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Articles

工程技术

基于可编程控制器的低温阀控制系统设计与实现
The Design and Application of a Remote Control System for Low Temperature Valve Based on Programmable Logic Controller

叶志坚

徐

潇

刘小华

张

聪

武汉船用机械有限责任公司，湖北武汉

11 12 2024

12 04 614 623 9 9 ：2024 20 9 ：2024 20 10 ：2024

2024

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

本文设计并实现一套基于可编程控制器PLC的低温阀控制系统。给出了系统总体技术方案，该系统主要包括传感器数据采集模块、阀门电机控制模块、可编程控制器PLC控制程序以及基于Beijer触摸屏的人机交互界面HMI开发。整个系统在低温阀试验台架上进行了试验验证，试验结果表明，该系统设计合理、各项功能稳定，满足当前需求，实现了低温阀打开关闭的远程控制，为基于低温阀的阀门遥控系统奠定基础。
This paper designs and realizes one low temperature valve control system based on programmable logic controller PLC. The overall architecture and technical solution of the remote monitoring system are given out. This system mainly includes the sensor data acquisition module, valve motor control model, the programmable logic controller PLC control program and the human machine interface HMI. The experimental verification of the whole system is done on low temperature valve testbed. The results indicate that the system design is correct, every functional model is stable, the current user demand is satisfied, and the remote control of open and close for low temperature valve is realized, which lays the foundation of the complicated low temperature valve remote control system.

可编程控制器，数据采集，阀门遥控，触摸屏，HMI
Programmable Logic Controller
Data Acquisition Valves Remote Control Touch Screen HMI

1. 引言

低温阀 [1] 作为液化天然气LNG运输船的关键设备，传统低温阀打开和关闭操作一般由人工完成，不仅工作效率较低，同时对人的人身安全也带来一定隐患。本文基于LNG船中低温阀的实际使用工况，设计开发了一套基于PLC控制器 [2] - [5] 的低温阀打开关闭远程控制系统，取代人工操作，大大提高了效率，同时进一步提高了因操作带来的人身安全。本文低温阀控制系统主要功能包括阀门遥控启闭、温度监测、压力监测、泄漏率监测、开关力矩监测等功能。

2. 低温阀控制系统总体方案 Figure 1 Figure 1. The overall scheme arrangement diagram of low temperature valve control system--图1. 低温阀控制系统总体方案布置图--

基于控制系统的功能需求，给出低温阀控制系统总体方案布置，如图1 所示。

(1) 电动阀门启闭

(2) 监测报警

(3) 远程遥控

低温阀控制柜的监控界面需在液货集控室中进行远程遥控，通过权限切换方式实现本地–遥控的权限切换，本地与驾控室的通信方式为以太网，主要功能包括电动阀门的启闭、状态数据的显示、报警指示、以及数据的存储查询等。

基于以上总体方案，给出低温阀控制系统功能图，如图2 所示。

Figure 2 Figure 2. The function diagram of low temperature valve control system--图2. 低温阀控制系统功能图-- 3. 关键技术及其实现 <xref></xref>3.1. 电动阀门启闭

(1) 电机正反转可通过小容量接触器改变输入电源的相序来控制，因电机功率较小，接触器容量也较小，相应的接触器线圈驱动电流也较小，可考虑采用继电器输出的PLC控制器直接驱动接触器线圈( 图3 )。

(2) 每个电机阀门都有全开及全关的限位开关，指示阀门的启闭状态( 图4 )。

(3) 配备信号灯，指示阀门开启及关闭(电机正反转)的动作状态( 图5 )。

Figure 3 Figure 3. The control schematic diagram of motor positive and negative rotation--图3. 电机正反转控制原理图-- Figure 4 Figure 4. The status collection of valve open and closes--图4. 阀门打开关闭状态采集-- <xref></xref>3.2. 温度数据采集

温度传感器输出信号为RTD热敏电阻信号，可通过S71200系列的RTD采集模块采集，接线方式为2线制( 图6 )。

Figure 5 Figure 5. The status indicator of valve open and closes--图5. 阀门打开关闭状态指示-- Figure 6 Figure 6. The temperature signal collection of low temperature valve--图6. 低温阀温度信号采集-- <xref></xref>3.3. 压力、泄漏率及开关力矩数据采集

压力变送计输出信号为4~20 mA，采用两线制接法，采用普通的AI采集模块采集( 图7 )。

氦气流量计及扭矩仪需要24 V供电，输出信号为4~20 mA，同样采集普通AI数据采集模块采集( 图8 )。

Figure 7 Figure 7. The pressure and flow signals of low temperature valve--图7. 低温阀管路压力及流量信号采集-- Figure 8 Figure 8. The valve operation torque monitoring of low temperature valve--图8. 低温阀阀门操作扭矩监测-- <xref></xref>3.4. 机旁监测报警

控制柜中配置1个7寸北尔触摸屏，对阀门及管道状态数据集操作数据的集中显示。

4. 试验验证 <xref></xref>4.1. 系统硬件

根据低温阀控制系统的功能实现方案，控制系统的主要硬件包括PLC控制器、AI模块、DO模块、微型断路器(380V AC)、电磁接触器(380V AC)、交换机、断路器(220V AC)、24V直流电源、触摸屏、交换机、触摸屏等，如表1 所示。低温阀控制柜采用壁挂式安装，防护等级为IP44。

考虑到PLC控制器需直接驱动接触器线圈，选择继电器输出类型的PLC控制器，PLC控制器选择西门子S7-1200CPU系统，并组态相应的输入输出模块和通信模块组成。

S7-1200具有集成PROFINET接口、强大的集成工艺功能和灵活的可扩展性，还可以通过开放的以太网协议支持与第三方设备的通信。选用继电器输出类型的PLC控制器CPU 1214C DC/DC/RLY，该CPU控制器块含10个DO通道，每通道输出电流容量为2A，满足接触器线圈驱动要求。

Table 1 <xref></xref>Table 1. The main components constitute of low temperature valve control cabinetTable 1. The main components constitute of low temperature valve control cabinet 表1. 低温阀控制柜主要元件组成

序号	模块名称	型号	数量
1.	继电器类型CPU 1215C	SIE.6ES7215-1HG40-0XB0	1
2.	16点DO模块	SIE.6ES7222-1BH32-0XB0	1
3.	蜂鸣器	CB1-620B	1
4.	电机热磁断路器	GV2ME08C	3
5.	24 V直流电源	SDR-240-24	1
6.	白色电源指示灯	CL2-502C	1
7.	接触器	LC1D09BDC	6
8.	微型断路器	C60N-C20A/3P	1
9.	微型断路器	C60N-C16A/2P	1
10.	模拟量输入RTD模块	SIE.6ES7231-5PD32-0XB0	3
11.	变压器	CXB-400VA 380/220/24	1
12.	触摸屏	X2 pro 7

低温阀控制柜的外形图如下图9 所示。因控制柜采用临时安装方式，届时采用角钢搭建搁置架，并将控制柜壁挂于角钢架子上。

<xref></xref>4.2. 控制软件

控制柜触摸屏软件；采用北尔7寸触摸屏，主要包括传感器数据的标定、显示以及报警数据的指示，触摸屏中部进行阀门启闭的控制。

<xref></xref>4.3. 主界面

主监控界面主要包括1#阀、2#阀的打开关闭操作指令及阀是否打开状态显示，同时还包括1#阀、2#阀的阀体温度、阀杆温度、阀腔温度、进口压力、出口压力及氦气流量等数据，在主监控界面中实时显示( 图10 )。

Figure 9 Figure 9. The outline diagram of low temperature valve control cabinet--图9. 低温阀控制箱外形图-- Figure 10 Figure 10. Main interface of low temperature valve control system--图10. 低温阀控制系统主界面-- <xref></xref>4.4. 报警状态

报警状态界面包括还包括1#阀、2#阀的阀体温度报警、阀杆温度报警、阀腔温度报警、进口压力报警、出口压力报警、氦气流量高报警、阀打开错误及阀关闭错误等报警状态( 图11 )。

Figure 11 Figure 11. The alarm interface of low temperature valve control systems--图11. 低温阀控制系统主报警界面-- 4.5. 参数管理

主要包括阀体、阀杆、阀腔等温度数据标定，压力、流量及温度等报警值设置( 图12 )。

Figure 12 <xref></xref><p class="imgGroupCss_v"><img class=" imgMarkCss lazy" data-original="https://html.hanspub.org/file/2990588-rId24.jpeg?20241219115440" /></p><p class="imgGroupCss_v"><img class=" imgMarkCss lazy" data-original="https://html.hanspub.org/file/2990588-rId25.jpeg?20241219115440" /></p>Figure 12. The parameters setting interface of low temperature valve control systems图12.低温阀控制系统参数设置界面 5. 结论

本文采用可编程逻辑控制器及工业触摸屏，设计开发了低温阀控制系统，实现了对低温阀的远程启动、停止等操作，同时实时监测电动低温阀的各个状态数据，最后在试验台架上完成了试验验证。该低温阀控制系统的设计、开发及应用验证大大降低了操作人员的操作风险，同时还提高了工作效率，实现了低温阀控制由手动控制向自动化控制的转变。

References 1

张朝阳. 低温阀选型要求和性能评定准则[J]. 阀门, 2000(1): 39-40.

周律, 严怀钰, 宋韫峥, 赵国初. PLC及触摸屏在电动阀开度控制中的应用[J]. 仪表技术与传感器, 2012(2): 53-54.

周建国, 曹炬, 姚全斌. 单片机与PC机实现的电动阀门控制系统设计[J]. 计算机自动测量与控制, 2001, 9(2): 33-34.

胡开明, 葛远香. 电动阀门智能控制器的设计[J]. 仪表技术与传感器, 2012(12): 15-17.

王亚利. 电动阀门的智能化及其发展现状[J]. 科技创新与应用, 2014(8): 68-71.