船用燃油鍋爐PLC和觸控屏的控制系統設計

楊俊+單劍+陳翱

摘 要：針對某型立式燃油鍋爐存在控制系統功能落后問題，該文采用PLC控制器與觸控屏相結合的技術，設計了一套全新的控制系統，較原系統增加了保養提示和超期閉鎖功能、故障記錄統計功能，關鍵參數實時監測功能，大大提升了設備的智能化程度和人機交互性能。此系統可以有效提高鍋爐的自主性，為后期設備的保養、維護等設備日常問題進行及時反饋。對于故障的紀錄系統可以很好地保證人員在修理前準確定位故障類型，對如何開展維修提供可靠保障。

關鍵詞：燃油鍋爐 PLC 觸控屏 系統設計

中圖分類號：U66 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（c）-0039-03

目前，某船鍋爐采用接觸器——繼電器控制系統，該系統雖有一定程度的自動化程度，但系統復雜而且故障多、可靠性差、維護工作量大，由于智能化程度低，不能進行設備參數、故障報警的實時記錄與統計，故障發生時不利于及時排除，并且不易實現功能的擴展。而PLC具有使用方便、通用性強、可靠性高、適應面廣、編程簡單及抗干擾能力強等一系列優點，目前已經成為工業自動化領域中最重要、應用最廣的控制設備之一。特別是近年來，PLC在網絡通訊、運動控制、PID控制方面的功能更加強大，為該船鍋爐現有控制功能的升級提供了可能。該系統在能夠滿足鍋爐現有功能的基礎上增加三項功能：一是鍋爐維護保養提示和超期鎖閉功能；二是故障記錄與統計功能；三是關鍵參數實時監測功能。

1 鍋爐的基本介紹

1.1 鍋爐的基本參數

鍋爐的基本參數（如圖1）。

1.2 壓力控制及保護

自動燃燒及報警保護是通過一只壓力控制器和一只壓力傳感器來完成的，他們安裝在鍋爐的儀表板上。

壓力傳感器可以將蒸汽壓力信號轉換成模擬量信號，信號傳送到鍋爐控制箱以供控制燃燒、啟動、停止及大、小火之間的轉換。

壓力控制器內設壓力傳動裝置，可以將鍋爐蒸汽壓力信號轉換成觸點開關信號，當蒸汽壓力達到規定值時切斷燃燒。（見圖2）

如果壓力控制保護措施失效，鍋爐壓力失控將不斷上升，最終導致安全閥起跳。根據相關規定，安全閥共設有兩只，以達致雙重保護的功能。

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件選型

PLC選型的基本原則是保證系統安全性、經濟性、可靠性、使用維護方便且滿足控制功能的前提下。在實際設計中一般考慮以下幾個方面的問題。

（1）I/O點數的確定（一般可考慮10%～15%的備用量）。

（2）確定用戶程序存儲器的存儲容量，一般粗略的估計方法是：（輸入+輸出）×（10～12）=指令步數。

（3）輸入輸出方式及負載能力。根據控制系統中輸入輸出信號的種類、參數等級和負載要求，選擇能夠滿足輸入輸出接口需要的機型，并且要特別注意電壓和電流的問題。

（4）響應速度。

根據以上原則，該系統選擇了西門子的S7-200 smart的可編程控制器，CPU SR60，擴展2塊數字輸入模塊EMDI08，1塊模擬輸入模塊 EMAI04，1塊數字輸出模塊EMDR08。觸摸屏采用與S7-200 smart通信及兼容性良好的西門子公司Smart 700 IE。

2.2 系統硬件接線

PLC與觸控屏的接線、PLC資源配置與外部接線如圖3所示。

PLC是控制系統的核心部件，它主要是接收各傳感器輸入收觸摸屏和收觸摸屏的信號，經過內部程序處理后輸出控制信號至各傳感器控制設備正常運行，并將設備狀態參數等信息傳輸到觸控屏。觸摸屏在控制系統中主要承擔著使過程可視化、操作員對過程的控制、顯示報警、過程值、報警記錄、報警歸檔、過程和設備參數管理的功能，它可以與PLC通過RS485通信接口進行實時通信，向PLC發送控制指令，并采集PLC的數據進行狀態監視。

水位控制功能是通過水位計對水位進行檢測實現的，將4個水位（上限水位、給水位、停給水位、下限水位）的4個開關將信號接入PLC，經PLC控制水泵，實現給水量的控制、報警處理、低水位聯鎖、給水水泵電機故障時的聯鎖等控制，使系統完全達到自動平穩運行。

蒸汽壓力控制功能是通過壓力傳感器測量蒸汽壓力實現的，并通過壓力變送器將信號接入PLC的一路模擬量輸入，從而實現兩級壓力上限保護和燃燒（大、小火）控制。

燃燒系統的自動控制的本質是自動控制蒸汽壓力。蒸汽壓力作為燃燒自動控制的被控參數，對鍋爐發出起動信號后，自動起動風機和油泵，從而實現預打火、掃風、二級燃燒等燃燒程序的進行。

高水位、低水位、報警功能和過低水位保護是通過水位計進行檢測，將開關量信號送至PLC來實現；空氣壓力低、燃燒鉸鏈未合保護和報警功能通過壓力傳感器將開關量信號送至PLC來實現；火焰故障保護和報警功能通過光敏開關將開關量信號送至PLC來實現。

鍋爐維護保養的自動提示功能通過PLC內部程序觸發觸控屏預設提示文字控件來實現。超期不維護的系統自動鎖閉功能則直接由PLC內部程序實現，該功能將十分有利于設備的日常保養與周期保養。

故障自動統計記錄與記錄功能通過觸控屏報警記錄功能采集設備運行過程中的報警信息，并通過觸控屏的變量歸檔功能處理和長期存儲設備運行過程中的測量值和過程值實現。通過此項功能可以清楚記錄故障次數、故障部位和頻率，當某一故障部件達到設定的故障次數或頻率后，自動提示更換零部件，為關鍵故障零部件的修理與更換提供了有力的依據。

關鍵參數的實時監測是通過將PLC將采集到的每一路輸入、輸出通道的值輸入到觸控屏的外部變量，然后實時反映在觸控屏的狀態監視器窗口當中，該項功能可以使值班人員對鍋爐參數狀態進行實時監控了解。

3 系統軟件設計