mm,第一热电偶111长度达到4米确保补偿导线与第一热电偶111的自由端连接处远离锌锅加热区，使得第一热电偶111自由端与补偿导线连接处的温度不超过100℃，从而有效防止第一热电偶111与补偿导线的连接因高温造成松脱短路的故障。
铠装热电偶具有可弯曲、耐高压、热响应时间短和坚固耐用等优点，主要特点就是测温范围宽，性能比较稳定，同时结构简单，动态响应好，更能够远传4-20ma电信号，便于自动控制和集中控制。
由于铠装热电偶的材料一般都比较贵重(特别是采用贵金属时)，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省铠装热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把铠装热电偶的冷端(自由端)延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到温控仪仪表端子上。在使用铠装热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与铠装热电偶连接端的温度不能超过100℃。
铠装热电偶能测量高温，性能稳定，准确可靠、结构简单、易于维护、便于信号的远传和实现多点切换测量。
本发明技术方案中可以根据实际情况，结合电加热炉为卧式长方体，用于检测炉膛温度的六路第二热电偶14连接时具体是：六路第二热电偶14吸附在电加热炉内部锌锅外侧，并设置绝热保护措施。将六路第二热电偶14在镀锌电加热炉锌锅外侧侧面高度的1/2处环绕设置6路第二热电偶14，其中两路第二热电偶14设置于电加热炉锌锅外侧左右两个侧面(面积较小)，另外四路对称设置于电加热炉锌锅外侧前后两个侧面(面积较大)，即前侧面设置两路，后侧面对称相同的位置设置两路；也可以在镀锌电加热炉锌锅外侧侧面高度的1/4处上设置两路第二热电偶14，其中一路设置于镀锌电加热炉锌锅外侧侧面高度的1/4处的右侧面(或左侧面)，另外一路设置于镀锌电加热炉锌锅外侧侧面高度的1/4处的前侧面(或后侧面)；镀锌电加热炉锌锅外侧侧面高度的2/4处上设置两路第二热电偶14，其中一路设置于镀锌电加热炉锌锅外侧侧面高度的2/4处的右侧面(或左侧面)，另外一路设置于镀锌电加热炉锌锅外侧侧面高度的2/4处的前侧面(或后侧面)；镀锌电加热炉锌锅外侧侧面高度的3/4处上设置两路第二热电偶14，其中一路设置于镀锌电加热炉锌锅外侧侧面高度的3/4处的右侧面(或左侧面)，另外一路设置于镀锌电加热炉锌锅外侧侧面高度的3/4处的前侧面(或后侧面)；这样可以更全面测量炉膛温度，避免单一高度或者单一位置设置造成炉膛温度检测不够全面。
如图2以及上表所示，多路温控仪15的信号输出端与plc16的信号输入端之间还包括并联的七路多路温控仪温度上限(超温)报警开关以及并联的七路多路温控仪温度下限启动开关。即第一路多路温控仪温度上限报警开关s11，第二路多路温控仪温度上限报警开关s21,第三路多路温控仪温度上限报警开关s31,第四路多路温控仪温度上限报警开关s41,第五路多路温控仪温度上限报警开关s51,第六路多路温控仪温度上限报警开关s61,第七路多路温控仪温度上限报警开关s71；第一路多路温控仪温度下限启动开关s12，第二路多路温控仪温度下限启动开关s22，第三路多路温控仪温度下限启动开关s32，第四路多路温控仪温度下限启动开关s42，第五路多路温控仪温度下限启动开关s52，第六路多路温控仪温度下限启动开关s62，第七路多路温控仪温度下限启动开关s72；其中本发明实施例中多路温控仪采用深华轩科技的sh700型多路温控仪，其七路第二热电偶14输入端连接多路温控仪15可以分别视为七个单路温控仪，多路温控仪15均为双继电器输出(温度上限报警继电器与温度下限启动继电器独立工作)：多路温控仪15中一路用于检测镀锌电加热炉内锌液温度的温度上限报警设定温度值可以为450℃，温度下限启动设定值可以为425℃，也可以根据情况进行调整。多路温控仪15中六路用于检测镀锌电加热炉内炉膛温度的温度上限报警设定温度值可以为615℃，温度下限启动设定值可以为530℃，也可以根据情况进行调整。
plc16的信号输入端还包括复位开关sb，复位开关sb单独设置于plc输入端，用于当加热控制系统温度上限报警停止加热后或当某一路温度上限报警信号异常单独报警时，确认故障后通过复位开关sb实现镀锌电加热炉重新加热，避免了通过plc16重新上电的方式重新加热，简化工作流程。
本发明实施例中plc16采用三菱plc，具体型号为fx3u-48mr/es-a，也可以采用其他型号的plc；信号转换器型号为sic1000，也可以采用其他型号的信号转换器；功率控制器具体为晶闸管功率控制器，具体为kty3s系列全数字三相晶闸管功率控制器，也可以采用其他功率控制器，本发明在此不做限制。
如图3-4所示，不同功率控制器114之间采用双绞线或屏蔽线连接，接口采用rs485通讯接口，通讯为标准的modbus通讯协议的rtu通讯模式；将多台控制器通过rs485通讯接口连接起来，sic1000信号转换器113输出的485信号线a1、b1接通；信号转换器113输出到功率控制器114的加热信号接通，各台功率控制器114根据加热信号中ip地址设定自动分配输出时间段，实现联机功率分配和锌锅加热。sic1000信号转换器113输出到485信号线a1、b1断开；信号转换器113输出的功率控制器114的加热信号断开，各台功率控制器114根据加热信号中ip地址设定自动分配输出时间段，实现锌锅停止加热，其中ip地址是厂家在系统中给多台功率控制器114设定好的地址，而根据ip地址分配输出时间段是厂家在系统中设定好的。
原控制子系统11的工作原理：第一热电偶111用于检测锌液温度，第一热电偶111的自由端通过补偿导线与温控仪112的输入端连接，温控仪112当检测到锌液温度温度上限时，通过加热信号转换器113输出的加热信号控制功率控制器114停止加热；温控仪112当检测到锌液温度达到温度下限时，通过加热信号转换器113输出的加热信号控制功率控制器114开始加热；具体控制方式为：温控仪112根据设定温度温度上限报警值以及温度下限值，任意给定一输入检测温度，与设定温度上限报警值以及温度下限值进行比较，根据实际情况可以选择相位/过零触发、调功触发、开环移相触发等触发方式，并根据触发方式进行触发控制，控制信号转换器113输出的加热信号控制功率控制器114进行加热或停止加热；并且可以根据实际情况中温度的反馈进行设定温度上限报警值以及温度下限值的调节，温控仪112触发控制信号转换器113的方式既可以是温控仪112中单片机通过继电器进行接通或者断开，也可以温控仪112中单片机通过与pc端的组态软件相互通讯协调配合进行相应控制命令的发送。
其中本发明实施例中温控仪112中用于控制信号转换器113输出功率控制器114的加热信号的控制端位于信号转换器113输出端之前，而plc16的控制输出端位于信号转换器113的输出端之后，所以当原控制子系统11发生意外故障无法及时报警时，本发明实施例中其他七路用于检测锌液温度以及炉膛温度，可以正常进行温度上限报警，避免了因为单一检测发生故障导致无法报警情况，提高了抵抗因为意外故障导致风险的能力，而且可以利用六路炉膛温度测量形成炉膛温度测量与锌液温度测量互补的检测系统，多方面多角度的对镀锌电加热炉加热控制系统进行监控。
实施例二
如图5所示，本发明实施例与实施例一不同的是，本发明实施例中基于plc的镀锌电加热炉加热控制系统还包括远程终端18，多路温控仪15还包括gprs模块151，gprs模块151与远程终端18通信连接。远程终端18可以为物联网云平台，从而实现通过手机等智能终端对温控系统的ie远程实时监视和控制功能，实现无人监控，节约了人力成本。
实施例三
如图6所示，本发明实施例还提供了一种基于plc的镀锌电加热炉加热控制方法，包括：
s1，plc上电，并对plc内至少七个计数器总复位(清零)；
s2，plc内的至少七个计数器对多路温控仪的每一路温度上限报警有效输入信号进行相应计数，并对至少七个计数器进行求和；
s3，当plc对至少七个计数器进行求和的数值大于等于3时，plc输出继电器接通，中间继电器得电，切断信号转换器输出的功率控制器的加热信号。
当plc上电时，m8002为初始脉冲特殊辅助继电器，m8002只在plc开始运行的第一个扫描周期内得电，其余时间均断电，即初始化脉冲特殊辅助继电器m8002的常开接点仅在plc开始运行时接通，在第一个扫描周期内对c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7七个计数器总复位(即全部清零)，使加热控制系统置为原控制子系统的控制状态。
同时，触点形特殊辅助继电器m8000为运行监视用特殊辅助继电器，plc运行时m8000得电，plc停止时m8000失电，m8000运行监控常开接点在plc运行时闭合，用于plc运行时的过程监控。
x001、x002、x003、x004、x005、x006、x007分别为多路温控仪中第一路多路温控仪温度上限报警开关s11、第二路多路温控仪温度上限报警开关s21、第三路多路温控仪温度上限报警开关s31、第四路多路温控仪温度上限报警开关s41、第五路多路温控仪温度上限报警开关s51、第六路多路温控仪温度上限报警开关s61、第七路多路温控仪温度上限报警开关s71的软元件输入地址，为防止系统误动作，每一路温度上限报警输入信号持续10秒时系统确认为温度上限报警有效输入信号，相应计数器计数1；当至少有3路温度上限报警信号同时或不同时保持10秒及以上时，c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7计数器求和的值大于等于3，plc确认锌液温度和炉膛温度温度上限，plc第一内部继电器m0动作，其常开接点闭合，从而输出继电器y0接通，中间继电器ka得电动作，使接于中间继电器ka的两对常闭触点(一对常闭触点为一个开关)的sic1000信号转换器输出的485信号线a1、b1切断，切断信号转换器输出的功率控制器的加热信号，功率控制器全部停止加热。
实施例四
如图7所示，本发明实施例与实施例四不同的是，基于plc的镀锌电加热炉加热控制方法还包括：
s4，plc上电后，并对plc内七个数据寄存器总复位(清零)；
s5，plc内的七个数据寄存器对多路温控仪的每一路温度下限启动有效输入信号进行相应存储，并对至少七个数据寄存器进行求和；
s6，当plc对七个数据寄存器进行求和的数值大于等于4时，plc输出继电器断开，中间继电器失电复位，接通信号转换器输出的功率控制器的加热信号。
当plc上电时，m8002为初始脉冲特殊辅助继电器，m8002只在plc开始运行的第一个扫描周期内得电，其余时间均断电，即初始化脉冲特殊辅助继电器m8002的常开接点仅在plc开始运行时接通，在第一个扫描周期内对d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7数据寄存器总复位(即全部清零)。
同时，触点形特殊辅助继电器m8000为运行监视用特殊辅助继电器，plc运行时m8000得电，plc停止时m8000失电，m8000运行监控常开接点在plc运行时闭合，用于plc运行时的过程监控。
x011、x012、x013、x014、x015、x016、x017分别为多路温控仪中第一路多路温控仪温度下限启动开关s12、第二路多路温控仪温度下限启动开关s22、第三路多路温控仪温度下限启动开关s32、第四路多路温控仪温度下限启动开关s42、第五路多路温控仪温度下限启动开关s52、第六路多路温控仪温度下限启动开关s62、第七路多路温控仪温度下限启动开关s72的软元件输入地址，为防止系统误动作，每一路温度上限报警输入信号持续5秒时系统确认为温度下限启动有效输入信号，相应存入数字1；当至少有4路温度下限启动信号同时或不同时保持5秒及以上时，d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7数据寄存器求和的值大于等于4，plc确认锌液温度和炉膛温度至少有4个点低于温度下限启动设定值，plc第二内部继电器m1动作，其常开接点闭合，从而使输出继电器y0断开，中间继电器ka失电复位，使接于中间继电器ka的两对常闭触点的sic1000信号转换器输出到485信号线a1、b1接通；接通信号转换器输出的功率控制器的加热信号，各台功率控制器根据加热信号中ip地址设定自动分配输出时间段，实现联机功率分配和锌锅加热。其中ip地址是厂家在系统中给多台功率控制器设定好的地址，而根据ip地址分配输出时间段是厂家在系统中设定好的。
当plc对至少七个计数器进行求和的数值大于等于3时，plc输出继电器接通，中间继电器得电，切断信号转换器输出的功率控制器的加热信号；当plc对至少七个数据寄存器进行求和的数值大于等于4，plc输出继电器断开，中间继电器失电复位，接通信号转换器输出的功率控制器的加热信号；至少七路中多路同时出现故障的概率较小，极大解决了因为冗余设计不足导致无法实现温度上限报警的情况，提高了抵抗因为意外故障导致风险的能力。
为了更好说明至少7路中多路同时出现故障的概率，本发明实施例以故障发生概率为例进行说明。例如，有100盏灯，灯的型号规格都相同，2年内坏过3盏(坏后更换)，按照一般的建模方式，根据泊松分布，可算出一盏灯在连续使用的n天内发生故障的概率为
plc输出继电器y0接通时对应连接plc第一内部继电器m0，plc输出继电器y0断开时对应连接plc第二内部继电器m1，即温度上限上限报警继电器m0与温度下限启动继电器m1分别独立工作，避免温度上限上限报警与温度下限启动共用一个继电器，造成温度上限上限报警与温度下限启动工作混乱。
实施例五
如图8所示，本发明实施例中与实施例五不同的是，所述基于plc的镀锌电加热炉加热控制方法还包括：
当plc对七个数据寄存器进行求和的数值大于等于4时，plc对内部七个计数器以及七个数据寄存器进行总复位(清零)。
本发明技术方案中实施例虽然以包括两路用于锌液温度检测、六路用于炉膛温度检测为例，但是本发明并不限制用于锌液温度检测、用于炉膛温度检测具体路数，例如本发明可以包括两路以上锌液温度检测以及六路以上或以下的炉膛温度检测，可以根据实际情况进行相应调整。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
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