0 引言
随着船舶所需锅炉吨位数的增加，以及节能、环保日益增加的重要性，船舶燃油辅锅炉在机舱的电控系统中高效率、高稳定性的工作显得非常重要。在自动化工业生产中，船舶机舱对能量的需求是非常巨大的，而燃油辅锅炉作为提供动力的设备十分重要。
采用锅炉的自动控制系统代替常规仪表或者人工监控操作方式，不但可以减少烦琐的操作步骤，提高工作效率，节约能源，减少环境污染，保证锅炉的可靠稳定运行，还能减少人力成本。
现在的锅炉自动控制系统主要有3种形式：以工业自动化控制机为核心的工控系统，STD总线单板机系统、集散控制系统，以可编程序控制器（PLC）为核心的控制系统。经分析这3种锅炉自动控制系统，PLC控制系统可以实现对设备控制的灵活多变，提高工作可靠性，控制方式也由硬件转为软件，组态方便快捷，修改变得容易，主要维护方便。可编程序控制器抗干扰能力强，非常适合船舶在恶劣环境下工作。
1 PLC系统硬件设计
在传统的过程控制中，应用最为广泛的一种自动控制器为PID控制器，亦称PID调节器。PID控制原理简单，工作可靠，稳定性好，参数调整也较为方便；理论上可以证明PID控制器可作为一种最优控制，尤其是应用在过程控制的典型对象——“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象中。长期以来，正是基于简单有效的特点，PID控制器得到广大科技人员的采用，同时也积累了很多丰富的经验。
PID就是应用最广泛的闭环控制器。图1给出了一个船舶锅炉加热系统的PID闭环控制系统，其控制对象是燃油煤气加热过程。其控制过程大致如下：首先，由系统设定加热温度目标设定值，而温度反馈值则由闭环控制器的温度传感器实时监测获得，再经A/D采样转换为数字量并存储；其次，目标设定值与温度反馈值相减，两者差值送入设定好的PID控制器，经比例、积分、微分运算后，得出的结果是一个叠加的数字量；最后，将所得的数字量经过上限、下限限位处理后，再进行D/A转换，转换结果便是输出控制油泵和风机的电流信号。该系统的PID控制器的实现，通常可以采用PLC提供的专用模块，再结合PLC的A/D、D/A等其他模块，可实现温度传感器的反馈信号直接采集，以及控制油泵和风机的电流信号直接送出，也就是通过电流的控制来完成对加热电机转速的控制，进而实现对锅炉温度的控制。
图1 船舶锅炉加热系统的PID闭环控制系统
本船舶锅炉控制系统用了1个模拟输入通道，1个模拟输出通道，21个输入点，14个输出点。根据PLC的选取原则和方法，本设计采用德国西门子S7-300 CPU314-2PN/DP，此型号PLC中包含5个模拟量输入和1个模拟量输出，24个数字量输入，16个数字量输出。足够应用于本船舶锅炉系统中。本论文主要研究加热单元的温度控制，所以只给出温度控制模拟量的接线图，其它控制不做讨论。加热单元和S7-300PLC模拟量的电路原理图如图2所示。
图2 加热单元的接线原理图
2 PLC系统软件设计
S7-300及400提供有PID控制功能块来实现PID控制。TIA提供了函数块SFB41、SFB42、实现PID闭环控制，其中FB41“C0NT_C”用于连续控制，FB42“C0NT_S”用于步进控制。
FB58、FB59则用于PID温度控制，FB58“TCONT_CP”用于带有脉冲发生器的连续温度控制，FB59“TCONT_S”用于带积分特性执行器的温度控制。它们是系统固化的纯软件控制器，运行过程中循环扫描、计算所需的全部数据存储在分配给FB或SFB的背景数据块里，因此可以无限次调用。
本章以连续PID控制器SFB41模块为例进行详细介绍，其他PID模块的应用是相类似的。
TIA的在F1帮助文档提供了各种PID功能块应用的帮助信息。
SFB41的输入参数和输出参数及其意义说明分别在F1帮助文档表格中列出。
2.1 TIA V12中PID指令的温度控制组态
（1）在创建好项目，添加完硬件后。在“设备视图”下双击PLC模拟量组件，出来模拟量输入输出属性设置对话框。
（2）单击模拟量设置属性的“输入”，将温度单位设置成“摄氏度”，“通道0”中的测量类型设置成“电压”，测量范围设置成“0～10”，干扰频率抑制设置为“50Hz”，其他通道都测量类型都设置成“禁用”即可。设置如图3所示。
（3）单击模拟量设置属性的“I/O地址”，将输入地址的“起始地址”设置成“20”。
（4）在“项目树”中“工艺对象”下双击“插入新对象”，选择“CONT_C”，单击确定，温度PID控制器插入完成，如图4所示。在“系统块”，“程序资源”会出现CONT_C（FB41），供编程调用。
图3 通道0参数设置
2.2 TIA V12中PID指令的温度控制编程
模拟量输入和输出为一个字长，所以地址必须从偶数字节开始，模拟量值为0-32000的数值。
格式：IW[起始字节地址]
QW[起始字节地址]
每个模拟量输入模块，按模块的先后顺序地址为固定的，顺序向后排。例如，IW0 IW2 IW4 IW6每个模拟量输出模块占两个通道，即使第一个模块只有一个输出QW0，第二个模块模拟量输出地址也应从AQW4开始寻址，依此类推。
图4 插入连续PID控制器
如某温度传感器，温度0～100℃与0～10V相对应，以t表示温度值，IW0为PLC模拟量输入采样值，采样值对应0～32000，可得出：
t=AIW0×50／32000
PID指令的温度控制编程步骤如下：
（1）添加函数块“temperature（FB1）”，在FB1中，先将通道0模拟量输入信号IW20接收到的温度数据转换成PID控制器所需的数据类型值。由于IW20为整数型数据，PID控制器PV_IN为实数型数据，故需将IW20转换数据类型后再进行PID控制输入设置。转换程序如图4中程序段1所示，先将IW20转换为双整型数据放入中间变量MD100中，再将MD100转换为实数型数据放入MD104中。由于触摸屏需显示摄氏温度值，故还需将MD104中的数据进行运算，算出实际温度值。如图5中程序段2所示。
图5 温度值转换运算程序段
（2）将“CONT_C（F41）”插入FB1程序段3中，定义两个临时BOOL变量OFF，“CONT_C（F41）”的参数设置如图6所示，MD112为触摸屏温度设定值变量，MD108为实际温度值变量，QW20输出PID控制器调节后的数据，系统函数块CONT_C的具体参数设置请参考“PID 控制原理”中SFB41输入参数表和SFB41输出参数表。
图6 CONT_C调用
（3）将函数块temperature（FB1）拖入主程序OB1中，程序编写完成。
2.3 触摸屏显示设置画面编写
触摸屏主要用来显示锅炉的设定温度和实际温度，通过设定温度，当锅炉实际温度超过设定温度的时候，温度传感器反馈温度值给PLC控制器，PLC控制器通过PID调节算法，合理调节加热机构进行加热，以趋向于设定温度值。
触摸屏显示画面编写参考如图7所示，将设定温度设为输入，实际温度设置为输出，设定温度对应PLC程序中变量MD112，实际温度对应PLC程序中变量MD108，具体编写步骤请参考相关触摸屏教程。
图7 触摸屏编写参考图
3 结语
采用德国西门子S7-300 CPU314-2PN/DP对船舶锅炉控制系统进行改造和试运行，经过实际验证，此系统运行稳定，在系统可靠性方面取得良好突破，效果显著；在性能方面有明显的节能效益，对船舶锅炉加热系统改造有很好的实用价值和经济效益。
参考文献
[1]王宗涛．基于PLC的船舶辅锅炉教学装置设计[J]．航海教育研究，2015，32（3）：88-90．
[2]魏浩，茅乔年，罗盼盼，等．PLC在船舶锅炉控制系统中的应用[J]．科学与财富，2015（3）：436．
[3]王宗涛．基于PLC的船舶辅锅炉教学装置设计[J]．航海教育研究，2015，32（3）：88-90．
[4]崔坚．TIA博途软件[M]．北京：机械工业出版社，2012．
（作者供职于中交广州航道局有限公司）
