船舶锅炉水位PLC电气控制系统设计

苏州高等职业技术学校 汪 健 张苏新

船舶锅炉水位PLC电气控制系统设计

苏州高等职业技术学校 汪 健 张苏新

当前我国船舶锅炉虽然有一定程度的自动化控制，但控制系统基本上由传统的接触器和继电器组成，线路复杂、可靠性差、维护工作量大。为改造旧船，改善船员劳动强度，提高生产效率，采用可编程控制器控制来实现锅炉的自动控制，不仅具有控制线路简单、可靠性高、维护方便等优点，而且易维护、易扩展。本文首先对船舶锅炉的结构和工作过程进行了阐述，在此基础上，对控制系统进行了硬件设计，控制回路中的主控制器选用西门子公司的S7-200中的CPU224型号，再加上按钮和接触器线圈，主回路由变频器、断路器、熔断器和电动机等辅助装置组成。在软件上，通过STEP 7-Micro/WIN软件对PLC进行编程，包含一台水泵恒压供水、两台水泵供水、报警和变频恒压供水程序，最终完成了船舶锅炉液位PLC电气控制系统的设计。

船舶锅炉；PLC；STEP 7-Micro/WIN

引言

锅炉是船舶的重要设备之一，在采用内燃机动力装置的船舶上，主要产生蒸汽用于加热燃油、主机暖缸、驱动辅助机械及生活杂用。当前船舶锅炉机舱自动化的要求越来越高，锅炉的自动控制在实现无人机舱是必不可少的。船用锅炉由于其应用场合不同，需要特定的要求，在结构上，能够适应船舶的晃动和冲击，同时要有一定的容积能够储存汽和水，并且其蒸汽参数、蒸发量、锅炉效率、蒸发率和炉膛容积热负荷都要满足一定的要求。

船舶锅炉的种类很多，按照用途可以分为主锅炉、辅助锅炉和废气锅炉；按照锅炉结构分为烟管（火管）锅炉、水管锅炉和混合式锅炉（部分烟管，部分水管）三种类型；按照锅炉水循环方法可以分为自然循环锅炉和强制循环锅炉两种；按照蒸汽工作压力高低可以分为高压锅炉（＞6.0MPa）、中高压锅炉（4.0 MPa-6.0MPa）、中压锅炉（2.0 MPa-4.0MPa）、低压过滤（＜2.0MPa）；按照工作介质可以分为蒸汽锅炉和热油锅炉。

本文主要以船舶锅炉为研究对象，对其水位系统的控制进行研究，采用水位计对液位进行检测，根据控制需要将4个水位（上上限水位、下限水位、上限水位、上上限水位）的4个开关量信号接入PLC，经过PLC控制水泵电动机，实现恒压供水、低水位联锁、报警和给水电动机故障时的联锁控制，使系统全自动平稳运行。

1.船舶锅炉的结构及其工作原理

船舶锅炉主要由锅炉本体和辅助设备组成。锅炉本体包括有炉膛、蒸发受热面、蒸汽过热器、省煤器、空气预热器等，炉膛主要由耐火砖墙和水冷壁组成，用于提供足够的空间使燃油能够充分燃烧，其隔热性能使得燃烧热热量不会损失；蒸发受热面通过烟气传热方式，将热量传递给锅水；蒸汽过热器能够产生更大的动力机械；省煤器用于加热锅炉的给水，起到节能的作用；空气预热器是运用烟气的预热来改善燃料的燃烧，在一定程度上能起到节能作用。辅助设备包括用于产生热量的燃烧装置、补充锅炉给水所需的给水处理系统、由阀门和仪表组成的汽水系统、将外界空气送入炉膛中燃烧的通风系统和保证锅炉安全工作的监测仪表设备。

船舶锅炉水位控制工作过程主要包括水汽系统和燃烧系统。水汽系统为吸收大量烟气热的水，随着水温度升高，压强增大，会使得汽化编程气体，经过一段时间后形成饱和水，然后进入下降管和锅炉底部；燃烧系统的工作概述为：锅炉将外部空气加热成热气，同时油气吸收烟气的热量，导致温度不断升高，便成了燃气，与燃料进行一定的比例混合，进入炉膛燃烧，产生的热量传递给蒸汽发生器，形成饱和蒸汽。在该工作过程中，锅炉的液位必须保持在一定的范围内，才能使得锅炉正常运行。

2.船舶锅炉水位系统的硬件设计

PLC船舶锅炉水位控制电路包括主电路和PLC控制电路，主电路是为控制锅炉液位的水泵提供电源的电路，主要包括断路器、熔断器、接触器、热继电器和水泵电机。断路器用于水泵控制主电路的总开关以及水泵主电路的短路保护；熔断器用于主电路的短路保护；5个水泵线路接触器用于水泵运行的控制，1个用于变频器电源通断控制接触器，2个接触器用于1号水泵和2号水泵的变频运行控制，2个用于水泵的工频运行控制；热继电器用于主电路的过载保护，2个水泵电机用于抽放水控制。

在PLC控制回路中，首先需要根据输入输出点的个数，对PLC进行选型。本文设计的船舶锅炉液位电气控制系统用到了9个输入点和9个输出点共18个点，9个输入点包括消音、水位下下限、水位下限、水位上限、水位上上限、启东、停止、变频器就绪和变频器故障；9个输出点包括指示灯、蜂鸣器、1号水泵变频输出、2号水泵变频输出、1号水泵工频输出、2号水泵工频输出、报警排水、停锅炉报警和变频器电源控制。根据控制要求，本文选用的西门子公司S7-200系列CPU224，该PLC共有14个输入和12个输出共26个点，能够满足控制系统的要求。电源模块选用24V开关电源用于PLC的供电，380V交流电用于变频器的供电，设计的硬件结构如图1所示。

图1　硬件结构图

3.船舶锅炉水位系统的软件设计

根据船舶锅炉液位电气系统的控制工艺要求，本文设计的系统运行状态包括一台水泵恒压供水、两台水泵供水、报警和变频恒压时，PLC报警并控制过滤停鼓风压火，直至高于水位下下限时，课接触鼓风机停机指令，恢复正常工作，从而完成供水联锁控制。

4.结论

本文首先对船舶锅炉的基本概念及其分类进行了简要阐述，在此基础上，本文选用4个限位开关对水位的各个状态进行监测。然后从锅炉本体和辅助设备对船舶锅炉的基本机构进行了介绍，进而分析了其工作过程，在此基础上，对船舶锅炉水位系统进行PLC电气控制的硬件和软件设计。在硬件上，包含控制回路和主回路，控制回路中的主控制器选用西门子公司的S7-200中的CPU224型号，再加上按钮和接触器线圈，主回路是由变频器为主，断路器、熔断器和电动机为辅组成的。在软件上通过STEP 7-Micro/WIN软件对PLC进行编程，其程序包含一台水泵恒压供水、两台水泵供水、报警和变频恒压供水。通过件硬和软件设计，最终完成了船舶锅炉液供水。根据PLC判断水位的位置，来控制其运行工作状态，其控制流程图如图2所示。

图2　控制流程图

首先供水系统通过判断PLC水位是否在上限与下限范围内，若在此范围内则接通变频器控制水泵进入恒压供水状态，并不断检测锅炉水位。当水位到达上限时，则水泵变频运行停止，并继续检测水位，直至低于水位上限时，变频器重新启动去控制另外一台水泵进行运行，以使得水泵交替运行。如果水位高于上上限，输出报警，请求排水。如果运行过程中检测到水位低于水位下限时，则水泵变频运行停止，转换水泵进入工频运行。当水位升至高于下限时，水泵在工频状态继续运行2Min，然后转入变频调速控制的恒压供水方式。如果水泵工频运行水位仍继续下降并低于水位下下限位PLC电气控制系统的设计。

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［3］王瑞云.基于PLC控制的船用锅炉水位控制系统的分析［J］.船舶技术.2014，4

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