基于PLC船舶輔鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

喬顯輝

青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266237

1 船舶輔鍋爐控制要求分析

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)門擋板的適當(dāng)開度來決定風(fēng)量和油量的配比。

5） 在燃燒重油時(shí)，如果沒有燃油加熱器及控制線路、輕重油切換電路，則燃油需要采用電加熱。

6） 以兩個(gè)壓力開關(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、水泵過載等故障的熄火處理。

2 基于PLC 的船舶輔鍋爐系統(tǒng)的控制框圖

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“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，并通過對(duì)市場(chǎng)常用PLC 產(chǎn)品性能的比較，確定選用西門子公司的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)量沒有超過7 個(gè)，符合CPU-226 對(duì)擴(kuò)展模塊數(shù)量限制要求，說明系統(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)控的物理量超過其限定范圍，將在其相應(yīng)的輸出端口發(fā)出報(bào)警信息。

3 基于西門子S7-200 PLC 鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

3.1 鍋爐水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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)，開始向鍋爐供水，實(shí)現(xiàn)輔鍋爐的水位雙位控制[3]。

3.2 鍋爐點(diǎn)火與蒸汽壓力控制的程序設(shè)計(jì)

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)過暖爐后，并同時(shí)須滿足汽包水位正常、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)警是指不是很嚴(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，這類故障的類型包括高水位、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，這類故障的類型包括超高汽壓、危險(xiǎn)低水位、爐膛風(fēng)壓低限和中途熄火（或點(diǎn)火失敗）。此時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警和停爐的控制命令。當(dāng)這類故障發(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 鍋爐蒸汽壓力（燃燒） 的自動(dòng)控制

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)，開關(guān)一個(gè)閉合一個(gè)斷開，進(jìn)行低火燃燒。在低火燃燒時(shí)，如果蒸汽壓力超過允許高壓，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。