基于嵌入式工控觸摸屏的工業(yè)鍋爐水位控制系統(tǒng)平臺設計

摘 要：本文介紹了一種基于PLC與工業(yè)觸摸屏（人機界面）搭建的工業(yè)鍋爐水位自動化控制系統(tǒng)，并提供了整體方案設計、器件選型以及程序設計。該系統(tǒng)已設計完成并交付使用，實踐證明對于提高工業(yè)鍋爐自動化控制水平，降低運營維護成本，減少故障率起到了重要作用，具有一定推廣價值和意義。

關(guān)鍵詞：工業(yè)鍋爐水位控制；PLC；觸摸屏；人機界面

中圖分類號：TK32 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 10-0000-01

工業(yè)鍋爐廣泛的應用在發(fā)電、化工、礦石、造紙等各大重要的國民經(jīng)濟領域中，穩(wěn)定可靠的水位控制系統(tǒng)是保障其安全運行的重要條件之一，也是整套控制系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。如果鍋爐水位過高，則會導致蒸汽攜帶過多水分，增加溢出的可能性，引起軸封破裂，渦輪葉片折斷等嚴重事故。如果水位過低，則易燒干鍋、破壞水冷管壁，甚至引發(fā)爆炸。

一、工業(yè)鍋爐水位的控制要求

在鍋爐運行中，操作人員應該確保時刻通過水位表監(jiān)視鍋內(nèi)的水位情況：只要實際水位高度與給定水位之間出現(xiàn)了偏差，就需要立即進行人工干預。開打或關(guān)小給水閥門，使水位恢復到給定值。鍋爐水位應經(jīng)常保持在正常水位線處，在正常水位線上下50mm之內(nèi)波動[1]。本文從經(jīng)濟性和實用性兩個方面考慮，采用PLC+觸摸屏方案對工業(yè)鍋爐水位進行控制。

二、PLC+觸摸屏應用方案及選型設計

（一）PLC和觸摸屏的基本特點

PLC在工業(yè)、礦業(yè)、加工制造業(yè)等各方面有著極為廣泛的使用，民用方面比如洗衣機、智能電梯，智能樓宇也用得很多，實質(zhì)上是一種專門用于工業(yè)控制領域的計算機。觸摸屏也被稱為“人機界面”，軟件包括：即按照人機界面硬件進行定制化的系統(tǒng)軟件和運行于PC機Windows操作系統(tǒng)下的工業(yè)組態(tài)軟件。可與各類工業(yè)PLC、工控模塊、智能儀表、傳感器相連組成控制網(wǎng)絡系統(tǒng)。

（二）方案選型設計

PLC選擇的是三菱PLC控制器FX1N，該PLC采用220AC供電，帶一組232接口和485接口，輸入16點，輸出16點，為繼電器輸出合計32點。內(nèi)置時鐘，含2路AD輸入，支持6通道高速脈沖輸入。支持RS無協(xié)議通訊，繼電器采用5A大電流繼電器，內(nèi)含24VDC 100MA電源輸出可以接控制端傳感器之類負載[2]。

觸摸屏選擇的是臺達DOP-B07S410，這款觸摸屏硬件核心采用了ARM A8處理器系列CPU，底層軟件核心采用嵌入式操作系統(tǒng)Linux2.6內(nèi)核。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、人機界面、控制算法等均設計成獨立模塊，可根據(jù)不同的用戶需求進行剪裁；具有豐富的編程功能，支持功能塊、梯形圖、C語言腳本編程等多種編程方式；支持多臺人機界面設備之間的冗余功能。具備完善的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理功能，支持實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫管理功能。

（三）系統(tǒng)軟件設計

基于集中控制分散管理的思想，我們將系統(tǒng)分為三層：（1）系統(tǒng)應用層。主要通過觸摸屏所提供的工業(yè)控制組態(tài)軟開發(fā)平臺來實現(xiàn)：系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)的設置與錄入、實時運行過程的監(jiān)控、實時數(shù)據(jù)刷新與保存、數(shù)據(jù)曲線與報表的生成與打印、歷史數(shù)據(jù)的管理與調(diào)用、障礙信息的處理與報警等功能；（2）邏輯控制層。通過PLC的CPU模塊、數(shù)字量信號輸入輸出模塊、模擬量信號輸入輸出模塊、數(shù)字通信模塊、功能模塊來實現(xiàn)：各種控制邏輯、控制時序與控制功能，前端數(shù)據(jù)信號的采集與處理，控制算法和流程的設計，異常報錯的處理；（3）設備驅(qū)動層。由溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、壓力調(diào)節(jié)閥、變送器等檢測單元和執(zhí)行單元組成，用來接收PLC傳遞的各種控制指令，執(zhí)行PLC程序的相關(guān)動作，以達到控制的最終目的。

同時，整個系統(tǒng)向用戶提供了2套控制模式，并可靈活切換以滿足現(xiàn)場應用要求。在手動控制模式下，操作人員可以實時監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行流程，報警信號及電氣保護情況，并可完全以手動的方式打開或關(guān)閉任何設備。在自動控制模式下，操作人員可以離開現(xiàn)場，由系統(tǒng)自動完成各種設備的打開與關(guān)閉，按設定好的控制參數(shù)值來自動調(diào)節(jié)，并完成整個監(jiān)控過程的控制。

本系統(tǒng)采用了結(jié)構(gòu)化編程思想，主循環(huán)程序為OB1，負責調(diào)用數(shù)據(jù)采集、控制輸出、報警、連鎖等子程序功能模塊，并循環(huán)執(zhí)行。應用程序子模塊FC2負責控制整個工業(yè)鍋爐水位控制的連鎖動作；FC3模塊負責蒸汽流量值與蒸汽密度值的采集與計算；FC5模塊負責調(diào)解水位、轉(zhuǎn)速值的采集與自動調(diào)整；FC7模塊負責輸入輸出模擬量的對比、檢測與修正[3]。

（1）數(shù)據(jù)采集。負責采集并存儲鍋爐水位系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的全部數(shù)據(jù)。采集變送器的輸入信號，將模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量，并寫入數(shù)據(jù)塊中；將采集的數(shù)據(jù)原始值轉(zhuǎn)化為工程量，包括工程偏移量、工程最小值、工程最大值，并寫入數(shù)據(jù)塊中。計算給煤量的二次量，并設置爐排轉(zhuǎn)速與寬度，轉(zhuǎn)換系數(shù)等；（2）控制輸入輸出模塊。在自動控制狀態(tài)或手動控制狀態(tài)下，進行當前狀態(tài)的判斷，并負責從PID控制輸出操作器讀出操作量，并寫入AO模塊相應的地址上進行數(shù)模轉(zhuǎn)化，完成后將控制信號輸出到操作器的輸入端加以執(zhí)行；（3）連鎖輸出及運行報警模塊。連鎖輸出功能是為了杜絕重大危險隱患而做的保護措施。即當出現(xiàn)不可預知的人為或非人為因素而導致供水不充分引起干燒時，連鎖功能立刻輸出緊急停爐信號，避免出現(xiàn)干燒所產(chǎn)生的爆炸或坍塌等嚴重事故。一但系統(tǒng)檢測到停爐信號，將按固定順序關(guān)閉鼓風機、電機、爐排機、總開關(guān)，整個系統(tǒng)處于停滯狀態(tài)并發(fā)出緊急報警信號通知操作人員處理。

三、結(jié)束語

本系統(tǒng)通過PLC與觸摸屏（人機界面）結(jié)合的方案，實現(xiàn)了工業(yè)鍋爐水位的三層控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)已設計完成并投入使用，經(jīng)實際運行檢驗，確實提升了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，增強了可靠性，對節(jié)約生產(chǎn)成本，減輕操作人員的工作量，提高經(jīng)濟效益等方面產(chǎn)生了重要的作用，具有極高的推廣價值和意義。

參考文獻：

[1]王卓，付冬梅，劉德軍.鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的研究[J].自動化儀表，2006（11）.

[2]王衛(wèi)兵，高俊山，韓劍輝.可編程控制器原理及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[3]廖常初.PLC梯形圖程序的設計方法與技巧[J].電工技術(shù)，1998.

[作者簡介]連迅（1976-），男，碩士，工程師，主要研究方向：機電一體化技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)設計。