基于触摸屏和PLC的燃气热风炉控制系统

任阿丹，姜 明 ，刘曙滨

（1. 西安理工大学 机械与精密仪器工程学院，西安 710048； 2. 上海市格伏能源科技，上海 200000）

0 引言

以PLC作为控制器的控制系统具有运行速度快、调试周期短、维护简单和可靠性高的优点，被广泛应用于各个领域，特别是工业生产过程的自动控制中。触摸屏作为人机界面发展的主流方向，能够弥补PLC的人机接口功能较差的不足，并且能够在恶劣的工业环境中长时间连续运行，是PLC的最佳拍档[1]。本文设计的直混式燃气热风炉燃烧控制系统采用了PLC与触摸屏结合的控制方式，充分发挥二者的优势，实现了分散控制和集中管理，具有运行平稳、操作简单、故障率低的优点。

1 控制系统总体设计

1.1 控制系统功能

直混式燃气热风炉以合成氨装置外送燃料气和天然气作为燃烧气源在炉内燃烧，通过混合风机产生恒定热风为硝酸钾喷浆造粒提供热量。设备主要由热风炉本体、燃气燃烧器、点火风机、助燃风机变频控制柜、混合风机变频控制柜、触摸屏PLC控制柜、燃气调压箱、燃烧控制器、热能仪表、炉前燃气管道系统、炉前空气管道系统、炉前操作平台构成。该系统能够按照工艺要求选择天然气燃烧或合成氨气体燃烧并实现互锁保护，热风炉可实现自动点火、火焰监测、熄火保护、燃气高低压保护、炉温度自动控制、热风自动调节跟踪等功能。因此要求燃烧控制系统满足以下条件：

1）自动点火回路连锁保护控制。点火过程中，助燃风机变频自动控制，火焰监测器对点火过程进行实时监测，当点火枪点燃、监测器检测到火焰后，PLC才发出指令使燃料电磁阀打开；

2）混合风机变频自动控制。通过触摸屏根据现场工艺给定热风压力值，PLC将给定热风压力值与现场传感器的反馈值进行PID调节，达到控制变频器输出和控制风机转速，从而控制热风压力的目的。通过PID参数的优化，可将风压很稳定的控制在设定值左右，达到生产造粒设备的要求；

3）熄火连锁保护控制。燃烧器正常运行过程中，火焰检测器对燃烧火焰进行监测，当由于生产系统扰动引起燃烧器意外熄火时，火焰检测器能及时检出，由PLC控制器发出火焰熄火声光报警信号,同时输出控制信号关闭燃烧器燃气，实现燃烧系统的熄火报警与连锁保护，确保燃烧系统安全可靠的运行；

4）紧急情况下联锁保护控制。当系统突然断电或上级DCS系统发出紧急停车指令时，PLC控制燃料阶段法快速切断，并发出报警信号。

根据上述控制要求，本文设计的控制系统应具有以下功能：

1）实时数据采集与控制。系统能够实时采集诸如温度、压力、流量等现场数据，并能够通过触摸屏参数设置，实现变频器的调速以至于对热风流量进行PID控制；

2）画面监控显示。系统能在触摸屏上以动画、图像等形式显示工艺过程、设备状况，能控制外部设备I/O信号；

3）数据管理。包括数据显示、数据棒图记录、数据趋势曲线；

4）报警提示。出现报警信息时发出声光信号，以便操作人员技术作出处理。

1.2 控制系统的组成

图1 控制系统硬件构成图

图2 系统流程图

本文设计的控制系统以西门子S7-400系列PLC作为控制器，触摸屏用于显示系统的工艺过程、运行状态、设定参数等，变频器控制点火风机和助燃风机转速其硬件组成如图1所示。S7-400系列PLC采用模块化结构设计，用户可根据需要选择模块。PLC中央处理单元CPU模块选择CPU412-1，所配置电源模块为PS405。现场需要监控3个压力信号、3个温度信号及2个流量信号共9个模拟量信号，故选择模拟量输入模块SM431 AI16。由于现场要求对热风温度进行控制，需配置模拟量输出模块，所以选择SM432 AO8作为模拟量输出模块。数字量扩展模块选择2块SM421 DI16输入模块，2块SM422 DO16作为输出模块，用于实现对现场数字量信号的采集和控制。触摸屏选择MP277 10"TOUCH,可通过RS422/485接口与PLC通讯。系统还配有通讯模块CP4431与上位DCS计算机通讯。

2 PLC应用程序设计

PLC程序设计采用了西门子标准工具STEP7 V5.4。STEP7可用于对整个控制系统（包括PLC、远程I/O、驱动装置和通信网络等）进行组态、编程和监控[1]。本文设计的燃烧控制系统PLC程序包括主程序OB1、循环中断组织块OB32和OB35、暖启动组织块OB100和处理模拟量数据的功能块FC1～FC10。

循环中断组织块OB32存放循环程序，用于实现触摸屏上的动画显示；OB35中存放PID控制程序，调用功能块FB41，实现对模拟量的PID控制；暖启动组织块OB100存放初始化程序；功能块FC1～FC10在主程序OB1中采集模拟量数值时用到，使用MOVE块将采集值或设定值送入指定地址，以便在触摸屏上显示和设定；OB1主要由3部分组成：模拟量采集程序、数字量控制程序和报警程序。

图3 控制系统软件构成图

燃烧控制系统的软件流程图如图2所示。

3 触摸屏程序设计

系统采用西门子MP277 10"TOUCH触摸屏，运用组态软件WinCC flexible 2007进行组态。WinCC flexible 2007通过提供各种组件进行组态，使用户可以用触摸屏上的组合文字、按钮、图形和数字信息等，来处理或监控不断变化的信息；并且能够和编程软件STEP7 V5.4集成，控制系统使用统一的通信协议、统一的数据库和统一的编程组态工具。[2]触摸屏的应用使监控更加直观，节省了按钮等硬件，使直混式热风炉燃烧控制系统更加可靠和方便。

根据控制系统功能要求，触摸屏程序设计应完成包括动画功能在内的人机界面程序，实现数据采集、图形显示、人机对话、实时通信、实时数据分析等多个任务的实时并行处理。系统的软件结构如图3所示。

进入系统后的初始画面为控制系统的主界面，如图3所示。该画面包含了各个分画面的切换按钮，单击按钮可以切换到相应的画面，其他画面均有“返回”按钮，单击可返回初始画面，便于用户进行画面切换。流程画面显示直混式燃气热风炉的工艺流程、设备状态，可通过单击画面上的按钮对现场设备进行控制，如图4所示。参数设置画面用于对PID参数进行设置，初次进入此画面时需要用户输入登录口令，防止非操作人员进行操作，保证了系统的安全性。系统参数画面用于显示燃烧控制系统所采集的现场模拟量的实时数值。在流量设置画面，操作人员可以对热风流量这一重要参数进行设置，画面上方的趋势曲线图显示热风

流量的给定曲线和实测的曲线。报警画面显示系统运行时出现的报警信息，当有新的报警出现时，触摸屏画面将自动弹出“报警弹出窗口”，以提示用户注意报警信息，保证系统的安全运行。棒图记录画面将控制系统所采集模拟量的实时数值以棒图形式表现出来。曲线记录画面显示监控过程中各个模拟量的实时输出值及趋势曲线，方便观察。单击“用户注销”按钮退出。

4 结束语

本文采用西门子触摸屏和S7-400系列PLC，结合标准工具STEP7 V5.4和组态软件WinCC flexible，设计了直混式燃气热风炉的燃烧控制系统。该系统实现了热风炉以合成氨装置外送燃料气和天然气作为气源，为硝酸钾喷浆造粒提供热量的全部生产过程自动化控制，使人机界面更加灵活、丰富，操作简单、安全，提高了生产效率，并可通过通讯模块CP4431与该行业的其他生产设备通讯联网组成集中管理、分散控制的分散式控制系统，具有很好的发展前景。

[1] 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2] 廖常初.西门子人机界面(触摸屏)组态与应用技术[M]. 北京:机械工业出版社,2008.

[3] 王艳新.基于PLC和触摸屏的双飞叉全自动转子绕线机设计[J].制造业自动化,2008.

[4] 杨旭东,李津,常欣.显像管柔性曝光台控制系统的设计[J].制造业自动化,2008.