李漢，宋艷瓊

（廣州航海學(xué)院輪機(jī)系， 廣州 510725）

0 引言

船用分油機(jī)是凈化燃油滑油的重要設(shè)備。船用分油機(jī)自動排渣控制經(jīng)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(shù)不斷發(fā)展，控制設(shè)備和手段愈多，不斷促進(jìn)船用分油機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展。目前，船用分油機(jī)控制以PLC為主，采用現(xiàn)場總線的分布式控制在多機(jī)場合也得到不同程度的發(fā)展。分油機(jī)控制常常需要調(diào)節(jié)參數(shù)來適應(yīng)不同的油品，觸摸屏作為人機(jī)界面廣泛用于分油機(jī)控制系統(tǒng)中[6]，但目前觸摸屏只是作為PLC的人機(jī)接口設(shè)備，分油機(jī)的控制邏輯完全由PLC完成。隨著微處理器和工業(yè)軟件技術(shù)不斷發(fā)展，觸摸屏的性能和功能都得到較大的發(fā)展，已經(jīng)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(tǒng)、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(jié)合了圖形顯示和觸摸輸入，成為工業(yè)控制系統(tǒng)人機(jī)界面的主流[7]。觸摸屏是一種直觀的操作設(shè)備，使操作變得簡單、直接。觸摸屏還能指示機(jī)器設(shè)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(shù)。觸摸屏還具有通信聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控和多語言切換等功能[8]。實際應(yīng)用中觸摸屏往往和PLC配合，實時控制由PLC執(zhí)行，而觸摸屏僅起到設(shè)定參數(shù)、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(shù)不斷發(fā)展，觸摸屏的運行速度越來越快，控制功能越來越強(qiáng)，能夠使用宏指令或函數(shù)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(fā)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(tǒng)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(shè)備的電氣控制核心，因此對觸摸屏提出較高的要求：（1）穩(wěn)定性好、可靠性高，平均無故障運行時間應(yīng)達(dá)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(xié)議或自定義通訊協(xié)議；（4）支持采用C語言編程的宏指令或C語言函數(shù)功能塊。

1.2 通訊協(xié)議

觸摸屏不能直接輸入或輸出與控制對象相關(guān)的開關(guān)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(tài)輸入觸摸屏或?qū)⒂|摸屏的控制信號輸出到I/O模塊，達(dá)到構(gòu)建以觸摸屏為核心的控制系統(tǒng)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(xié)議才能實現(xiàn)，因此，通訊協(xié)議是觸摸屏的控制裝置的重要功能。串行通訊協(xié)議可采用通用和開放的通訊協(xié)議，也可使用專用或自定義的通訊協(xié)議，但為了通用性，建議使用通用、開放的通訊協(xié)議，其中MODBUS串行通訊協(xié)議簡捷高效[9]，并得到多數(shù)品牌觸摸屏的支持，可作為首選。

1.3 I/O模塊

I/O模塊應(yīng)滿足如下要求：（1）穩(wěn)定性好，可靠性高，能滿足船用要求；（2）支持MODBUS串行協(xié)議；（3）具有一定點數(shù)的數(shù)字量或模擬量的輸入/輸出接口，能滿足船舶機(jī)電設(shè)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(fā)一個采用32位單片機(jī)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(fù)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(jié)點地址和固定通訊參數(shù)：節(jié)點地址為1，通訊參數(shù)為波特率19200 bps、數(shù)據(jù)位8、停止位1、無奇偶檢驗。

2 分油機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計

圖2 觸摸屏I/O模塊電路圖

2.1 分油機(jī)的工藝要求[1,3]

1）準(zhǔn)備：啟動油溫控制裝置，保證待分污油的溫度在允許范圍內(nèi)；保證高位水箱水位正常；接通分油機(jī)控制系統(tǒng)電源，按下運行按鈕，啟動分油機(jī)驅(qū)動電動機(jī)，經(jīng)一段時間的延時，驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后可進(jìn)入分油作業(yè)。

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(diào)節(jié)水電磁閥YV2，沖洗分離筒，排剩渣。5 s后，關(guān)閉開啟水電磁閥YV1，關(guān)閉排渣口，經(jīng)過25 s延時，打開水封水電磁閥YV3，向分離筒注入水封水，進(jìn)行水封，再經(jīng)過25 s后，水封形成，分油機(jī)排渣孔可靠關(guān)閉，分油機(jī)完成密封工況。

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

4）排渣工況：當(dāng)分油機(jī)分油工況進(jìn)行到設(shè)定時間即排渣時間（基準(zhǔn)值為120 min），就關(guān)閉進(jìn)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(nèi)的殘余油排出。經(jīng)過25 s后，關(guān)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(nèi)的沖洗水和污渣排凈，活動底盤復(fù)位，排渣孔關(guān)閉，排渣過程結(jié)束。

圖3 分油機(jī)控制系統(tǒng)電路圖

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

6）停車過程：按下自動停車按鈕，或分油機(jī)跑油、工作水箱低水位、油溫低等任一故障發(fā)生時，系統(tǒng)進(jìn)入停車過程。控制系統(tǒng)立即關(guān)閉進(jìn)油電磁閥YV0，同時進(jìn)行一次沖洗排渣操作，最后斷開分油機(jī)驅(qū)動電動機(jī)的電源，停車結(jié)束。若是故障停車操作，還需發(fā)出聲光報警。

2.2 硬件設(shè)計

基于觸摸屏的控制器應(yīng)用于ALFA Laval分油機(jī)的控制系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)由顯控公司生產(chǎn)的SA-5.7B型觸摸屏、自行開發(fā)的I/O模塊和分油機(jī)組成，ES為凈油出口處油壓檢驗開關(guān)，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(jī)電動機(jī)采用軟啟動器啟動。軟啟動器可以調(diào)節(jié)起始電壓、啟動時間和停車時間，使分油機(jī)啟動和停止過程平穩(wěn)，減少電流和機(jī)械的沖擊。分油機(jī)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(shè)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(jī)的啟動時間。分油電動機(jī)設(shè)有過載保護(hù)，如果電動機(jī)過載，軟啟動器經(jīng)降壓停車后，旁路信號將斷開。

2）分油機(jī)系統(tǒng)的啟動按鈕、停止按鈕、應(yīng)急排渣按鈕、復(fù)位按鈕、報警確認(rèn)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(xiàn)，自動分油排渣各時序的運行間隔時間也通過觸摸屏的數(shù)字輸入域來設(shè)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(shù)。電動機(jī)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(jìn)油電磁閥YV0采用二位三通閥，當(dāng)YV0通電時，待分污油進(jìn)入分油機(jī)，回流通路關(guān)閉，而當(dāng)YV0斷電時，待分污油回流儲油柜。

2.3 觸摸屏畫面設(shè)計

分油機(jī)控制系統(tǒng)主要有3個畫面，分別是主畫面、設(shè)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(jìn)油等電磁閥的指示均采用開啟時液體流向箭標(biāo)指示，電動機(jī)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(yīng)急排渣、故障復(fù)位和故障確認(rèn)按鈕；2個畫面按鈕，分別是手動和設(shè)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(jī)各電磁閥和電動機(jī)的啟停。按下“設(shè)置”按鈕，打開參數(shù)設(shè)置畫面，該畫面可設(shè)置分油機(jī)各時序時間間隔、分油運行時間、電動機(jī)啟動時間和報警延時等。

2.4 觸摸屏設(shè)置

觸摸屏采用COM1與I/O模塊連接，COM2口與上位監(jiān)控機(jī)連接。COM1連接的設(shè)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(shè)置設(shè)備服務(wù)為Modbus RTU/Master；在“參數(shù)”頁面設(shè)置波特率19200 bps、數(shù)據(jù)位8、檢驗NONE、停止位1，與I/O模塊的通訊參數(shù)一致，PLC地址設(shè)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(biāo)，打開定時器屬性對話框，設(shè)置如下：執(zhí)行方式－始終執(zhí)行、頻率100 ms、執(zhí)行次數(shù)0（表示不受次數(shù)限制）、功能類型－宏指令、名稱：auto。

2.5 程序設(shè)計

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

2）變量設(shè)定。觸摸屏的變量分為I/O變量和內(nèi)部變量，本系統(tǒng)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(nèi)部變量一般比較豐富，按程序設(shè)計的需要設(shè)置即可，但要注意分油機(jī)時序間隔參數(shù)等變量應(yīng)位于斷電保持區(qū)，否則觸摸屏斷電后無法保存。

圖4 分油機(jī)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(jī)自動控制程序流程圖如圖4所示，按照分油機(jī)的工藝要求，同時考慮到編程和調(diào)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(guān)系都在流程圖中體現(xiàn)出來。再考慮到故障如高位水箱水位低、進(jìn)油溫度低等情況發(fā)生時，如何合理轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的運行狀態(tài)，就可以編制出符合實際要求的控制程序，經(jīng)過一段時間的調(diào)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(jī)接觸器和各電磁閥即可。

3 結(jié)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(tǒng)。這種控制裝置成本較低，非常適合控制規(guī)模較小的機(jī)電設(shè)備，特別是船舶機(jī)艙機(jī)電設(shè)備?？梢灶A(yù)見，隨著觸摸屏的穩(wěn)定性和可靠性不斷提高，運行速度不斷加快，功能不斷增強(qiáng)，這種基于觸摸屏的控制裝置將得到廣泛的應(yīng)用。

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