基于觸摸屏的分油機控制系統

李漢，宋艷瓊

（廣州航海學院輪機系， 廣州 510725）

0 引言

船用分油機是凈化燃油滑油的重要設備。船用分油機自動排渣控制經歷了繼電一接觸器和凸輪時序控制、PLC控制[1-3]和分布式控制[4,5]等階段，隨著電氣控制技術不斷發展，控制設備和手段愈多，不斷促進船用分油機控制系統的發展。目前，船用分油機控制以PLC為主，采用現場總線的分布式控制在多機場合也得到不同程度的發展。分油機控制常常需要調節參數來適應不同的油品，觸摸屏作為人機界面廣泛用于分油機控制系統中[6]，但目前觸摸屏只是作為PLC的人機接口設備，分油機的控制邏輯完全由PLC完成。隨著微處理器和工業軟件技術不斷發展，觸摸屏的性能和功能都得到較大的發展，已經具備了編程控制能力，將觸摸屏集觸控輸入、圖形顯示和控制邏輯于一身，不僅可以擺脫PLC，還簡化系統、降低成本，使觸摸屏成為新型的控制裝置。

1 基于觸摸屏的控制裝置

觸摸屏結合了圖形顯示和觸摸輸入，成為工業控制系統人機界面的主流[7]。觸摸屏是一種直觀的操作設備，使操作變得簡單、直接。觸摸屏還能指示機器設備目前的狀況，給出操作的提示，使操作變得簡單生動，減少操作失誤。另外觸摸屏可以使用畫面上的按鈕和指示燈，減少PLC需要的I/O點數。觸摸屏還具有通信聯網、監控和多語言切換等功能[8]。實際應用中觸摸屏往往和PLC配合，實時控制由PLC執行，而觸摸屏僅起到設定參數、觸控輸入和顯示的功能，使人們忽略觸摸屏的控制功能。隨著觸摸屏技術不斷發展，觸摸屏的運行速度越來越快，控制功能越來越強，能夠使用宏指令或函數功能塊，使觸摸屏具有C語言編程控制的能力，配合I/O模塊，將觸摸屏開發成為一種新型的如圖1所示的控制裝置。

圖1 基于觸摸屏的控制系統組成

1.1 觸摸屏

觸摸屏集觸控輸入、顯示輸出、控制邏輯和通訊傳輸于一身，是設備的電氣控制核心，因此對觸摸屏提出較高的要求：（1）穩定性好、可靠性高，平均無故障運行時間應達到5萬小時以上，與PLC相近；（2）運行速度快；（3）支持MODBUS等通訊協議或自定義通訊協議；（4）支持采用C語言編程的宏指令或C語言函數功能塊。

1.2 通訊協議

觸摸屏不能直接輸入或輸出與控制對象相關的開關量和模擬量。觸摸屏一般有多個串行接口，可通過通訊線路與I/O模塊連接，將控制對象的狀態輸入觸摸屏或將觸摸屏的控制信號輸出到I/O模塊，達到構建以觸摸屏為核心的控制系統的目的。通過串行通訊將觸摸屏與I/O模塊連接，雙方必須遵守通訊協議才能實現，因此，通訊協議是觸摸屏的控制裝置的重要功能。串行通訊協議可采用通用和開放的通訊協議，也可使用專用或自定義的通訊協議，但為了通用性，建議使用通用、開放的通訊協議，其中MODBUS串行通訊協議簡捷高效[9]，并得到多數品牌觸摸屏的支持，可作為首選。

1.3 I/O模塊

I/O模塊應滿足如下要求：（1）穩定性好，可靠性高，能滿足船用要求；（2）支持MODBUS串行協議；（3）具有一定點數的數字量或模擬量的輸入/輸出接口，能滿足船舶機電設備控制的要求。目前還沒有支持觸摸屏的商品化I/O模塊，我們自行開發一個采用32位單片機LPC2114、8點輸入/8點輸出、低功耗的觸摸屏I/O模塊，電路如圖2所示，由輸入電路、輸出電路、通訊電路、復位電路、顯示電路和電源電路等部分組成。輸入電路具備光電隔離、信號指示和抑制抖動等功能。輸出電路為晶體管輸出方式，并帶有信號指示。為簡單起見，本I/O模塊采用固定節點地址和固定通訊參數：節點地址為1，通訊參數為波特率19200 bps、數據位8、停止位1、無奇偶檢驗。

2 分油機控制系統的設計

圖2 觸摸屏I/O模塊電路圖

2.1 分油機的工藝要求[1,3]

1）準備：啟動油溫控制裝置，保證待分污油的溫度在允許范圍內；保證高位水箱水位正常；接通分油機控制系統電源，按下運行按鈕，啟動分油機驅動電動機，經一段時間的延時，驅動電動機轉速穩定后可進入分油作業。

2）密封工況：先打開開啟水電磁閥YV1，向分離筒送高壓水，克服置換水對活動底盤向上的托力，把活動底盤壓下，露出排渣孔；同時打開置換水和調節水電磁閥YV2，沖洗分離筒，排剩渣。5 s后，關閉開啟水電磁閥YV1，關閉排渣口，經過25 s延時，打開水封水電磁閥YV3，向分離筒注入水封水，進行水封，再經過25 s后，水封形成，分油機排渣孔可靠關閉，分油機完成密封工況。

3）正常分油工況：密封工況完成之后，打開進油電磁閥YV0，使待分污油進入分離筒，開始分油工況；進油60 s后，檢測凈油出口的油壓，如果油壓已經建立起來，則繼續分油，并開始計時，計時時間到，分油機進入排渣工況。如果油壓未建立起來，則關閉進油電磁閥YV0，并報警。待排除故障后，按下復位按鈕即進入分油狀態。若按應急排渣按鈕, 將自動進行一次排渣操作。若按停止按鈕, 在自動進行一次排渣后系統將處于停止運行狀態。

4）排渣工況：當分油機分油工況進行到設定時間即排渣時間（基準值為120 min），就關閉進油電磁閥YV0，同時打開水封水電磁閥YV3，向分離筒送入沖洗水，把筒內的殘余油排出。經過25 s后，關閉水封水電磁閥YV3，打開開啟水電磁閥YV1，向分離筒送高壓水，把活動底盤壓下，露出排渣孔，靠離心力將渣水排出。排渣15 s后，筒內的沖洗水和污渣排凈，活動底盤復位，排渣孔關閉，排渣過程結束。

圖3 分油機控制系統電路圖

5）空位工況：排渣工況完成之后，關閉開啟水電磁閥YV1，這時電磁閥YV0、YV1、YV2、YV3都關閉，分油機處于空位工況，如需繼續分油，則延時10s后，重新進入密封工況，并完成上述過程。自動排渣分油機的工作過程就是密封－分油－排渣－空位四個工況不斷重復的過程。

6）停車過程：按下自動停車按鈕，或分油機跑油、工作水箱低水位、油溫低等任一故障發生時，系統進入停車過程。控制系統立即關閉進油電磁閥YV0，同時進行一次沖洗排渣操作，最后斷開分油機驅動電動機的電源，停車結束。若是故障停車操作，還需發出聲光報警。

2.2 硬件設計

基于觸摸屏的控制器應用于ALFA Laval分油機的控制系統如圖3所示，系統由顯控公司生產的SA-5.7B型觸摸屏、自行開發的I/O模塊和分油機組成，ES為凈油出口處油壓檢驗開關，WLS為工作水箱低水位傳感器觸點，OTS為油溫傳感器觸點。ES、WLS、OTS正常時斷開，故障時閉合。HS和HA分別為光報警和聲報警。

1）分油機電動機采用軟啟動器啟動。軟啟動器可以調節起始電壓、啟動時間和停車時間，使分油機啟動和停止過程平穩，減少電流和機械的沖擊。分油機的功率為5.5 kW，可選用西門子3RW3025軟啟動器。啟動時I/O模塊的Y0通電，軟啟動器輸出已設定的起始電壓，同時按一定的速率提升輸出電壓，啟動時間到時，軟啟動器輸出額定電壓，同時通過14-24觸點輸出旁路信號BYPASSED，將此信號反饋控制裝置，以把握電動機的啟動時間。分油電動機設有過載保護，如果電動機過載，軟啟動器經降壓停車后，旁路信號將斷開。

2）分油機系統的啟動按鈕、停止按鈕、應急排渣按鈕、復位按鈕、報警確認按鈕、自動/手動選擇按鈕和各手動控制按鈕都采用觸摸屏的觸控按鍵來實現，自動分油排渣各時序的運行間隔時間也通過觸摸屏的數字輸入域來設置，因此I/O模塊無需這些按鈕，減少了I/O模塊的輸入點數。電動機運行指示、各電磁閥ON/OFF指示、各檢測點的信號指示、報警指示和排渣指示采用觸摸屏的指示燈，無需外接。

3）進油電磁閥YV0采用二位三通閥，當YV0通電時，待分污油進入分油機，回流通路關閉，而當YV0斷電時，待分污油回流儲油柜。

2.3 觸摸屏畫面設計

分油機控制系統主要有3個畫面，分別是主畫面、設置畫面和手動控制畫面。主畫面直觀、生動、逼真。高位水箱水位低報警指示燈、污油溫度低報警指示燈、出油口油壓低報警指示燈在檢測點處顯示，開啟水、水封水、置換水、污油進油等電磁閥的指示均采用開啟時液體流向箭標指示，電動機和溫控閥指示采用位指示燈。主畫面具有5個控制按鈕，分別是啟動、停止、應急排渣、故障復位和故障確認按鈕；2個畫面按鈕，分別是手動和設置按鈕。按下“手動”按鈕，打開手動控制畫面，該畫面可采用觸控按鈕直接控制分油機各電磁閥和電動機的啟停。按下“設置”按鈕，打開參數設置畫面，該畫面可設置分油機各時序時間間隔、分油運行時間、電動機啟動時間和報警延時等。

2.4 觸摸屏設置

觸摸屏采用COM1與I/O模塊連接，COM2口與上位監控機連接。COM1連接的設置：雙擊工程管理器/觸摸屏/連接/COM1連接，打開COM1通訊口屬性對話框，在“一般”頁面設置設備服務為Modbus RTU/Master；在“參數”頁面設置波特率19200 bps、數據位8、檢驗NONE、停止位1，與I/O模塊的通訊參數一致，PLC地址設置為1。其他采用缺省值。

在主畫面中放置一個定時器，雙擊定時器圖標，打開定時器屬性對話框，設置如下：執行方式－始終執行、頻率100 ms、執行次數0（表示不受次數限制）、功能類型－宏指令、名稱：auto。

2.5 程序設計

1）創建宏指令auto。觸摸屏對分油機的自動控制主要依靠定時執行宏指令auto來完成，要對宏指令auto進行編程和使用，必須先創建宏指令auto。創建宏指令auto之后，就可以在定時器中引用。

2）變量設定。觸摸屏的變量分為I/O變量和內部變量，本系統的I/O變量有4個輸入離散量和7個輸出離散量，輸入離散量X0～X3的地址為COM1口1x0～1x3，輸出離散量Y0～Y6的地址為COM1口0x0～0x6。觸摸屏的內部變量一般比較豐富，按程序設計的需要設置即可，但要注意分油機時序間隔參數等變量應位于斷電保持區，否則觸摸屏斷電后無法保存。

圖4 分油機控制流程圖

3）編程。觸摸屏控制程序的主要工作在于編寫宏指令auto的C語言代碼。ALFA Laval分油機自動控制程序流程圖如圖4所示，按照分油機的工藝要求，同時考慮到編程和調試的方便，將控制程序分為5個時序部分，分別為密封工況1、分油工況2、排渣工況3、空位工況4和故障處理工況5，各工況的步驟及之間的關系都在流程圖中體現出來。再考慮到故障如高位水箱水位低、進油溫度低等情況發生時，如何合理轉換系統的運行狀態，就可以編制出符合實際要求的控制程序，經過一段時間的調試和試運行就可以交付使用。手動控制程序較為簡單，用觸摸屏的觸控按鈕控制電動機接觸器和各電磁閥即可。

3 結語

本文提出一種基于觸摸屏的控制裝置，配合自行研制的I/O模塊，克服了觸摸屏無I/O的功能，使觸摸屏成為集觸控輸入、圖形顯示和控制邏輯于一身的控制裝置，從而擺脫了較為昂貴的PLC，同時簡化了控制系統。這種控制裝置成本較低，非常適合控制規模較小的機電設備，特別是船舶機艙機電設備。可以預見，隨著觸摸屏的穩定性和可靠性不斷提高，運行速度不斷加快，功能不斷增強，這種基于觸摸屏的控制裝置將得到廣泛的應用。

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