船舶鍋爐PLC控制系統(tǒng)

船舶鍋爐PLC控制系統(tǒng)

在內(nèi)燃機動力裝置的船舶上，鍋爐是船舶的重要輔機設備，主要產(chǎn)生蒸汽用于加熱燃油、主機暖缸、驅(qū)動輔助機械及生活雜用。當前船舶機艙自動化的要求越來越高，鍋爐的自動控制在實現(xiàn)無人機艙中是必不可少的。但是目前我國船舶(特別在遠洋漁船)上，雖有一定程度的自動化控制，但控制系統(tǒng)基本上是采用接觸器—繼電器系統(tǒng), 系統(tǒng)線路復雜、可靠性差、維護工作量大。為改造船舶設備，改善船員勞動強度，提高生產(chǎn)效率, 采用可編程序控制器來實現(xiàn)鍋爐的自動控制, 可以使線路簡單、可靠性提高、維護方便且容易實現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)試等?？删幊绦蚩刂破骺刂葡到y(tǒng)的經(jīng)濟性能比高于接觸器—繼電器控制系統(tǒng)。

2 設備與工藝要求

本文主要針對的是船舶輔助燃油鍋爐,其蒸發(fā)量一般為0.45-2.5t/h，蒸汽壓力在0.3-0.7Mpa左右，但只要簡單修改PLC程序就可以適用不同型號的船舶鍋爐。船舶鍋爐自動控制一般有以下幾個環(huán)節(jié):蒸汽壓力自動控制，燃燒程序的自動控制，鍋爐水位自動控制，保護與報警。

系統(tǒng)的全自動起動、停爐和故障事件處理，按照要求在PLC中編制用戶程序，實現(xiàn):給水、掃氣、點火、燃燒等過程的全自動起、?？刂?。鍋爐定期定時保養(yǎng)維護的自動提示和超期不維護的系統(tǒng)自動閉鎖。為配合燃燒，PLC在系統(tǒng)的起停運行中，根據(jù)控制要求自動起停風機電機和開閉風門完成掃氣工序，并根據(jù)燃燒情況，控制風門的開閉大小。此外，風機電機故障、爐內(nèi)壓力超限聯(lián)鎖、燃燒發(fā)生故障的聯(lián)鎖控制和報警處理，報警聯(lián)鎖等控制處理等也由PLC用戶程序?qū)崿F(xiàn)。

2.1 水位控制

采用水位計對水位進行檢測，根據(jù)控制需要將3個水位(下限水位、下下限水位、上限水位)的3個開關量信號接入PLC，經(jīng)PLC控制水泵電機，實現(xiàn)合適給水量的控制、低水位聯(lián)鎖、報警處理給水水泵電機故障時的聯(lián)鎖控制等，使系統(tǒng)全自動平穩(wěn)地運行。

2.2 蒸汽壓力控制

蒸汽壓力通過壓力傳感器測量實現(xiàn)。水位正常時，如蒸汽壓力在0.4-0.46Mpa時鍋爐正常燃燒;當負荷減少時，蒸汽壓力上升到0.46Mpa時鍋爐停止燃燒;如故障蒸汽壓力仍上升至0.49Mpa時，切斷電源并發(fā)出報警;當蒸汽壓力下降到0.4Mpa以下時鍋爐重新點火燃燒。

采用壓力傳感器測量當前蒸汽壓力，通過壓力開關，信號接入PLC的兩點開關量輸入，或者用壓力傳感器測量通過變送器將信號接入PLC的一路模擬量輸入，實現(xiàn)兩級燃燒(大、小火)控制和壓力上限保護及實時監(jiān)視。

2.3 燃燒程序自動控制

燃燒系統(tǒng)的自動控制就是蒸汽壓力的自動控制。汽壓是燃燒自動控制的被控參數(shù)。對鍋爐發(fā)出起動信號后，自動起動油泵和風機，并把風門調(diào)到最大而不向爐膛內(nèi)供油，用壓縮空氣大風量吹掃，即“予掃風”，以防止點火時發(fā)生“冷爆”。預掃氣結(jié)束后自動把風門關到最小位置，打開點火噴油電磁閥，噴入少量燃油;同時接通點火變壓器進行點火。點火成功后，自動斷開點火變壓器，燃油電磁閥正常打開，進入正常燃燒。

2.4 自動保護和報警

按照要求在PLC編制中實現(xiàn)過水位保護、高水位保護、點火失敗報警、燃燒熄火報警等。

3 系統(tǒng)設計

3.1 PLC選型及I/O分配

根據(jù)以上控制要求，船用輔鍋爐控制系統(tǒng)采用ＦＸ2Ｎ-32ＭＲＰＬＣ，它是日本三菱公司的產(chǎn)品，具有運行速度快，功能強，提供的Ｉ／Ｏ點數(shù)為16/16，除實際使用外，有足夠的余量供系統(tǒng)以后擴展。模擬塊采用ＦＸ2Ｎ－4ＡＤ和ＦＸ2Ｎ-4ＤＡ。提供4路輸入和輸出。通信模塊采用ＦＸ-232ＡＷＣ。

本系統(tǒng)PLC的I／O分配表如表1。

為了節(jié)能，鍋爐控制系統(tǒng)中的給水、燃燒控制部分能采用變頻器，那么整個鍋爐的控制水平(如溫度、壓力、水位的控制精度)將可得到較大的提高，并且其節(jié)能效益是十分明顯的，這點在很多的鍋爐系統(tǒng)，特別是較大容量的鍋爐控制系統(tǒng)中己得到證實，其明顯的節(jié)能效益使得由于使用變頻器帶來的控制系統(tǒng)成本提高在短期內(nèi)就可得到回收，所以我們設計的控制器在這方面作了改進，以適應不同的要求。

同時為了利用船舶主機排出的廢氣余熱，在控制系統(tǒng)中加入了主機廢氣控制開關。

表1 PLC的I／O分配表

3.2 系統(tǒng)軟件設計

按照船舶鍋爐的全自動控制流程，在PLC中編制用戶程序[2]。圖1、圖2為控制系統(tǒng)程序。

圖1 系統(tǒng)程序圖

按照船舶鍋爐操作規(guī)程，每次開爐點火前先打到自動控制位置。檢測水位是否正常，正常則檢測油溫和油壓是否正常，正常則進入點火程序。鍋爐點火燃燒后，當蒸汽壓力達到正常供汽時(0.46MPa)。供水系統(tǒng)通過PLC首先判斷水位是否在上限與下限范圍內(nèi)，若在此范圍內(nèi)則水泵進入恒壓供水狀態(tài)，并不斷檢測鍋爐水位。當水位到達上限時，水泵停止，并繼續(xù)檢測水位;如水位高于上上限時，輸出報警，請求排水。如到水位低于上限時，重新起動另一臺水泵進行供水，以使水泵交替使用。如運行中檢測到水位低于水位下限時，則兩只水泵同時運行;當水位升至高于下限時，關閉一臺水泵，加另一臺水泵繼續(xù)在工頻狀態(tài)下供水。如水泵工頻運行水位仍繼續(xù)下降并低于水位下下限時，PLC報警并控制鍋爐停鼓風壓火，直至高于水位下下限時，才解除鼓風停機恢復正常工作，從而完成供水聯(lián)鎖控制。若上述供水系統(tǒng)切換到手動方式，也必須由PLC進行聯(lián)鎖控制，以保證供水正常，鍋爐安全運行。

圖2 系統(tǒng)軟件圖

3.3 PLC控制的實踐試驗

由于船用輔鍋爐燃燒控制中變量較多，所以控制電器用量較大, 為探索研究新技術應用，所以采用了可編程序控制器實現(xiàn)。考慮增大輸出功率，故用小型中間繼電器作為輸出形式，以儲備功率和隔離中小功率設備間的電聯(lián)系。

在實踐中，PLC輸入回路設置了人工與自動控制方式的選擇，在人工操作時, 各種功率元件的起動、停止及鍋爐燃燒按鈕仍然存在著。也保留設備安全運行報警等各環(huán)節(jié)。在自動選擇時，設有各種壓力和水位控制的各檢測輸入量。為調(diào)整方便，附有各人工模擬開關量輸入，以備設備自檢的需要。在船舶實際運行工況中，有主機排氣的廢氣等設備的附加受熱面，所以設有廢氣開啟閥控件作為聯(lián)接需要。

4 結(jié)束語

采用FX2N-32MRPLC對船舶鍋爐控制系統(tǒng)進行改造，經(jīng)試運行，未出現(xiàn)過誤動作，在系統(tǒng)可靠性方面取得了良好的效果，改善船員勞動強度，提高生產(chǎn)效率，并且節(jié)能效益明顯，為船舶機艙無人化具有重要的實用價值與經(jīng)濟效益