PLC锅炉触摸屏控制系统设计方案

自 动 化 学 院

工 程 设 计 训 练 报 告

学 院 专 业 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 学 期 完成日期

自动化 自动化 050614 05061417 徐路明 王家军 老师 2008-2009学年 2008-12-26

目 录

引言 -------------------------------------------------------------------------------------------------1 第一章 绪论 ----------------------------------------------------------------------------------2 1.1 锅炉控制系统概述 --------------------------------------------------------------------2 1.2 国内外研究现状 -----------------------------------------------------------------------2 1.3 本课题研究背景及意义 --------------------------------------------------------------4

1.3.1 基于PLC锅炉控制系统的背景 --------------------------------------------4 1.3.2 本课题研究意义 --------------------------------------------------------------4 1.3.3本章小结 ----------------------------- ------------------------------------------5

第二章 关键技术介绍 ------------------------------ ---------------------------------------6 2.1 PLC分布式监控系统技术 -----------------------------------------6

2.1.1 PLC概述 ------------------------------------------------6 2.1.2 PLC监控技术 ------------------------------------------------------------------7 2.1.3 PLC监控系统的结构 ---------------------------------------------------------7 2.1.4 PLC监控系统的功能组成 ---------------------------------------------------8

2.2 触摸屏技术介绍 ------ -----------------------------------------------------------------9

2.2.1 触摸屏技术概述 ----------------------------------------------------------------9 2.2.2 触摸屏的工作原理 -----------------------------------------------------------9 2.2.3 触摸屏技术工程应用 ---------------------------------------------------------11

第三章 锅炉控制系统技术 ----------------------------------------------------------------13 3.1 锅炉系统基本工艺过程 ---------------------------------------------------------------13 3.2 系统监控对象及系统工艺要求 ------------------------------------------------------13

3.2.1系统监控对象及子系统划分 -------------------------------------------------13 3.2.2各子系统的工艺要求 ----------------------------------------------------------14 3.3 系统总体性能及监控要求 ------------------------------------------------------------14

3.3.1锅炉监控系统的总体性能 ----------------------------------------------------14 3.3.2锅炉监控系统的总体功能 ----------------------------------------------------15 3.3.3系统的监控要求 ----------------------------------------------------------------15 第四章 总结和展望 ---------------------------------------------------------------------------17 4.1 体会心得 ---------------------------------------------------------------------------------17 4.2 未来工作方向 ---------------------------------------------------------------------------17 参考文献 ------------------------------------------------------------------------------------------18

引言

目前，在锅炉行业中，它们的控制结构大多采用按钮和继电器或程序控制器来实现，这种控制方式智能化程度低，只能简单地对锅炉的燃烧状态和水位进行即时控制，无法对锅炉工作时的运行参数、启动时间及校正时间进行灵活地设置和修改，不能动态地反映出锅炉的当前工作状态，也无法对锅炉以前发生的故障和总点火次数、风机运行时间及燃烧器运行时间进行准确地累积记录，影响锅炉的管理和维护。此外，现有锅炉如需多台联网控制，则需增加控制台，加大成本，设备结构也更趋复杂。

本次在富尔顿公司工程训练的目的就是为了解决上述问题，研究一种自动化和智能化程度高，功能齐全的采用PLC和触摸屏联合控制的智能锅炉方案。采用PLC和触摸屏联合控制的智能锅炉，它包括有锅炉本体，本体上设的控制柜，其特征在于在控制柜内设有可编程序控制器PLC，在控制柜表面设有触摸屏，PL C的通讯端口通过通讯电缆与触摸屏的通讯端口相连，PLC的多路输入端分别与设置在锅炉本体的各水位开关、温度开关、电导率开关、压力开关、火焰检测探头及过载开关的输出相连，PLC的多路输出端口分别接锅炉本体的各对应电磁阁及对应控制器。采用西门子的S7--200PL控制，不仅简化了系统，提高了设备的可靠性和稳定性，同时也大幅地提高了燃烧能的热效率。通过触摸屏操作面板修改系统参数可以满足不同的工况要求，机组的各种信息，如工作状态、故障情况等可以声光报警及文字形式表示出来，主要控制参数(温度值)的实时变化情况以趋势图的形式记录显示，方便了设备的操作和维护，该系统通用性好、扩展性强，直观易操作。

第一章

绪论

锅炉作为重要的动力设备，已广泛应用于化工、炼油、发电等工业生产中，同时锅炉又是工业生产及采暖供热中一次能源转换为二次能源的重要设备。从某种意义上讲，锅炉控制效果的好坏对企业的经济效益和人民的生活质量有着直接的影响。由于锅炉本身具有多输入、多输出并且各个参数之间还具有相互关联性的特点，所以对锅炉的控制始终是各国技术人员不断探索研究的一个重要课题。

传统的锅炉控制系统大多采用手动操作或仪表控制，控制精度低，生产效果差。操作者与管理层之间的通信基本上采用电话联系，管理层难于及时全面了解控制现场的情况，信息不但反馈时间长而且有遗漏，管理时效性差，企业的生产效益和经济效益低，不能满足企业的发展需要。

随着PLC技术和触摸屏控制技术的发展，国内外相继研发了一系列先进的控制系统，其先进的控制技术使信息交互沟通的领域覆盖了从工厂的现场设备层到控制层和管理层的方方面面，给各行各业注入了新的活力。在锅炉控制方面，使人们摆脱了常规仪表控制的局限性，其结构简单、界面人性化等功能，为企业提高自动化水平，创造更高的经济效益提供了有力的保障。但对于不同规模、不同管理模式的企业，其锅炉控制的目的、达到的效果、设备的选型、抗干扰设计、保护措施等方面存在很大的差异。

1.1 锅炉控制系统概述

锅炉控制系统就是其工作过程是根据工艺及负荷的要求，生产具有一定压力和温度的蒸汽或者热水。锅炉控制系统是对锅炉热工参数进行检测与显示、对锅炉的运行进行控制并实施保护与联锁控制、保证锅炉运行的安全性和经济性的计算机监控系统。基于PLC(Programmable Logic Controller)的锅炉触摸屏监控系统就是利用现代先进的计算机技术、自动控制技术、网络及通信技术实现工业热水锅炉全方位监控的实用新型系统，具有提高锅炉输出参数的稳定性、保障操作人员及设备的安全、改善锅炉房的生产条件、减轻司炉人员的劳动强度、节约能源等优点。

1.2 国内外研究现状

国内对锅炉控制的研究始于80年代初期。最初，大多数系统是在引进国外成套设备的同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。锅炉制控制系统的发展过程与其它事物一样，也经历了由简单到复杂、由手动到自动的过程。60年代，锅炉的控制还只是实行人工操作，锅炉的燃烧完全是凭司炉工人的经验，几乎谈不到自动控制。到了70-80年代，逐步出现了由常规检测仪表和调节仪表构成的模拟控制系统，它具有可靠性高，成本低，易于操作和维护等优点，在大、中、小工业企业中得到了广泛

应用，解决了不少自动化方面的问题。到了90年代，出现了以计算机作为自动化工具的过程控制技术，计算机控制系统运算速度快，控制精度高，并且具有分时操作功能，一台计算机可代替多台常规装置，计算机具有较强的记忆功能和逻辑判断功能，在环境或过程参数发生变化时，能及时做出判断，选择最优控制决策。

纵观我国锅炉控制方面的理论研究，可以说与其它发达国家水平相差不大，但在应用水平上，差距较大。据有关资料统计，我国现有工业锅炉约30万台，随着生产的发展，工业锅炉的需要量正在以每年2万吨的速度增长，每年消耗原煤2*108T，占全国原煤产量的1/3，数量极其可观。但目前我国有中小型锅炉在使用中普遍存在调节手段有限、锅炉的出力不能随外界负荷变化及时变化等现象，从而降低了锅炉的效率，远远不能满足我国经济发展的需要。因此，从行业发展现状来说，尽管我国对锅炉控制的研究和推广己取得了很大的进展，但仍然存在问题较多，概括起来有以下一些特点:

1.利用效率低、能源消耗大，系统在节能降耗方面还有待于进一步加强。 2.系统成本相对较高，下降幅度还有很大空间。

3.系统对先进控制技术的使用停留在系统局部控制上，在综合系统中体不足。 综上所述，进一步提高、完善和推广已经取得的国内外研究成果，将是当前的一项重要任务。锅炉控制的自动化研究方向应该集中在以下几个方面:

①提高控制器的可靠性。实际控制工程中，要求控制器简单，计算时间短，目前研究的先进控制策略往往结构复杂，计算时间长，且大部分研究成果仍处十实验室仿真阶段，如何将其推向控制实际应用是今后的努力方向。

②提高控制系统的硬件水平。为了保证锅炉安全运行，要对锅炉本体的设计制造进行控制，以保证硬件质量，增强系统的性能。主要是要提高硬件的可用性、可维护性，加强元器件的标准化，尽快提高设备的生产水平。

③加强控制系统一体化。要加强利用网络，使信息资源在控制装置中充分发挥其作用，推动控制系统向更高层次发展。

④降低设备造价。在锅炉设备的研制方面，要遵循通用化、标准化、专用化的设计原则，尽量减少安装时间，降低成本。

⑤实现智能化。要加强对检测技术的研究，提高对锅炉的温度、压力、流量等参数的检测水平，达到用智能化手段进行检测。

进入21世纪以来，人类进入了一个以知识经济为特征的信息时代，检测技术、计算机技术和通讯技术一起构成现代信息的三大基础。 21世纪第一个10年的热点必将是传感、执行与检测。锅炉自动化控制系统作为传感、执行与检测技术的一个应用方面也必将跨入数字化、网络化和智能化时代，而且对于大规模锅炉群控，检测技术、计算机技术和通讯技术的结合在一起，形成锅炉控制系统的集成化管理、网络化控制，这将是锅炉控制系统发展的又一个里程碑。在锅炉控制理论方面，也有许多优

秀的控制理论相继出现。例如，模糊控制理论和智能控制理论目前已经很好地应用在锅炉控制系统上。

综观上述，从锅炉控制的发展过程来看，仅靠人工加常规仪表，不仅难以做到平稳操作，安全生产也没有确定的保证，工人的劳动强度大，生产条件差,而且运行热效率低，浪费能源，污染环境。为此，世界上许多国家利用计算机的快速性、可靠性、准确性和多种特殊功能，以改善锅炉的监控品质，提高锅炉的热效率，节省能源，减少污染，具有广阔的应用前景。目前，我国还主要采用PLC控制技术对锅炉进行过程控制，已经成为使锅炉能长期、稳定、经济地运行的主要控制手段。本次工程训练中，利用PLC技术同时结合触摸屏技术对锅炉实行全面控制，具有监控全面，系统稳定，和人机结合、实时操作性强的特点。 1.3 本课题研究背景及意义

1.3.1 基于PLC锅炉控制系统的背景

自二十世纪六十年代美国推出PLC取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，在世界各地得到了广泛应用，同时，PLC的功能也不断完善。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术、网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，国内外对锅炉的监控也逐渐从传统的继电器控制系统转移到以PLC为核心的控制系统上来。特别是近些年来，随着信息技术在全球范围内的研究与普及，工业信息化在自动化方面也得到了广泛的应用，要求在工业的生产、管理、经营过程中，通过信息基础设施，在集成平台上，实现信息的采集(传感器及仪器仪表)、信息的传输(通信)、信息的处理(计算机)以及信息的综合应用(自动化、管理、经营等功能)等，这也对锅炉的监控提出了新的要求。经过多年的研究与应用，目前，我国在锅炉监控方面的技术、产业和应用都有了很大的发展，而且正在向智能化、网络化、信息化和集成化方向发展。国内研究锅炉控制比较成熟的企业有上海杜比公司、南京仁泰公司，广州迪森公司，杭钢集团等。此外，还有一些科研院校联合企业也开发各种智能锅炉控制系统。

1.3.2 本课题研究意义

随着科学技术的迅猛发展，计算机控制系统的发展也达到了前所未有的高度，多项新技术己经广泛应用到了关系国计民生的各行各业。当然，计算机技术在锅炉行业的应用也不能例外，锅炉监控技术必须要求跟上现代技术发展的步伐。目前，在锅炉行业中，不论是立式贯，还是卧式的内燃锅炉，它们的控制结构均采用按钮和继电器或程序控制器来实现，这种控制方式智能化程度低，只能简单地对锅炉的燃烧状态和水位进行即时控制，无法对锅炉工作时的运行参数、启动时间及校正时间进行灵活地设置和修改，不能动态地反映出锅炉的当前工作状态，也无法对锅炉以前发生的故障和总点火次数、风机运行时间及燃烧器运行时间进行准确地累积记录，影响锅炉的管

理和维护。此外，现有锅炉如需多台联网控制，则需增加控制台，加大成本，设备结构也更趋复杂。

本次在富尔顿公司工程训练的目的就是为了解决上述问题，研究一种自动化和智能化程度高，功能齐全的采用触摸屏控制的智能锅炉方案。

本方案我们是基于西门子PLC锅炉触摸屏控制技术，它包括有锅炉本体，本体上设的控制柜，其特征在于在控制柜内设有可编程序控制器西门子PLC，在控制柜表面设有触摸屏，PL C的通讯端口通过通讯电缆与触摸屏的通讯端口相连，PLC的多路输入端分别与设置在锅炉本体的各水位开关、温度开关、电导率开关、压力开关、火焰检测探头及过载开关的输出相连，PLC的多路输出端口分别接锅炉本体的各对应电磁阁及对应控制器。

本方案的优点在于采用触摸屏作为人机界面，可实时动感地显示风机、水泵、油泵等的运行状况及火焰的变化状态，本方案一方面具有火焰自动调节、炉膛自动吹扫和火焰、风压、回油压自动检测功能。另外，蒸汽锅炉还具有连续给水、表面排污的自动控制及水位低限、高限的自动检测功能:热水锅炉还具有漏水、断水自动检测功能。可真正实现无人操作全自动运行。另一方面具有自动启停设置、时间校正等功能，能自动记录以前故障发生的时间和原因及累计记录总点火次数、风机运行时间、燃烧器运行时间，以便于管理和维护。本方案可应用于各种锅炉，如立式或卧式燃油或燃气的蒸汽锅炉以及立式或卧式燃油或燃气的热水锅炉。其具有很高的可靠性，可在触摸屏画面上显示出各种故障现象，如油泵、水泵、风机过载，点火失败、异常熄火、风机无风、燃气检漏失败、燃气泄漏、燃气压力过低及燃气压力、出烟温度、回油压力过高等故障。本方案还能方便地实现多台锅炉联网使用，无须设置主控制台即可自动选择锅炉运行台数和分配每台锅炉的负荷，其触摸屏具有远程监控功能。本实用新型可方便的与楼宇自动化网络及工厂自动化控制网络互联，具有很大的社会效益和经济效益。

1.3.3本章小结

本章通过介绍国内外锅炉及其控制系统的发展，分析了传统锅炉控制存在的问题，利用经计算机进行控制的优点，介绍了课题的来源，提出了课题的研究内容，并阐述了课题的现实意义。

第二章 关键技术介绍

2.1 PLC分布式监控系统技术

2.1.1 PLC概述

可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的、数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储并执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC作为一种工业控制装置，其组成主要由中央处理单元CPU、存储器、输入输出(I/0)单元、电源、外部接口和各种功能模块组成。典型的PLC结构如图2-1所示：

图2-1 典型的PLC结构

上述结构的机型通常称作“一体机”，随着PLC技术的发展，近年来随着各行各业生产规模的不断扩大，这种硬件资源有限的“一体机”机型逐渐被分体式的PLC机型所取代。分体式的PLC采用模块化的硬件结构，把电源、中央处理单元、输入输出单元、接口和通讯单元等从原来的“一体机”中分离出来，做成单独的模块单元，使用时采用积木式的拼装方式或者采用现场总线进行连接，把被分离出来的中央处理单元通常称作CPU，它仍然是PLC的核心单元。PLC一般采用循环扫描的工作方式。PLC上电后，执行系统程序规定的任务、周而复始地扫描并执行用户程序。完成一次扫描所用的时间称为扫描周期。一次循环过程可归纳为五个阶段，依次为:公共处理—﹥执行用户程序—﹥扫描周期计算—﹥输入输出刷新—﹥外设端口服务。完成上述各阶段的处理后，又返回公共处理阶段，周而复始地进行扫描。

2.1.2 PLC监控技术

所谓PLC监控技术，就是利用PLC及其功能模块将工业现场中被监控对象的实际运行状态(如运行、停止、报警等)和物理参量(如温度、压力、流量、液位等)进行采集，并将物理参量转换为标准的电压或电流信号，然后将这些表示状态的开关量以及代表实际物理参量的模拟量输入控制器，在用户程序中将这些信号处理以后，通过现场通讯总线传送到上位机中，并且在上位机中以数字、图形、指示灯或曲线的方式显示出来。如果出现异常情况，则及时用声光报警，提醒有关工作人员注意，从而使得操作人员能够直观而迅速地了解被监控对象的变化过程。除此之外，计算机还可以将采集到的数据存储起来，随时进行分析、统计和显示并制作各种报表。如果需要对被监控对象进行控制，则由计算机中的应用软件根据采集到的物理参量和状态量的变化情况进行分析判断，然后在输出装置中输出相应的电信号并且推动执行装置(如调节阀、电动机等)动作从而完成相应的控制任务。

2.1.3 PLC监控系统的结构

从整个发展过程来看，硬件结构从集中式向分布式发展。集中式结构是指由单一的PLC单元完成控制系统的所有功能以及对被控对象实施统一控制的一种系统结构。而分布式结构是相对于集中式结构而言的一种新型PLC控制系统，由于采用了现场总线技术，所以更适用于控制对象多而复杂的大型系统，现在己成为计算机监控系统的主流结构。

(一) 集中式结构

集中式结构比较简单，通常在下位机中采用一个PLC单元将过程数据或状态进行采集和处理，当CPU本体中的1/0点数不够用时，采用该系列PLC的扩展模块进行扩展，系统中的CPU本体及其所有扩展模块紧凑连接，并且都放在一个控制柜内，但扩展能力随PLC的不同有异，扩展能力有限。PLC集中式监控系统的结构如图2-2所示:

图2-2 PLC集中式监控系统的结构

(二) 分布式结构

虽然不同的PLC分布式监控系统存在着许多差异，但其核心结构基本上是一致的，它们都是分布式控制系统(DCS: Distributed Control System)的范畴。PLC分布式系统一般由系统网络、CPU本体、现场1/0控制站、操作员站和工程师站等部分组成。在PLC分布式系统中，各现场1/0控制站都是相对独立的，这些完成特定功能的1/0站点称为“节点”。PLC分布式监控系统中CPU本体的主要功能是:

1.收集各1/0站点采集到的现场模拟量和状态量; 2.执行用户程序; 3.与上位机进行数据通信; 4.向各1/0站点输出控制信号。

PLC分布式监控系统的结构如图2-3所示。

图2-3 PLC分布式监控系统的结构

目前除了少数系统因监控对象少，位置又相对集中，采用集中式结构外，许 多PLC监控系统为适应现代化规模较大的监控对象，都采用分布式结构。特别是当监控对象数目较多，位置相对分散，距离主控室较远时，分布式系统就更能体现出其较高的性价比和优越性。

2.1.4 PLC监控系统的功能组成

PLC分布式监控系统可以用在不同的行业和企业生产过程中，虽然监控的对象有所不同，但其一般都包括以下几个功能组成部分。

1. 数据采集部分

PLC分布式监控系统具有数据采集和变换的部件，用来采集现场的实时数据，如温度、流量、压力、液位、电压、电流、功率等需要监测的运行参数，还包括一些表示现场设备运行状态的开关量。通常把这些采集到的模拟量或开关量，实时地变换成计算机能够处理的代码形式。

2. 通信总线部分

通信总线连接整个系统各个站点，是下位机各站点之间以及上位机与下位机之间进行数据通信的线路，同时也是PLC分布式监控系统的核心组成部分。

3. 实时监视部分

上位机通过通信总线接收到现场各种实时数据和状态以后，以运行管理人员习惯使用的图标形式通过显示器实时显示出来，使运行人员、管理人员能从显示的图表或数据中，及时地了解和掌握现场的情况。

4. 超限报警部分

上位机在对现场的实时运行数据和状态进行监视的同时，还将各项实时数据与预先设定的该项数据的上限值和下限值逐个进行比较，如果发现某些数据超出上限或低于下限，则以醒目的颜色或动态图形显示出来，也可以同时用声音提醒工作人员注意并及时处理，以使这些工作数据尽快回到正常状态的数值范围内。

5．数据报表部分

为了便于分析监控系统的监控对象，接收监控对象运行情况和工作效益，计算机将收集到的监控对象的运行数据进行统计和整理并生成报表,以便进行数据分析使用。

6. 集中控制部分

PLC分布式监控系统根据实际运行情况的需要，可以通过上位机对监控对象进行控制，以便改变和调整控制对象的工作状态。

2.2 触摸屏技术介绍

2.2.1 触摸屏技术概述

触摸屏(Touch Panel )是一种附加在显示器表面的透明介质。通过使用者的手指触摸该介质来实现对计算机的操作定位，最终实现对计算机的查询和输入，从而大大简化了计算机的输入方式，真正实现零距离操作。

触摸屏技术已经非常成熟，在欧美，如Micro Touch、Elo 及Dynapro等厂商都有近20年的历史；日本的Nisha和Gunze也有十年以上的经验。而在生产技术发展上，东西方也各不相同，欧美触摸屏以电容式、表面声波式及五线式为发展方向，产品以大尺寸居多；日本触摸屏以四线式为发展方向，产品以小尺寸为主；中国台湾厂商大部分也以发展四线电阻式居多。

触摸屏技术的应用非常广阔，试用于家用电器、自动控制设备面板以及像医疗设备这样需要擦拭清洁的应用场合。当需要时可在LCD显示器上实现可重置按键，或在传感器容易受到破坏的环境中它就是理想的解决方案，例如，它完全可以用来制造锅炉控制面板，用于像取款机或其他安全应用。

2.2.2 触摸屏的工作原理

触摸屏的本质就是传感器，它由触摸检测部件和触摸屏控制器组成。触摸检测部

件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器 ； 触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置接收触摸信息，并将它转换成触点坐标送给C P U， 同时能接收CP U发来的命令并加以执行。目前，根据传感器的类型， 触摸屏主要被分为表面声波式、电阻式、电容式、红外线式和新概念型触摸屏四种 。

1. 表面声波式触摸屏

表面声波是一种沿介质表面传播的机械波该种触摸屏的角上装有超声波换能 器。能发送一种高频声波跨越屏幕表面，当手指触及屏幕时，触点上的声波即被阻止， 由此确定坐标位置。表面声波触摸屏不受温度、湿度等环境因素影响，分辨率极高， 有极好的防刮性，寿命长，透光率高， 能保持清晰透亮的图像质量 ，最适合公共场所使用。但尘埃、水及污垢会严重影响其性能，需要经常维护，保持屏面的光洁 。

2. 电阻式触摸屏

电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，在强化玻璃表面分别涂上两层OTI 透明氧化金属导电层。利用压力感应进行控制。当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化。在 X和Y两个方向上产生信号，然后传送到触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并汁算出( X，Y)的位置，再根据模拟鼠标的方式运作电阻式触摸屏不怕尘埃、水及污垢影响，能在条件恶劣环境下工作。但由于复合薄膜的外层采用塑胶材料，抗爆性较差，使用寿命受到一定影响。

3. 电容式触摸屏

这种触摸屏是利用人体的电流感应进行工作的，在玻璃表面贴上一层透明的特殊金属导电物质，当有导电物体触碰时，就会改变触点的电容，从而可以探测出触摸的位置。但用戴手套的手或手持不导电的物体触摸时没有反应，这是因为增加了更为绝缘的介质。电容式触摸屏能够很好地感应轻微及快速触摸、防刮擦、不怕尘埃、水及污垢影响，适合恶劣环境下使用。但由于电容随温度、湿度或环境电场的不同而变化，故其稳定性较差，分辨率低，易漂移。

4. 红外线式触摸屏

红外线式触摸屏在显示器的前面安装一个电路板外框，电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交义的红外线矩阵。用户在触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。任何触摸物体都可以改变触点上的红外线而实现触摸屏操作，红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜某些恶劣的环境条件。其主要优点是价格低廉、安装方便、 不需要插卡或其它任何控制器，可以在各档次的计算机上应用。

5. 新概念型触摸屏

(1) 触摸笔 （Touch Pen）利用触摸笔进行操作的触摸屏类似白板，除显示界面、窗口和图标外，还具有利用触摸笔签名和标记的功能，系统已经做到了自动辨认。因

此，这种触摸笔比早期只提供选择菜单用的光笔功能大大增强。

(2) 触摸板 （Touch board）触摸板采用了压感电容式触摸技术，屏幕面积最大，3m*4m是一种挂壁式系统。触摸板由三部分组成：最底层是中心传感器，用于监视触摸板是否被接触，然后对信息进行处理；中间层提供了交互用的图形和文字；最外层是触摸表层，由强度很高的塑料材料构成。

2.2.3触摸屏技术工程应用

如前所述，触摸屏近来发展迅速，触摸屏多媒体的演示系统以其色彩亮丽的画面 ，丰富的多媒体表现形式，简便的使用操作，提供全方位的形象展示、业务咨询 、 信息查询、工业控制等功能 。目前，触摸屏已经广泛地应用于各个领域，触摸屏按照用途分为查询类触摸屏和工业用触摸屏。这里选择几个主要的应用领域作一介绍 ：

1. 工业用触摸屏

工业用触摸屏是触摸式工业图形显示器的简称，它是一种连接人类和机器( 主要是PLC) 的人机界面( 国外称为 HMI )，被称为PLC的脸面。它是替代传统控制面板和键盘的智能化操作示器。可用于参数设置和数据显示。以曲线，动画等形式描绘 自动化控制过程，并可简化PLC的控制程序。该类触摸屏的主要作用是： 监视和控制。随着科学技术进步及高科技产品的更新换代，在电力、冶金及石化等行业的大中型企业中，淘汰原有工艺设备，采用新技术、新工艺，对原有设备 ( 系统 )进行的技术改造已越来越多，也越来越普遍。PLC+上位机的控制方式逐步成为了改造和新建项目的主流，其中采用触摸屏作为上位机是降低改造成本的最好选择之一。

2. 电子商务系统

使用触摸屏入场券查询预订系统，可在屏幕上显示出预订的座位及该位置观看比赛的效果，当确定了座位之后，将信用卡放进系统中即可以完成预订过程 。一些现代化商店的结算柜台使用了计算机交互终端没备，顾客通过在触摸屏上操作即可以打印出标有货物名称、价格的付款单。商家在终端机上可以利用满屏的视频图像进行产品促销，而顾客也可以根据自己的需要对商品进行查询。

3. 智能电动密集柜系统

这方面的应用最为普遍,主要应用如下：

（1）房地产查询和销售：美国ERA公司设计的联 机房地产信息网络通过设在公

共场所的触摸屏信息台把各种房地产信息提供给用户， 这就免除了购房者跑腿之苦，同时也为房地产主提供了在全国范围内作广告的机会。

（2）邮电查询与话费查询：邮电局和电话局也利用触摸屏系统向公众提供各类查

询， 包括邮政业务查询、电信业务查询、邮编和长途电话区号查询、储汇业

务查询等。例如，北京南区邮电局就采用了环星公司的触摸屏查询台为公众服务。

（3）售票与航运服务等：例如，北京站售票厅的触摸屏售票台可让用户选择车

次、车厢类别、购票 张数、目的地 、票价及查询其他有关事项；日本东京成田机场的立柜式触摸屏可让乘客查看航班号、出港与飞抵时刻等 。 （4）金融交易中，速度与准确性是极为重要的两个因素。触摸屏的使用为用户

提供了轻松与迅速处理瞬息变化信息的手段，用户根据显示内容做出判断。并随即点触屏幕即可完成决策，因此，可以让使用者集中精力交易。 （5）随着多媒体技术的发展和应用，一种叫超文本检索的多媒体检索系统已被开

发应用在图书馆系统中。这种超文本将单间、句子、章节、文献甚至图像、音乐、录像等基本信息单元存放在结点上，终点以层次链、交叉引用链、索引链等主动链相联系，构成网状层次结 构。超文本的软件系统包括正文编辑、图形编辑、数据库管理、三维阅览工 具及映射显示、鼠标、偶像和弹拉式菜单等标准超文本工具等，这个检索系统在收藏内容广泛 ，多媒体文献资源丰富的图书馆检索领城中，可用于检索人物、新闻、文档、小说、版刻、书法 、 绘画、生物、古生物等各种信息。

第三章 锅炉控制系统技术

3.1 锅炉系统基本工艺过程

锅炉系统运行的全过程主要由三个相互协调且各自独立的环节组成，分别是燃烧环节、水循环环节和上料环节。

燃烧环节是燃料在锅炉炉膛内充分燃烧放热的过程，当该过程中锅炉负荷改变时，必须要对炉膛内的送风量和引风量进行调节，同时相应地改变炉膛内的燃料量。引风量过大会使烟道及炉膛负压增大，造成燃烧不稳、漏风增加，既不安全也不经济。引风量过小会使炉膛负压变小或变正，锅炉运行不安全。送风量调节正确与否是燃烧稳定和燃烧完全的一个重要因素，送风量过大，会使炉膛温度降低而造成不完全燃烧损失，还会使排烟量增加而造成排烟损失增大。整个燃烧过程的调节是通过对引风机、鼓风机和炉排机的调节来实现的。

水循环是以水为介质进行热量传递的环节。锅炉中的热水在循环泵作用下被送到生产或生活用热处，热量被消耗后，从用户回来的回水在除污处理后又经回水管道返回锅炉进行加热，从而形成水循环。但是循环过程中的难免会避免水压损失，所以必须对循环水路进行补水。补水时，自来水首先经过离子交换器进行脱盐软化，紧接着在除氧器中对软化水进行除氧处理。脱盐软化的目的是为了减少锅炉和管道中的水垢，除氧的目的是为了降低氧气对锅炉和管道的氧化腐蚀。经过软化和除氧处理后的水在补水泵的作用下进入水循环回路循环泵入口处。

上料是给以油或天然气为燃料的锅炉进行燃料供应的环节。原油经过运输管道，再经燃烧机喷射进入到炉膛供燃烧系统燃烧。

此外，还有一些辅助环节，如燃烧后的烟气在排入大气之前的除尘、脱硫处理;燃烧灰烬的除渣、除灰处理;补水前期水处理时的加压、搅拌等。

3.2 系统监控对象及系统工艺要求

3.2.1系统监控对象及子系统划分

本课题所研究的对象是对两台20T工业热水锅炉和一台l 0T的工业热水锅炉进行自动监控的PLC分布式监控系统。整个系统所涉及到的监控对象多而复杂，根据功能的不同将整套锅炉监控系统的全部控制对象划分为如下4个子系统:

1.燃烧系统:每台锅炉都对应引风机、鼓风机、炉排机 2.给水系统:主要包括循环泵、补水泵、离子交换器、除氧器

3.辅机系统:主要包括除渣机、除灰机、搅拌器、闸板阀、加压泵、脱硫循环泵等 4.上煤系统:主要包括破碎机、主皮带机、水平皮带机、卸料机、斗提机等

3.2.2各子系统的工艺要求 1.燃烧系统

每台锅炉所对应的引风机、鼓风机和炉排机都要变频控制，同时还要求3个风机具有顺序控制功能，即按照引风机、鼓风机、炉排机的顺序进行启动，停机按逆序进行。此外，根据供热负荷的大小，把锅炉的运行状态划分为八个档位。程序根据供、回水温差与设定偏差值的大小关系自动调节锅炉的运行状态以进行负荷调节。

2.给水系统

其中循环泵专给锅炉供水，且要求变频控制、两用一备，故障时备用泵自动启动循环泵专给锅炉供水，要求变频控制、一用一备，故障时备用泵自动启动;补水泵启动后要求有PID控制以保证循环泵入口管网水压恒定，且要求变频控制、一用一备，故障时备用泵自动启动。

3.辅机系统

除渣机、除灰机、搅拌器、闸板阀及脱硫循环泵采用手动控制进行启动或停止;加压泵根据压力自动启/停，以保证离子交换器前端管网有足够的压力，通过对这些设备的运行控制以辅助燃烧系统及给水系统运行。

4.上煤系统

要求手动联锁控制以防止上煤时煤粉散落和堆积，其中斗提机是作为主皮带机故障时的备用系统。手动、停止设备的操作顺序如下:

当主皮带机良好时，设备联锁顺序为：水平皮带机—﹥主皮带机—﹥破碎机;设备联锁停止顺序为:破碎机—﹥主皮带机—﹥水平皮带机。

当主皮带机故障时，设备联锁顺序为：水平皮带机—﹥斗提机~破碎机;设备联锁停止顺序为:破碎机—﹥斗提机—﹥水平皮带机。

除了各子工艺要求之外，整个监控系统还有如下的联锁要求:即在循环泵运行之前必须手动开启除渣机，在循环泵运行之后，再开启燃烧系统;系统停止时按照逆序进行。这样做的目的是为了防止燃烧系统运行后因循环泵没有开启而导致锅炉缺水引起锅炉爆炸。

3.3系统总体性能及监控要求

3.3.1锅炉监控系统的总体性能

现代锅炉技术朝着大型、高速、高效、连续、集成与自动化方向发展，伴随这一发展趋势，对锅炉监控系统设计也提出了更高的要求，整个监控系统符合传统监控系统所必需的快速、准确和稳定的要求，同时还具备如下性能:

1.高度可靠性:监控系统运行过程的复杂性以及锅炉设备本身的危险性等 特点决定了任何因素导致的锅炉的非正常运行都有可能引起事故的发生。作为锅 炉系统的监控指挥中心，监控系统必须具备高度的可靠性。

2．高度智能化:作为锅炉系统的指挥中心，监控系统承担着对整个锅炉系统的指挥和协调功能，应能及时地对锅炉运行过程中出现的异常或故障进行检测、诊断和报警，以便让操作人员迅速做出处理。这就要求监控系统应具备一定的智能性。

3.实时性:监控系统除了完成对锅炉燃烧系统正常的监视与控制任务外，还必须对系统运行过程中的各种信息如各种过程变量、设备状态变量等进行实时综合的处理，将处理结果告诉操作者，并对相关过程变量及设备状态的变化趋势做出预测，对可能产生的异常和故障发出报警信号且给出相应处理策略供操作员参考，尽量避免各种可能故障所带来的损失。显然，上述功能的实现都必须建立在系统具备良好的实时性基础上，系统采集的数据和信息必须实时地、客观地反映当前设备运行状态。

3.3.2锅炉监控系统的总体功能

1.采集功能：主要是对生产过程的参数进行检测，并以一定的形式输出、为操作人员提供详实的数据，以便于他们分析、了解设备工作情况，监视工作过 程的进行。

2.监督功能：:根据实际生产过程的需求及生产进程的情况，进行工况分析、故障诊断、险情预测，用图、文、声等多种形式及时做出报道，以进行操作指导、事故报警。

3.控制功能：在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于生产过程。

4.工作状态功能：本控制系统具有以下两种工作模式:试车和联动，试车模式下除了必要的安全保护外，系统设备之间不联锁，可以单独运行;联动模式下，设备之间具有联锁关系，必须按照顺序启动和停止。另外，联动模式下用户可以选择自动方式或者手动方式运行，自动方式时变频器运行频率由系统自动给定，手动方式时，变频器运行频率由模拟手操器给定。

3.3.3系统的监控要求 1．上位机要求

1)显示要求：:与下位机进行实时通信，接收下位机处理后的数据及设备运行状态，并储存到数据库中，同时把得到的模拟量数据以文本的方式、数字量状态以指示灯的方式显示在监控画面的相应位置。

2)报表要求：上位机中除了有运行数据的实时显示、现场监控画面外，还要求有数据报表、重要数据趋势图、报表打印输出等功能。

3)控制要求：在监控画面中还要有现场设备操作的各种按钮、开关、手动频率调节器等部件，操作员通过这些软部件可以对现场设备进行控制。

4)报警纪录要求:完成所有报警的记录与查询要求，每条报警记录的内容包括日

期、时间、确认时间、恢复正常时间、报警描述文本。查询时，最近的报警列在最上面，可以上下翻页查询所有记录。

5)参数设定要求：可以在线修改部分系统参数，主要包括:传感器量程零漂、报警门限、PID控制参数、运行频率表、各种顺序启动/停止的间隔时间等。

2．下位机要求

1)对现场锅炉及管网的模拟量参数，包括温度、压力、流量、液位等进行采集、处理并上传到上位机进行监控。

2)对工艺设备的运行状态，包括启动、停止、运行状态及故障报警等信号进行采集、处理并上传到上位机，通过对系统运行状态的判断进行后续的相应操作。

3)接收从上位机操作员发过来的控制信号，综合系统的运行状态根据用户程序进行分析判断并执行后续操作。

4) 系统要求实现双机冗余，当主系统故障时自动切换到备用系统，并保证切换时运行同步。

第四章 总结和展望

4.1 体会心得

本文简单阐述了基于西门子PLC锅炉触摸屏系统的关键技术、系统方案、以及上位机和下位机功能的实现的性能，并对系统中重要技术环节进行了深入研究。课题研究的PLC分布式锅炉监控系统以Siemens S7-200系列PLC和触摸屏及其配套硬件为主要器件，利用现场总线技术、先进的触摸屏通讯控制、双机软件上冗余等技术，结合上位机组态软件STEP 7 Micro WIN 4.0实现了2台工业热水锅炉的全面监控和集中管理。

该系统具有以下特点:

1.自动化程度高，稳定运行后，可以达到全天候无人(或少人)职守，节省了大 量劳动力。

2.由于采用了“一机多炉”、现场总线、PLC和触摸屏通讯联合控制等技术，跟同类系统比较，硬件成本大幅降低。

3.多项先进自动监控技术和冗余技术的综合应用以及全方位安全保护机制，极大 地提高了系统的可靠性。

4.系统自动负荷调节功能很大程度上提高了系统效率，减少了能源消耗和浪费。 5.可以在线修改参数，实时性好、数据记录准确可靠、操作简单、集成的信息管 理等特性给用户提供了很大的方便。

4.1 未来工作方向

由于本次进行的是工程训练，加之时间的限制，因此本课题没有深入对锅炉控制系统进行具体的设计，今后要研究的主要工作如下：

1. 系统软硬件配置及总体设计。主要包括:系统主要硬件的特性与功能、系统总体设计。

2. 系统下位机设计与实现。主要包括: 系统程序总体设计、触摸屏通讯控制和组态界面设计。

3. 系统调试。主要包括:系统网络通信调试、软件调试和系统冗余调试。

参考文献

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[2]程玉华.西门子S7-200工程应用案例分析. 北京：电子工业出版社，2007 [3]唐永耀.锅炉控制及PLC应用.合肥：合肥工业大学，2006

[4]叶建峰.锅炉控制系统设计.杭州：富尔顿热能设备公司内部资料，2006 [5]赵钦新.燃油燃气锅炉.西安：西安交通大学出版社，2000 [6]SIEMENS公司.SIMATIC S7—200可编程控制器系统手册.1999

[7]戴仙金.西门子S7—200系列PLC应用与开发.北京：中国水利水电出版社，2007

工程设计训练考核表

指导教师对学生工程设计训练的评语： 指导教师 （签名） 年 月 日 工程设计训练答辩评语及成绩： 指导教师 （签名） 年 月 日 工程设计训练及生产实习综合成绩 指导教师 （签名） 年 月 日

自 动 化 学 院

工 程 设 计 训 练 报 告

学 院 专 业 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 学 期 完成日期

自动化 自动化 050614 05061403 章 丽 王家军 老师 2008-2009学年 2008-12-30

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