基于西門子1200 PLC與WinCC的船舶輔助鍋爐監控系統設計

李 偉，曾新紅，歐浩賢，黎朝歌，陳俊宏

（廣州航海學院 機電工程系，廣州 510725）

0 引言

在過去的船舶輔助鍋爐運行控制系統中，從點火到鍋爐燃燒這個過程一直采用繼電器和延時繼電器組成的電路進行過程控制，但這種過程控制系統體積相對龐大，故障點較多[1]，船員的工作量也較大，且工作條件惡劣。隨著科學技術的發展，船舶自動化控制系統不斷得到完善。PLC可編程控制器已廣泛應用于船舶鍋爐控制系統中，PLC可編程控制可以代替控制電路中的繼電器實現控制過程，其特別適用于對時序要求高的鍋爐控制系統。雖然各種鍋爐的燃燒時序控制方案不同，其功能的完善程度不同，PLC的控制程序也不同，但是改變PLC的程序簡單易操作，只需要在編程軟件中改變軟觸點的控制方式，將其重新下載到PLC中即可，由此省去了改變控制接線電路的繁重工作。

1 方案設計

本設計是在原有的創新強校項目“基于WinCC與西門子 S7-1200的船舶機艙動力系統監控設計”基礎上建立和完善的。該監控控制系統的指標要求是：通過PLC編程與WinCC模擬仿真界面，實現鍋爐水位自動控制、鍋爐的點火時序自動控制、蒸汽壓力自動控制和故障安全報警保護[2]。

水位水泵的運行有手動和自動兩種模式。選擇自動運行模式時，通過預先設定下限值和上限值，可以讓水泵在水位的下限值和上限值之間運行。當水位低于下限值或高于上限值時，傳感器把鍋爐中的水位信息通過A/D模塊變換后傳輸到控制系統程序中，通過與設定的下限值或上限值進行比較，將比較結果輸入PLC中進行處理，PLC再輸出信號來控制交流接觸器的通斷，以此控制水泵的運行和停止。選擇手動運行模式時，只能手動控制水泵的通斷，以此控制鍋爐水位。

鍋爐的點火時序控制也有自動和手動兩種控制模式。圖1為鍋爐燃燒時序控制圖。選擇自動控制模式時，鍋爐的點火和運行只需要按下“自動點火”即可完成鍋爐的預掃風、燃燒過程的送風、油泵的運行和停止、點火等一系列自動控制過程，同時還可以通過光敏電阻來監控燃燒和點火過程是否正常，從而控制鍋爐的運行。選擇手動控制模式時，從鍋爐的點火到鍋爐的正常運行，其中每一個階段都要通過人工按下相應的控制按鈕來控制。

圖1 鍋爐燃燒時序控制圖

鍋爐產生的蒸汽量可以通過反饋信號進行自動控制與調節。比較傳感器測出的實際蒸汽壓力值與 PLC程序中設定的目標蒸汽壓力值，將比較結果反饋到油泵閥門，從而控制油泵閥門的開度和火焰的燃燒程度，以此將蒸汽量控制在設定的目標值范圍內。

如果在正常工作中出現故障（例如危險低水位、點火失敗、中途熄火、蒸汽超壓等），該系統能夠自動發出聲光報警并采取一系列保護措施（例如停爐等）。

2 系統的硬件結構

該系統設計的硬件由PLC1200、上位機PC、A/D模塊組成。SIMATIC S7-1200 PLC是一款緊湊型、模塊化的PLC，可完成簡單邏輯控制、高級邏輯控制、HMI和網絡通信等任務[3]，可以擴展連接3個通信模塊和8個信號模塊。S7-1200 PLC通過CPU模塊或通信模塊上的通信接口，被連接到通信網絡上，可以與計算機、其他PLC或其他設備通信。水位信號、蒸汽壓力信號通過A/D模塊轉換成相應的電信號，該信號經轉換變成相應的標準數據信號輸入PLC進行數據處理運算。PLC根據已經設定好的程序得到相應的控制數據，通過I/O口輸出信號控制交流接觸器動作，從而完成相應的控制功能。

3 系統的組態軟件設計

3.1 利用SIMATIC WINCC建立組態畫面模型

以WinCC作為仿真監控平臺，通過WinCC開發出的監控畫面與PLC建立連接，達到監控船舶機艙動力系統的目的。根據對船舶輔助鍋爐的現場考察，在WinCC軟件中設計了監控圖形畫面，其中包括1個加熱爐水罐、1個水庫水罐、管道、流體、風機、水泵、油泵、電磁閥、液位開關、蒸汽壓力傳感器、燃燒監控畫面、報警指示燈以及控制按鈕。合理布置設備畫面，使設計的畫面盡量符合船舶現場的要求。在WinCC中設置通訊參數、建立數據庫、編寫命令語言和配置運行系統等。最后，通過建立連接，實現船舶輔助鍋爐的計算機監控系統[4]。圖2為監控畫面圖，該系統形成了一套從數據生成到數據組織、存儲、查詢、分析等的完整體系框架，能實現系統動態顯示、數據監測與存儲、故障報警顯示、報表打印等功能。

圖2 鍋爐監控畫面圖

3.2 系統變量的定義

實時數據庫是組態工程的數據交換和數據處理中心，數據庫是構成實時數據庫的基本單元。根據程序的功能需求，定義數據變量的內容，設定相應數據變量的名稱、數據類型和數據地址，圖3為系統所需的變量。

3.3 通過PLC與WinCC建立連接，進行系統的仿真與調試

將PLC與WinCC組態畫面連接好，將控制程序下載到PLC中，結合實時仿真模型進行仿真試驗，對船舶輔助鍋爐控制系統監控功能進行驗證，并分析試驗結果。對待實現功能進行模擬仿真，將實際變量輸入到仿真模型中，觀察和驗證WinCC畫面的應答結果是否能達到目標要求。

經過多次系統仿真，不斷調試和改善程序，最后得到一套理想的、可以實現目標功能的系統。

圖3 系統變量

4 課題設計中遇到的難點

1）在TIA Portal V13軟件中編程時的邏輯問題。

由于整個系統的組成比較復雜，變量相對較多，所以在編程前要確定好輸入、輸出的地址，避免使用過程中造成混亂。同時也需要確定 I/O點數和被控量（如開關量或模擬量）的性質。另外還要選取合適的PLC型號。

2）在 WinCC軟件中建立圖形畫面及實現火焰燃燒動態的問題。

良好的圖形畫面設計和布置是監控畫面設計成功與否的關鍵，要想達到較好的監控動態效果，就需在WinCC軟件中建立圖形畫面時在其原有的圖形庫中新增一些圖形控件，從而使圖形畫面的效果更完美。水位的變化采用原圖庫中的容器畫面連接到變量，隨著變量的改變進行動態顯示。火焰燃燒的動態顯示卻利用新增圖形結合VB程序來實現，達到很好效果。

5 結束語

該船舶輔助鍋爐監控系統經過不斷的調試與改進，最后完成的界面性能穩定，達到了預期效果。系統還可拓展成為網絡遠程監控，這將有利于降低操作人員的勞動強度。使用S7-PLCSIM仿真軟件與WinCC軟件進行連接仿真調試，再進行實物連接，使工程操作更加可靠。SIMATIC WinCC軟件以其優異的特性應用在船舶輔助鍋爐監控系統中，能實現實時數據記錄、查找等功能。此外，還可方便地通過硬、軟件的擴充實現更好的功能，該監控系統在船舶輔助鍋爐的應用上有一定的參考價值和應用潛力。