船用燃油鍋爐PLC和觸控屏的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊俊+單劍+陳翱

摘 要：針對某型立式燃油鍋爐存在控制系統(tǒng)功能落后問題，該文采用PLC控制器與觸控屏相結(jié)合的技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套全新的控制系統(tǒng)，較原系統(tǒng)增加了保養(yǎng)提示和超期閉鎖功能、故障記錄統(tǒng)計(jì)功能，關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，大大提升了設(shè)備的智能化程度和人機(jī)交互性能。此系統(tǒng)可以有效提高鍋爐的自主性，為后期設(shè)備的保養(yǎng)、維護(hù)等設(shè)備日常問題進(jìn)行及時(shí)反饋。對于故障的紀(jì)錄系統(tǒng)可以很好地保證人員在修理前準(zhǔn)確定位故障類型，對如何開展維修提供可靠保障。

關(guān)鍵詞：燃油鍋爐 PLC 觸控屏 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：U66 文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)，該系統(tǒng)雖有一定程度的自動化程度，但系統(tǒng)復(fù)雜而且故障多、可靠性差、維護(hù)工作量大，由于智能化程度低，不能進(jìn)行設(shè)備參數(shù)、故障報(bào)警的實(shí)時(shí)記錄與統(tǒng)計(jì)，故障發(fā)生時(shí)不利于及時(shí)排除，并且不易實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展。而PLC具有使用方便、通用性強(qiáng)、可靠性高、適應(yīng)面廣、編程簡單及抗干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)成為工業(yè)自動化領(lǐng)域中最重要、應(yīng)用最廣的控制設(shè)備之一。特別是近年來，PLC在網(wǎng)絡(luò)通訊、運(yùn)動控制、PID控制方面的功能更加強(qiáng)大，為該船鍋爐現(xiàn)有控制功能的升級提供了可能。該系統(tǒng)在能夠滿足鍋爐現(xiàn)有功能的基礎(chǔ)上增加三項(xiàng)功能：一是鍋爐維護(hù)保養(yǎng)提示和超期鎖閉功能；二是故障記錄與統(tǒng)計(jì)功能；三是關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。

1 鍋爐的基本介紹

1.1 鍋爐的基本參數(shù)

鍋爐的基本參數(shù)（如圖1）。

1.2 壓力控制及保護(hù)

自動燃燒及報(bào)警保護(hù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換。

壓力控制器內(nèi)設(shè)壓力傳動裝置，可以將鍋爐蒸汽壓力信號轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)開關(guān)信號，當(dāng)蒸汽壓力達(dá)到規(guī)定值時(shí)切斷燃燒。（見圖2）

如果壓力控制保護(hù)措施失效，鍋爐壓力失控將不斷上升，最終導(dǎo)致安全閥起跳。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，安全閥共設(shè)有兩只，以達(dá)致雙重保護(hù)的功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件選型

PLC選型的基本原則是保證系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、使用維護(hù)方便且滿足控制功能的前提下。在實(shí)際設(shè)計(jì)中一般考慮以下幾個(gè)方面的問題。

（1）I/O點(diǎn)數(shù)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(jì)方法是：（輸入+輸出）×（10～12）=指令步數(shù)。

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

（4）響應(yīng)速度。

根據(jù)以上原則，該系統(tǒng)選擇了西門子的S7-200 smart的可編程控制器，CPU SR60，擴(kuò)展2塊數(shù)字輸入模塊EMDI08，1塊模擬輸入模塊 EMAI04，1塊數(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(jīng)過內(nèi)部程序處理后輸出控制信號至各傳感器控制設(shè)備正常運(yùn)行，并將設(shè)備狀態(tài)參數(shù)等信息傳輸?shù)接|控屏。觸摸屏在控制系統(tǒng)中主要承擔(dān)著使過程可視化、操作員對過程的控制、顯示報(bào)警、過程值、報(bào)警記錄、報(bào)警歸檔、過程和設(shè)備參數(shù)管理的功能，它可以與PLC通過RS485通信接口進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，向PLC發(fā)送控制指令，并采集PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視。

水位控制功能是通過水位計(jì)對水位進(jìn)行檢測實(shí)現(xiàn)的，將4個(gè)水位（上限水位、給水位、停給水位、下限水位）的4個(gè)開關(guān)將信號接入PLC，經(jīng)PLC控制水泵，實(shí)現(xiàn)給水量的控制、報(bào)警處理、低水位聯(lián)鎖、給水水泵電機(jī)故障時(shí)的聯(lián)鎖等控制，使系統(tǒng)完全達(dá)到自動平穩(wěn)運(yùn)行。

蒸汽壓力控制功能是通過壓力傳感器測量蒸汽壓力實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)兩級壓力上限保護(hù)和燃燒（大、小火）控制。

燃燒系統(tǒng)的自動控制的本質(zhì)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(shù)，對鍋爐發(fā)出起動信號后，自動起動風(fēng)機(jī)和油泵，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)打火、掃風(fēng)、二級燃燒等燃燒程序的進(jìn)行。

高水位、低水位、報(bào)警功能和過低水位保護(hù)是通過水位計(jì)進(jìn)行檢測，將開關(guān)量信號送至PLC來實(shí)現(xiàn)；空氣壓力低、燃燒鉸鏈未合保護(hù)和報(bào)警功能通過壓力傳感器將開關(guān)量信號送至PLC來實(shí)現(xiàn)；火焰故障保護(hù)和報(bào)警功能通過光敏開關(guān)將開關(guān)量信號送至PLC來實(shí)現(xiàn)。

鍋爐維護(hù)保養(yǎng)的自動提示功能通過PLC內(nèi)部程序觸發(fā)觸控屏預(yù)設(shè)提示文字控件來實(shí)現(xiàn)。超期不維護(hù)的系統(tǒng)自動鎖閉功能則直接由PLC內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)，該功能將十分有利于設(shè)備的日常保養(yǎng)與周期保養(yǎng)。

故障自動統(tǒng)計(jì)記錄與記錄功能通過觸控屏報(bào)警記錄功能采集設(shè)備運(yùn)行過程中的報(bào)警信息，并通過觸控屏的變量歸檔功能處理和長期存儲設(shè)備運(yùn)行過程中的測量值和過程值實(shí)現(xiàn)。通過此項(xiàng)功能可以清楚記錄故障次數(shù)、故障部位和頻率，當(dāng)某一故障部件達(dá)到設(shè)定的故障次數(shù)或頻率后，自動提示更換零部件，為關(guān)鍵故障零部件的修理與更換提供了有力的依據(jù)。

關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)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(shí)時(shí)反映在觸控屏的狀態(tài)監(jiān)視器窗口當(dāng)中，該項(xiàng)功能可以使值班人員對鍋爐參數(shù)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控了解。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)