船舶鍋爐水位PLC電氣控制系統設計

蘇州高等職業技術學校 汪 健 張蘇新

船舶鍋爐水位PLC電氣控制系統設計

蘇州高等職業技術學校 汪 健 張蘇新

當前我國船舶鍋爐雖然有一定程度的自動化控制，但控制系統基本上由傳統的接觸器和繼電器組成，線路復雜、可靠性差、維護工作量大。為改造舊船，改善船員勞動強度，提高生產效率，采用可編程控制器控制來實現鍋爐的自動控制，不僅具有控制線路簡單、可靠性高、維護方便等優點，而且易維護、易擴展。本文首先對船舶鍋爐的結構和工作過程進行了闡述，在此基礎上，對控制系統進行了硬件設計，控制回路中的主控制器選用西門子公司的S7-200中的CPU224型號，再加上按鈕和接觸器線圈，主回路由變頻器、斷路器、熔斷器和電動機等輔助裝置組成。在軟件上，通過STEP 7-Micro/WIN軟件對PLC進行編程，包含一臺水泵恒壓供水、兩臺水泵供水、報警和變頻恒壓供水程序，最終完成了船舶鍋爐液位PLC電氣控制系統的設計。

船舶鍋爐；PLC；STEP 7-Micro/WIN

引言

鍋爐是船舶的重要設備之一，在采用內燃機動力裝置的船舶上，主要產生蒸汽用于加熱燃油、主機暖缸、驅動輔助機械及生活雜用。當前船舶鍋爐機艙自動化的要求越來越高，鍋爐的自動控制在實現無人機艙是必不可少的。船用鍋爐由于其應用場合不同，需要特定的要求，在結構上，能夠適應船舶的晃動和沖擊，同時要有一定的容積能夠儲存汽和水，并且其蒸汽參數、蒸發量、鍋爐效率、蒸發率和爐膛容積熱負荷都要滿足一定的要求。

船舶鍋爐的種類很多，按照用途可以分為主鍋爐、輔助鍋爐和廢氣鍋爐；按照鍋爐結構分為煙管（火管）鍋爐、水管鍋爐和混合式鍋爐（部分煙管，部分水管）三種類型；按照鍋爐水循環方法可以分為自然循環鍋爐和強制循環鍋爐兩種；按照蒸汽工作壓力高低可以分為高壓鍋爐（＞6.0MPa）、中高壓鍋爐（4.0 MPa-6.0MPa）、中壓鍋爐（2.0 MPa-4.0MPa）、低壓過濾（＜2.0MPa）；按照工作介質可以分為蒸汽鍋爐和熱油鍋爐。

本文主要以船舶鍋爐為研究對象，對其水位系統的控制進行研究，采用水位計對液位進行檢測，根據控制需要將4個水位（上上限水位、下限水位、上限水位、上上限水位）的4個開關量信號接入PLC，經過PLC控制水泵電動機，實現恒壓供水、低水位聯鎖、報警和給水電動機故障時的聯鎖控制，使系統全自動平穩運行。

1.船舶鍋爐的結構及其工作原理

船舶鍋爐主要由鍋爐本體和輔助設備組成。鍋爐本體包括有爐膛、蒸發受熱面、蒸汽過熱器、省煤器、空氣預熱器等，爐膛主要由耐火磚墻和水冷壁組成，用于提供足夠的空間使燃油能夠充分燃燒，其隔熱性能使得燃燒熱熱量不會損失；蒸發受熱面通過煙氣傳熱方式，將熱量傳遞給鍋水；蒸汽過熱器能夠產生更大的動力機械；省煤器用于加熱鍋爐的給水，起到節能的作用；空氣預熱器是運用煙氣的預熱來改善燃料的燃燒，在一定程度上能起到節能作用。輔助設備包括用于產生熱量的燃燒裝置、補充鍋爐給水所需的給水處理系統、由閥門和儀表組成的汽水系統、將外界空氣送入爐膛中燃燒的通風系統和保證鍋爐安全工作的監測儀表設備。

船舶鍋爐水位控制工作過程主要包括水汽系統和燃燒系統。水汽系統為吸收大量煙氣熱的水，隨著水溫度升高，壓強增大，會使得汽化編程氣體，經過一段時間后形成飽和水，然后進入下降管和鍋爐底部；燃燒系統的工作概述為：鍋爐將外部空氣加熱成熱氣，同時油氣吸收煙氣的熱量，導致溫度不斷升高，便成了燃氣，與燃料進行一定的比例混合，進入爐膛燃燒，產生的熱量傳遞給蒸汽發生器，形成飽和蒸汽。在該工作過程中，鍋爐的液位必須保持在一定的范圍內，才能使得鍋爐正常運行。

2.船舶鍋爐水位系統的硬件設計

PLC船舶鍋爐水位控制電路包括主電路和PLC控制電路，主電路是為控制鍋爐液位的水泵提供電源的電路，主要包括斷路器、熔斷器、接觸器、熱繼電器和水泵電機。斷路器用于水泵控制主電路的總開關以及水泵主電路的短路保護；熔斷器用于主電路的短路保護；5個水泵線路接觸器用于水泵運行的控制，1個用于變頻器電源通斷控制接觸器，2個接觸器用于1號水泵和2號水泵的變頻運行控制，2個用于水泵的工頻運行控制；熱繼電器用于主電路的過載保護，2個水泵電機用于抽放水控制。

在PLC控制回路中，首先需要根據輸入輸出點的個數，對PLC進行選型。本文設計的船舶鍋爐液位電氣控制系統用到了9個輸入點和9個輸出點共18個點，9個輸入點包括消音、水位下下限、水位下限、水位上限、水位上上限、啟東、停止、變頻器就緒和變頻器故障；9個輸出點包括指示燈、蜂鳴器、1號水泵變頻輸出、2號水泵變頻輸出、1號水泵工頻輸出、2號水泵工頻輸出、報警排水、停鍋爐報警和變頻器電源控制。根據控制要求，本文選用的西門子公司S7-200系列CPU224，該PLC共有14個輸入和12個輸出共26個點，能夠滿足控制系統的要求。電源模塊選用24V開關電源用于PLC的供電，380V交流電用于變頻器的供電，設計的硬件結構如圖1所示。

圖1　硬件結構圖

3.船舶鍋爐水位系統的軟件設計

根據船舶鍋爐液位電氣系統的控制工藝要求，本文設計的系統運行狀態包括一臺水泵恒壓供水、兩臺水泵供水、報警和變頻恒壓時，PLC報警并控制過濾停鼓風壓火，直至高于水位下下限時，課接觸鼓風機停機指令，恢復正常工作，從而完成供水聯鎖控制。

4.結論

本文首先對船舶鍋爐的基本概念及其分類進行了簡要闡述，在此基礎上，本文選用4個限位開關對水位的各個狀態進行監測。然后從鍋爐本體和輔助設備對船舶鍋爐的基本機構進行了介紹，進而分析了其工作過程，在此基礎上，對船舶鍋爐水位系統進行PLC電氣控制的硬件和軟件設計。在硬件上，包含控制回路和主回路，控制回路中的主控制器選用西門子公司的S7-200中的CPU224型號，再加上按鈕和接觸器線圈，主回路是由變頻器為主，斷路器、熔斷器和電動機為輔組成的。在軟件上通過STEP 7-Micro/WIN軟件對PLC進行編程，其程序包含一臺水泵恒壓供水、兩臺水泵供水、報警和變頻恒壓供水。通過件硬和軟件設計，最終完成了船舶鍋爐液供水。根據PLC判斷水位的位置，來控制其運行工作狀態，其控制流程圖如圖2所示。

圖2　控制流程圖

首先供水系統通過判斷PLC水位是否在上限與下限范圍內，若在此范圍內則接通變頻器控制水泵進入恒壓供水狀態，并不斷檢測鍋爐水位。當水位到達上限時，則水泵變頻運行停止，并繼續檢測水位，直至低于水位上限時，變頻器重新啟動去控制另外一臺水泵進行運行，以使得水泵交替運行。如果水位高于上上限，輸出報警，請求排水。如果運行過程中檢測到水位低于水位下限時，則水泵變頻運行停止，轉換水泵進入工頻運行。當水位升至高于下限時，水泵在工頻狀態繼續運行2Min，然后轉入變頻調速控制的恒壓供水方式。如果水泵工頻運行水位仍繼續下降并低于水位下下限位PLC電氣控制系統的設計。

［1］程明魁.PLC 在蒸汽鍋爐控制系統中的應用［D］.中國石油大學，2011.

［2］呂金華.江漢紅.基于PLC的船舶機艙監控系統［J］.徽計算機信息.2005，21

［3］王瑞云.基于PLC控制的船用鍋爐水位控制系統的分析［J］.船舶技術.2014，4

［4］曾新紅.可編程控制器在船舶輔助鍋爐中的應用［J］.船舶工程，2006，5.