船用廢氣鍋爐自動控制系統的設計

林文城

(廈門海洋職業技術學院，福建廈門361012)

船用廢氣鍋爐自動控制系統的設計

林文城

(廈門海洋職業技術學院，福建廈門361012)

針對早期采用傳統控制系統存在的不足，以某輪廢氣鍋爐為例，根據該輪蒸汽系統的技術要求與廢氣鍋爐的運行特點，開發以臺達DVP14ES00R2 PLC的自動控制系統，提高了該廢氣鍋爐運行過程中的精確控制、節約耗能和抗干擾等方面的要求。

船用廢氣鍋爐 PLC PID 自動控制

0 前言

船舶航行中，廢氣鍋爐利用主機產生的排煙廢熱生產出大量的低壓蒸汽，滿足加熱和日常生活之用，在節能減排方面取得卓越成效。

但在早期的船舶廢氣鍋爐，采用傳統繼電器控制系統，可靠性差，故障率多，熱效率低等問題一直無法根本解決，制約其進一步發展。而可編程控制器具有功能強大、穩定性好、抗干擾能力強和維護簡便等特點，故在此提出了一種以臺達DVP14ES00R2 PLC為控制核心，配有MT506L系列觸摸屏來實現對早期船舶廢氣鍋爐控制系統進行改造，通過狀態參數的數據采集和運算，自動控制執行元件的動作次序和大小，保證整個蒸汽系統在良好狀態下長期安全運轉。

1 廢氣鍋爐控制系統的硬件組成

如圖1所示，下位機采用臺達DVP14ES00R2 PLC為中央控制器，各個壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器和比例電位器等與模擬量輸入輸出模塊(1746—NI04 V )相連。上位機使用帶串行通訊口的觸摸屏（Eview MT 506L），經過信號轉換后與PLC連接，利用Easy Builder 500組態軟件設計人機界面，從而實現廢氣鍋爐運行的控制。

2 廢氣鍋爐的自動控制原理

2.1 某輪廢氣鍋爐概況

某輪配備一臺LFY67—5船用廢氣鍋爐，該廢氣鍋爐受熱面積為55 m2，工作壓力為0.5 MPa，設計的廢氣量為10036.5 Nm3/h，廢氣溫度為362℃，鍋爐排氣溫度為210℃，蒸發量為550 kg/h。

當船舶處于航行狀態，燃油鍋爐熄火停爐，而廢氣鍋爐向船舶提供大量飽和蒸汽用于加熱。只有在廢氣鍋爐產氣量供不應求或出現故障時，才啟動燃油鍋爐產生水蒸氣。當船舶停靠港口或錨地時，主機停止運轉，則廢氣鍋爐停爐而由燃油鍋爐供氣。

2.2 系統控制思路

控制水位、壓力和蒸發量等技術參數，是保證廢氣鍋爐安全節能運行的關鍵。相比燃油鍋爐，廢氣鍋爐內部的溫度較低，只要保證鍋爐水位在一定范圍波動就能保證控制要求。而廢氣鍋爐壓力的大小由鍋爐負荷和蒸發量決定，故根據蒸汽系統中主蒸汽總分配聯箱的壓力，相應調節廢氣鍋爐的產氣量，就可以完成鍋爐內壓力的控制。調節廢氣鍋爐蒸發量的方法很多，本裝置采用煙氣旁通法，即在廢氣鍋爐和旁通煙道入口處安裝三通調節閥，依靠伺服電機調節該閥門來改變流經鍋爐廢氣的流量，最終獲得相應的水蒸氣蒸發量。

如圖2所示，臺達DVP14ES00R2 PLC在應用程序的控制下，采集主蒸汽總分配聯箱的壓力，經過PID運算后，由PWM控制將其轉化成控制脈沖信號進行輸出，進而控制伺服電動機軸上的角位移來調節廢氣三通調節閥的位置，最終通過改變流經廢氣鍋爐的廢氣流量來控制水蒸氣的蒸發量，保證主蒸汽分配聯箱中水蒸氣的壓力維持在穩定數值范圍內。當然，也采集的其它技術參數數值，經過PID計算分析，非正常工作時控制系統將發出警報、或保護性停車，同時分析系統故障產生的原因并提出相應的排除措施。這樣保證實現船舶水蒸氣系統更為精確的自動調節、行之有效的節約能耗和安全可靠運行。

2.3 PLC硬件接線表（見表1）

3 廢氣鍋爐自動控制系統的軟件設計

根據下位機PLC控制內容和上位機監控界面的設計要求，采用編程軟件完成程序的開發。

3.1 PLC控制內容的設計

根據船用廢氣鍋爐系統的特點和要求，采用STEP7編程軟件，將主程序分成若干個子程序模塊，分別進行控制程序設計和軟件開發，使得各程序邏輯清晰嚴密，并具有良好的可復制性和可擴展性。自動控制系統由主控制程序、數據實時采集、工藝流程和輸出控制等4個模塊組成。因篇幅所限，本文側重說明廢氣鍋爐自動控制的核心內容：即以根據蒸汽總分配的壓力，來調節廢氣鍋爐的蒸發量，最終保證船舶航行中蒸汽總分配聯箱中的壓力維持在理想的范圍內，設計自動控制流程如圖2所示。

1）技術參數的數據采集

將PLC采集的模擬量數值依次放在VD1000開始的寄存器內。

2）自動控制系統的保護和報警

廢氣鍋爐的報警和保護性停車主要表現在危險水位保護、氣壓異常保護、三通調節閥失靈保護、換熱管高溫保護、給水泵排壓異常保護等。

3）PID運算

在PLC實時采集運行參數數據里，大部分的參數屬于測量參考量和安全報警量，如圖2所示，蒸汽系統中蒸汽總分配聯箱的壓力是閉環控制的最重要參數。以控制蒸汽系統中蒸汽總分配聯箱的壓力為例，該參數借助PID控制算法調節輸出，通過執行元件的動作，自動調節廢氣鍋爐的蒸發量，以促使該壓力偏差傾向于零，使整個系統幾乎一直處于平穩狀態。根據PLC周期采集參數數據的特點，控制系統選擇離散化的周期采樣偏差公式，用數字形式的差分方程代替連續系統的微分方程，則積分項和微分項可用求和及增量式表示：

推出離散的PID表達式：

式中：△t=T—采樣周期，必須使T足夠小；k—采樣序號，k=0，1，2……；E(k)、E(k-1)—第k次和第(k-1)次采樣時的偏差值；P(k)—第k次采樣時調節器的輸出。

4）PWM輸出

在船用廢氣鍋爐自動控制系統中，根據對蒸汽總分配聯箱壓力的PID計算結果，產生PWM輸出信號，該輸出信號通過伺服電機控制三通調節閥的動作，完成對廢氣鍋爐蒸發量的調節。在廢氣鍋爐蒸汽閥出口安裝流量傳感器測量蒸發量，該傳感器把水蒸氣流量轉換為一比例電壓反饋給PLC，PLC將其與輸入的控制脈沖信號比較，產生糾正脈沖，并驅動電機使三通調節閥正向或反向地轉動，調節廢氣鍋爐內廢氣的流量。當三通調節閥全開時（即廢氣的泄放量為0），控制系統將發出警報，并自動啟動燃油鍋爐，增加水蒸氣產量，最終使水蒸氣的輸出流量與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達到蒸發量精確輸出的目的，最終保證蒸汽總分配聯箱中的壓力維持在設計的范圍內。

3.2 人機界面

本例自動控制系統選擇MT506L觸摸屏，采用Easy Bluilder500組態軟件完成編程，建立了具備友好和直觀性能的人機界面。該界面可以實時顯示運行中蒸汽總分配聯箱壓力、廢氣鍋爐的水位和蒸發量等技術參數的變化，同時不但動態反映給水泵等動力設備的運行狀態，而且還顯示三通調節閥等執行元件的動作情況。而當出現異常狀況時，該界面能及時保存數據并分析和顯示故障原因。

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4 小結

本文采用以臺達DVP14ES00R2 PLC為控制核心，配有Eview MT 506L觸摸屏，完成對船用廢氣鍋爐運行自動控制系統的設計。該系統輕松地解決了早期控制系統結構復雜、蒸氣系統壓力穩定性差和廢氣鍋爐熱效率低等缺點，充分發揮了PLC運算速度快、智能化高、抗干擾能力強和維護方便等控制優點，實現了設計的要求。

[1] 費 千. 船舶輔機[M] . 大連: 大連海事大學出版社, 2005.

[2] 王瑞云. 基于PLC控制的船用鍋爐水位控制系統的分析[J]. 船電技術, 2013, (4): 40-43.

[3] 蔡東林. 船用鍋爐蒸汽壓力智能控制器設計[J]. 南通航運職業技術學院學報, 2012, (5): 28-31.

[4] 嚴華, 楊文中. 新穎船舶燃油鍋爐模擬實驗系統的研制[J] . 船電技術, 2012, (9):54-56.

[5] 葉翠安. 船用輔助鍋爐監控系統的設計與應用研究[J]. 船電技術, 2009, (8): 44-46.

Design of Automatic Control System for Marine Exhaust Boiler

Lin Wencheng
(Marine Vocational and Technical College in Xiamen, Xiamen 361012 , Fujian, China)

In allusion to the defects in the early use of the traditional control system, taking a round exhaust boiler as an example, and according to the technical requirements of the wheel steam system and the exhaust gas boiler operation characteristics, the development of the automatic control system based on DVP14ES00R2 PLC is presented in the paper, which improves on the precise control to the exhaust gas boiler with characteristics such as saving energy and anti-interference, etc.

marine exhaust boiler; PLC; PID automatic control

U665

A

1003-4862（2014）03-0019-03

2013-09-17

林文城 (1975-), 男, 碩士, 副教授 。 研究方向：船舶輔機自動控制和維護管理。