基于觸摸屏和PLC的燃氣熱風爐控制系統

任阿丹，姜 明 ，劉曙濱

（1. 西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，西安 710048； 2. 上海市格伏能源科技，上海 200000）

0 引言

以PLC作為控制器的控制系統具有運行速度快、調試周期短、維護簡單和可靠性高的優點，被廣泛應用于各個領域，特別是工業生產過程的自動控制中。觸摸屏作為人機界面發展的主流方向，能夠彌補PLC的人機接口功能較差的不足，并且能夠在惡劣的工業環境中長時間連續運行，是PLC的最佳拍檔[1]。本文設計的直混式燃氣熱風爐燃燒控制系統采用了PLC與觸摸屏結合的控制方式，充分發揮二者的優勢，實現了分散控制和集中管理，具有運行平穩、操作簡單、故障率低的優點。

1 控制系統總體設計

1.1 控制系統功能

直混式燃氣熱風爐以合成氨裝置外送燃料氣和天然氣作為燃燒氣源在爐內燃燒，通過混合風機產生恒定熱風為硝酸鉀噴漿造粒提供熱量。設備主要由熱風爐本體、燃氣燃燒器、點火風機、助燃風機變頻控制柜、混合風機變頻控制柜、觸摸屏PLC控制柜、燃氣調壓箱、燃燒控制器、熱能儀表、爐前燃氣管道系統、爐前空氣管道系統、爐前操作平臺構成。該系統能夠按照工藝要求選擇天然氣燃燒或合成氨氣體燃燒并實現互鎖保護，熱風爐可實現自動點火、火焰監測、熄火保護、燃氣高低壓保護、爐溫度自動控制、熱風自動調節跟蹤等功能。因此要求燃燒控制系統滿足以下條件：

1）自動點火回路連鎖保護控制。點火過程中，助燃風機變頻自動控制，火焰監測器對點火過程進行實時監測，當點火槍點燃、監測器檢測到火焰后，PLC才發出指令使燃料電磁閥打開；

2）混合風機變頻自動控制。通過觸摸屏根據現場工藝給定熱風壓力值，PLC將給定熱風壓力值與現場傳感器的反饋值進行PID調節，達到控制變頻器輸出和控制風機轉速，從而控制熱風壓力的目的。通過PID參數的優化，可將風壓很穩定的控制在設定值左右，達到生產造粒設備的要求；

3）熄火連鎖保護控制。燃燒器正常運行過程中，火焰檢測器對燃燒火焰進行監測，當由于生產系統擾動引起燃燒器意外熄火時，火焰檢測器能及時檢出，由PLC控制器發出火焰熄火聲光報警信號,同時輸出控制信號關閉燃燒器燃氣，實現燃燒系統的熄火報警與連鎖保護，確保燃燒系統安全可靠的運行；

4）緊急情況下聯鎖保護控制。當系統突然斷電或上級DCS系統發出緊急停車指令時，PLC控制燃料階段法快速切斷，并發出報警信號。

根據上述控制要求，本文設計的控制系統應具有以下功能：

1）實時數據采集與控制。系統能夠實時采集諸如溫度、壓力、流量等現場數據，并能夠通過觸摸屏參數設置，實現變頻器的調速以至于對熱風流量進行PID控制；

2）畫面監控顯示。系統能在觸摸屏上以動畫、圖像等形式顯示工藝過程、設備狀況，能控制外部設備I/O信號；

3）數據管理。包括數據顯示、數據棒圖記錄、數據趨勢曲線；

4）報警提示。出現報警信息時發出聲光信號，以便操作人員技術作出處理。

1.2 控制系統的組成

圖1 控制系統硬件構成圖

圖2 系統流程圖

本文設計的控制系統以西門子S7-400系列PLC作為控制器，觸摸屏用于顯示系統的工藝過程、運行狀態、設定參數等，變頻器控制點火風機和助燃風機轉速其硬件組成如圖1所示。S7-400系列PLC采用模塊化結構設計，用戶可根據需要選擇模塊。PLC中央處理單元CPU模塊選擇CPU412-1，所配置電源模塊為PS405?，F場需要監控3個壓力信號、3個溫度信號及2個流量信號共9個模擬量信號，故選擇模擬量輸入模塊SM431 AI16。由于現場要求對熱風溫度進行控制，需配置模擬量輸出模塊，所以選擇SM432 AO8作為模擬量輸出模塊。數字量擴展模塊選擇2塊SM421 DI16輸入模塊，2塊SM422 DO16作為輸出模塊，用于實現對現場數字量信號的采集和控制。觸摸屏選擇MP277 10"TOUCH,可通過RS422/485接口與PLC通訊。系統還配有通訊模塊CP4431與上位DCS計算機通訊。

2 PLC應用程序設計

PLC程序設計采用了西門子標準工具STEP7 V5.4。STEP7可用于對整個控制系統（包括PLC、遠程I/O、驅動裝置和通信網絡等）進行組態、編程和監控[1]。本文設計的燃燒控制系統PLC程序包括主程序OB1、循環中斷組織塊OB32和OB35、暖啟動組織塊OB100和處理模擬量數據的功能塊FC1～FC10。

循環中斷組織塊OB32存放循環程序，用于實現觸摸屏上的動畫顯示；OB35中存放PID控制程序，調用功能塊FB41，實現對模擬量的PID控制；暖啟動組織塊OB100存放初始化程序；功能塊FC1～FC10在主程序OB1中采集模擬量數值時用到，使用MOVE塊將采集值或設定值送入指定地址，以便在觸摸屏上顯示和設定；OB1主要由3部分組成：模擬量采集程序、數字量控制程序和報警程序。

圖3 控制系統軟件構成圖

燃燒控制系統的軟件流程圖如圖2所示。

3 觸摸屏程序設計

系統采用西門子MP277 10"TOUCH觸摸屏，運用組態軟件WinCC flexible 2007進行組態。WinCC flexible 2007通過提供各種組件進行組態，使用戶可以用觸摸屏上的組合文字、按鈕、圖形和數字信息等，來處理或監控不斷變化的信息；并且能夠和編程軟件STEP7 V5.4集成，控制系統使用統一的通信協議、統一的數據庫和統一的編程組態工具。[2]觸摸屏的應用使監控更加直觀，節省了按鈕等硬件，使直混式熱風爐燃燒控制系統更加可靠和方便。

根據控制系統功能要求，觸摸屏程序設計應完成包括動畫功能在內的人機界面程序，實現數據采集、圖形顯示、人機對話、實時通信、實時數據分析等多個任務的實時并行處理。系統的軟件結構如圖3所示。

進入系統后的初始畫面為控制系統的主界面，如圖3所示。該畫面包含了各個分畫面的切換按鈕，單擊按鈕可以切換到相應的畫面，其他畫面均有“返回”按鈕，單擊可返回初始畫面，便于用戶進行畫面切換。流程畫面顯示直混式燃氣熱風爐的工藝流程、設備狀態，可通過單擊畫面上的按鈕對現場設備進行控制，如圖4所示。參數設置畫面用于對PID參數進行設置，初次進入此畫面時需要用戶輸入登錄口令，防止非操作人員進行操作，保證了系統的安全性。系統參數畫面用于顯示燃燒控制系統所采集的現場模擬量的實時數值。在流量設置畫面，操作人員可以對熱風流量這一重要參數進行設置，畫面上方的趨勢曲線圖顯示熱風

流量的給定曲線和實測的曲線。報警畫面顯示系統運行時出現的報警信息，當有新的報警出現時，觸摸屏畫面將自動彈出“報警彈出窗口”，以提示用戶注意報警信息，保證系統的安全運行。棒圖記錄畫面將控制系統所采集模擬量的實時數值以棒圖形式表現出來。曲線記錄畫面顯示監控過程中各個模擬量的實時輸出值及趨勢曲線，方便觀察。單擊“用戶注銷”按鈕退出。

4 結束語

本文采用西門子觸摸屏和S7-400系列PLC，結合標準工具STEP7 V5.4和組態軟件WinCC flexible，設計了直混式燃氣熱風爐的燃燒控制系統。該系統實現了熱風爐以合成氨裝置外送燃料氣和天然氣作為氣源，為硝酸鉀噴漿造粒提供熱量的全部生產過程自動化控制，使人機界面更加靈活、豐富，操作簡單、安全，提高了生產效率，并可通過通訊模塊CP4431與該行業的其他生產設備通訊聯網組成集中管理、分散控制的分散式控制系統，具有很好的發展前景。

[1] 廖常初.S7-300/400 PLC應用技術[M].北京:機械工業出版社,2008.

[2] 廖常初.西門子人機界面(觸摸屏)組態與應用技術[M]. 北京:機械工業出版社,2008.

[3] 王艷新.基于PLC和觸摸屏的雙飛叉全自動轉子繞線機設計[J].制造業自動化,2008.

[4] 楊旭東,李津,常欣.顯像管柔性曝光臺控制系統的設計[J].制造業自動化,2008.