基于PLC的船舶辅锅炉控制系统的设计

冯腾飞，潘晓飞

（栾川龙宇钼业有限公司，河南 洛阳 471500）

0 引言

船舶辅锅炉是船舶动力装置中最早实现自动控制的设备之一。它包括水位的自动控制，蒸汽压力的自动控制，锅炉点火及燃烧的时序控制和自动安全保护等。大型油船辅锅炉所产生的蒸汽主要用于加热货油，驱动货油泵及其他甲板机械，其蒸发量及蒸汽压力都比较大；柴油机货船辅锅炉所产生的蒸汽仅用于加热柴油机所需用的燃油、滑油及船员生活，其蒸发量及蒸汽压力比较小[1]。因此，确保船舶辅锅炉控制系统安全可靠且经济运行，是船舶自动化控制的重要内容之一。

辅锅炉自动化控制装置采用计算机技术，包括可编程控制器（PLC），使控制部分体积质量大大减小，工作可靠性大大提高，控制方式也由硬件控制变为软件控制为主，使功能的组合、扩展或修改变得很容易，而且维护方便，模块通用性好，抗干扰能力强，非常适合在恶劣的工业环境下使用。

船舶辅锅炉控制系统有其自身的特点，船舶工况复杂多变，船舶的辅锅炉设备工作条件恶劣，更易发生故障等，而传统的继电接触式控制系统的可靠性、稳定性都不够理想，因此采用可靠性好的可编程控制器来控制显得十分有必要。

1 船舶辅锅炉PLC自动控制的设计

1.1 船舶辅锅炉PLC自动控制流程

根据船舶辅锅炉的工作原理及过程，设计出其由PLC进行控制的整个工作流程（如图1所示），包括：

（1）水位正常的判定；

（2）风机正常的判定；

（3）油泵正常的判定；

图1 船舶辅锅炉PLC自动控制流程图

（4）点火成功的判定。

1.2 船舶辅锅炉PLC自动控制硬件设计

1.2.1 设计方案

本课题应用PLC控制器设计船舶辅锅炉自动控制系统，实现了以下基本功能：

（1）锅炉起动前和停炉后都能保证水泵独立正常工作；

（2）应有“自动”、“手动”两种控制方式；

（3）对自动启动的各程序工作（水位检测、转换开关置于自动位置、风压检测、预扫风、自动点火等）设置逻辑判断和监视；

（4）风量和油量的配比，由风门挡板的适当开度来保证；

（5）适用于燃烧重油，设有燃油加热器及其控制线路和“轻油—重油”切换电路，燃油采用电加热；

（6）采用两个压力开关实现锅炉蒸汽压力的双位自动控制；

（7）有正常停炉和紧急停炉两种停炉方式；

（8）锅炉运行故障监视，包括高水位、低水位、危险低水位、低风压、汽压高、水泵过载、风机过载、油泵过载、中途熄火等故障保护[2]。

1.2.2 PLC选择

本锅炉控制系统有21个输入点，14个输出点，根据选择的原则和方法，本设计采用德国西门子S7-200 CPU226 CN，输入24点，输出16点[3]。具体输入输出接口如“表1”所示。定时器和辅助继电器的分配如“表2”所示。

表1 输入输出接口一览表

表2 定时器、辅助继电器一览表

1.2.3 PLC硬件电路设计

本控制系统PLC硬件接线图如图2所示。图2中，PLC的电源接线等外部电路在此就省略未画出，画出的都是可编程控制器的输入和输出接口。

图2 PLC硬件接线图

1.3 船舶辅锅炉PLC自动控制软件设计

本锅炉系统选用S7-200 CPU226 CN作为控制核心，根据控制流程图和系统的输入、输出信号编制梯形图，如图3所示。本装置在自动位置按下I0.3后系统就会根据所检测到的信号自动投入运行，当检测到有故障信号时，系统会发出声光报警甚至停炉。

1.4 辅锅炉PLC控制过程分析

（1）起动前的准备

1）合上总电源开关，控制电路接通电源。

图3 船舶辅锅炉PLC自动控制梯形图

2）如果锅炉水位低于危险低水位，则触点I1.2(95)断开，M0.8断电，其常开触点M0.8(9)断开，锅炉无法起动。将给水泵转换开关扳到“手动”位置，触点I0.2(0)闭合，Q0.0通电，水泵起动向炉内供水。当水位上升至正常水位后，把水泵转换开关扳到“停”位置，水泵就停止工作。然后再将给水泵开关扳到“自动”位置，触点I0.1(0)闭合，此时锅炉水位就由高水位压力开关触点I1.3(76)和低水位压力开关触点I1.4(76)进行双位控制。

3）使燃油压力和温度控制系统投入工作，保持燃油压力和温度在正常范围内。

4）将燃烧转换开关扳到“手动”位置，风机和油泵开关扳到“手动”位置，触点I0.7(9)和I2.2(26)均闭合，按下起动按钮I0.3，M0.2通电，M0.2(9)、(26)闭合自锁，M1.2和M1.3通电，M1.2(124)和M1.3(126)触点闭合，则Q0.0和Q0.2通电，起动风机进行预扫风，同时油泵进行预运转，手动预扫风约一分钟后，按停止按钮I0.4，使风机停止工作。

（2）手动控制

在手动控制前，将燃烧转换开关置于“停止”位置，将风机和油泵开关、点火控制开关和燃油电磁阀控制开关置于“自动”位置。

手动操作具体步骤如下。

1）按下起动按钮I0.3接通控制电路。

2）将燃烧转换开关扳到“手动”位置，I0.7(9)、 (26)闭 合 ， M0.2 通电，M0.2(9)、(26)闭合。

3）将风机和油泵转换开关转到“手动”位置，风机和油泵投入运行，进行预扫风并使燃油管路建立油压。

4）预扫风一分钟左右，将点火控制开关扳到“手动”位置，触点I2.6(26)闭合，I0.7(26)已闭合，M1.4通电，触点M1.4(121)闭合，点火变压器Q0.3通电，点火电极之间产生电火花进行点火。同时Q0.4通电，风门挡板关闭，准备点火。

5）将燃油电磁阀控制开关扳到“手动”，触点I2.4(26)闭合，燃油电磁阀Q0.6有电，油泵到喷油器的供油管路打开，向炉内喷油，开始点火。

6）从观察孔看到火焰时，将点火控制开关扳到“自动”位置，终止点火变压器工作，Q0.4断电，风门挡板打开，进入正常燃烧阶段。

7）若手动点火失败，应立即将燃油电磁阀控制开关扳到“自动”，并进行后扫风，然后将风机和油泵开关扳到“自动”位置，燃烧转换开关扳到“停止”位置。待故障排除并复位后，方可进行重新点火。

8）停炉时，应将燃油电磁阀控制开关扳到“自动”并进行后扫风，再将风机和油泵开关扳到“自动”位置，燃烧转换开关扳到“停止”位置，最后切断总电源。

船舶辅锅炉之所以设置手动控制，其目的是在于当自动控制系统发生故障时，锅炉能够在人工操作的条件下顺利起炉点火，并在点火成功后顺利进入正常燃烧阶段。

（3）自动控制

在完成锅炉起动前的准备后，然后将水泵开关、燃烧开关、风机和油泵开关都扳到“自动”位置，准备自动起动。

1）预扫风

按下起动按钮I0.3，此时水位正常，M0.8有电，其常开触点M0.8(9)闭合。此时T11计时时间未到，其常闭延时开触点T11(9)闭合，M0.2有电，Q0.1和Q0.2通电，风机和油泵开始运转。由于燃油电磁阀无电关闭，所以燃油在管路中循环，不能进入炉内。此时M0.1(26)闭合，M4.1得电，M4.1(97)闭合，T11、T12、T13、T14、T15、T16均开始通电计时。此时T13计时未到，其常开延时闭触点T13(26)断开，风门挡板Q0.4断电，风门挡板在弹簧力的作用下开度最大，风机对炉膛进行预扫风。

由于在60 s之前未进行点火，所以火焰感受器感受不到火焰的光照，I2.7(26)断开，M3.1无电，M0.4有电，M0.4(26)、(80)触点闭合，为自动点火和火焰监视计时器T2通电做好准备。

2）点火

在预扫风60 s时，T13计时时间到，其常开延时闭触点T13(26)闭合，Q0.4通电，风门挡板关闭，准备点火。T12计时时间到，常开延时闭触点T12(26)闭合，M1.5通电，触点M1.5(121)闭合，点火变压器Q0.3通电，点火电极之间产生电火花进行预点火。T14计时时间到，T14(26)闭合。此时炉内处于无压或低压状态，I1.1(26)是闭合的，故燃油电磁阀Q0.6有电，油泵到喷油器的供油管路打开，向炉内喷油，开始点火。60 s时，T15计时时间到，T15(80)同时闭合，T2通电。延时10 s后才能将触点T2(90)闭合，熄火保护继电器Q0.7通电，此时只对火焰进行监视，为熄火保护做好准备。

若10 s内点火成功，火焰感受器感受到光照，触点I2.7(26)闭合，M0.4失电，M0.4(80)断开，T2失电，其触点T2(90)由于未达到闭合时间而继续断开，维持M0.1为断电状态。常开触点M0.4(26)断开，点火变压器Q0.3断电，停止点火。常闭触点M0.4(86)闭合，2 s后T3断开，Q0.4断电，风门打开。

3）点火失败

由上可知，从60 s时开始T15(80)闭合，T2通电开始10 s延时，若延时超过10 s火焰感受器仍未感受到火焰，触点I2.7处于断开状态，M0.4一直有电，M0.4(80)一直闭合。当T2达到设定时间10 s后，触点T2(90)闭合，Q0.7通电，常开触点Q0.7(7)闭合，M0.1得电，触点M0.1(9)断开，M0.2断电，M0.2(26)断开，燃油电磁阀Q0.6断电，停止向炉内喷油。同时常开触点M0.1(134)闭合，M2.0通电，常开触点M2.0(139)闭合，熄火指示灯Q1.3通电亮，常开触点M2.0(145)闭合，Q1.6通电发出声光报警。M0.2(116)闭合，T17通电计时，此时常闭延时开触点T17(23)处于闭合状态，M1.2继续有电，进行后扫风60 s后风机停转。

到70 s时，T11计时时间到，常闭延时开触点T11(9)断开，若风压正常，则I1.0(9)闭合，M0.2仍有电。若风压未建立，低风压保护触点I1.0(9)就不能闭合，M0.2断电，燃油电磁阀Q0.6断电，停止向炉内喷油。触点I1.0(136)断开，M3.0断电，M3.0(143)闭合，低风压指示灯Q1.5通电亮，M3.0(145)闭合发出声光报警。后扫风后风机停转，锅炉自动停炉。

4）再次起动

在点火失败后，必须先排除故障才能再次起动锅炉。将熄火保护继电器触点Q0.7手动复位，使M0.1断电，M0.1(9)恢复闭合，方可重新起动。

5）中途熄火

燃烧过程中，若中途熄火，火焰感受器失去光照，则触点I2.7(26)断开，同上述点火失败一样使M0.2断电，燃油电磁阀关闭，进行后扫风60 s后风机停转，并发出声光报警。

（3）汽压的自动控制

当高汽压压力开关动作时，触点I1.1(26)断开，燃油电磁阀Q0.6断电，停止向炉内喷油，油泵停止运行。常开触点I1.1(116)闭合，T17通电计时，此时常闭延时开触点T17(23)处于闭合状态，M1.2继续有电，进行后扫风60 s后风机停转。此时炉内虽无火，但M0.4仍通电，常开触点M0.4(80)闭合，又因为I1.1(80)已经断开，所以T2不会通电，也就不会发出声光报警，视为正常停炉。当炉内汽压降到控制汽压下限值时，I1.1(26)重新闭合，风机和油泵重新起动，锅炉重新燃烧。

（4）安全保护

该系统有危险低水位和风压过低自动熄炉保护。

锅炉在运行中，若水位下降到危险低水位时，触点I1.2(95)断开，M0.8断电，使M0.2断电，切断整个控制程序，使锅炉自动熄火停炉并发出声光报警。

若风压过低，低风压保护继电器触点I1.0(9)断开，主继电器M0.2断电，锅炉自动熄火停炉并发出声光报警。

（5）停炉

停炉时，可手按停止按钮I0.4，使M0.2断电，燃烧系统停止工作。若锅炉水位低于危险低水位，应把水泵开关放在“手动”位置，继续向锅炉供水，直到水位达到正常水位时，再把水泵开关扳到“停止”位置上。然后把燃烧开关置于“停止”位置，风机和油泵开关扳到“手动”位置。最后切断总电源[4]。

2 结论

机舱辅助设备的自动化是轮机自动化的重要组成部分。随着船舶电气技术的发展，船舶的自动化成度越来越高。这一高度自动化的实现取决于机舱设备控制系统的可靠性。船舶辅锅炉控制系统有其自身的特点，船舶工况复杂多变，船舶的辅锅炉设备工作条件恶劣，容易发生故障，而传统的继电接触式控制系统的可靠性、稳定性都不够理想，因此采用可靠性好的可编程控制器来控制显得十分必要。

本论文研究船舶辅锅炉自动控制问题，旨在把PLC控制技术应用到船舶辅锅炉自动控制方案中，去解决传统继电接触式电气控制系统中存在的各种不足，以提高船舶辅锅炉自动控制系统的性能以及其工作可靠性。

本文是在参考前人对辅锅炉PLC控制研究的基础上，结合已有技术，对辅锅炉控制系统进行分析和研究，对于船舶自动化的改善还需要更多研究者共同努力。

［1］李世臣.轮机自动化［M］.大连：大连海事大学出版社，2008.

［2］严华，杨文中，华增芳.轮机管理专业综合训练指导书［Z］.厦门：集美大学，2008.

［3］陈立定，等.电气控制与可编程序控制器的原理及应用［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［4］陈清彬.PLC在船用辅锅炉燃烧控制系统中的应用［J］.造船技术，2004（2）：44-46.