基于PLC的船用焚燒爐控制系統(tǒng)設(shè)計

陳新恩, 蔡建邦, 覃浩峰

(廣州航海學院 海運學院， 廣州 510725)

基于PLC的船用焚燒爐控制系統(tǒng)設(shè)計

陳新恩, 蔡建邦, 覃浩峰

(廣州航海學院 海運學院， 廣州 510725)

為有效保護海洋環(huán)境，對船用焚燒爐的控制系統(tǒng)進行研究。闡述船用焚燒爐系統(tǒng)的構(gòu)成，說明船用焚燒爐控制系統(tǒng)的設(shè)計要求、硬件組成、PLC的 I/O分配情況以及一些工作數(shù)據(jù)設(shè)置，論述船用焚燒爐焚燒污油和焚燒固體垃圾的2種工作模式原理。試驗證明：該系統(tǒng)自動化程度高，安保措施可靠，焚燒單位垃圾或污油所耗柴油量比普通系統(tǒng)低5%，焚燒污油含水率可高達60%以上，具有工作可靠、經(jīng)濟和環(huán)保等特性。

船舶工程； 海洋環(huán)境保護； 船用焚燒爐； 控制系統(tǒng)； PLC

隨著全球經(jīng)濟不斷發(fā)展，承擔物流運輸任務的船舶數(shù)量越來越多，船舶垃圾污染海洋環(huán)境問題日益嚴重。船用焚燒爐是MARPOL 73/78(The International Convention for the Prevention of Pollution From Ships, 1973 as Modified by the Protocol of 1978)公約規(guī)定的遠洋船舶必備的防污染設(shè)備之一。[1-3]目前世界各國已研制出50多款船用焚燒爐，如英國哈姆公司生產(chǎn)的船用焚燒爐，丹麥阿特提斯公司生產(chǎn)的船用焚燒爐，日本日立造船廠生產(chǎn)的船用焚燒爐。國內(nèi)有中船公司704研究所研制的船用焚燒爐、中船公司綠洲機器廠引進挪威戈拉公司技術(shù)生產(chǎn)的船用焚燒爐。這些焚燒爐大多具有輔助燃燒器、自動化程度高、能焚燒污油與固體垃圾等特點，但能焚燒的污油的含水率一般在50%左右。目前我國船用焚燒爐技術(shù)發(fā)展還不夠成熟[4]，引進國外先進技術(shù)，設(shè)計新型船用焚燒爐具有現(xiàn)實意義。在廣東省科研資金的助力下，設(shè)計出一種新型船用焚燒爐及其控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了污油柜110℃高溫加熱、 燃燒室內(nèi)900～1 000℃高溫燃燒，大大加快了污油中水分的汽化，焚燒污油的含水率可高達60%以上。

1 設(shè)計要求

控制系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)完善的程序控制、燃燒控制、安全保護等功能。[5]

1.1程序控制

船用焚燒爐控制系統(tǒng)能夠按照設(shè)計的程序?qū)Υ梅贌隣t前掃氣、噴油、點火、燃燒、熄火、后掃氣等動作進行自動控制。

1.2燃燒控制

船用焚燒爐控制系統(tǒng)能夠?qū)Υ梅贌隣t噴油量、風門開度大小、爐膛溫度等進行自動控制，保證在消耗最少柴油的基礎(chǔ)上，焚燒最大量的固體垃圾或污油。

1.3安全保護

低壓或失電、排煙溫度高于350℃、燃燒室溫度高于1 200℃、爐膛壓力升到大氣壓之前、 點火失敗或中途熄火、燃油壓力低等情況出現(xiàn)時，要求船用焚燒爐自動停爐，停止燃料供給，并發(fā)出聲光報警。

2 船用焚燒爐系統(tǒng)構(gòu)成

船用焚燒爐系統(tǒng)主要由柴油系統(tǒng)、污油系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、焚燒爐本體和電氣控制柜組成。[6]其中：污油系統(tǒng)的主要功能是污油的貯存、加熱和泵送；柴油系統(tǒng)的主要功能是柴油的貯存和泵送;壓縮空氣系統(tǒng)主要用于霧化柴油或污油，污油燃燒器停止工作之前沖洗管路，及推動一些執(zhí)行機構(gòu)(如加料門)等;電氣控制柜主要用于集中安裝焚燒爐一些控制設(shè)備;焚燒爐本體主要由爐膛、加料門、出灰門、柴油燃燒器、污油燃燒器、鼓風機、風門調(diào)節(jié)機構(gòu)等組成,固體垃圾或污油燃燒主要在其中完成。系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 船用焚燒爐系統(tǒng)原理圖

3 船用焚燒爐主電路設(shè)計

船用焚燒爐主電路的主要設(shè)備有隔離開關(guān)、熱繼電器、交流接觸器、MM430型變頻器、污油變量泵、污油粉碎泵、柴油泵、風機等。該電路設(shè)計見圖2。

4 控制部分硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)是船用焚燒爐系統(tǒng)的靈魂，代表著船用焚燒爐智能化程度的高低?？刂圃O(shè)備主要集中安放在電氣控制箱內(nèi)。電氣控制箱主要包含下列設(shè)備：正面上有操作開關(guān)、顯示控制屏、指示燈；箱內(nèi)有隔離開關(guān)、繼電器、交流接觸器、變壓器、PLC(Programmable Logic)等。其中PLC是控制系統(tǒng)的核心部件,選用S7-200型。 S7-200系列中的CPU226(Central Processing Unit 226)型PLC具有成本低、功能強的優(yōu)點，結(jié)構(gòu)上具有24個輸入點和16個輸出點，滿足該系統(tǒng)的要求。[7]擴展模塊選用EM235型模擬量擴展模塊，該模塊具有4路輸入和1路輸出，可以將PLC外部的模擬量變成數(shù)字量輸送到PLC內(nèi)部進行處理，將PLC輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量以控制被控對象。

圖2 船用焚燒爐主電路

S7-200系列中CPU226型PLC的輸入、輸出端口分配見表1。一次端控制設(shè)備安裝在焚燒爐本體上，主要有熱電偶、熱電阻、壓力傳感器、負壓傳感器、火焰探測器等。顯示控制屏主要用于顯示和調(diào)整焚燒爐的參數(shù)以及方便工作人員操作。顯示控制屏選用文本顯示器TD(Text Display) 400C型顯示器，該顯示器專門支持S7-200，具有價格低廉和操作方便等優(yōu)點。TD 400C通過TD/CPU電纜與S7-200 CPU相連。[8]

5 船用焚燒爐工作原理分析

該種船用焚燒爐有2種工作方式：焚燒固體垃圾工作模式，焚燒污油工作模式。

5.1固體垃圾焚燒工作原理

1) 合上電源開關(guān)，選擇焚燒固體垃圾工作模式。

2) 啟動鼓風機，掃風30 s。

3) 啟動柴油泵，柴油燃燒器噴油點火。如果8 s之內(nèi)火焰探測器檢測到火焰，則繼續(xù)燃燒;如果8 s之內(nèi)檢測不到火焰，則發(fā)出聲光報警并停爐。

4) 燃燒室溫度繼續(xù)升高。如果5 min之內(nèi)爐膛溫度高于600℃，則正常燃燒；如果低于600℃,則發(fā)出聲光報警和停爐。[9]

5) 在燃燒的過程中，如果燃燒室溫度升到1 000℃，則柴油燃燒器停止燃燒;如果降到900℃，則柴油燃燒器重新點燃。這樣設(shè)計，可保證消耗最少柴油，焚燒最多垃圾。

表1 PLC I/O 分配表

6) 在焚燒工作過程中，如果安裝在煙囪上的熱電阻檢測到排煙溫度高于350℃，或安裝在爐膛的熱電阻檢測到爐膛溫度高于1 200℃，燃燒室負壓高于-10 Pa，柴油燃燒器油壓低于0.5 MPa，霧化室氣壓低于0.5 MPa，則控制單元發(fā)出聲光報警并停爐。

7) 按停爐開關(guān)，則柴油燃燒器停止燃燒，鼓風機繼續(xù)運行，當爐膛低于60℃時，鼓風機停止運轉(zhuǎn)。

5.2污油焚燒工作原理

1) 合上電源開關(guān)，選擇焚燒污油工作模式，污油粉碎泵運轉(zhuǎn)。

2) 污油柜內(nèi)溫度傳感器檢測污油溫度是否大于110℃，如是，進入掃風程序；如不到110℃，則等待蒸汽對污油繼續(xù)加熱。這樣設(shè)計，有利于污油中水分蒸發(fā)，減少進入爐膛的實際水分。

3) 啟動鼓風機掃風30 s。

4) 啟動柴油泵，柴油燃燒器噴油點火。如果8 s之內(nèi)火焰探測器檢測到火焰，則繼續(xù)燃燒;如果8 s之內(nèi)檢測不到火焰，則發(fā)出聲光報警并停爐。

5) 當爐膛溫度達到650℃時，進入污油燃燒程序，此時變頻器根據(jù)爐膛溫度調(diào)節(jié)污油變量泵的轉(zhuǎn)速，改變噴入爐膛的污油量。在焚燒工作過程中，如果安裝在煙囪上的熱電阻檢測到排煙溫度高于350℃，或安裝在爐膛的熱電阻檢測到爐膛溫度高于1 200℃，燃燒室負壓高于-10 Pa，柴油燃燒器油壓低于0.5 MPa，霧化室氣壓低于0.5 MPa，則控制單元發(fā)出聲光報警并停爐。

6) 在燃燒的過程中，如果燃燒室溫度升到1 000℃，則柴油燃燒器停止燃燒；如果燃燒室溫度降到900℃，則柴油燃燒器重新點燃。這樣設(shè)計，可保證消耗最少柴油，焚燒最多污油。同時，可實現(xiàn)高溫燃燒，使燃燒更徹底，減少污染排放物。

7) 當污油柜液位高度達到低位時，控制系統(tǒng)發(fā)出停爐指令，關(guān)閉柴油燃燒器、污油燃燒器，柴油泵、污油泵等停止運轉(zhuǎn)。

8) 風機繼續(xù)運行，進入冷卻程序。爐膛溫度低于60℃，風機停止運轉(zhuǎn)。

6 船用焚燒爐控制系統(tǒng)一些工作數(shù)據(jù)設(shè)置

在設(shè)計船用焚燒爐控制系統(tǒng)時，一些工作數(shù)據(jù)(如報警極限數(shù)據(jù))的設(shè)置至關(guān)重要，對系統(tǒng)的工作可靠性、安全性、經(jīng)濟性具有重要影響。船用焚燒爐控制系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)的設(shè)置見表2。

表2 船用焚燒爐控制系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)設(shè)置表

7 結(jié) 語

由于采用了變頻調(diào)速技術(shù)和柴油燃燒器自動啟停技術(shù)，該系統(tǒng)焚燒單位垃圾或污油耗柴油量比普通系統(tǒng)低5%。同時，實現(xiàn)了污油高溫加熱和垃圾高溫燃燒，焚燒效率大大提高，排放指標得到降低。試驗證明，該控制系統(tǒng)具有工作可靠性、經(jīng)濟性、較好的先進性，值得推廣。研究船用焚燒爐控制技術(shù)，做到垃圾處理環(huán)?；?，能源利用高效化，向綠色航海方向發(fā)展。

[1] 王建強，陳紀賽．船舶污染物處理技術(shù)及發(fā)展方向探討[J]．船海工程，2010,39(6)：71-77．

[2] 崔建偉，韓曉波，徐筱欣．船用垃圾焚燒爐整體結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模擬[J]．船舶工程，2010(S2)：143-146．

[3] 孟崢嶸， 王春明．船用焚燒爐技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．交通科技，2012(1)：104-106．

[4] 徐筱欣， 韓小波．船用焚燒爐煙氣排放控制技術(shù)研究[J]．江蘇船舶，2009,26(2)：1-3．

[5] 國家標準化委員會．GB/T 10836—2008,船用焚燒爐要求[S]．北京：中國標準出版社，2008．

[6] 殷佩海．船舶防污染技術(shù)[M]．大連：大連海事大學出版社，2000: 136-143．

[7] 田淑珍．S7-200 PLC原理及應用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2009: 11-13.

[8] 廖常初．PLC編程及應用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2008: 246-248.

[9] 施耀新，劉紅飛．基于比例調(diào)節(jié)的船用焚燒爐系統(tǒng)研發(fā)[J]．船舶，2012,23(6)：43-47．

[10] 黃運佳，羅良寶．船用焚燒爐系統(tǒng)參數(shù)和控制策略[J]．船舶設(shè)計通訊，2011(1)：43-47．

DesignofMarineIncineratorControlSystemBasedonPLC

CHENXin’en，CAIJianbang，QINHaofeng

(Maritime College, Guangzhou Maritime Institute, Guangzhou 510725, China)

The satisfactory operation of a incinerator relies on effective control system. The composition of marine incinerator system is expiained, and the design requirements of the control system of marine incinerator, the equipment composition and the allocation of PLC I/O, and some work parameter settings are illustraed. Two types of working principles of marine incinerator for burning waste oil and solid wastes are discussed. The system designed is highly automated with reliable safety protection and can treat the sump oil containing water up to 60%. Tests indicate that the fuel consumption of this system is 5% less than that of conventional systems.

ship engineering; protection of marine environment; marine incinerator; control system; PLC

2014-05-06

廣東省科技計劃項目(2012B010500030)；廣東省交通運輸廳科技項目(2012-04-005)；廣州市黃埔區(qū)科技計劃項目(201258)

陳新恩(1972—)，男，湖北黃岡人，高級實驗師，碩士，主要從事輪機工程技術(shù)教學和研究工作。E-mail：cxe29@126.com

1000-4653(2014)03-0025-03

U664.9; TP273

A