基于PLC的船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馮騰飛，潘曉飛

（欒川龍宇鉬業(yè)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471500）

0 引言

船舶輔鍋爐是船舶動(dòng)力裝置中最早實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的設(shè)備之一。它包括水位的自動(dòng)控制，蒸汽壓力的自動(dòng)控制，鍋爐點(diǎn)火及燃燒的時(shí)序控制和自動(dòng)安全保護(hù)等。大型油船輔鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽主要用于加熱貨油，驅(qū)動(dòng)貨油泵及其他甲板機(jī)械，其蒸發(fā)量及蒸汽壓力都比較大；柴油機(jī)貨船輔鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽僅用于加熱柴油機(jī)所需用的燃油、滑油及船員生活，其蒸發(fā)量及蒸汽壓力比較小[1]。因此，確保船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)安全可靠且經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是船舶自動(dòng)化控制的重要內(nèi)容之一。

輔鍋爐自動(dòng)化控制裝置采用計(jì)算機(jī)技術(shù)，包括可編程控制器（PLC），使控制部分體積質(zhì)量大大減小，工作可靠性大大提高，控制方式也由硬件控制變?yōu)檐浖刂茷橹鳎构δ艿慕M合、擴(kuò)展或修改變得很容易，而且維護(hù)方便，模塊通用性好，抗干擾能力強(qiáng)，非常適合在惡劣的工業(yè)環(huán)境下使用。

船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)有其自身的特點(diǎn)，船舶工況復(fù)雜多變，船舶的輔鍋爐設(shè)備工作條件惡劣，更易發(fā)生故障等，而傳統(tǒng)的繼電接觸式控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性都不夠理想，因此采用可靠性好的可編程控制器來(lái)控制顯得十分有必要。

1 船舶輔鍋爐PLC自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)

1.1 船舶輔鍋爐PLC自動(dòng)控制流程

根據(jù)船舶輔鍋爐的工作原理及過(guò)程，設(shè)計(jì)出其由PLC進(jìn)行控制的整個(gè)工作流程（如圖1所示），包括：

（1）水位正常的判定；

（2）風(fēng)機(jī)正常的判定；

（3）油泵正常的判定；

圖1 船舶輔鍋爐PLC自動(dòng)控制流程圖

（4）點(diǎn)火成功的判定。

1.2 船舶輔鍋爐PLC自動(dòng)控制硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 設(shè)計(jì)方案

本課題應(yīng)用PLC控制器設(shè)計(jì)船舶輔鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了以下基本功能：

（1）鍋爐起動(dòng)前和停爐后都能保證水泵獨(dú)立正常工作；

（2）應(yīng)有“自動(dòng)”、“手動(dòng)”兩種控制方式；

（3）對(duì)自動(dòng)啟動(dòng)的各程序工作（水位檢測(cè)、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于自動(dòng)位置、風(fēng)壓檢測(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）風(fēng)量和油量的配比，由風(fēng)門(mén)擋板的適當(dāng)開(kāi)度來(lái)保證；

（5）適用于燃燒重油，設(shè)有燃油加熱器及其控制線路和“輕油—重油”切換電路，燃油采用電加熱；

（6）采用兩個(gè)壓力開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)鍋爐蒸汽壓力的雙位自動(dòng)控制；

（7）有正常停爐和緊急停爐兩種停爐方式；

（8）鍋爐運(yùn)行故障監(jiān)視，包括高水位、低水位、危險(xiǎn)低水位、低風(fēng)壓、汽壓高、水泵過(guò)載、風(fēng)機(jī)過(guò)載、油泵過(guò)載、中途熄火等故障保護(hù)[2]。

1.2.2 PLC選擇

本鍋爐控制系統(tǒng)有21個(gè)輸入點(diǎn)，14個(gè)輸出點(diǎn)，根據(jù)選擇的原則和方法，本設(shè)計(jì)采用德國(guó)西門(mén)子S7-200 CPU226 CN，輸入24點(diǎn)，輸出16點(diǎn)[3]。具體輸入輸出接口如“表1”所示。定時(shí)器和輔助繼電器的分配如“表2”所示。

表1 輸入輸出接口一覽表

表2 定時(shí)器、輔助繼電器一覽表

1.2.3 PLC硬件電路設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)PLC硬件接線圖如圖2所示。圖2中，PLC的電源接線等外部電路在此就省略未畫(huà)出，畫(huà)出的都是可編程控制器的輸入和輸出接口。

圖2 PLC硬件接線圖

1.3 船舶輔鍋爐PLC自動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)

本鍋爐系統(tǒng)選用S7-200 CPU226 CN作為控制核心，根據(jù)控制流程圖和系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)編制梯形圖，如圖3所示。本裝置在自動(dòng)位置按下I0.3后系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)所檢測(cè)到的信號(hào)自動(dòng)投入運(yùn)行，當(dāng)檢測(cè)到有故障信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警甚至停爐。

1.4 輔鍋爐PLC控制過(guò)程分析

（1）起動(dòng)前的準(zhǔn)備

1）合上總電源開(kāi)關(guān)，控制電路接通電源。

圖3 船舶輔鍋爐PLC自動(dòng)控制梯形圖

2）如果鍋爐水位低于危險(xiǎn)低水位，則觸點(diǎn)I1.2(95)斷開(kāi)，M0.8斷電，其常開(kāi)觸點(diǎn)M0.8(9)斷開(kāi)，鍋爐無(wú)法起動(dòng)。將給水泵轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)扳到“手動(dòng)”位置，觸點(diǎn)I0.2(0)閉合，Q0.0通電，水泵起動(dòng)向爐內(nèi)供水。當(dāng)水位上升至正常水位后，把水泵轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)扳到“停”位置，水泵就停止工作。然后再將給水泵開(kāi)關(guān)扳到“自動(dòng)”位置，觸點(diǎn)I0.1(0)閉合，此時(shí)鍋爐水位就由高水位壓力開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)I1.3(76)和低水位壓力開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)I1.4(76)進(jìn)行雙位控制。

3）使燃油壓力和溫度控制系統(tǒng)投入工作，保持燃油壓力和溫度在正常范圍內(nèi)。

4）將燃燒轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)扳到“手動(dòng)”位置，風(fēng)機(jī)和油泵開(kāi)關(guān)扳到“手動(dòng)”位置，觸點(diǎn)I0.7(9)和I2.2(26)均閉合，按下起動(dòng)按鈕I0.3，M0.2通電，M0.2(9)、(26)閉合自鎖，M1.2和M1.3通電，M1.2(124)和M1.3(126)觸點(diǎn)閉合，則Q0.0和Q0.2通電，起動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行預(yù)掃風(fēng)，同時(shí)油泵進(jìn)行預(yù)運(yùn)轉(zhuǎn)，手動(dòng)預(yù)掃風(fēng)約一分鐘后，按停止按鈕I0.4，使風(fēng)機(jī)停止工作。

（2）手動(dòng)控制

在手動(dòng)控制前，將燃燒轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于“停止”位置，將風(fēng)機(jī)和油泵開(kāi)關(guān)、點(diǎn)火控制開(kāi)關(guān)和燃油電磁閥控制開(kāi)關(guān)置于“自動(dòng)”位置。

手動(dòng)操作具體步驟如下。

1）按下起動(dòng)按鈕I0.3接通控制電路。

2）將燃燒轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)扳到“手動(dòng)”位置，I0.7(9)、 (26)閉 合 ， M0.2 通電，M0.2(9)、(26)閉合。

3）將風(fēng)機(jī)和油泵轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到“手動(dòng)”位置，風(fēng)機(jī)和油泵投入運(yùn)行，進(jìn)行預(yù)掃風(fēng)并使燃油管路建立油壓。

4）預(yù)掃風(fēng)一分鐘左右，將點(diǎn)火控制開(kāi)關(guān)扳到“手動(dòng)”位置，觸點(diǎn)I2.6(26)閉合，I0.7(26)已閉合，M1.4通電，觸點(diǎn)M1.4(121)閉合，點(diǎn)火變壓器Q0.3通電，點(diǎn)火電極之間產(chǎn)生電火花進(jìn)行點(diǎn)火。同時(shí)Q0.4通電，風(fēng)門(mén)擋板關(guān)閉，準(zhǔn)備點(diǎn)火。

5）將燃油電磁閥控制開(kāi)關(guān)扳到“手動(dòng)”，觸點(diǎn)I2.4(26)閉合，燃油電磁閥Q0.6有電，油泵到噴油器的供油管路打開(kāi)，向爐內(nèi)噴油，開(kāi)始點(diǎn)火。

6）從觀察孔看到火焰時(shí)，將點(diǎn)火控制開(kāi)關(guān)扳到“自動(dòng)”位置，終止點(diǎn)火變壓器工作，Q0.4斷電，風(fēng)門(mén)擋板打開(kāi)，進(jìn)入正常燃燒階段。

7）若手動(dòng)點(diǎn)火失敗，應(yīng)立即將燃油電磁閥控制開(kāi)關(guān)扳到“自動(dòng)”，并進(jìn)行后掃風(fēng)，然后將風(fēng)機(jī)和油泵開(kāi)關(guān)扳到“自動(dòng)”位置，燃燒轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)扳到“停止”位置。待故障排除并復(fù)位后，方可進(jìn)行重新點(diǎn)火。

8）停爐時(shí)，應(yīng)將燃油電磁閥控制開(kāi)關(guān)扳到“自動(dòng)”并進(jìn)行后掃風(fēng)，再將風(fēng)機(jī)和油泵開(kāi)關(guān)扳到“自動(dòng)”位置，燃燒轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)扳到“停止”位置，最后切斷總電源。

船舶輔鍋爐之所以設(shè)置手動(dòng)控制，其目的是在于當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，鍋爐能夠在人工操作的條件下順利起爐點(diǎn)火，并在點(diǎn)火成功后順利進(jìn)入正常燃燒階段。

（3）自動(dòng)控制

在完成鍋爐起動(dòng)前的準(zhǔn)備后，然后將水泵開(kāi)關(guān)、燃燒開(kāi)關(guān)、風(fēng)機(jī)和油泵開(kāi)關(guān)都扳到“自動(dòng)”位置，準(zhǔn)備自動(dòng)起動(dòng)。

1）預(yù)掃風(fēng)

按下起動(dòng)按鈕I0.3，此時(shí)水位正常，M0.8有電，其常開(kāi)觸點(diǎn)M0.8(9)閉合。此時(shí)T11計(jì)時(shí)時(shí)間未到，其常閉延時(shí)開(kāi)觸點(diǎn)T11(9)閉合，M0.2有電，Q0.1和Q0.2通電，風(fēng)機(jī)和油泵開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。由于燃油電磁閥無(wú)電關(guān)閉，所以燃油在管路中循環(huán)，不能進(jìn)入爐內(nèi)。此時(shí)M0.1(26)閉合，M4.1得電，M4.1(97)閉合，T11、T12、T13、T14、T15、T16均開(kāi)始通電計(jì)時(shí)。此時(shí)T13計(jì)時(shí)未到，其常開(kāi)延時(shí)閉觸點(diǎn)T13(26)斷開(kāi)，風(fēng)門(mén)擋板Q0.4斷電，風(fēng)門(mén)擋板在彈簧力的作用下開(kāi)度最大，風(fēng)機(jī)對(duì)爐膛進(jìn)行預(yù)掃風(fēng)。

由于在60 s之前未進(jìn)行點(diǎn)火，所以火焰感受器感受不到火焰的光照，I2.7(26)斷開(kāi)，M3.1無(wú)電，M0.4有電，M0.4(26)、(80)觸點(diǎn)閉合，為自動(dòng)點(diǎn)火和火焰監(jiān)視計(jì)時(shí)器T2通電做好準(zhǔn)備。

2）點(diǎn)火

在預(yù)掃風(fēng)60 s時(shí)，T13計(jì)時(shí)時(shí)間到，其常開(kāi)延時(shí)閉觸點(diǎn)T13(26)閉合，Q0.4通電，風(fēng)門(mén)擋板關(guān)閉，準(zhǔn)備點(diǎn)火。T12計(jì)時(shí)時(shí)間到，常開(kāi)延時(shí)閉觸點(diǎn)T12(26)閉合，M1.5通電，觸點(diǎn)M1.5(121)閉合，點(diǎn)火變壓器Q0.3通電，點(diǎn)火電極之間產(chǎn)生電火花進(jìn)行預(yù)點(diǎn)火。T14計(jì)時(shí)時(shí)間到，T14(26)閉合。此時(shí)爐內(nèi)處于無(wú)壓或低壓狀態(tài)，I1.1(26)是閉合的，故燃油電磁閥Q0.6有電，油泵到噴油器的供油管路打開(kāi)，向爐內(nèi)噴油，開(kāi)始點(diǎn)火。60 s時(shí)，T15計(jì)時(shí)時(shí)間到，T15(80)同時(shí)閉合，T2通電。延時(shí)10 s后才能將觸點(diǎn)T2(90)閉合，熄火保護(hù)繼電器Q0.7通電，此時(shí)只對(duì)火焰進(jìn)行監(jiān)視，為熄火保護(hù)做好準(zhǔn)備。

若10 s內(nèi)點(diǎn)火成功，火焰感受器感受到光照，觸點(diǎn)I2.7(26)閉合，M0.4失電，M0.4(80)斷開(kāi)，T2失電，其觸點(diǎn)T2(90)由于未達(dá)到閉合時(shí)間而繼續(xù)斷開(kāi)，維持M0.1為斷電狀態(tài)。常開(kāi)觸點(diǎn)M0.4(26)斷開(kāi)，點(diǎn)火變壓器Q0.3斷電，停止點(diǎn)火。常閉觸點(diǎn)M0.4(86)閉合，2 s后T3斷開(kāi)，Q0.4斷電，風(fēng)門(mén)打開(kāi)。

3）點(diǎn)火失敗

由上可知，從60 s時(shí)開(kāi)始T15(80)閉合，T2通電開(kāi)始10 s延時(shí)，若延時(shí)超過(guò)10 s火焰感受器仍未感受到火焰，觸點(diǎn)I2.7處于斷開(kāi)狀態(tài)，M0.4一直有電，M0.4(80)一直閉合。當(dāng)T2達(dá)到設(shè)定時(shí)間10 s后，觸點(diǎn)T2(90)閉合，Q0.7通電，常開(kāi)觸點(diǎn)Q0.7(7)閉合，M0.1得電，觸點(diǎn)M0.1(9)斷開(kāi)，M0.2斷電，M0.2(26)斷開(kāi)，燃油電磁閥Q0.6斷電，停止向爐內(nèi)噴油。同時(shí)常開(kāi)觸點(diǎn)M0.1(134)閉合，M2.0通電，常開(kāi)觸點(diǎn)M2.0(139)閉合，熄火指示燈Q1.3通電亮，常開(kāi)觸點(diǎn)M2.0(145)閉合，Q1.6通電發(fā)出聲光報(bào)警。M0.2(116)閉合，T17通電計(jì)時(shí)，此時(shí)常閉延時(shí)開(kāi)觸點(diǎn)T17(23)處于閉合狀態(tài)，M1.2繼續(xù)有電，進(jìn)行后掃風(fēng)60 s后風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)。

到70 s時(shí)，T11計(jì)時(shí)時(shí)間到，常閉延時(shí)開(kāi)觸點(diǎn)T11(9)斷開(kāi)，若風(fēng)壓正常，則I1.0(9)閉合，M0.2仍有電。若風(fēng)壓未建立，低風(fēng)壓保護(hù)觸點(diǎn)I1.0(9)就不能閉合，M0.2斷電，燃油電磁閥Q0.6斷電，停止向爐內(nèi)噴油。觸點(diǎn)I1.0(136)斷開(kāi)，M3.0斷電，M3.0(143)閉合，低風(fēng)壓指示燈Q1.5通電亮，M3.0(145)閉合發(fā)出聲光報(bào)警。后掃風(fēng)后風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，鍋爐自動(dòng)停爐。

4）再次起動(dòng)

在點(diǎn)火失敗后，必須先排除故障才能再次起動(dòng)鍋爐。將熄火保護(hù)繼電器觸點(diǎn)Q0.7手動(dòng)復(fù)位，使M0.1斷電，M0.1(9)恢復(fù)閉合，方可重新起動(dòng)。

5）中途熄火

燃燒過(guò)程中，若中途熄火，火焰感受器失去光照，則觸點(diǎn)I2.7(26)斷開(kāi)，同上述點(diǎn)火失敗一樣使M0.2斷電，燃油電磁閥關(guān)閉，進(jìn)行后掃風(fēng)60 s后風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，并發(fā)出聲光報(bào)警。

（3）汽壓的自動(dòng)控制

當(dāng)高汽壓壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，觸點(diǎn)I1.1(26)斷開(kāi)，燃油電磁閥Q0.6斷電，停止向爐內(nèi)噴油，油泵停止運(yùn)行。常開(kāi)觸點(diǎn)I1.1(116)閉合，T17通電計(jì)時(shí)，此時(shí)常閉延時(shí)開(kāi)觸點(diǎn)T17(23)處于閉合狀態(tài)，M1.2繼續(xù)有電，進(jìn)行后掃風(fēng)60 s后風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)。此時(shí)爐內(nèi)雖無(wú)火，但M0.4仍通電，常開(kāi)觸點(diǎn)M0.4(80)閉合，又因?yàn)镮1.1(80)已經(jīng)斷開(kāi)，所以T2不會(huì)通電，也就不會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，視為正常停爐。當(dāng)爐內(nèi)汽壓降到控制汽壓下限值時(shí)，I1.1(26)重新閉合，風(fēng)機(jī)和油泵重新起動(dòng)，鍋爐重新燃燒。

（4）安全保護(hù)

該系統(tǒng)有危險(xiǎn)低水位和風(fēng)壓過(guò)低自動(dòng)熄爐保護(hù)。

鍋爐在運(yùn)行中，若水位下降到危險(xiǎn)低水位時(shí)，觸點(diǎn)I1.2(95)斷開(kāi)，M0.8斷電，使M0.2斷電，切斷整個(gè)控制程序，使鍋爐自動(dòng)熄火停爐并發(fā)出聲光報(bào)警。

若風(fēng)壓過(guò)低，低風(fēng)壓保護(hù)繼電器觸點(diǎn)I1.0(9)斷開(kāi)，主繼電器M0.2斷電，鍋爐自動(dòng)熄火停爐并發(fā)出聲光報(bào)警。

（5）停爐

停爐時(shí)，可手按停止按鈕I0.4，使M0.2斷電，燃燒系統(tǒng)停止工作。若鍋爐水位低于危險(xiǎn)低水位，應(yīng)把水泵開(kāi)關(guān)放在“手動(dòng)”位置，繼續(xù)向鍋爐供水，直到水位達(dá)到正常水位時(shí)，再把水泵開(kāi)關(guān)扳到“停止”位置上。然后把燃燒開(kāi)關(guān)置于“停止”位置，風(fēng)機(jī)和油泵開(kāi)關(guān)扳到“手動(dòng)”位置。最后切斷總電源[4]。

2 結(jié)論

機(jī)艙輔助設(shè)備的自動(dòng)化是輪機(jī)自動(dòng)化的重要組成部分。隨著船舶電氣技術(shù)的發(fā)展，船舶的自動(dòng)化成度越來(lái)越高。這一高度自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)取決于機(jī)艙設(shè)備控制系統(tǒng)的可靠性。船舶輔鍋爐控制系統(tǒng)有其自身的特點(diǎn)，船舶工況復(fù)雜多變，船舶的輔鍋爐設(shè)備工作條件惡劣，容易發(fā)生故障，而傳統(tǒng)的繼電接觸式控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性都不夠理想，因此采用可靠性好的可編程控制器來(lái)控制顯得十分必要。

本論文研究船舶輔鍋爐自動(dòng)控制問(wèn)題，旨在把PLC控制技術(shù)應(yīng)用到船舶輔鍋爐自動(dòng)控制方案中，去解決傳統(tǒng)繼電接觸式電氣控制系統(tǒng)中存在的各種不足，以提高船舶輔鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能以及其工作可靠性。

本文是在參考前人對(duì)輔鍋爐PLC控制研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有技術(shù)，對(duì)輔鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究，對(duì)于船舶自動(dòng)化的改善還需要更多研究者共同努力。

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［3］陳立定，等.電氣控制與可編程序控制器的原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

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