货船辅锅炉水位控制系统的改进

鞠冀军，陈 云

(1.浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316000；2.中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214433)

货船辅锅炉水位控制系统的改进

鞠冀军1，陈 云2

(1.浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316000；2.中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214433)

传统柴油机货船辅锅炉水位控制系统采用电极式双水位检测、整流器件结合继电器为执行元件，存在电极易结垢、继电器动作不及时的安全隐患。现采用基于嵌入式芯片的单电极水位检测控制系统，可以精确利用电阻电位测量，对锅炉液位进行数据采集，采集的数据再由嵌入式芯片分析，然后直接控制水泵自动启停、输出数据显示、自由调节参数、实现故障监测报警等功能。整套系统成本低廉，系统极大简化，抗干扰能力强，适用大中型的货船。

辅锅炉；自动化；水位控制系统

锅炉是船舶日常运营不可缺少的辅助机械之一,产生的蒸汽主要应用于加热燃油、润滑油和船员日常生活。若锅炉液位太高，使产生的蒸汽携带液态水，液态水会损坏机械设备，消耗过多的燃料使船舶运营成本增加。而液位太低，有造成锅炉干烧产生爆炸的危险，严重威胁船员人身安全[1]。传统柴油机货船辅锅炉水位控制采用电极双水位检测，利用整流桥结合继电器为执行元件，存在着电极易结垢、继电器动作不及时的安全隐患。当前嵌入式控制芯片的价格持续降低，例如部分8位单片机售价已低于1元人民币，继续采用强电检测控制，显然在成本、结构、效益方面已失去优势。采用嵌入式芯片为核心的锅炉水位检测控制系统不但可以极大的简化系统组成结构、实现水位的精密控制，而且可以轻松实现实时液位显示、实时调节、实时故障监测报警等功能。

1 传统辅锅炉水位检测控制

传统柴油机货轮辅锅炉为避免“假水位”和气泡的影响，一般采用电极式双水位控制系统，其原理如图1所示。在图1中负责采集锅炉液位信息的3根电极棒安装在单独的电极室内，分别检测高水位、低水位和危险停炉水位。实际的整个系统中需要使用2套整流桥1Z和2Z，2个直流接触器3JY和4JY，1个交流接触器1CJ，然后是相关变压器和断路器。

图1 电极式双水位检测控制示意图

电极式双位水位控制系统的工作过程如下：380 V电源闭合后，由第一个变压器降压成24 V的交流电，然后经过整流器1Z和2Z，将交流电转换成直流电，为直流继电器3JY和4JY供电，整流电路中RC电路的作用是稳压。起主要控制作用的继电器3JY的一个常开触点3JY2与电极棒1并联，构成自锁电路，同时将3JY的常闭触点3JY1接控制水泵的主接触器1CJ，当水位低于电极棒2的下端点时，继电器3JY失电，3JY1复位闭合，接通接触器1CJ，启动水泵。水泵启动后，水位逐渐到达电极棒1的下端点，引起3JY自锁，常闭触点3JY1断开，水泵停止供水，从而将水位控制高低水位之间。若电极棒2结构或继电器-接触器触点氧化，导致水位触及电极棒3的下端点，负责危险报警的继电器4JY复位动作，触发声光报警并停炉。

传统辅锅炉水位检测控制的缺陷在于电极易结垢，导致水位误判，且水位检测部分，直接引入的是强电电源，对电极与电极上盖之间的绝缘要求较高[2]。另外在检测控制环节，传统方法采用了多个接触器—继电器控制环节，使用寿命和可靠性都有严格限制。

2 基于嵌入式系统的系统方案

当前嵌入式芯片的成本如此低廉，稳定性和抗干扰性都有极大提高。引入嵌入式控制可以极大的简化系统结构，且能实现基本的运算和显示输出，甚至物联网通信，电源电压也可限制在5 V之下，相对于旧式的接触器—继电器检测控制有着很大优势。本文在参照传统辅锅炉水位控制系统的功能和要求的基础上，设计了基于AT89C52单片机为控制核心，由液位采集模块、信息处理模块和显示报警模块等组成的液位控制系统。改造后的系统检测控制部分示意图如图2所示。

图2 改进后的检测控制部分示意图

在改进后的系统设计中，单片机将完成液位采集、水位判断、水泵启停控制和故障监测报警的功能，取代传统系统中的整流装置、接触器—继电器控制系统。同时采用单片机后，传感器的设置改用电阻传感器取代电极室的3根电极棒，充分利用模数转换器和单片机的最基本的运算功能，完成水位上升与电阻电压变化的一一对应关系，从而达到液位采集的目的[3]。在图2中，模数转换器和单片机运算主电路，体积小，成本低。系统的难点在于限流电阻R和水位测量电阻的阻值选取，务必要使电阻的阻值远大于锅炉用水水体阻值。这样，水体接触到电阻传感器的部分，相当于短路，阻值可以忽略不计。这样随着水位的上升，模数转换所获得的电压U、电阻传感器长度L、锅炉水位H的关系为：

(1)

其中，K为正比例常数，该常数的值与实际水体的电阻系数、锅炉体积、限流电阻与电阻传感器的取值有关。从式中可以看出，检测电压与锅炉水位成线性关系。

3 改进后的锅炉水位控制系统设计

3.1 硬件电路设计

本系统主要是由液位采集装置、数据处理装置、执行机构装置、液位显示装置等构成。系统以电阻传感器取代传统3根电极棒作为液位采集装置，实现数据输入。系统硬件主电路如图3所示。

图3 系统硬件主电路

系统硬件主电路采用Proteus软件设计，该软件同时具备基本的电子电路设计和部分嵌入式芯片电路的仿真功能。如图3所示，单片机P3端口外接按键，用来实现预期的改变参数设定，急停水泵的功能，还可以另接按键实现其他预定功能，实现对系统总体控制。本系统只使用了改变参数，急停水泵的功能。P1.3口接报警装置，当系统水位在极低水位或极高水位时，报警装置会发出报警声音，提醒管理人员对锅炉进行必要的维修。系统整体简单，实用。当水位到达指定水位时，水位指示灯对应显示相应的水位情况，同时LCD液晶显示器显示水位的液位情况。系统通过变电阻液位传感器自动检测液位数据，液位数据信号经过ADC0832转换器进行信号处理后进入单片机数据处理系统。锅炉水位到达给定水位时，水泵自动开始工作。系统实现预期功能的同时，用户还可以根据实际情况对参数值进行修改。

3.2 软件系统设计

系统的主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

系统要求能完成以下功能：系统连接显示输出，可以实时显示水泵、电源等其它装置的工作状态。系统也可以实现预期的设定功能，在低水位时，系统驱动水泵开始工作，在高水位时系统停止水泵供水。若由于系统故障，装置在低水位时水泵没有启动，当液位继续低至极低水位时，系统会再次启动水泵同时蜂鸣器发出报警。若液位在高水位时水泵没有停止供水，当液位继续上升至极高水位时，系统会停止水泵供水，并且同样会发出危险报警。系统还可以随时通过按键修改水位参数值，在紧急情况下还可以通过急停按键停止水泵工作。

系统程序包括键盘控制程序，外接驱动控制程序，ADC0832转换器控制程序，外接电路控制驱动程序，LM016L液晶显示器控制程序，LM016L液晶显示器显示程序。

3.3 相关指标对比

经过在Proteus软件中的仿真调试，验证改进后的辅锅炉控制系统是可以在模拟仿真系统下正常运行的。改进后的系统与传统控制系统对比如表1所示。

表1 改进前后的相关指标对比

系统优点明显：成本低，结构简单，系统的核心模块的总体积只有传统控制系统的一个继电器大小，经过简单的程序算法改进，可以提前对传感器结垢或水泵故障进行预判，故障监测报警更为灵敏。

4 结束语

嵌入式控制技术的性能和成本近些年都在不断刷新，在船舶自动化方面的普及应用是大势所趋。在前文中可以看到利用单片机改进后的控制系统有着很多优势，但同时也有不足之处，例如传统控制系统采用的是整流桥和继电器控制，若元器件故障，一般的轮机员都可以更换操作。但采用嵌入式控制系统后，对相关维护人员的电子电气知识有比较高的要求。不足之处还有待进一步实践检验。

[1] 初忠. 轮机自动化[M]. 大连：大连海事大学出版社，2014.

[2] 林叶锦. 轮机自动化[M]. 大连：大连海事大学出版社，2009.

[3] 袁彪. 电极式加湿器水电阻分析与实验研究[D]. 西安：西安电子科技大学，2010.

For the traditional auxiliary boiler of the cargo ship,electrodes are adopted to finish double water level detection with rectifier device combined with relay as executive component.There exist some hidden troubles of easy fouling for 3 electrodes and untimely relay action.The detection and control system of single electrode detecting water level based on the embedded chip can make faulty monitoring and alarm function by using electrical resistant measurement to collect the data of the boiler level,with which analysis is gained through the embedded chip.By the analysis of the data,the system can control the start and stop of the water pump directly and automatically together with output-data displayed and parameters adjusted freely.The whole set of system is of low cost and great simplification,which is suitable for large and medium-sized cargo ships.

auxiliary boiler;automation;water level control system

U672.2

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.06.006

鞠冀军(1968-)，男，河北新乐人，技师，大学本科，主要从事电子电气方面的实训和教研工作。

2017-08-01