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)具有運行速度快、調(diào)試周期短、維護(hù)簡單和可靠性高的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，特別是工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制中。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)境中長時間連續(xù)運行，是PLC的最佳拍檔[1]。本文設(shè)計的直混式燃?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，實現(xiàn)了分散控制和集中管理，具有運行平穩(wěn)、操作簡單、故障率低的優(yōu)點。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

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現(xiàn)互鎖保護(hù)，熱風(fēng)爐可實現(xiàn)自動點火、火焰監(jiān)測、熄火保護(hù)、燃?xì)飧叩蛪罕Ｗo(hù)、爐溫度自動控制、熱風(fēng)自動調(diào)節(jié)跟蹤等功能。因此要求燃燒控制系統(tǒng)滿足以下條件：

1）自動點火回路連鎖保護(hù)控制。點火過程中，助燃風(fēng)機(jī)變頻自動控制，火焰監(jiān)測器對點火過程進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)點火槍點燃、監(jiān)測器檢測到火焰后，PLC才發(fā)出指令使燃料電磁閥打開；

2）混合風(fēng)機(jī)變頻自動控制。通過觸摸屏根據(jù)現(xiàn)場工藝給定熱風(fēng)壓力值，PLC將給定熱風(fēng)壓力值與現(xiàn)場傳感器的反饋值進(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。燃燒器正常運行過程中，火焰檢測器對燃燒火焰進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)由于生產(chǎn)系統(tǒng)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(fā)出火焰熄火聲光報警信號,同時輸出控制信號關(guān)閉燃燒器燃?xì)?，實現(xiàn)燃燒系統(tǒng)的熄火報警與連鎖保護(hù)，確保燃燒系統(tǒng)安全可靠的運行；

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DCS系統(tǒng)發(fā)出緊急停車指令時，PLC控制燃料階段法快速切斷，并發(fā)出報警信號。

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

1）實時數(shù)據(jù)采集與控制。系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集諸如溫度、壓力、流量等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并能夠通過觸摸屏參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)變頻器的調(diào)速以至于對熱風(fēng)流量進(jìn)行PID控制；

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

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)趨勢曲線；

4）報警提示。出現(xiàn)報警信息時發(fā)出聲光信號，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)計的控制系統(tǒng)以西門子S7-400系列PLC作為控制器，觸摸屏用于顯示系統(tǒng)的工藝過程、運行狀態(tài)、設(shè)定參數(shù)等，變頻器控制點火風(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，用戶可根據(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。現(xiàn)場需要監(jiān)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(xiàn)場要求對熱風(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，用于實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)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(tǒng)還配有通訊模塊CP4431與上位DCS計算機(jī)通訊。

2 PLC應(yīng)用程序設(shè)計

PLC程序設(shè)計采用了西門子標(biāo)準(zhǔn)工具STEP7 V5.4。STEP7可用于對整個控制系統(tǒng)（包括PLC、遠(yuǎn)程I/O、驅(qū)動裝置和通信網(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，用于實現(xiàn)觸摸屏上的動畫顯示；OB35中存放PID控制程序，調(diào)用功能塊FB41，實現(xiàn)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(shù)值時用到，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

系統(tǒng)采用西門子MP277 10"TOUCH觸摸屏，運用組態(tài)軟件WinCC flexible 2007進(jìn)行組態(tài)。WinCC flexible 2007通過提供各種組件進(jìn)行組態(tài)，使用戶可以用觸摸屏上的組合文字、按鈕、圖形和數(shù)字信息等，來處理或監(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)計應(yīng)完成包括動畫功能在內(nèi)的人機(jī)界面程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、圖形顯示、人機(jī)對話、實時通信、實時數(shù)據(jù)分析等多個任務(wù)的實時并行處理。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

進(jìn)入系統(tǒng)后的初始畫面為控制系統(tǒng)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(yīng)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(jìn)行畫面切換。流程畫面顯示直混式燃?xì)鉄犸L(fēng)爐的工藝流程、設(shè)備狀態(tài)，可通過單擊畫面上的按鈕對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，如圖4所示。參數(shù)設(shè)置畫面用于對PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，初次進(jìn)入此畫面時需要用戶輸入登錄口令，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)畫面用于顯示燃燒控制系統(tǒng)所采集的現(xiàn)場模擬量的實時數(shù)值。在流量設(shè)置畫面，操作人員可以對熱風(fēng)流量這一重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，畫面上方的趨勢曲線圖顯示熱風(fēng)

流量的給定曲線和實測的曲線。報警畫面顯示系統(tǒng)運行時出現(xiàn)的報警信息，當(dāng)有新的報警出現(xiàn)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(tǒng)的安全運行。棒圖記錄畫面將控制系統(tǒng)所采集模擬量的實時數(shù)值以棒圖形式表現(xiàn)出來。曲線記錄畫面顯示監(jiān)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(jié)束語

本文采用西門子觸摸屏和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)計了直混式燃?xì)鉄犸L(fēng)爐的燃燒控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(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)過程自動化控制，使人機(jī)界面更加靈活、豐富，操作簡單、安全，提高了生產(chǎn)效率，并可通過通訊模塊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.

[2] 廖常初.西門子人機(jī)界面(觸摸屏)組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[3] 王艷新.基于PLC和觸摸屏的雙飛叉全自動轉(zhuǎn)子繞線機(jī)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2008.

[4] 楊旭東,李津,常欣.顯像管柔性曝光臺控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2008.