喬顯輝
青島海洋地質(zhì)研究所,山東 青島 266237
在以柴油機(jī)為驅(qū)動(dòng)力的油輪上,鍋爐是船舶動(dòng)力裝置的重要組成部分。鍋爐控制系統(tǒng)是一個(gè)多參數(shù)而復(fù)雜的控制系統(tǒng),它包括水位的自動(dòng)控制、蒸汽壓力的自動(dòng)控制、點(diǎn)火及燃燒的時(shí)序自動(dòng)控制和自動(dòng)安全保護(hù)。本文的PLC 輔鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng),具有以下8 個(gè)基本功能:
1) 鍋爐啟動(dòng)前和停爐后能確保水渠獨(dú)立正常工作。
2) 具有 AUTO 和 MANUAL2 種控制方式。
3) 自啟的程序工作(水位監(jiān)測(cè)、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于自動(dòng)位置、風(fēng)壓監(jiān)測(cè)、預(yù)掃風(fēng)、自動(dòng)點(diǎn)火等) 設(shè)置邏輯判斷和監(jiān)視。
4) 由風(fēng)門(mén)擋板的適當(dāng)開(kāi)度來(lái)決定風(fēng)量和油量的配比。
5) 在燃燒重油時(shí),如果沒(méi)有燃油加熱器及控制線(xiàn)路、輕重油切換電路,則燃油需要采用電加熱。
6) 以?xún)蓚€(gè)壓力開(kāi)關(guān)對(duì)鍋爐蒸汽壓力進(jìn)行雙位自動(dòng)控制[1]。
7) 具有正常停爐和緊急停爐2 種停爐方式。
8) 鍋爐的運(yùn)行故障監(jiān)視中,包括高低水位、水泵過(guò)載等故障的熄火處理。
船舶鍋爐工作環(huán)境惡劣,油霧、鹽霧、濕熱及船舶的縱傾橫搖、振動(dòng)等,都會(huì)影響控制設(shè)備的工作可靠性。而PLC 完全能適應(yīng)惡劣的船舶工作環(huán)境,在硬件的輸入/輸出接口結(jié)構(gòu)上采用了光電耦合/隔離的措施,在軟件程序設(shè)計(jì)及運(yùn)行特性上也采取了一系列的安全措施。PC 通過(guò)“邏輯”控制而非真實(shí)物理“觸頭”,所以不會(huì)存在物理“觸頭”通斷時(shí)的“電火花”;PLC 采用“ms”級(jí)高精度定時(shí)基準(zhǔn),定時(shí)設(shè)置由軟件實(shí)現(xiàn),不會(huì)受到環(huán)境的影響,特別適用于鍋爐點(diǎn)火多時(shí)段的定時(shí)控制,可避免常規(guī)凸輪式或多回路式時(shí)間繼電器接觸點(diǎn)接觸不良或刻度盤(pán)松動(dòng)等引起的時(shí)序紊亂、點(diǎn)火故障,PLC 與計(jì)算機(jī)、觸摸屏等的合理設(shè)計(jì),可以構(gòu)建良好的人機(jī)界面,操控方便并實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的可視化[2]。
根據(jù)船舶輔鍋爐系統(tǒng)控制功能要求、輸入/輸出點(diǎn)及擴(kuò)展模塊等方面的綜合考慮,并通過(guò)對(duì)市場(chǎng)常用PLC 產(chǎn)品性能的比較,確定選用西門(mén)子公司的S7-200。鍋爐的點(diǎn)火時(shí)序控制、汽包水位控制、蒸汽壓力控制、故障安全保護(hù)均由S7-200PLC 完成。鍋爐控制原理如圖1 所示。
圖1 PLC 燃油鍋爐控制系統(tǒng)框圖
框圖中的PLC 選用西門(mén)子公司S7-200 PLC,具體模塊選用如下:CPU 模塊選用CPU-226 模塊 ; 模 擬 量 I/O 模 塊 選 用 2 個(gè) EM-235(AI4/AQ1) 模塊和 1 個(gè) EM232 (AQ2) 模塊;數(shù)字量I/O 擴(kuò)展模塊選用1 塊EM223(24VDCDI16/繼電器DO16) 模塊。
本設(shè)計(jì)中擴(kuò)展模塊的數(shù)量沒(méi)有超過(guò)7 個(gè),符合CPU-226 對(duì)擴(kuò)展模塊數(shù)量限制要求,說(shuō)明系統(tǒng)的硬件配置是合理可行的。PLC226CPU 與擴(kuò)展模塊聯(lián)接如圖2 所示。
圖2 PLC226CPU 與擴(kuò)展模塊配置
圖2 中的信號(hào)輸入包括:實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC 系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)備的手(自動(dòng)) 切換、運(yùn)行啟動(dòng)、停止等的控制操作信號(hào);來(lái)自于鍋爐現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)經(jīng)傳感器、變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的各種數(shù)字量和模擬量。PLC 控制器對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行處理,并形成相應(yīng)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),以實(shí)行自動(dòng)控制;將反映被控對(duì)象狀態(tài)的相關(guān)參數(shù)信息發(fā)送給相應(yīng)的設(shè)備(如觸摸屏) 進(jìn)行直觀顯示;如果被監(jiān)控的物理量超過(guò)其限定范圍,將在其相應(yīng)的輸出端口發(fā)出報(bào)警信息。
鍋爐水位雙位系統(tǒng)控制如圖3 所示。
圖3 水位雙位控制
程序2 的主要作用是對(duì)水位進(jìn)行雙位控制,當(dāng)水位超過(guò)高水位I0.5 時(shí),M0.0 得電,程序1中的I0.0 失電,停止向鍋爐供水,當(dāng)水位低于低水位時(shí),M0.0 得電自鎖,當(dāng)水位下降到低水位時(shí),I0.4 得電,M0.0 失電,水泵啟動(dòng),開(kāi)始向鍋爐供水,實(shí)現(xiàn)輔鍋爐的水位雙位控制[3]。
按燃油鍋爐工作特性,當(dāng)爐膛存在殘油時(shí),可能會(huì)產(chǎn)生爐膛冷爆,造成設(shè)備的破壞和人員傷亡。為此必須設(shè)有鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的程序控制和各種安全保護(hù)。
3.2.1 鍋爐的啟動(dòng)條件
燃油鍋爐在進(jìn)行點(diǎn)火啟動(dòng)之前,應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)的啟動(dòng)條件。根據(jù)燃油鍋爐的工作性能要求,經(jīng)過(guò)暖爐后,并同時(shí)須滿(mǎn)足汽包水位正常、燃油壓力正常、燃油溫度正常、點(diǎn)火柜電源正常、蒸汽壓力未超過(guò)保護(hù)值、正常停爐或故障停爐已復(fù)位的條件時(shí),才能具備點(diǎn)火條件。
3.2.2 燃油鍋爐的點(diǎn)火啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)
當(dāng)啟動(dòng)準(zhǔn)備工作完成、啟動(dòng)條件滿(mǎn)足,即“允許啟動(dòng)”信號(hào)形成,也就具備了點(diǎn)火程序的運(yùn)行條件。點(diǎn)火流程與常規(guī)元件點(diǎn)火流程相似。
3.2.3 鍋爐停止程序設(shè)計(jì)
鍋爐停爐分為正常停爐、故障保護(hù)停爐和應(yīng)急停爐。鍋爐的正常停爐是提前5 分鐘換用輕油燃燒,然后停止供油、熄火、停水泵、后掃風(fēng)時(shí)間直到風(fēng)機(jī)停止。停爐保護(hù)故障是在點(diǎn)火程序和正常燃燒過(guò)程中,若出現(xiàn)安全故障,如爐膛風(fēng)壓低、點(diǎn)火不成功、中途熄火等,能停止供油實(shí)現(xiàn)熄火,并進(jìn)行后掃氣,然后鍋爐系統(tǒng)停止工作。手動(dòng)緊急停爐是值班人員根據(jù)鍋爐現(xiàn)場(chǎng)工作情況所采取的停爐操作,即直接按下停止按鈕,系統(tǒng)停爐,而風(fēng)機(jī)不執(zhí)行后掃氣。
3.2.4 鍋爐安全保護(hù)程序設(shè)計(jì)
鍋爐安全保護(hù)功能是指接收鍋爐工作狀態(tài)檢測(cè)傳感器發(fā)出的狀態(tài)信息,根據(jù)輸入點(diǎn)的狀態(tài)信息直接或者與安全值比較判斷后,發(fā)出單一聲光報(bào)警,或發(fā)出聲光報(bào)警和停爐的控制命令[4]。
單一聲光報(bào)警是指不是很?chē)?yán)重的故障,暫時(shí)不會(huì)立即發(fā)生危險(xiǎn),但需要提醒值班人員,這類(lèi)故障的類(lèi)型包括高水位、低水位、高氣壓、低油壓、高油溫和低油溫,此時(shí)只發(fā)出單一聲光報(bào)警。嚴(yán)重故障是指故障一旦發(fā)生,需要立即停爐,這類(lèi)故障的類(lèi)型包括超高汽壓、危險(xiǎn)低水位、爐膛風(fēng)壓低限和中途熄火(或點(diǎn)火失?。4藭r(shí)發(fā)出聲光報(bào)警和停爐的控制命令。當(dāng)這類(lèi)故障發(fā)生實(shí)現(xiàn)停爐保護(hù)后,即使故障排除,也還需要按下復(fù)位按鈕,鍋爐才能再重新啟動(dòng)。
3.3.1 燃燒的雙位控制
在燃燒雙位控制系統(tǒng)中,鍋爐的蒸汽壓力在設(shè)定范圍內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)蒸汽壓力下降到下限值時(shí),進(jìn)行高火燃燒;蒸汽壓力上升到上限值時(shí),開(kāi)關(guān)一個(gè)閉合一個(gè)斷開(kāi),進(jìn)行低火燃燒。在低火燃燒時(shí),如果蒸汽壓力超過(guò)允許高壓,則將停止燃燒。只有當(dāng)蒸汽壓力下降到允許下限值時(shí)2 個(gè)壓力檢測(cè)開(kāi)關(guān)都是閉合的,但要按下復(fù)位按鈕才能重新啟動(dòng)鍋爐,船舶鍋爐采用高、低火的雙位控制方法,可避免鍋爐的頻繁啟停[5]。
3.3.2 燃燒的比例控制
燃燒的比例控制,即是指供油量與供風(fēng)量成比例關(guān)系。可較好地避免雙位控制中只有大油大風(fēng)、小油小風(fēng)2 種狀態(tài),不能滿(mǎn)足燃油較好燃燒的狀況[6]。
針對(duì)船舶惡劣的工作環(huán)境,PLC 在硬件電路和軟件設(shè)計(jì)上都采取措施,提高了抗干擾能力和可靠性。實(shí)踐證明,采用PLC 替代常規(guī)繼電器和接觸器實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶鍋爐控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制,更能發(fā)揮其優(yōu)越性。