基于PLC船舶辅锅炉自动控制系统设计

乔显辉

青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266237

1 船舶辅锅炉控制要求分析

在以柴油机为驱动力的油轮上，锅炉是船舶动力装置的重要组成部分。锅炉控制系统是一个多参数而复杂的控制系统，它包括水位的自动控制、蒸汽压力的自动控制、点火及燃烧的时序自动控制和自动安全保护。本文的PLC 辅锅炉自动控制系统，具有以下8 个基本功能：

1） 锅炉启动前和停炉后能确保水渠独立正常工作。

2） 具有 AUTO 和 MANUAL2 种控制方式。

3） 自启的程序工作（水位监测、转换开关置于自动位置、风压监测、预扫风、自动点火等） 设置逻辑判断和监视。

4） 由风门挡板的适当开度来决定风量和油量的配比。

5） 在燃烧重油时，如果没有燃油加热器及控制线路、轻重油切换电路，则燃油需要采用电加热。

6） 以两个压力开关对锅炉蒸汽压力进行双位自动控制[1]。

7） 具有正常停炉和紧急停炉2 种停炉方式。

8） 锅炉的运行故障监视中，包括高低水位、水泵过载等故障的熄火处理。

2 基于PLC 的船舶辅锅炉系统的控制框图

船舶锅炉工作环境恶劣，油雾、盐雾、湿热及船舶的纵倾横摇、振动等，都会影响控制设备的工作可靠性。而PLC 完全能适应恶劣的船舶工作环境，在硬件的输入/输出接口结构上采用了光电耦合/隔离的措施，在软件程序设计及运行特性上也采取了一系列的安全措施。PC 通过“逻辑”控制而非真实物理“触头”，所以不会存在物理“触头”通断时的“电火花”；PLC 采用“ms”级高精度定时基准，定时设置由软件实现，不会受到环境的影响，特别适用于锅炉点火多时段的定时控制，可避免常规凸轮式或多回路式时间继电器接触点接触不良或刻度盘松动等引起的时序紊乱、点火故障，PLC 与计算机、触摸屏等的合理设计，可以构建良好的人机界面，操控方便并实现控制过程的可视化[2]。

根据船舶辅锅炉系统控制功能要求、输入/输出点及扩展模块等方面的综合考虑，并通过对市场常用PLC 产品性能的比较，确定选用西门子公司的S7-200。锅炉的点火时序控制、汽包水位控制、蒸汽压力控制、故障安全保护均由S7-200PLC 完成。锅炉控制原理如图1 所示。

图1 PLC 燃油锅炉控制系统框图

框图中的PLC 选用西门子公司S7-200 PLC，具体模块选用如下：CPU 模块选用CPU-226 模块 ； 模 拟 量 I/O 模 块 选 用 2 个 EM-235（AI4/AQ1） 模块和 1 个 EM232 （AQ2） 模块；数字量I/O 扩展模块选用1 块EM223（24VDCDI16/继电器DO16） 模块。

本设计中扩展模块的数量没有超过7 个，符合CPU-226 对扩展模块数量限制要求，说明系统的硬件配置是合理可行的。PLC226CPU 与扩展模块联接如图2 所示。

图2 PLC226CPU 与扩展模块配置

图2 中的信号输入包括：实现对PLC 系统和相关设备的手（自动） 切换、运行启动、停止等的控制操作信号；来自于锅炉现场工作状态经传感器、变送器转换成标准信号的各种数字量和模拟量。PLC 控制器对这些信号进行处理，并形成相应的控制信号驱动执行机构，以实行自动控制；将反映被控对象状态的相关参数信息发送给相应的设备（如触摸屏） 进行直观显示；如果被监控的物理量超过其限定范围，将在其相应的输出端口发出报警信息。

3 基于西门子S7-200 PLC 锅炉自动控制系统的功能设计

3.1 锅炉水位控制系统设计

锅炉水位双位系统控制如图3 所示。

图3 水位双位控制

程序2 的主要作用是对水位进行双位控制，当水位超过高水位I0.5 时，M0.0 得电，程序1中的I0.0 失电，停止向锅炉供水，当水位低于低水位时，M0.0 得电自锁，当水位下降到低水位时，I0.4 得电，M0.0 失电，水泵启动，开始向锅炉供水，实现辅锅炉的水位双位控制[3]。

3.2 锅炉点火与蒸汽压力控制的程序设计

按燃油锅炉工作特性，当炉膛存在残油时，可能会产生炉膛冷爆，造成设备的破坏和人员伤亡。为此必须设有锅炉点火启动和停机时的程序控制和各种安全保护。

3.2.1 锅炉的启动条件

燃油锅炉在进行点火启动之前，应满足相应的启动条件。根据燃油锅炉的工作性能要求，经过暖炉后，并同时须满足汽包水位正常、燃油压力正常、燃油温度正常、点火柜电源正常、蒸汽压力未超过保护值、正常停炉或故障停炉已复位的条件时，才能具备点火条件。

3.2.2 燃油锅炉的点火启动程序设计

当启动准备工作完成、启动条件满足，即“允许启动”信号形成，也就具备了点火程序的运行条件。点火流程与常规元件点火流程相似。

3.2.3 锅炉停止程序设计

锅炉停炉分为正常停炉、故障保护停炉和应急停炉。锅炉的正常停炉是提前5 分钟换用轻油燃烧，然后停止供油、熄火、停水泵、后扫风时间直到风机停止。停炉保护故障是在点火程序和正常燃烧过程中，若出现安全故障，如炉膛风压低、点火不成功、中途熄火等，能停止供油实现熄火，并进行后扫气，然后锅炉系统停止工作。手动紧急停炉是值班人员根据锅炉现场工作情况所采取的停炉操作，即直接按下停止按钮，系统停炉，而风机不执行后扫气。

3.2.4 锅炉安全保护程序设计

锅炉安全保护功能是指接收锅炉工作状态检测传感器发出的状态信息，根据输入点的状态信息直接或者与安全值比较判断后，发出单一声光报警，或发出声光报警和停炉的控制命令[4]。

单一声光报警是指不是很严重的故障，暂时不会立即发生危险，但需要提醒值班人员，这类故障的类型包括高水位、低水位、高气压、低油压、高油温和低油温，此时只发出单一声光报警。严重故障是指故障一旦发生，需要立即停炉，这类故障的类型包括超高汽压、危险低水位、炉膛风压低限和中途熄火（或点火失败）。此时发出声光报警和停炉的控制命令。当这类故障发生实现停炉保护后，即使故障排除，也还需要按下复位按钮，锅炉才能再重新启动。

3.3 锅炉蒸汽压力（燃烧） 的自动控制

3.3.1 燃烧的双位控制

在燃烧双位控制系统中，锅炉的蒸汽压力在设定范围内波动。当蒸汽压力下降到下限值时，进行高火燃烧；蒸汽压力上升到上限值时，开关一个闭合一个断开，进行低火燃烧。在低火燃烧时，如果蒸汽压力超过允许高压，则将停止燃烧。只有当蒸汽压力下降到允许下限值时2 个压力检测开关都是闭合的，但要按下复位按钮才能重新启动锅炉，船舶锅炉采用高、低火的双位控制方法，可避免锅炉的频繁启停[5]。

3.3.2 燃烧的比例控制

燃烧的比例控制，即是指供油量与供风量成比例关系。可较好地避免双位控制中只有大油大风、小油小风2 种状态，不能满足燃油较好燃烧的状况[6]。

针对船舶恶劣的工作环境，PLC 在硬件电路和软件设计上都采取措施，提高了抗干扰能力和可靠性。实践证明，采用PLC 替代常规继电器和接触器实现对船舶锅炉控制系统的自动控制，更能发挥其优越性。