基于PLC的船舶鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

管旭

(渤海船舶職業(yè)學(xué)院電氣工程系，遼寧省葫蘆島市125005)

0 引言

船舶燃油輔助鍋爐的主要作用是產(chǎn)生蒸汽。鍋爐的自動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)艙必不可少的重要組成部分，對(duì)其要求越來(lái)越高。船舶燃油輔助鍋爐控制難度大，危險(xiǎn)性高，因此對(duì)其控制系統(tǒng)提出了較高的要求[1]。PLC控制技術(shù)具有高可靠性、運(yùn)用靈活等特點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)化控制系統(tǒng)領(lǐng)域中[2]，本文采用PLC控制技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)船舶燃油輔助鍋爐的自動(dòng)控制的方法，該設(shè)計(jì)方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、可靠性高、易于修改等優(yōu)點(diǎn)，為完善船舶生產(chǎn)工藝、提高工作效率、實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)艙做出貢獻(xiàn)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 與船舶燃油輔助鍋爐自動(dòng)控制相關(guān)的工藝要求

鍋爐水位、蒸汽壓力、燃燒程序的自動(dòng)控制及保護(hù)與報(bào)警是船舶燃油輔助鍋爐自動(dòng)控制包括的四個(gè)環(huán)節(jié)。以下是具體說(shuō)明。

1.1 鍋爐水位的自動(dòng)控制

本文水位信號(hào)來(lái)自水位計(jì)對(duì)4個(gè)水位進(jìn)行檢測(cè)，分別為：下限水位、給水位、停給水位、上水位，信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入PLC進(jìn)而控制水泵電機(jī)。為使系統(tǒng)全自動(dòng)平穩(wěn)運(yùn)行，必須對(duì)鍋爐給水實(shí)現(xiàn)幾種控制，例如：合適給水量的控制、低水位聯(lián)鎖及報(bào)警處理、給水水泵電機(jī)故障時(shí)的聯(lián)鎖控制等，這也是本文對(duì)水泵電機(jī)的控制的目的。

1.2 鍋爐蒸汽壓力的自動(dòng)控制

通過(guò)上述的水位控制，水位正常時(shí)，當(dāng)前蒸汽壓力采用壓力傳感器測(cè)量，通過(guò)壓力開(kāi)關(guān)將信號(hào)接入 PLC 的兩點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入，或者通過(guò)變送器將信號(hào)接入 PLC的一路模擬量輸入，其目的是：實(shí)現(xiàn)大、小火的兩級(jí)燃燒控制，實(shí)現(xiàn)壓力上限保護(hù)及實(shí)時(shí)監(jiān)視控制，即：

?

1.3 鍋爐燃燒程序的自動(dòng)控制

通過(guò)燃燒系統(tǒng)自動(dòng)控制的被控參數(shù)－蒸汽壓力對(duì)鍋爐發(fā)出起動(dòng)信號(hào)后，為防止點(diǎn)火時(shí)發(fā)生“冷爆”，先進(jìn)行“預(yù)掃風(fēng)”，用壓縮空氣大風(fēng)量吹掃，即：油泵和風(fēng)機(jī)自動(dòng)起動(dòng)后，把風(fēng)門(mén)調(diào)到最大而不向爐膛內(nèi)供油?！邦A(yù)掃風(fēng)”結(jié)束后，進(jìn)行點(diǎn)火操作。首先，自動(dòng)把風(fēng)門(mén)關(guān)到最小位置，然后，打開(kāi)點(diǎn)火噴油電磁閥噴入少量燃油，接通點(diǎn)火變壓器進(jìn)行點(diǎn)火。如果點(diǎn)火成功，進(jìn)入正常燃燒狀態(tài)，此時(shí)，噴油電磁閥正常打開(kāi)。自動(dòng)控制系統(tǒng)要求點(diǎn)火成功后自動(dòng)斷開(kāi)點(diǎn)火變壓器。

1.4 自動(dòng)安全保護(hù)和自動(dòng)故障報(bào)警控制

對(duì)船舶燃油輔助鍋爐進(jìn)行控制，不僅難度大，而且危險(xiǎn)性很高，所以完善的安全保護(hù)和故障報(bào)警系統(tǒng)對(duì)于這個(gè)控制系統(tǒng)尤為重要。本文采用4位BCD碼的數(shù)碼管來(lái)顯示停爐、報(bào)警信號(hào)，即：高二位顯示故障類(lèi)別，低二位顯示故障代碼。

1) 當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)低水位、高汽壓；中途故障熄火；風(fēng)機(jī)失靈、電機(jī)過(guò)電流；長(zhǎng)時(shí)間(如20 s)低油壓等情況時(shí)，實(shí)施停爐，同時(shí)報(bào)警裝置發(fā)出聲光報(bào)警。

2) 為防止干擾信號(hào)引起誤動(dòng)作，產(chǎn)生誤報(bào)警，系統(tǒng)對(duì)下列繼電器動(dòng)作信號(hào)延時(shí)一定時(shí)間報(bào)警：報(bào)警高水位、低水位、高汽壓、低油溫、高油溫。

3) 為保證鍋爐運(yùn)行的連續(xù)性，如發(fā)生工作油泵電機(jī)出現(xiàn)過(guò)流、工作水泵電機(jī)過(guò)電流故障等故障時(shí)，備用泵將自動(dòng)啟動(dòng)并取代故障泵繼續(xù)運(yùn)行。

4) 可通過(guò)編程器調(diào)看輔鍋爐運(yùn)行時(shí)間。

5) 管理人員要關(guān)注操作面板上的維護(hù)周期指示燈，通過(guò)它，關(guān)注鍋爐是否到達(dá)維護(hù)周期。需要注意的是：系統(tǒng)經(jīng)過(guò)檢修維護(hù)后，管理人員一定注意按下維護(hù)周期復(fù)位開(kāi)關(guān)，使PLC內(nèi)部定時(shí)器清零復(fù)位，重新計(jì)時(shí)。

綜上所訴，本控制系統(tǒng)按照要求在 PLC中編制用戶程序，完成以下功能：①要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)起、?？刂疲航o水、掃氣、點(diǎn)火、燃燒等；②對(duì)于鍋爐保養(yǎng)維護(hù)的定期定時(shí)自動(dòng)提示，及其對(duì)于超期不維護(hù)系統(tǒng)的自動(dòng)閉鎖等；③根據(jù)自動(dòng)控制要求，為配合燃燒，PLC編制的用戶程序要能實(shí)現(xiàn)：自動(dòng)起停風(fēng)機(jī)、電機(jī)和開(kāi)閉風(fēng)門(mén)，以完成掃氣工序，并且，根據(jù)燃燒情況控制風(fēng)門(mén)的大?。虎躊LC 用戶程序還要能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)的控制處理，如：風(fēng)機(jī)、電機(jī)故障；爐內(nèi)壓力超限聯(lián)鎖；燃器發(fā)生故障的聯(lián)鎖控制和報(bào)警處理；報(bào)警聯(lián)鎖等。

2 PLC機(jī)型的選擇及I/O的確定要求

在滿足控制功能的前提下，根據(jù)控制系統(tǒng)中輸人、輸出信號(hào)的種類(lèi)、參數(shù)等級(jí)和負(fù)載要求，保證系統(tǒng)可靠、安全、經(jīng)濟(jì)及使用維護(hù)方便，選擇能夠滿足輸入輸出接口需要的機(jī)型，是PLC機(jī)型選擇的基本原則。特別要注意的是：電壓和電流的問(wèn)題。

實(shí)際設(shè)計(jì)中要考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題[3]：

1) I/O點(diǎn)數(shù)的確定(一般可考慮10%～15%的備用量)；

2) 確定用戶程序存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，一般的估計(jì)方法是：(輸入+輸出)×(10～12)=指令步數(shù)；

3) 響應(yīng)速度；

4) 輸入輸出方式以及負(fù)載能力。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)船舶輔助燃油鍋爐控制系統(tǒng)及PLC機(jī)型的選擇及I/O的確定要求，本文中船舶輔助燃油鍋爐控制系統(tǒng)采用日本三菱公司的FX2—64MT PLC，具有運(yùn)行速度快，功能強(qiáng)等特點(diǎn)，I/O總數(shù)為64點(diǎn)，如圖1所示，為本設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸入/輸出硬件組成，占用輸入26點(diǎn)（輸入6點(diǎn)備用），輸出24點(diǎn)（輸出8點(diǎn)備用）。

圖1 硬件接口

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

按照船舶輔鍋爐控制全自動(dòng)工作流程，根據(jù)輔鍋爐控制要求，圖2給出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

圖2 軟件編程

4 總結(jié)

本文采用 FX2N-64MTPLC 對(duì)船舶輔助鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，從試運(yùn)行結(jié)果看，經(jīng)改造后的系統(tǒng)在可靠性方面取得了良好的效果，不僅改善管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度及工作條件，為船舶機(jī)艙無(wú)人化作出貢獻(xiàn)，而且提高了船舶運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于提高船舶的經(jīng)濟(jì)效益有巨大意義。

[1] 陳義亮.船用鍋爐與汽輪機(jī)[M].大連:大連海事大學(xué)出版社, 1996.

[2] 程周.可編程控制器技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2002.

[3] 萬(wàn)太福，唐賢永.可編程序控制器及應(yīng)用，重慶:重慶大學(xué)出版社，1994年.