基于PLC的船舶輔鍋爐教學裝置設計

(天津理工大學 海運學院，天津 300384)

基于PLC的船舶輔鍋爐教學裝置設計

王宗濤

(天津理工大學 海運學院，天津 300384)

針對在船舶輔鍋爐的適任評估教學中，采用真實鍋爐既增加教學成本又加大教學的危險性的問題，根據船舶輔鍋爐的特點，采用可編程序控制器(PLC)技術設計了一套船舶輔鍋爐教學裝置，該裝置可以模擬船舶輔鍋爐的點火、補水、壓力和安全保護等功能。

可編程序控制器(PLC)；船舶輔鍋爐；適任評估；教學裝置

一、引言

隨著STCW公約馬尼拉修正案的正式生效，國家海事局加強了對輪機人員電氣知識的考查要求。低投入、小容量、易操作的模擬器或仿真系統(tǒng)，是快速、有效地培養(yǎng)現代化高級船員實際操控能力的有效手段。[1]相對于繼電器控制系統(tǒng)而言，可編程序控制器(PLC)具有體積小、組裝靈活、可靠性高、適合在惡劣環(huán)境下使用等特點，在船舶鍋爐的控制中得到廣泛應用，因而開發(fā)適用于輪機人員的仿真系統(tǒng)或裝置具有重要的意義。宋世全介紹了一種基于PC機和PLC的船用輔鍋爐實驗系統(tǒng)，能夠克服采用真實被控對象的缺點；[2]張建平采用F1-30型PLC實現了燃油鍋爐的點火、燃燒、送風、噴油的自動控制；[3]甘輝兵等為解決航海教育中大型油船燃油鍋爐操作培訓的問題，開發(fā)了基于PLC的大型油船燃油鍋爐仿真系統(tǒng)，可以有效地代替真實鍋爐進行操作培訓。[4]

上述研究均采用軟件方式，雖然電腦界面的操作可以實現鍋爐培訓的相關功能，但是缺乏船員的實際體驗功能。為了增強教學的真實感，有機地把PLC基本原理和鍋爐的控制過程結合起來，筆者設計了一套船舶輔鍋爐教學裝置，采用該裝置船員可以親自通過實際的按鈕操作，體驗輔鍋爐的操作過程，增強了教學和培訓的真實感。本文就此進行探討。

二、船舶輔鍋爐教學裝置的功能

1.某柴油機貨船輔鍋爐的主要特點

某柴油機貨船所配備的鍋爐所產生的蒸汽主要用來加熱主、輔柴油機所用燃油及廚房用汽，鍋爐水位和汽壓采用雙位控制，燃燒采用單油頭、定油量和定風量燃燒。系統(tǒng)設有中途熄火、危險低水位和低風壓等安全保護裝置，詳細的控制原理和過程可以參考輪機自動化方面的相關文獻[5]。根據該輔鍋爐的控制特點和安全保護需求，本文采用西門子品牌的S7224CN型號PLC對輔鍋爐的控制系統(tǒng)進行程序設計，并設計了教學裝置。

2.船舶輔鍋爐教學裝置的總體功能設計

該裝置的主要功能包括點火自動/手動模式切換、水位自動/手動模式切換、風機起?？刂?、油泵自動/手動模式切換(簡稱風油自動/手動)、水位和壓力的雙位控制等功能。此外，該裝置還設置了多個故障監(jiān)測點(包括風壓、水位、火焰)對鍋爐的工作進行全程監(jiān)控，具體功能如圖1所示。

根據鍋爐的點火特點，自動點火程序啟動后，程序首先實現預掃風60 s，然后關小風門，打開點火變壓器進行點火，10 s內點火成功，系統(tǒng)沒有警報產生，則點火成功。系統(tǒng)功能流程如圖2所示，教學裝置如圖3所示，除了開關電源、PLC，還包括開關、指示燈。系統(tǒng)的I/O點設計如表1所示。

圖1 PLC鍋爐總體功能設計框架

圖2 自動點火流程

圖3 船舶輔鍋爐教學裝置

I0．0手動點火油頭I1．3燃燒自動I0．1風壓開關I1．4燃燒手動I0．2火焰開關I1．5風油手動I0．3蒸汽開關Q0．0水泵I0．4低水位Q0．1風機I0．5高水位Q0．2油泵I0．6水位自動Q0．3點火線圈I0．7危險水位Q0．4風門擋板I1．0風油自動Q0．6油頭電磁閥I1．1手動點火Q0．7熄火保護I1．2復位開關Q1．1報警

3.船舶輔鍋爐教學裝置的測試和使用

該輔助鍋爐模擬裝置的控制功能包括：鍋爐自動/手動點火、水位控制、蒸汽壓力控制、火焰檢測，風油自動/手動控制及熄火保護、報警等，輸入狀態(tài)由開關按鈕控制，通過PLC控制輸出，并由指示燈指示。

(1)自動點火

將PLC置于RUN位置，燃燒控制、風油控制均置于自動狀態(tài)(燃燒自動I 1.4、風油自動I 1.5)，系統(tǒng)自動點亮風機Q 0.1、油泵Q 0.2指示燈點亮，開始進入預掃風階段，并在此階段建立風壓(風壓開關I 0.1)，經過60 s大風門預掃風自動關小風門，進行預點火，點火線圈指示燈、風門擋板指示燈點亮。按下火焰模擬開關(I 0.2)，說明點火成功，首先熄滅點火變壓器(Q 0.3)，2 s后風門擋板(Q 0.4)指示燈熄滅，70 s內不報警則說明點火成功。點火控制程序如圖4所示。

圖4 點火控制程序

(2)手動點火模式

將燃燒控制、風油控制均置于手動位置(燃燒手動I 1.3、風油手動I 1.0)，首先進行預掃風，60 s內建立風壓(風壓開關I 0.1)，60 s后手動點火I 1.1，打開手動點火油頭I 0.0，按下火焰模擬開關，70 s內不報警則點火成功。

(3)水位控制

將水位控制置于自動位，先后按下高水位(I 0.4)、低水位(I 0.5)模擬開關，則水泵指示燈亮，松開低水位開關，指示燈不熄滅，直到松開高水位開關，水泵才停止供水。如果達到危險水位(I 0.7)，系統(tǒng)將熄火報警。水位控制如圖5所示。

圖5 水位自動控制

(4)蒸汽壓力雙位控制

運行中，蒸汽壓力達到上限設定值(按下模擬開關，對應輸入點為I 0.3)，系統(tǒng)將熄火停爐，并進行后掃風，可以實現自動停爐功能。該控制功能分布在程序的各個控制點，用于控制風機、油泵、點火變壓器、風門擋板以及油頭電磁閥。

當蒸汽壓力下降到設定的下限值(松開模擬開關，對應輸入點為I 0.3)，系統(tǒng)重新進行點火，具體分析和鍋爐的點火過程相同。

(5)系統(tǒng)復位功能

本系統(tǒng)設計了系統(tǒng)復位功能(對應的輸入點為I 1.2)，當出現故障后，待所有故障檢測完畢，按下復位按鈕，方可重新起動鍋爐。系統(tǒng)復位功能程序如圖6所示

圖6 系統(tǒng)復位功能程序

(6)運行中的模擬故障報警

運行中風機出現故障，導致無風壓，系統(tǒng)熄火并報警，應檢查故障；運行中斷開火焰開關，則系統(tǒng)將熄火并報警；運行中出現危險水位報警，即鍋爐水位低于危險水位時，系統(tǒng)將熄火并報警。在點火以及鍋爐運轉過程中，當出現上述故障時，均可以實現報警功能。

本文中的報警功能實現可以通過風壓開關、火焰開關、危險水位等按鈕實現。在預掃風過程中，如果沒有在60 s內按下風壓開關(按下該開關表示建立風壓)，則系統(tǒng)就發(fā)出報警信號并自動停爐。在點火或者正常燃燒過程中，如果松開火焰開關(松開該開關表示沒有火焰)，則系統(tǒng)將發(fā)出熄火報警，并進行后掃風60 s后系統(tǒng)停爐。

三、結語

PLC綜合了計算機和自動控制等先進技術，在船舶輔鍋爐自動控制中得到了廣泛的應用。本文結合評估教學的實踐，所設計的船舶輔鍋爐教學裝置，有效地降低適任評估和教學的成本，避免了真實鍋爐教學的危險性。本文所設計的船舶輔鍋爐教學裝置，有利于船員掌握船舶鍋爐的基本操作過程和電氣控制原理，非常適合船舶輔鍋爐的適任評估和教學。

[1] 陳意惠,薛士龍,蒲小蓮.基于PLC的大型油輪燃油鍋爐仿真系統(tǒng)[J].航海技術，2005(3)：45-46.

[2] 宋世全.基于PC機和PLC的鍋爐仿真實驗系統(tǒng).實驗室研究與探索[J].2009,28(4)：50-51,90.

[3] 張建平.PLC在燃油鍋爐自動控制系統(tǒng)中的應用.廣州航海高等專科學校學報[J], 2005,13(1)：58-60.

[4] 甘輝兵,張均東,曾鴻,等.基于PLC 的大型油船燃油鍋爐仿真系統(tǒng)的開發(fā)[J].中國航海,2006(2)：99-102.

[5] 李世臣,徐善林.輪機自動化[M].大連:大連海事大學出版社，2008.

U676.2

A*

2015-06-10

天津市普通高等學校本科教學質量與教學改革研究計劃基金項目“輪機工程專業(yè)卓越計劃體系建設的研究與實踐”(B01-0818)；天津理工大學教學基金項目(YB11-23)

王宗濤(1976-)，男，講師，主要從事輪機自動化設備與系統(tǒng)研究。

1006-8724(2015)03-0088-03