基于西门子1200 PLC与WinCC的船舶辅助锅炉监控系统设计

李 伟，曾新红，欧浩贤，黎朝歌，陈俊宏

（广州航海学院 机电工程系，广州 510725）

0 引言

在过去的船舶辅助锅炉运行控制系统中，从点火到锅炉燃烧这个过程一直采用继电器和延时继电器组成的电路进行过程控制，但这种过程控制系统体积相对庞大，故障点较多[1]，船员的工作量也较大，且工作条件恶劣。随着科学技术的发展，船舶自动化控制系统不断得到完善。PLC可编程控制器已广泛应用于船舶锅炉控制系统中，PLC可编程控制可以代替控制电路中的继电器实现控制过程，其特别适用于对时序要求高的锅炉控制系统。虽然各种锅炉的燃烧时序控制方案不同，其功能的完善程度不同，PLC的控制程序也不同，但是改变PLC的程序简单易操作，只需要在编程软件中改变软触点的控制方式，将其重新下载到PLC中即可，由此省去了改变控制接线电路的繁重工作。

1 方案设计

本设计是在原有的创新强校项目“基于WinCC与西门子 S7-1200的船舶机舱动力系统监控设计”基础上建立和完善的。该监控控制系统的指标要求是：通过PLC编程与WinCC模拟仿真界面，实现锅炉水位自动控制、锅炉的点火时序自动控制、蒸汽压力自动控制和故障安全报警保护[2]。

水位水泵的运行有手动和自动两种模式。选择自动运行模式时，通过预先设定下限值和上限值，可以让水泵在水位的下限值和上限值之间运行。当水位低于下限值或高于上限值时，传感器把锅炉中的水位信息通过A/D模块变换后传输到控制系统程序中，通过与设定的下限值或上限值进行比较，将比较结果输入PLC中进行处理，PLC再输出信号来控制交流接触器的通断，以此控制水泵的运行和停止。选择手动运行模式时，只能手动控制水泵的通断，以此控制锅炉水位。

锅炉的点火时序控制也有自动和手动两种控制模式。图1为锅炉燃烧时序控制图。选择自动控制模式时，锅炉的点火和运行只需要按下“自动点火”即可完成锅炉的预扫风、燃烧过程的送风、油泵的运行和停止、点火等一系列自动控制过程，同时还可以通过光敏电阻来监控燃烧和点火过程是否正常，从而控制锅炉的运行。选择手动控制模式时，从锅炉的点火到锅炉的正常运行，其中每一个阶段都要通过人工按下相应的控制按钮来控制。

图1 锅炉燃烧时序控制图

锅炉产生的蒸汽量可以通过反馈信号进行自动控制与调节。比较传感器测出的实际蒸汽压力值与 PLC程序中设定的目标蒸汽压力值，将比较结果反馈到油泵阀门，从而控制油泵阀门的开度和火焰的燃烧程度，以此将蒸汽量控制在设定的目标值范围内。

如果在正常工作中出现故障（例如危险低水位、点火失败、中途熄火、蒸汽超压等），该系统能够自动发出声光报警并采取一系列保护措施（例如停炉等）。

2 系统的硬件结构

该系统设计的硬件由PLC1200、上位机PC、A/D模块组成。SIMATIC S7-1200 PLC是一款紧凑型、模块化的PLC，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI和网络通信等任务[3]，可以扩展连接3个通信模块和8个信号模块。S7-1200 PLC通过CPU模块或通信模块上的通信接口，被连接到通信网络上，可以与计算机、其他PLC或其他设备通信。水位信号、蒸汽压力信号通过A/D模块转换成相应的电信号，该信号经转换变成相应的标准数据信号输入PLC进行数据处理运算。PLC根据已经设定好的程序得到相应的控制数据，通过I/O口输出信号控制交流接触器动作，从而完成相应的控制功能。

3 系统的组态软件设计

3.1 利用SIMATIC WINCC建立组态画面模型

以WinCC作为仿真监控平台，通过WinCC开发出的监控画面与PLC建立连接，达到监控船舶机舱动力系统的目的。根据对船舶辅助锅炉的现场考察，在WinCC软件中设计了监控图形画面，其中包括1个加热炉水罐、1个水库水罐、管道、流体、风机、水泵、油泵、电磁阀、液位开关、蒸汽压力传感器、燃烧监控画面、报警指示灯以及控制按钮。合理布置设备画面，使设计的画面尽量符合船舶现场的要求。在WinCC中设置通讯参数、建立数据库、编写命令语言和配置运行系统等。最后，通过建立连接，实现船舶辅助锅炉的计算机监控系统[4]。图2为监控画面图，该系统形成了一套从数据生成到数据组织、存储、查询、分析等的完整体系框架，能实现系统动态显示、数据监测与存储、故障报警显示、报表打印等功能。

图2 锅炉监控画面图

3.2 系统变量的定义

实时数据库是组态工程的数据交换和数据处理中心，数据库是构成实时数据库的基本单元。根据程序的功能需求，定义数据变量的内容，设定相应数据变量的名称、数据类型和数据地址，图3为系统所需的变量。

3.3 通过PLC与WinCC建立连接，进行系统的仿真与调试

将PLC与WinCC组态画面连接好，将控制程序下载到PLC中，结合实时仿真模型进行仿真试验，对船舶辅助锅炉控制系统监控功能进行验证，并分析试验结果。对待实现功能进行模拟仿真，将实际变量输入到仿真模型中，观察和验证WinCC画面的应答结果是否能达到目标要求。

经过多次系统仿真，不断调试和改善程序，最后得到一套理想的、可以实现目标功能的系统。

图3 系统变量

4 课题设计中遇到的难点

1）在TIA Portal V13软件中编程时的逻辑问题。

由于整个系统的组成比较复杂，变量相对较多，所以在编程前要确定好输入、输出的地址，避免使用过程中造成混乱。同时也需要确定 I/O点数和被控量（如开关量或模拟量）的性质。另外还要选取合适的PLC型号。

2）在 WinCC软件中建立图形画面及实现火焰燃烧动态的问题。

良好的图形画面设计和布置是监控画面设计成功与否的关键，要想达到较好的监控动态效果，就需在WinCC软件中建立图形画面时在其原有的图形库中新增一些图形控件，从而使图形画面的效果更完美。水位的变化采用原图库中的容器画面连接到变量，随着变量的改变进行动态显示。火焰燃烧的动态显示却利用新增图形结合VB程序来实现，达到很好效果。

5 结束语

该船舶辅助锅炉监控系统经过不断的调试与改进，最后完成的界面性能稳定，达到了预期效果。系统还可拓展成为网络远程监控，这将有利于降低操作人员的劳动强度。使用S7-PLCSIM仿真软件与WinCC软件进行连接仿真调试，再进行实物连接，使工程操作更加可靠。SIMATIC WinCC软件以其优异的特性应用在船舶辅助锅炉监控系统中，能实现实时数据记录、查找等功能。此外，还可方便地通过硬、软件的扩充实现更好的功能，该监控系统在船舶辅助锅炉的应用上有一定的参考价值和应用潜力。