基于PLC的發(fā)電柴油機(jī)海水泵控制電路改造設(shè)計(jì)

楊斌斌，李 霏，王樹仁，唐 然

（中國海上衛(wèi)星測控部，江蘇江陰 214431）

基于PLC的發(fā)電柴油機(jī)海水泵控制電路改造設(shè)計(jì)

楊斌斌，李 霏，王樹仁，唐 然

（中國海上衛(wèi)星測控部，江蘇江陰 214431）

本文引出了發(fā)電柴油機(jī)海水泵控制電路進(jìn)行PLC技術(shù)改造的必要性，詳細(xì)描述了根據(jù)繼電器控制電路進(jìn)行PLC梯形圖程序設(shè)計(jì)的方法和步驟，同時(shí)給出了PLC程序及控制接線圖，并通過仿真和調(diào)試，充分驗(yàn)證了PLC控制的可行性。

發(fā)電柴油機(jī)；海水泵；PLC；電路改造；仿真分析

0 引言

某船機(jī)艙泵浦電機(jī)控制電路多采用傳統(tǒng)的“繼電器—接觸器”控制方式，這種控制方式線路復(fù)雜、連接點(diǎn)多，不僅故障多，而且維修量大、維護(hù)不便。而采用PLC控制的電路具有故障率低、運(yùn)行可靠和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還能在線實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)運(yùn)行情況，并能針對異常情況發(fā)出報(bào)警，使值班人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)定位故障。本文以發(fā)電機(jī)海水泵為例，對其繼電器控制電路進(jìn)行了PLC控制改造設(shè)計(jì)。

1 發(fā)電柴油機(jī)海水泵簡介

1.1 功能介紹

發(fā)電柴油機(jī)運(yùn)行過程中，缸套等部件需要淡水進(jìn)行循環(huán)冷卻，淡水的冷卻是通過中央冷卻器與海水進(jìn)行熱交換實(shí)現(xiàn)，海水泵則在電機(jī)帶動(dòng)下為中央冷卻器提供持續(xù)流動(dòng)的海水，如果海水泵不能正常工作，最終將導(dǎo)致發(fā)電柴油機(jī)高溫停機(jī)。圖1所示為海水泵控制電路圖[1]。

圖1 海水泵控制電路

1.2 存在問題

目前的繼電器控制電路，由于使用了大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，不僅接線復(fù)雜，而且由于船舶的劇烈振動(dòng)，接線松動(dòng)時(shí)有發(fā)生，故障發(fā)生時(shí)由于線路交錯(cuò)在一起，無法短時(shí)間定位故障點(diǎn)。

2 海水泵控制電路PLC改造設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)控制要求分析

根據(jù)繼電器控制電路，發(fā)電柴油機(jī)海水泵電機(jī)為“星—三角”降壓啟動(dòng)，分手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式[2]。

將模式選擇開關(guān)S43打到手動(dòng)，按下啟動(dòng)按鈕2S42或機(jī)旁啟動(dòng)按鈕1SB2，可以手動(dòng)啟動(dòng)海水泵。

自動(dòng)模式下，當(dāng)模式選擇開關(guān)S44打到1主2備時(shí)，1#海水泵為主用，可以低壓自啟動(dòng)，發(fā)生低壓故障能自動(dòng)停機(jī)，并且切換啟動(dòng)備用的2#海水泵。1#海水泵運(yùn)行中，如果電網(wǎng)斷電后恢復(fù)供電，該泵還能延時(shí)5s自動(dòng)啟動(dòng)。

2.2 輸入/輸出設(shè)備確定

根據(jù)以上分析，合理分配PLC的輸入/輸出點(diǎn)，具體分配如表1所示。

表1 PLC的I/O分配表

2.3 控制系統(tǒng)接線圖繪制

由于系統(tǒng)所用到輸入/輸出接口比較多，故選用西門子公司生產(chǎn)的CPU226CN型PLC進(jìn)行控制，該型號(hào)PLC具有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，正好滿足需要。考慮到PLC要控制電動(dòng)機(jī)，輸出方式選用繼電器輸出，輸入電源選用AC220V。PLC控制系統(tǒng)的接線圖[3]如圖2所示。

2.4 PLC控制程序編寫

根據(jù)功能要求，以1#海水泵為例，手動(dòng)和自動(dòng)模式分開進(jìn)行編程。具體程序設(shè)計(jì)如下，文字注解表示PLC輸入輸出點(diǎn)與外部元器件的對應(yīng)關(guān)系。

2.4.1 手動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

根據(jù)輸入輸出接口分配表，如圖3所示，當(dāng)機(jī)旁維修開關(guān)打到通位置時(shí)I0.4常閉觸點(diǎn)閉合，模式選擇開關(guān)2S43打到手動(dòng)時(shí)I0.7常開觸點(diǎn)閉合，按下啟動(dòng)按鈕2S42或1SB2時(shí)I0.0常開觸點(diǎn)閉合，接通中間繼電器M0.2。中間繼電器M0.2的作用是控制1#海水泵電機(jī)“星-三角”降壓啟動(dòng)。

圖2 PLC控制接線圖

如果電機(jī)過載或按下停止按鈕，中間繼電器M0.2失電，1#海水泵電機(jī)停止運(yùn)行。

圖3 手動(dòng)啟動(dòng)程序

2.4.2 自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)

如圖4所示，當(dāng)模式選擇開關(guān)2S43打到自動(dòng)時(shí)I0.7常閉觸點(diǎn)閉合，模式選擇開關(guān)2S44打到1主2備時(shí)I1.0常開觸點(diǎn)閉合，此時(shí)1#海水泵為自動(dòng)控制，并且1#海水泵為主用，2#海水泵為備用。

1）管路低壓報(bào)警

如圖4所示，當(dāng)海水泵剛開始啟動(dòng)時(shí)，管路還未建立管壓，常開觸點(diǎn)I0.6閉合，中間繼電器M0.0得電動(dòng)作，若低壓持續(xù)10s，中間繼電器M0.1得電動(dòng)作，產(chǎn)生低壓報(bào)警。

圖4 管路低壓延時(shí)報(bào)警

2）低壓自啟動(dòng)

如圖5所示，當(dāng)海水泵管路低壓時(shí)，中間繼電器M0.0得電動(dòng)作使中間繼電器M0.3得電。M0.3的作用是控制1#海水泵電機(jī)“星—三角”降壓啟動(dòng)[3]。

3）備用切換自啟動(dòng)

自動(dòng)和2主1備模式下，若2#海水泵運(yùn)行中出現(xiàn)管路低壓，則中間繼電器M0.6得電，2#海水泵低壓故障停機(jī)，并切換啟動(dòng)1#海水泵，如圖5所示。

為了避免停機(jī)狀態(tài)下對 2#海水泵進(jìn)行過載測試時(shí)使1#海水泵誤啟動(dòng)，將與2#海水泵控制電路中2KM53接觸器相對應(yīng)的線圈Q1.4的常開觸點(diǎn)串聯(lián)在電路中，如圖5所示。

4）斷電恢復(fù)延時(shí)自啟動(dòng)

電網(wǎng)斷電恢復(fù)后，為了避免按下停止按鈕、電機(jī)過載和管路低壓故障使1#海水泵停機(jī)后，T40自動(dòng)計(jì)時(shí)5s后使1#海水泵自動(dòng)啟動(dòng)，如圖6所示，可以利用中間繼電器M0.4，當(dāng)其得電時(shí)常閉觸點(diǎn)斷開，這樣即使延時(shí)5s后T40常開觸點(diǎn)閉合，中間繼電器M0.3也不會(huì)得電。

圖5 自動(dòng)啟動(dòng)程序

圖6 順序啟動(dòng)控制

5）手動(dòng)與自動(dòng)切換

為了使手動(dòng)切換到自動(dòng)時(shí)1#海水泵不停機(jī)，將中間繼電器M0.2的常開觸點(diǎn)與 IO.7常開觸點(diǎn)和IO.O常開觸點(diǎn)并聯(lián)，同時(shí)將M0.1常閉觸點(diǎn)串聯(lián)在電路中，如圖3所示，當(dāng)模式選擇開關(guān)2S43打到自動(dòng)時(shí)，中間繼電器M0.2保持通電，電機(jī)不會(huì)停機(jī)。此時(shí)當(dāng)電機(jī)過載或管路低壓故障時(shí)，可以使1#海水泵停機(jī)，同時(shí)切換啟動(dòng)備用的2#海水泵。

為了使自動(dòng)切換到手動(dòng)時(shí)1#海水泵不停機(jī)，將中間繼電器M0.3的常開觸點(diǎn)與 IO.7常閉觸點(diǎn)、MO.O常開觸點(diǎn)和I1.0常開觸點(diǎn)并聯(lián)，如圖5所示，這樣當(dāng)模式選擇開關(guān)2S43打到手動(dòng)時(shí)，中間繼電器M0.3保持通電。此時(shí)由于IO.7常閉觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)，中間繼電器M0.0不會(huì)得電，1#海水泵不會(huì)低壓停機(jī)，也不會(huì)切換啟動(dòng)2#海水泵，同時(shí)也不會(huì)發(fā)生電機(jī)過載切換。如果按下停止按鈕，1#海水泵可以停機(jī)，并且不會(huì)低壓自啟動(dòng)。

6）停機(jī)與故障切換

自動(dòng)和1主2備模式下，將模式選擇開關(guān)2S43打到手動(dòng)，按下停止按鈕，可以使1#海水泵停機(jī)。當(dāng)1#海水泵運(yùn)行中出現(xiàn)管路低壓持續(xù)10s，中間繼電器M0.1立即得電動(dòng)作，使1#海水泵停機(jī)，同時(shí)切換啟動(dòng)備用的2#海水泵；當(dāng)1#海水泵電機(jī)過載時(shí)，I0.5常開觸點(diǎn)閉合，使1#海水泵停機(jī)，同時(shí)切換啟動(dòng)備用的2#海水泵。

2.4.3 “星—三角”降壓啟動(dòng)控制

如圖7所示，當(dāng)中間繼電器M0.2或M0.3得電后，先使線圈Q1.1和Q1.2得電，使電機(jī)星形降壓啟動(dòng)。經(jīng)T38延時(shí)30秒后，線圈Q1.2失電，線圈Q1.3得電，使電機(jī)切換為三角形運(yùn)行[4]。

圖7 星-三角降壓啟動(dòng)控制

2.5 指示電路設(shè)計(jì)

指示電路與控制電路分開，如圖8所示，Q0.0線圈得電輸出時(shí)運(yùn)行指示燈亮，Q0.1線圈得電輸出時(shí)管路低壓故障指示燈亮，Q0.2線圈得電輸出時(shí)過載指示燈亮。自動(dòng)模式下，1#海水泵為備用時(shí)，Q0.3線圈得電輸出，1#海水泵備用指示燈亮。

圖8 指示電路

以上是1#海水泵的PLC程序設(shè)計(jì)，2#海水泵的PLC程序與其類同，只是相關(guān)輸入輸出點(diǎn)不同，詳細(xì)程序見附錄。

3 仿真分析

為檢驗(yàn)編寫的 PLC程序是否正確，可借助S7-200 SIM 2.0仿真軟件進(jìn)行調(diào)試。仿真分手動(dòng)和自動(dòng)，單擊按鈕“I0.7”和“I1.7”，1#和2#泵為手動(dòng)控制模式，可以手動(dòng)啟動(dòng)海水泵，如圖9所示。按鈕“I0.7”和“I1.7”保持初始不變時(shí)，1#和 2#泵為自動(dòng)控制模式，單擊按鈕“I1.0”時(shí)，為1主2備，1#海水泵可以自動(dòng)啟動(dòng)。通過仿真分析，PLC程序能夠?qū)崿F(xiàn)既定功能，說明程序是正確的。

圖9 仿真截圖

4 實(shí)際電路接線調(diào)試

根據(jù)設(shè)計(jì)的海水泵PLC控制接線圖，接出實(shí)際電路[5]，并將PLC控制程序下載到PLC，然后進(jìn)行空載調(diào)試。通過調(diào)試，1#海水泵和2#海水泵能實(shí)現(xiàn)繼電器控制的一切功能，并能獨(dú)立輸出低壓報(bào)警和過載報(bào)警，說明用PLC控制發(fā)電柴油機(jī)海水泵是可行的。海水泵PLC控制程序如圖10和圖11所示。

圖10 海水泵PLC控制程序

5 結(jié)束語

本文通過程序設(shè)計(jì)、仿真和調(diào)試，驗(yàn)證PLC控制海水泵的可行性。此次改造設(shè)計(jì)不改動(dòng)控制柜操作面板，只對內(nèi)部控制電路進(jìn)行PLC控制改造，操作人員不用改變長期形成的操作習(xí)慣。改造后的PLC控制電路具有接線簡單、工作可靠、故障發(fā)生率低等優(yōu)點(diǎn)，可以使發(fā)電柴油機(jī)海水泵的工作可靠性明顯增強(qiáng)。利用PLC的模擬量模塊和通信模塊，還可以對以海水泵為代表的機(jī)艙泵浦電機(jī)運(yùn)行電流進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測，當(dāng)電流異常波動(dòng)時(shí)可以輸出報(bào)警，有助于工作人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)電機(jī)過載、軸承

圖11 海水泵PLC控制程序

干磨等故障，并及時(shí)進(jìn)行檢查維護(hù)，從而將故障消除在萌芽狀態(tài)。

[1]丁根林.主配電板工作圖.鎮(zhèn)江船舶電器有限責(zé)任公司,2006.

[2]秦曾煌.電工學(xué)(第六版)[M].高等教育出版社,1999.

[3]向曉漢.S7-200 PLC基礎(chǔ)及工程應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[4]蔡杏山.學(xué) PLC技術(shù)超簡單[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2015.

[5]廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

Design of control circuit of seawater cooling pump of power generating diesel engine based on PLC

Yang Bin-bin,Li Fei,Wang Shu-ren,Tang Ran
(China Satellite Maritime Tracking Control Department,Jiangsu Jiangyin 214431,China)

In this paper,the necessity of the PLC technology is introduced,the method and procedure of the PLC ladder diagram programming are described in detail.The PLC program and control wiring diagram are given.The feasibility of PLC control is verified by simulation and debugging.

generator diesel engine; seawater cooling pump; PLC control circuit; simulation analysis

TM921.02

A

10.14141/j.31-1981.2015.06.010

楊斌斌（1985-），男，助理工程師，研究方向：船舶電氣設(shè)備。