基于觸摸屏和PLC的燃?xì)鉄犸L(fēng)爐控制系統(tǒng)

任阿丹，姜 明 ，劉曙濱

（1. 西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)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(tǒng)具有運(yùn)行速度快、調(diào)試周期短、維護(hù)簡(jiǎn)單和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制中。觸摸屏作為人機(jī)界面發(fā)展的主流方向，能夠彌補(bǔ)PLC的人機(jī)接口功能較差的不足，并且能夠在惡劣的工業(yè)環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，是PLC的最佳拍檔[1]。本文設(shè)計(jì)的直混式燃?xì)鉄犸L(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)采用了PLC與觸摸屏結(jié)合的控制方式，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了分散控制和集中管理，具有運(yùn)行平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)單、故障率低的優(yōu)點(diǎn)。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)功能

直混式燃?xì)鉄犸L(fēng)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(nèi)燃燒，通過(guò)混合風(fēng)機(jī)產(chǎn)生恒定熱風(fēng)為硝酸鉀噴漿造粒提供熱量。設(shè)備主要由熱風(fēng)爐本體、燃?xì)馊紵?、點(diǎn)火風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)變頻控制柜、混合風(fēng)機(jī)變頻控制柜、觸摸屏PLC控制柜、燃?xì)庹{(diào)壓箱、燃燒控制器、熱能儀表、爐前燃?xì)夤艿老到y(tǒng)、爐前空氣管道系統(tǒng)、爐前操作平臺(tái)構(gòu)成。該系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)互鎖保護(hù)，熱風(fēng)爐可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)火、火焰監(jiān)測(cè)、熄火保護(hù)、燃?xì)飧叩蛪罕Ｗo(hù)、爐溫度自動(dòng)控制、熱風(fēng)自動(dòng)調(diào)節(jié)跟蹤等功能。因此要求燃燒控制系統(tǒng)滿(mǎn)足以下條件：

1）自動(dòng)點(diǎn)火回路連鎖保護(hù)控制。點(diǎn)火過(guò)程中，助燃風(fēng)機(jī)變頻自動(dòng)控制，火焰監(jiān)測(cè)器對(duì)點(diǎn)火過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)點(diǎn)火槍點(diǎn)燃、監(jiān)測(cè)器檢測(cè)到火焰后，PLC才發(fā)出指令使燃料電磁閥打開(kāi)；

2）混合風(fēng)機(jī)變頻自動(dòng)控制。通過(guò)觸摸屏根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝給定熱風(fēng)壓力值，PLC將給定熱風(fēng)壓力值與現(xiàn)場(chǎng)傳感器的反饋值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，達(dá)到控制變頻器輸出和控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制熱風(fēng)壓力的目的。通過(guò)PID參數(shù)的優(yōu)化，可將風(fēng)壓很穩(wěn)定的控制在設(shè)定值左右，達(dá)到生產(chǎn)造粒設(shè)備的要求；

3）熄火連鎖保護(hù)控制。燃燒器正常運(yùn)行過(guò)程中，火焰檢測(cè)器對(duì)燃燒火焰進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)由于生產(chǎn)系統(tǒng)擾動(dòng)引起燃燒器意外熄火時(shí)，火焰檢測(cè)器能及時(shí)檢出，由PLC控制器發(fā)出火焰熄火聲光報(bào)警信號(hào),同時(shí)輸出控制信號(hào)關(guān)閉燃燒器燃?xì)猓瑢?shí)現(xiàn)燃燒系統(tǒng)的熄火報(bào)警與連鎖保護(hù)，確保燃燒系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行；

4）緊急情況下聯(lián)鎖保護(hù)控制。當(dāng)系統(tǒng)突然斷電或上級(jí)DCS系統(tǒng)發(fā)出緊急停車(chē)指令時(shí)，PLC控制燃料階段法快速切斷，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

根據(jù)上述控制要求，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與控制。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集諸如溫度、壓力、流量等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并能夠通過(guò)觸摸屏參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)變頻器的調(diào)速以至于對(duì)熱風(fēng)流量進(jìn)行PID控制；

2）畫(huà)面監(jiān)控顯示。系統(tǒng)能在觸摸屏上以動(dòng)畫(huà)、圖像等形式顯示工藝過(guò)程、設(shè)備狀況，能控制外部設(shè)備I/O信號(hào)；

3）數(shù)據(jù)管理。包括數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)棒圖記錄、數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線(xiàn)；

4）報(bào)警提示。出現(xiàn)報(bào)警信息時(shí)發(fā)出聲光信號(hào)，以便操作人員技術(shù)作出處理。

1.2 控制系統(tǒng)的組成

圖1 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

圖2 系統(tǒng)流程圖

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)以西門(mén)子S7-400系列PLC作為控制器，觸摸屏用于顯示系統(tǒng)的工藝過(guò)程、運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)定參數(shù)等，變頻器控制點(diǎn)火風(fēng)機(jī)和助燃風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速其硬件組成如圖1所示。S7-400系列PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用戶(hù)可根據(jù)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(xiàn)場(chǎng)需要監(jiān)控3個(gè)壓力信號(hào)、3個(gè)溫度信號(hào)及2個(gè)流量信號(hào)共9個(gè)模擬量信號(hào)，故選擇模擬量輸入模塊SM431 AI16。由于現(xiàn)場(chǎng)要求對(duì)熱風(fēng)溫度進(jìn)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(shù)字量擴(kuò)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(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量信號(hào)的采集和控制。觸摸屏選擇MP277 10"TOUCH,可通過(guò)RS422/485接口與PLC通訊。系統(tǒng)還配有通訊模塊CP4431與上位DCS計(jì)算機(jī)通訊。

2 PLC應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

PLC程序設(shè)計(jì)采用了西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)工具STEP7 V5.4。STEP7可用于對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)（包括PLC、遠(yuǎn)程I/O、驅(qū)動(dòng)裝置和通信網(wǎng)絡(luò)等）進(jìn)行組態(tài)、編程和監(jiān)控[1]。本文設(shè)計(jì)的燃燒控制系統(tǒng)PLC程序包括主程序OB1、循環(huán)中斷組織塊OB32和OB35、暖啟動(dòng)組織塊OB100和處理模擬量數(shù)據(jù)的功能塊FC1～FC10。

循環(huán)中斷組織塊OB32存放循環(huán)程序，用于實(shí)現(xiàn)觸摸屏上的動(dòng)畫(huà)顯示；OB35中存放PID控制程序，調(diào)用功能塊FB41，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的PID控制；暖啟動(dòng)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(shù)值時(shí)用到，使用MOVE塊將采集值或設(shè)定值送入指定地址，以便在觸摸屏上顯示和設(shè)定；OB1主要由3部分組成：模擬量采集程序、數(shù)字量控制程序和報(bào)警程序。

圖3 控制系統(tǒng)軟件構(gòu)成圖

燃燒控制系統(tǒng)的軟件流程圖如圖2所示。

3 觸摸屏程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用西門(mén)子MP277 10"TOUCH觸摸屏，運(yùn)用組態(tài)軟件WinCC flexible 2007進(jìn)行組態(tài)。WinCC flexible 2007通過(guò)提供各種組件進(jìn)行組態(tài)，使用戶(hù)可以用觸摸屏上的組合文字、按鈕、圖形和數(shù)字信息等，來(lái)處理或監(jiān)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(tǒng)使用統(tǒng)一的通信協(xié)議、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)和統(tǒng)一的編程組態(tài)工具。[2]觸摸屏的應(yīng)用使監(jiān)控更加直觀，節(jié)省了按鈕等硬件，使直混式熱風(fēng)爐燃燒控制系統(tǒng)更加可靠和方便。

根據(jù)控制系統(tǒng)功能要求，觸摸屏程序設(shè)計(jì)應(yīng)完成包括動(dòng)畫(huà)功能在內(nèi)的人機(jī)界面程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、圖形顯示、人機(jī)對(duì)話(huà)、實(shí)時(shí)通信、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析等多個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)并行處理。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

進(jìn)入系統(tǒng)后的初始畫(huà)面為控制系統(tǒng)的主界面，如圖3所示。該畫(huà)面包含了各個(gè)分畫(huà)面的切換按鈕，單擊按鈕可以切換到相應(yīng)的畫(huà)面，其他畫(huà)面均有“返回”按鈕，單擊可返回初始畫(huà)面，便于用戶(hù)進(jìn)行畫(huà)面切換。流程畫(huà)面顯示直混式燃?xì)鉄犸L(fēng)爐的工藝流程、設(shè)備狀態(tài)，可通過(guò)單擊畫(huà)面上的按鈕對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，如圖4所示。參數(shù)設(shè)置畫(huà)面用于對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，初次進(jìn)入此畫(huà)面時(shí)需要用戶(hù)輸入登錄口令，防止非操作人員進(jìn)行操作，保證了系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)參數(shù)畫(huà)面用于顯示燃燒控制系統(tǒng)所采集的現(xiàn)場(chǎng)模擬量的實(shí)時(shí)數(shù)值。在流量設(shè)置畫(huà)面，操作人員可以對(duì)熱風(fēng)流量這一重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，畫(huà)面上方的趨勢(shì)曲線(xiàn)圖顯示熱風(fēng)

流量的給定曲線(xiàn)和實(shí)測(cè)的曲線(xiàn)。報(bào)警畫(huà)面顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的報(bào)警信息，當(dāng)有新的報(bào)警出現(xiàn)時(shí)，觸摸屏畫(huà)面將自動(dòng)彈出“報(bào)警彈出窗口”，以提示用戶(hù)注意報(bào)警信息，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。棒圖記錄畫(huà)面將控制系統(tǒng)所采集模擬量的實(shí)時(shí)數(shù)值以棒圖形式表現(xiàn)出來(lái)。曲線(xiàn)記錄畫(huà)面顯示監(jiān)控過(guò)程中各個(gè)模擬量的實(shí)時(shí)輸出值及趨勢(shì)曲線(xiàn)，方便觀察。單擊“用戶(hù)注銷(xiāo)”按鈕退出。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用西門(mén)子觸摸屏和S7-400系列PLC，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)工具STEP7 V5.4和組態(tài)軟件WinCC flexible，設(shè)計(jì)了直混式燃?xì)鉄犸L(fēng)爐的燃燒控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了熱風(fēng)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(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化控制，使人機(jī)界面更加靈活、豐富，操作簡(jiǎn)單、安全，提高了生產(chǎn)效率，并可通過(guò)通訊模塊CP4431與該行業(yè)的其他生產(chǎn)設(shè)備通訊聯(lián)網(wǎng)組成集中管理、分散控制的分散式控制系統(tǒng)，具有很好的發(fā)展前景。

[1] 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

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