基于触摸屏的分油机控制系统

李汉，宋艳琼

（广州航海学院轮机系， 广州 510725）

0 引言

船用分油机是净化燃油滑油的重要设备。船用分油机自动排渣控制经历了继电一接触器和凸轮时序控制、PLC控制[1-3]和分布式控制[4,5]等阶段，随着电气控制技术不断发展，控制设备和手段愈多，不断促进船用分油机控制系统的发展。目前，船用分油机控制以PLC为主，采用现场总线的分布式控制在多机场合也得到不同程度的发展。分油机控制常常需要调节参数来适应不同的油品，触摸屏作为人机界面广泛用于分油机控制系统中[6]，但目前触摸屏只是作为PLC的人机接口设备，分油机的控制逻辑完全由PLC完成。随着微处理器和工业软件技术不断发展，触摸屏的性能和功能都得到较大的发展，已经具备了编程控制能力，将触摸屏集触控输入、图形显示和控制逻辑于一身，不仅可以摆脱PLC，还简化系统、降低成本，使触摸屏成为新型的控制装置。

1 基于触摸屏的控制装置

触摸屏结合了图形显示和触摸输入，成为工业控制系统人机界面的主流[7]。触摸屏是一种直观的操作设备，使操作变得简单、直接。触摸屏还能指示机器设备目前的状况，给出操作的提示，使操作变得简单生动，减少操作失误。另外触摸屏可以使用画面上的按钮和指示灯，减少PLC需要的I/O点数。触摸屏还具有通信联网、监控和多语言切换等功能[8]。实际应用中触摸屏往往和PLC配合，实时控制由PLC执行，而触摸屏仅起到设定参数、触控输入和显示的功能，使人们忽略触摸屏的控制功能。随着触摸屏技术不断发展，触摸屏的运行速度越来越快，控制功能越来越强，能够使用宏指令或函数功能块，使触摸屏具有C语言编程控制的能力，配合I/O模块，将触摸屏开发成为一种新型的如图1所示的控制装置。

图1 基于触摸屏的控制系统组成

1.1 触摸屏

触摸屏集触控输入、显示输出、控制逻辑和通讯传输于一身，是设备的电气控制核心，因此对触摸屏提出较高的要求：（1）稳定性好、可靠性高，平均无故障运行时间应达到5万小时以上，与PLC相近；（2）运行速度快；（3）支持MODBUS等通讯协议或自定义通讯协议；（4）支持采用C语言编程的宏指令或C语言函数功能块。

1.2 通讯协议

触摸屏不能直接输入或输出与控制对象相关的开关量和模拟量。触摸屏一般有多个串行接口，可通过通讯线路与I/O模块连接，将控制对象的状态输入触摸屏或将触摸屏的控制信号输出到I/O模块，达到构建以触摸屏为核心的控制系统的目的。通过串行通讯将触摸屏与I/O模块连接，双方必须遵守通讯协议才能实现，因此，通讯协议是触摸屏的控制装置的重要功能。串行通讯协议可采用通用和开放的通讯协议，也可使用专用或自定义的通讯协议，但为了通用性，建议使用通用、开放的通讯协议，其中MODBUS串行通讯协议简捷高效[9]，并得到多数品牌触摸屏的支持，可作为首选。

1.3 I/O模块

I/O模块应满足如下要求：（1）稳定性好，可靠性高，能满足船用要求；（2）支持MODBUS串行协议；（3）具有一定点数的数字量或模拟量的输入/输出接口，能满足船舶机电设备控制的要求。目前还没有支持触摸屏的商品化I/O模块，我们自行开发一个采用32位单片机LPC2114、8点输入/8点输出、低功耗的触摸屏I/O模块，电路如图2所示，由输入电路、输出电路、通讯电路、复位电路、显示电路和电源电路等部分组成。输入电路具备光电隔离、信号指示和抑制抖动等功能。输出电路为晶体管输出方式，并带有信号指示。为简单起见，本I/O模块采用固定节点地址和固定通讯参数：节点地址为1，通讯参数为波特率19200 bps、数据位8、停止位1、无奇偶检验。

2 分油机控制系统的设计

图2 触摸屏I/O模块电路图

2.1 分油机的工艺要求[1,3]

1）准备：启动油温控制装置，保证待分污油的温度在允许范围内；保证高位水箱水位正常；接通分油机控制系统电源，按下运行按钮，启动分油机驱动电动机，经一段时间的延时，驱动电动机转速稳定后可进入分油作业。

2）密封工况：先打开开启水电磁阀YV1，向分离筒送高压水，克服置换水对活动底盘向上的托力，把活动底盘压下，露出排渣孔；同时打开置换水和调节水电磁阀YV2，冲洗分离筒，排剩渣。5 s后，关闭开启水电磁阀YV1，关闭排渣口，经过25 s延时，打开水封水电磁阀YV3，向分离筒注入水封水，进行水封，再经过25 s后，水封形成，分油机排渣孔可靠关闭，分油机完成密封工况。

3）正常分油工况：密封工况完成之后，打开进油电磁阀YV0，使待分污油进入分离筒，开始分油工况；进油60 s后，检测净油出口的油压，如果油压已经建立起来，则继续分油，并开始计时，计时时间到，分油机进入排渣工况。如果油压未建立起来，则关闭进油电磁阀YV0，并报警。待排除故障后，按下复位按钮即进入分油状态。若按应急排渣按钮, 将自动进行一次排渣操作。若按停止按钮, 在自动进行一次排渣后系统将处于停止运行状态。

4）排渣工况：当分油机分油工况进行到设定时间即排渣时间（基准值为120 min），就关闭进油电磁阀YV0，同时打开水封水电磁阀YV3，向分离筒送入冲洗水，把筒内的残余油排出。经过25 s后，关闭水封水电磁阀YV3，打开开启水电磁阀YV1，向分离筒送高压水，把活动底盘压下，露出排渣孔，靠离心力将渣水排出。排渣15 s后，筒内的冲洗水和污渣排净，活动底盘复位，排渣孔关闭，排渣过程结束。

图3 分油机控制系统电路图

5）空位工况：排渣工况完成之后，关闭开启水电磁阀YV1，这时电磁阀YV0、YV1、YV2、YV3都关闭，分油机处于空位工况，如需继续分油，则延时10s后，重新进入密封工况，并完成上述过程。自动排渣分油机的工作过程就是密封－分油－排渣－空位四个工况不断重复的过程。

6）停车过程：按下自动停车按钮，或分油机跑油、工作水箱低水位、油温低等任一故障发生时，系统进入停车过程。控制系统立即关闭进油电磁阀YV0，同时进行一次冲洗排渣操作，最后断开分油机驱动电动机的电源，停车结束。若是故障停车操作，还需发出声光报警。

2.2 硬件设计

基于触摸屏的控制器应用于ALFA Laval分油机的控制系统如图3所示，系统由显控公司生产的SA-5.7B型触摸屏、自行开发的I/O模块和分油机组成，ES为净油出口处油压检验开关，WLS为工作水箱低水位传感器触点，OTS为油温传感器触点。ES、WLS、OTS正常时断开，故障时闭合。HS和HA分别为光报警和声报警。

1）分油机电动机采用软启动器启动。软启动器可以调节起始电压、启动时间和停车时间，使分油机启动和停止过程平稳，减少电流和机械的冲击。分油机的功率为5.5 kW，可选用西门子3RW3025软启动器。启动时I/O模块的Y0通电，软启动器输出已设定的起始电压，同时按一定的速率提升输出电压，启动时间到时，软启动器输出额定电压，同时通过14-24触点输出旁路信号BYPASSED，将此信号反馈控制装置，以把握电动机的启动时间。分油电动机设有过载保护，如果电动机过载，软启动器经降压停车后，旁路信号将断开。

2）分油机系统的启动按钮、停止按钮、应急排渣按钮、复位按钮、报警确认按钮、自动/手动选择按钮和各手动控制按钮都采用触摸屏的触控按键来实现，自动分油排渣各时序的运行间隔时间也通过触摸屏的数字输入域来设置，因此I/O模块无需这些按钮，减少了I/O模块的输入点数。电动机运行指示、各电磁阀ON/OFF指示、各检测点的信号指示、报警指示和排渣指示采用触摸屏的指示灯，无需外接。

3）进油电磁阀YV0采用二位三通阀，当YV0通电时，待分污油进入分油机，回流通路关闭，而当YV0断电时，待分污油回流储油柜。

2.3 触摸屏画面设计

分油机控制系统主要有3个画面，分别是主画面、设置画面和手动控制画面。主画面直观、生动、逼真。高位水箱水位低报警指示灯、污油温度低报警指示灯、出油口油压低报警指示灯在检测点处显示，开启水、水封水、置换水、污油进油等电磁阀的指示均采用开启时液体流向箭标指示，电动机和温控阀指示采用位指示灯。主画面具有5个控制按钮，分别是启动、停止、应急排渣、故障复位和故障确认按钮；2个画面按钮，分别是手动和设置按钮。按下“手动”按钮，打开手动控制画面，该画面可采用触控按钮直接控制分油机各电磁阀和电动机的启停。按下“设置”按钮，打开参数设置画面，该画面可设置分油机各时序时间间隔、分油运行时间、电动机启动时间和报警延时等。

2.4 触摸屏设置

触摸屏采用COM1与I/O模块连接，COM2口与上位监控机连接。COM1连接的设置：双击工程管理器/触摸屏/连接/COM1连接，打开COM1通讯口属性对话框，在“一般”页面设置设备服务为Modbus RTU/Master；在“参数”页面设置波特率19200 bps、数据位8、检验NONE、停止位1，与I/O模块的通讯参数一致，PLC地址设置为1。其他采用缺省值。

在主画面中放置一个定时器，双击定时器图标，打开定时器属性对话框，设置如下：执行方式－始终执行、频率100 ms、执行次数0（表示不受次数限制）、功能类型－宏指令、名称：auto。

2.5 程序设计

1）创建宏指令auto。触摸屏对分油机的自动控制主要依靠定时执行宏指令auto来完成，要对宏指令auto进行编程和使用，必须先创建宏指令auto。创建宏指令auto之后，就可以在定时器中引用。

2）变量设定。触摸屏的变量分为I/O变量和内部变量，本系统的I/O变量有4个输入离散量和7个输出离散量，输入离散量X0～X3的地址为COM1口1x0～1x3，输出离散量Y0～Y6的地址为COM1口0x0～0x6。触摸屏的内部变量一般比较丰富，按程序设计的需要设置即可，但要注意分油机时序间隔参数等变量应位于断电保持区，否则触摸屏断电后无法保存。

图4 分油机控制流程图

3）编程。触摸屏控制程序的主要工作在于编写宏指令auto的C语言代码。ALFA Laval分油机自动控制程序流程图如图4所示，按照分油机的工艺要求，同时考虑到编程和调试的方便，将控制程序分为5个时序部分，分别为密封工况1、分油工况2、排渣工况3、空位工况4和故障处理工况5，各工况的步骤及之间的关系都在流程图中体现出来。再考虑到故障如高位水箱水位低、进油温度低等情况发生时，如何合理转换系统的运行状态，就可以编制出符合实际要求的控制程序，经过一段时间的调试和试运行就可以交付使用。手动控制程序较为简单，用触摸屏的触控按钮控制电动机接触器和各电磁阀即可。

3 结语

本文提出一种基于触摸屏的控制装置，配合自行研制的I/O模块，克服了触摸屏无I/O的功能，使触摸屏成为集触控输入、图形显示和控制逻辑于一身的控制装置，从而摆脱了较为昂贵的PLC，同时简化了控制系统。这种控制装置成本较低，非常适合控制规模较小的机电设备，特别是船舶机舱机电设备。可以预见，随着触摸屏的稳定性和可靠性不断提高，运行速度不断加快，功能不断增强，这种基于触摸屏的控制装置将得到广泛的应用。

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