基于PLC的船用增壓鍋爐點火與火焰檢測裝置設(shè)計

陳 兵 孫長江 秦曉勇

1海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢 430033

2海軍駐大連造船廠軍事代表室，遼寧大連 116005

基于PLC的船用增壓鍋爐點火與火焰檢測裝置設(shè)計

陳 兵1孫長江2秦曉勇1

1海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，湖北 武漢 430033

2海軍駐大連造船廠軍事代表室，遼寧大連 116005

針對現(xiàn)有船用增壓鍋爐點火和火焰檢測裝置無邏輯保護功能，容易誤操作的問題，提出了基于PLC的改進設(shè)計方案。利用PLC技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)繼電器控制回路，以邏輯保護模塊為核心，將系統(tǒng)分為正常點火回路、應(yīng)急點火回路、爐膛火焰檢測回路、空氣夾層火焰檢測回路和報警回路；提出PLC配置方案和實現(xiàn)邏輯保護功能的方法；利用該方案研制新型增壓鍋爐點火與火焰檢測裝置，初步應(yīng)用表面新裝置大大減少船員的勞動量，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

電點火；邏輯保護；PLC；增壓鍋爐

1 引言

船用增壓鍋爐［1］以重油為燃燒工質(zhì)，較柴油而言，點火難度加大，同時增壓鍋爐較普通鍋爐爐膛內(nèi)壓力提高，出口風(fēng)速提高，火焰更不易保持穩(wěn)定。特別是在惡劣海況和緊急狀態(tài)時，如何保持鍋爐可靠點火和安全運行事關(guān)重大，不容馬虎?，F(xiàn)有增壓鍋爐采用的點火方式包括24 V直流電碳棒點火和高壓電極點火兩種方式。24 V直流電碳棒點火方式點火過程繁瑣，點火成功與否完全取決于船員的熟練程度；高壓電極點火方式點火成功率高，易于操作，但也缺少邏輯保護功能。同時，用光敏二極管作為火焰檢測裝置容易受到爐膛內(nèi)煙霧的干擾，會造成爐膛內(nèi)火焰的誤報。為確保增壓鍋爐的安全，防止鍋爐爐膛爆炸等事故的發(fā)生，對其點火過程應(yīng)設(shè)置嚴(yán)格的邏輯保護要求，同時盡量減少人為因素的影響。因此，需要對鍋爐點火與火焰檢測裝置改進設(shè)計，特別是增加邏輯保護功能，以確保增壓鍋爐點火和燃燒過程的安全可靠。

PLC是可編程序邏輯控制器的簡稱，是以微處理器為核心的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計。它采用可編程的存儲器，用以在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時技術(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字模擬的輸入輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程［2－5］。 和常規(guī)繼電器組成的控制系統(tǒng)相比，在系統(tǒng)中減少了大量的中間繼電器和時間繼電器，使控制系統(tǒng)大大簡化。同時由于中間環(huán)節(jié)減少，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的故障點減少，增加了系統(tǒng)運行的可靠性。由于PLC具備的經(jīng)濟實用、可靠性高、易編程和便于維護的特點，基于PLC的各種控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用［6－10］。

在增壓鍋爐的點火和火焰檢測裝置改進設(shè)計中，充分利用PLC技術(shù)，以邏輯保護模塊為核心，實現(xiàn)鍋爐點火和燃燒過程的嚴(yán)格監(jiān)控，減少船員工作量，提高裝置可靠性，具有重要的現(xiàn)實意義。

2 裝置的技術(shù)要求

要實現(xiàn)增壓鍋爐點火過程的安全可靠和爐膛與空氣夾層火焰的實時檢測，對點火及火焰檢測裝置的技術(shù)要求主要包括：

1）在鍋爐起動時，按照一定邏輯順序安全可靠點火。鍋爐啟動時按照操作步驟的要求，起動風(fēng)機和油泵，并把風(fēng)門調(diào)到最大而不向爐膛內(nèi)供油，用高壓空氣大風(fēng)量吹掃，即“掃風(fēng)”，以防止點火時發(fā)生“冷爆”。掃風(fēng)結(jié)束后把風(fēng)門關(guān)到最小位置，打開點火噴油閥，噴入少量燃油，同時點火，點火成功后，加大油量，進入正常燃燒。如果一次點火不成功，要求必須重新通風(fēng)3 min后才能進行第二次點火，三次點火不成功必須查明原因后再重新按邏輯順序點火。

2）正常工作時實時檢測爐膛火焰狀態(tài)，防止?fàn)t膛事故，確保爐膛火焰熄滅后馬上通知遠程控制系統(tǒng)停止向鍋爐供油。

3）實時檢測鍋爐空氣夾層火焰，防止空氣夾層著火事故，確保在第一時間發(fā)現(xiàn)空氣夾層火焰并通知遠程控制系統(tǒng)，保證鍋爐安全。

3 裝置的組成與基本原理

3.1 裝置的組成

根據(jù)對裝置的技術(shù)要求，改進后的系統(tǒng)主要包括正常點火回路、應(yīng)急點火回路、爐膛火焰檢測回路、空氣夾層火焰檢測回路和報警回路，這些回路均以邏輯保護回路為核心。正常點火回路采用12 000 V高壓電極點火方式，為日常使用的點火方式。應(yīng)急點火回路采用直流24 V電碳棒點火方式，為正常點火回路故障時的應(yīng)急點火方式。爐膛火焰檢測回路采用智能一體化紅外火焰檢測器，在鍋爐前、后墻配風(fēng)器觀察孔上各布置一個；空氣夾層火焰檢測回路同樣采用智能一體化紅外火焰檢測器，在鍋爐前、后墻空氣夾層內(nèi)各布置一個。這些設(shè)備的控制和反饋信號都送到或來自于以PLC為核心的邏輯保護回路。

3.2 裝置的基本原理

改進后，鍋爐點火及火焰檢測裝置的原理框圖如圖1所示。利用風(fēng)壓傳感器、正常點火電流傳感器和應(yīng)急點火電壓傳感器分別檢測鍋爐空氣夾層風(fēng)壓、正常點火電流和應(yīng)急點火電流并將其轉(zhuǎn)換成線性的標(biāo)準(zhǔn)電流信號（4～20 mA），送到程序控制器，作為點火邏輯保護判斷的輸入；利用火焰檢測器對爐膛火焰、前后墻空氣夾層火焰狀態(tài)進行檢測，并將其轉(zhuǎn)換成開關(guān)量信號，送到程序控制器；利用按鈕和選擇開關(guān)將報警消音和點火選擇信號送到程序控制器；遙控室提供遙控點火信號，利用航空接插件送到程序控制器。利用程序控制器和驅(qū)動電路控制發(fā)光二極管用以顯示爐膛有火、爐膛無火、前空氣夾層火焰、后空氣夾層火焰、點火準(zhǔn)備就緒指示，并以無源接點的型式輸出；控制蜂鳴器提供報警指示。利用程序控制器和驅(qū)動電路控制正常點火繼電器和應(yīng)急點火繼電器，實現(xiàn)邏輯點火功能；正常點火繼電器和爐旁點火按鈕控制點火變壓器的工作，應(yīng)急點火繼電器和應(yīng)急點火按鈕控制應(yīng)急點火變壓器的工作；電流傳感器和電壓傳感器分別檢測正常點火電流和應(yīng)急點火電流以確定是否已經(jīng)點火。

4 PLC配置和邏輯保護功能的實現(xiàn)

4.1 PLC的I/O點配置

根據(jù)國內(nèi)外程序控制器的生產(chǎn)廠家產(chǎn)品情況，本設(shè)計采用西門子 S7－313C［11］緊湊型 CPU 作為核心關(guān)鍵控制元件。該型可編程序控制器的主要特點是帶集成數(shù)字量和模擬量輸入／輸出，滿足對處理能力和響應(yīng)時間要求較高的場合。如該型號的環(huán)境溫度范圍不能滿足船用條件，可選用和該型號相對應(yīng)的寬溫型PLC。

根據(jù)裝置設(shè)計的需求，本系統(tǒng)配置了8點開關(guān)量輸入，7點開關(guān)量輸出和2路模擬量輸入。開關(guān)量輸入分別是前、后墻爐膛火焰狀態(tài)輸入，前、后墻空氣夾層火焰狀態(tài)輸入，遙控、就地和應(yīng)急點火選擇（兩個開關(guān)量）輸入，報警消音輸入，遠程遙控點火輸入；開關(guān)量輸出分別是遠程爐膛火焰指示、就地爐膛有火指示、就地爐膛無火指示、點火準(zhǔn)備就緒指示、允許正常點火、允許應(yīng)急點火和報警輸出；2路模擬量輸入分別是正常點火電流輸入和應(yīng)急點火電流輸入。

4.2 邏輯保護功能的實現(xiàn)

邏輯保護模塊的流程圖如圖2所示。其中，風(fēng)壓由風(fēng)壓傳感器測得，當(dāng)測得的風(fēng)壓超過一定值時即認(rèn)為鍋爐在通風(fēng)。連續(xù)通風(fēng)滿3 min后，控制系統(tǒng)發(fā)出指令向高壓點火變壓器或應(yīng)急點火槍供電，在此之前高壓點火變壓器或應(yīng)急點火槍沒有供電，船員按下點火起動按鈕也不會點火，避免了船員誤操作帶來的后果。根據(jù)傳感器傳來的電流值是否大于一定值來判斷是否已按下點火按鈕。點火按鈕按下后，若在點火設(shè)定的點火持續(xù)期內(nèi)松開則認(rèn)為點火已結(jié)束，或在點火持續(xù)期滿后由控制器發(fā)出指令切斷向高壓點火變壓器或應(yīng)急點火槍的供電。點火持續(xù)期的設(shè)定確保了點火設(shè)備的安全，同時也防止了船員的誤操作。利用火焰檢測器的檢測信號，判斷點火是否成功，若成功即進入燃燒過程監(jiān)控模塊，若不成功即將所有數(shù)據(jù)復(fù)位，準(zhǔn)備下一次點火。在進行PLC梯形圖設(shè)計時，考慮到使用的方便性和易于修改等因素，采用模塊化設(shè)計方法。即每一個模塊化程序完成某一個特定的功能。最為重要的是邏輯保護功能模塊，即不論是遙控、就地還是應(yīng)急點火都必須調(diào)用該模塊。該模塊確保在點火之前必須完成3 min的掃風(fēng)工作，若掃風(fēng)還未結(jié)束，則不向點火變壓器或應(yīng)急點火槍供電。同時該模塊還確保在鍋爐爐膛或空氣夾層有火時，自動切斷向點火變壓器或應(yīng)急點火槍的供電，防止了增壓鍋爐正常工作時人員的誤操作。

5 裝置的實現(xiàn)和應(yīng)用

根據(jù)上述的設(shè)計方案，對各個功能模塊進行細(xì)化后，研制完成了改進后的新型點火及火焰檢測裝置。整套裝置由控制箱、變壓器箱、高壓點火槍、應(yīng)急點火槍、前后墻爐膛火焰檢測器、前后墻空氣夾層火焰檢測器、風(fēng)壓傳感器、點火按鈕盒和蜂鳴器組成。其組成示意圖如圖3所示。該裝置實現(xiàn)的功能包括：1）就地點火操作，在鍋爐旁完成點火工作；2）遙控點火操作，在遠程遙控部位指導(dǎo)完成點火工作；3）應(yīng)急點火操作，高壓點火槍故障時，利用應(yīng)急點火完成點火工作；4）爐膛火焰檢測，實現(xiàn)檢測爐膛火焰，并在爐旁和遠程控制部位指示爐膛有無火狀態(tài)；5）空氣夾層火焰檢測，實現(xiàn)檢測爐膛火焰，并在爐旁和遠程控制部位指示爐膛有無火狀態(tài)；6）參數(shù)調(diào)整，根據(jù)不同鍋爐爐膛火焰狀態(tài)、空氣夾層風(fēng)壓、正常點火電流和應(yīng)急點火電流的要求，可對火焰強度和有火門檻、風(fēng)壓上下限設(shè)定值、正常點火和應(yīng)急點火電流下限值、允許一次持續(xù)點火時間等按不同裝置要求重新設(shè)置。

該裝置在某船用增壓鍋爐上初步應(yīng)用表明：改進后實現(xiàn)了鍋爐點火和燃燒過程的嚴(yán)格監(jiān)控，特別是基于PLC的邏輯保護功能，大大減少了工作人員的工作量，減少了人為因素，有效防止工作人員的誤操作，提高了系統(tǒng)的可靠性。

6 結(jié)束語

針對船用增壓鍋爐點火與火焰檢測裝置存在無邏輯保護功能，容易誤操作的問題，對該裝置進行了改進設(shè)計。設(shè)計方案以高壓點火槍為常用點火裝置，24 V碳棒點火為應(yīng)急點火裝置，采用智能一體化紅外火焰檢測器代替光敏二極管作為火焰檢測裝置。特別是采用PLC控制技術(shù)，實現(xiàn)了鍋爐點火和火焰檢測過程的邏輯保護功能。該功能滿足了鍋爐點火和燃燒過程需嚴(yán)格監(jiān)控的需求，減少了船員的人為因素，有效防止了船員的誤操作。另一方面，PLC取代了傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制，提高了系統(tǒng)的可靠性，使故障率大大減少。改進后的裝置實現(xiàn)了船用增壓鍋爐有邏輯保護的就地、遙控和應(yīng)急點火，并能實時對爐膛和空氣夾層火焰進行監(jiān)控，同時PLC技術(shù)帶來的參數(shù)調(diào)整功能使裝置的適應(yīng)性大大增強。

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Design of Marine Supercharged Boiler Ignition and Flame Detector Based on PLC

Chen Bing1 Sun Chang－jiang2 Qin Xiao－yong1
1 College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China 2 Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd.， Dalian 116001，China

For the existing electric ignition and flame detection systems in marine supercharged boiler are of no logic protection function and easily lead to incorrect manipulation，an improved design method based on PLC is presented.Based on PLC technology rather than conventional relay control loop， the system is consisted of five sub－loops as follows： normal ignition loop， emergency ignition loop， boiler chamber flame detection loop， boiler sandwich flame detection loop and alarm loop.The configuration design of PLC and the application of logic protection function are introduced.This improved method， implemented on the new type equipment，leads to less work demands of crewman and improvement of system security and reliability.

electric ignition；logic protection；PLC；supercharged boiler

TP29，TK229

A

1673－3185（2011）01－69－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.01.013

2010-03-12

陳 兵（1962－），男，副教授。研究方向：船舶機電設(shè)備熱力性能分析和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。E-mail：qinxy2002＠ hotmail.com