基于PLC的船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計

馮騰飛，潘曉飛

（欒川龍宇鉬業(yè)有限公司，河南 洛陽 471500）

0 引言

船舶輔鍋爐是船舶動力裝置中最早實現(xiàn)自動控制的設(shè)備之一。它包括水位的自動控制，蒸汽壓力的自動控制，鍋爐點火及燃燒的時序控制和自動安全保護等。大型油船輔鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽主要用于加熱貨油，驅(qū)動貨油泵及其他甲板機械，其蒸發(fā)量及蒸汽壓力都比較大；柴油機貨船輔鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽僅用于加熱柴油機所需用的燃油、滑油及船員生活，其蒸發(fā)量及蒸汽壓力比較小[1]。因此，確保船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)安全可靠且經(jīng)濟運行，是船舶自動化控制的重要內(nèi)容之一。

輔鍋爐自動化控制裝置采用計算機技術(shù)，包括可編程控制器（PLC），使控制部分體積質(zhì)量大大減小，工作可靠性大大提高，控制方式也由硬件控制變?yōu)檐浖刂茷橹?，使功能的組合、擴展或修改變得很容易，而且維護方便，模塊通用性好，抗干擾能力強，非常適合在惡劣的工業(yè)環(huán)境下使用。

船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)有其自身的特點，船舶工況復(fù)雜多變，船舶的輔鍋爐設(shè)備工作條件惡劣，更易發(fā)生故障等，而傳統(tǒng)的繼電接觸式控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性都不夠理想，因此采用可靠性好的可編程控制器來控制顯得十分有必要。

1 船舶輔鍋爐PLC自動控制的設(shè)計

1.1 船舶輔鍋爐PLC自動控制流程

根據(jù)船舶輔鍋爐的工作原理及過程，設(shè)計出其由PLC進行控制的整個工作流程（如圖1所示），包括：

（1）水位正常的判定；

（2）風(fēng)機正常的判定；

（3）油泵正常的判定；

圖1 船舶輔鍋爐PLC自動控制流程圖

（4）點火成功的判定。

1.2 船舶輔鍋爐PLC自動控制硬件設(shè)計

1.2.1 設(shè)計方案

本課題應(yīng)用PLC控制器設(shè)計船舶輔鍋爐自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了以下基本功能：

（1）鍋爐起動前和停爐后都能保證水泵獨立正常工作；

（2）應(yīng)有“自動”、“手動”兩種控制方式；

（3）對自動啟動的各程序工作（水位檢測、轉(zhuǎn)換開關(guān)置于自動位置、風(fēng)壓檢測、預(yù)掃風(fēng)、自動點火等）設(shè)置邏輯判斷和監(jiān)視；

（4）風(fēng)量和油量的配比，由風(fēng)門擋板的適當(dāng)開度來保證；

（5）適用于燃燒重油，設(shè)有燃油加熱器及其控制線路和“輕油—重油”切換電路，燃油采用電加熱；

（6）采用兩個壓力開關(guān)實現(xiàn)鍋爐蒸汽壓力的雙位自動控制；

（7）有正常停爐和緊急停爐兩種停爐方式；

（8）鍋爐運行故障監(jiān)視，包括高水位、低水位、危險低水位、低風(fēng)壓、汽壓高、水泵過載、風(fēng)機過載、油泵過載、中途熄火等故障保護[2]。

1.2.2 PLC選擇

本鍋爐控制系統(tǒng)有21個輸入點，14個輸出點，根據(jù)選擇的原則和方法，本設(shè)計采用德國西門子S7-200 CPU226 CN，輸入24點，輸出16點[3]。具體輸入輸出接口如“表1”所示。定時器和輔助繼電器的分配如“表2”所示。

表1 輸入輸出接口一覽表

表2 定時器、輔助繼電器一覽表

1.2.3 PLC硬件電路設(shè)計

本控制系統(tǒng)PLC硬件接線圖如圖2所示。圖2中，PLC的電源接線等外部電路在此就省略未畫出，畫出的都是可編程控制器的輸入和輸出接口。

圖2 PLC硬件接線圖

1.3 船舶輔鍋爐PLC自動控制軟件設(shè)計

本鍋爐系統(tǒng)選用S7-200 CPU226 CN作為控制核心，根據(jù)控制流程圖和系統(tǒng)的輸入、輸出信號編制梯形圖，如圖3所示。本裝置在自動位置按下I0.3后系統(tǒng)就會根據(jù)所檢測到的信號自動投入運行，當(dāng)檢測到有故障信號時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警甚至停爐。

1.4 輔鍋爐PLC控制過程分析

（1）起動前的準(zhǔn)備

1）合上總電源開關(guān)，控制電路接通電源。

圖3 船舶輔鍋爐PLC自動控制梯形圖

2）如果鍋爐水位低于危險低水位，則觸點I1.2(95)斷開，M0.8斷電，其常開觸點M0.8(9)斷開，鍋爐無法起動。將給水泵轉(zhuǎn)換開關(guān)扳到“手動”位置，觸點I0.2(0)閉合，Q0.0通電，水泵起動向爐內(nèi)供水。當(dāng)水位上升至正常水位后，把水泵轉(zhuǎn)換開關(guān)扳到“?！蔽恢茫镁屯Ｖ构ぷ?。然后再將給水泵開關(guān)扳到“自動”位置，觸點I0.1(0)閉合，此時鍋爐水位就由高水位壓力開關(guān)觸點I1.3(76)和低水位壓力開關(guān)觸點I1.4(76)進行雙位控制。

3）使燃油壓力和溫度控制系統(tǒng)投入工作，保持燃油壓力和溫度在正常范圍內(nèi)。

4）將燃燒轉(zhuǎn)換開關(guān)扳到“手動”位置，風(fēng)機和油泵開關(guān)扳到“手動”位置，觸點I0.7(9)和I2.2(26)均閉合，按下起動按鈕I0.3，M0.2通電，M0.2(9)、(26)閉合自鎖，M1.2和M1.3通電，M1.2(124)和M1.3(126)觸點閉合，則Q0.0和Q0.2通電，起動風(fēng)機進行預(yù)掃風(fēng)，同時油泵進行預(yù)運轉(zhuǎn)，手動預(yù)掃風(fēng)約一分鐘后，按停止按鈕I0.4，使風(fēng)機停止工作。

（2）手動控制

在手動控制前，將燃燒轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“停止”位置，將風(fēng)機和油泵開關(guān)、點火控制開關(guān)和燃油電磁閥控制開關(guān)置于“自動”位置。

手動操作具體步驟如下。

1）按下起動按鈕I0.3接通控制電路。

2）將燃燒轉(zhuǎn)換開關(guān)扳到“手動”位置，I0.7(9)、 (26)閉 合 ， M0.2 通電，M0.2(9)、(26)閉合。

3）將風(fēng)機和油泵轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到“手動”位置，風(fēng)機和油泵投入運行，進行預(yù)掃風(fēng)并使燃油管路建立油壓。

4）預(yù)掃風(fēng)一分鐘左右，將點火控制開關(guān)扳到“手動”位置，觸點I2.6(26)閉合，I0.7(26)已閉合，M1.4通電，觸點M1.4(121)閉合，點火變壓器Q0.3通電，點火電極之間產(chǎn)生電火花進行點火。同時Q0.4通電，風(fēng)門擋板關(guān)閉，準(zhǔn)備點火。

5）將燃油電磁閥控制開關(guān)扳到“手動”，觸點I2.4(26)閉合，燃油電磁閥Q0.6有電，油泵到噴油器的供油管路打開，向爐內(nèi)噴油，開始點火。

6）從觀察孔看到火焰時，將點火控制開關(guān)扳到“自動”位置，終止點火變壓器工作，Q0.4斷電，風(fēng)門擋板打開，進入正常燃燒階段。

7）若手動點火失敗，應(yīng)立即將燃油電磁閥控制開關(guān)扳到“自動”，并進行后掃風(fēng)，然后將風(fēng)機和油泵開關(guān)扳到“自動”位置，燃燒轉(zhuǎn)換開關(guān)扳到“停止”位置。待故障排除并復(fù)位后，方可進行重新點火。

8）停爐時，應(yīng)將燃油電磁閥控制開關(guān)扳到“自動”并進行后掃風(fēng)，再將風(fēng)機和油泵開關(guān)扳到“自動”位置，燃燒轉(zhuǎn)換開關(guān)扳到“停止”位置，最后切斷總電源。

船舶輔鍋爐之所以設(shè)置手動控制，其目的是在于當(dāng)自動控制系統(tǒng)發(fā)生故障時，鍋爐能夠在人工操作的條件下順利起爐點火，并在點火成功后順利進入正常燃燒階段。

（3）自動控制

在完成鍋爐起動前的準(zhǔn)備后，然后將水泵開關(guān)、燃燒開關(guān)、風(fēng)機和油泵開關(guān)都扳到“自動”位置，準(zhǔn)備自動起動。

1）預(yù)掃風(fēng)

按下起動按鈕I0.3，此時水位正常，M0.8有電，其常開觸點M0.8(9)閉合。此時T11計時時間未到，其常閉延時開觸點T11(9)閉合，M0.2有電，Q0.1和Q0.2通電，風(fēng)機和油泵開始運轉(zhuǎn)。由于燃油電磁閥無電關(guān)閉，所以燃油在管路中循環(huán)，不能進入爐內(nèi)。此時M0.1(26)閉合，M4.1得電，M4.1(97)閉合，T11、T12、T13、T14、T15、T16均開始通電計時。此時T13計時未到，其常開延時閉觸點T13(26)斷開，風(fēng)門擋板Q0.4斷電，風(fēng)門擋板在彈簧力的作用下開度最大，風(fēng)機對爐膛進行預(yù)掃風(fēng)。

由于在60 s之前未進行點火，所以火焰感受器感受不到火焰的光照，I2.7(26)斷開，M3.1無電，M0.4有電，M0.4(26)、(80)觸點閉合，為自動點火和火焰監(jiān)視計時器T2通電做好準(zhǔn)備。

2）點火

在預(yù)掃風(fēng)60 s時，T13計時時間到，其常開延時閉觸點T13(26)閉合，Q0.4通電，風(fēng)門擋板關(guān)閉，準(zhǔn)備點火。T12計時時間到，常開延時閉觸點T12(26)閉合，M1.5通電，觸點M1.5(121)閉合，點火變壓器Q0.3通電，點火電極之間產(chǎn)生電火花進行預(yù)點火。T14計時時間到，T14(26)閉合。此時爐內(nèi)處于無壓或低壓狀態(tài)，I1.1(26)是閉合的，故燃油電磁閥Q0.6有電，油泵到噴油器的供油管路打開，向爐內(nèi)噴油，開始點火。60 s時，T15計時時間到，T15(80)同時閉合，T2通電。延時10 s后才能將觸點T2(90)閉合，熄火保護繼電器Q0.7通電，此時只對火焰進行監(jiān)視，為熄火保護做好準(zhǔn)備。

若10 s內(nèi)點火成功，火焰感受器感受到光照，觸點I2.7(26)閉合，M0.4失電，M0.4(80)斷開，T2失電，其觸點T2(90)由于未達到閉合時間而繼續(xù)斷開，維持M0.1為斷電狀態(tài)。常開觸點M0.4(26)斷開，點火變壓器Q0.3斷電，停止點火。常閉觸點M0.4(86)閉合，2 s后T3斷開，Q0.4斷電，風(fēng)門打開。

3）點火失敗

由上可知，從60 s時開始T15(80)閉合，T2通電開始10 s延時，若延時超過10 s火焰感受器仍未感受到火焰，觸點I2.7處于斷開狀態(tài)，M0.4一直有電，M0.4(80)一直閉合。當(dāng)T2達到設(shè)定時間10 s后，觸點T2(90)閉合，Q0.7通電，常開觸點Q0.7(7)閉合，M0.1得電，觸點M0.1(9)斷開，M0.2斷電，M0.2(26)斷開，燃油電磁閥Q0.6斷電，停止向爐內(nèi)噴油。同時常開觸點M0.1(134)閉合，M2.0通電，常開觸點M2.0(139)閉合，熄火指示燈Q1.3通電亮，常開觸點M2.0(145)閉合，Q1.6通電發(fā)出聲光報警。M0.2(116)閉合，T17通電計時，此時常閉延時開觸點T17(23)處于閉合狀態(tài)，M1.2繼續(xù)有電，進行后掃風(fēng)60 s后風(fēng)機停轉(zhuǎn)。

到70 s時，T11計時時間到，常閉延時開觸點T11(9)斷開，若風(fēng)壓正常，則I1.0(9)閉合，M0.2仍有電。若風(fēng)壓未建立，低風(fēng)壓保護觸點I1.0(9)就不能閉合，M0.2斷電，燃油電磁閥Q0.6斷電，停止向爐內(nèi)噴油。觸點I1.0(136)斷開，M3.0斷電，M3.0(143)閉合，低風(fēng)壓指示燈Q1.5通電亮，M3.0(145)閉合發(fā)出聲光報警。后掃風(fēng)后風(fēng)機停轉(zhuǎn)，鍋爐自動停爐。

4）再次起動

在點火失敗后，必須先排除故障才能再次起動鍋爐。將熄火保護繼電器觸點Q0.7手動復(fù)位，使M0.1斷電，M0.1(9)恢復(fù)閉合，方可重新起動。

5）中途熄火

燃燒過程中，若中途熄火，火焰感受器失去光照，則觸點I2.7(26)斷開，同上述點火失敗一樣使M0.2斷電，燃油電磁閥關(guān)閉，進行后掃風(fēng)60 s后風(fēng)機停轉(zhuǎn)，并發(fā)出聲光報警。

（3）汽壓的自動控制

當(dāng)高汽壓壓力開關(guān)動作時，觸點I1.1(26)斷開，燃油電磁閥Q0.6斷電，停止向爐內(nèi)噴油，油泵停止運行。常開觸點I1.1(116)閉合，T17通電計時，此時常閉延時開觸點T17(23)處于閉合狀態(tài)，M1.2繼續(xù)有電，進行后掃風(fēng)60 s后風(fēng)機停轉(zhuǎn)。此時爐內(nèi)雖無火，但M0.4仍通電，常開觸點M0.4(80)閉合，又因為I1.1(80)已經(jīng)斷開，所以T2不會通電，也就不會發(fā)出聲光報警，視為正常停爐。當(dāng)爐內(nèi)汽壓降到控制汽壓下限值時，I1.1(26)重新閉合，風(fēng)機和油泵重新起動，鍋爐重新燃燒。

（4）安全保護

該系統(tǒng)有危險低水位和風(fēng)壓過低自動熄爐保護。

鍋爐在運行中，若水位下降到危險低水位時，觸點I1.2(95)斷開，M0.8斷電，使M0.2斷電，切斷整個控制程序，使鍋爐自動熄火停爐并發(fā)出聲光報警。

若風(fēng)壓過低，低風(fēng)壓保護繼電器觸點I1.0(9)斷開，主繼電器M0.2斷電，鍋爐自動熄火停爐并發(fā)出聲光報警。

（5）停爐

停爐時，可手按停止按鈕I0.4，使M0.2斷電，燃燒系統(tǒng)停止工作。若鍋爐水位低于危險低水位，應(yīng)把水泵開關(guān)放在“手動”位置，繼續(xù)向鍋爐供水，直到水位達到正常水位時，再把水泵開關(guān)扳到“停止”位置上。然后把燃燒開關(guān)置于“停止”位置，風(fēng)機和油泵開關(guān)扳到“手動”位置。最后切斷總電源[4]。

2 結(jié)論

機艙輔助設(shè)備的自動化是輪機自動化的重要組成部分。隨著船舶電氣技術(shù)的發(fā)展，船舶的自動化成度越來越高。這一高度自動化的實現(xiàn)取決于機艙設(shè)備控制系統(tǒng)的可靠性。船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)有其自身的特點，船舶工況復(fù)雜多變，船舶的輔鍋爐設(shè)備工作條件惡劣，容易發(fā)生故障，而傳統(tǒng)的繼電接觸式控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性都不夠理想，因此采用可靠性好的可編程控制器來控制顯得十分必要。

本論文研究船舶輔鍋爐自動控制問題，旨在把PLC控制技術(shù)應(yīng)用到船舶輔鍋爐自動控制方案中，去解決傳統(tǒng)繼電接觸式電氣控制系統(tǒng)中存在的各種不足，以提高船舶輔鍋爐自動控制系統(tǒng)的性能以及其工作可靠性。

本文是在參考前人對輔鍋爐PLC控制研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有技術(shù)，對輔鍋爐控制系統(tǒng)進行分析和研究，對于船舶自動化的改善還需要更多研究者共同努力。

［1］李世臣.輪機自動化［M］.大連：大連海事大學(xué)出版社，2008.

［2］嚴(yán)華，楊文中，華增芳.輪機管理專業(yè)綜合訓(xùn)練指導(dǎo)書［Z］.廈門：集美大學(xué)，2008.

［3］陳立定，等.電氣控制與可編程序控制器的原理及應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［4］陳清彬.PLC在船用輔鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.造船技術(shù)，2004（2）：44-46.