船舶鍋爐PLC控制系統(tǒng)

在內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力裝置的船舶上，鍋爐是船舶的重要輔機(jī)設(shè)備，主要產(chǎn)生蒸汽用于加熱燃油、主機(jī)暖缸、驅(qū)動(dòng)輔助機(jī)械及生活雜用。當(dāng)前船舶機(jī)艙自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，鍋爐的自動(dòng)控制在實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)艙中是必不可少的。但是目前我國(guó)船舶(特別在遠(yuǎn)洋漁船)上，雖有一定程度的自動(dòng)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(fù)雜、可靠性差、維護(hù)工作量大。為改造船舶設(shè)備，改善船員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率, 采用可編程序控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)鍋爐的自動(dòng)控制, 可以使線路簡(jiǎn)單、可靠性提高、維護(hù)方便且容易實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等。可編程序控制器控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能比高于接觸器—繼電器控制系統(tǒng)。

2 設(shè)備與工藝要求

本文主要針對(duì)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(jiǎn)單修改PLC程序就可以適用不同型號(hào)的船舶鍋爐。船舶鍋爐自動(dòng)控制一般有以下幾個(gè)環(huán)節(jié):蒸汽壓力自動(dòng)控制，燃燒程序的自動(dòng)控制，鍋爐水位自動(dòng)控制，保護(hù)與報(bào)警。

系統(tǒng)的全自動(dòng)起動(dòng)、停爐和故障事件處理，按照要求在PLC中編制用戶程序，實(shí)現(xiàn):給水、掃氣、點(diǎn)火、燃燒等過(guò)程的全自動(dòng)起、停控制。鍋爐定期定時(shí)保養(yǎng)維護(hù)的自動(dòng)提示和超期不維護(hù)的系統(tǒng)自動(dòng)閉鎖。為配合燃燒，PLC在系統(tǒng)的起停運(yùn)行中，根據(jù)控制要求自動(dòng)起停風(fēng)機(jī)電機(jī)和開(kāi)閉風(fēng)門完成掃氣工序，并根據(jù)燃燒情況，控制風(fēng)門的開(kāi)閉大小。此外，風(fēng)機(jī)電機(jī)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(bào)警處理，報(bào)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(jì)對(duì)水位進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)控制需要將3個(gè)水位(下限水位、下下限水位、上限水位)的3個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)接入PLC，經(jīng)PLC控制水泵電機(jī)，實(shí)現(xiàn)合適給水量的控制、低水位聯(lián)鎖、報(bào)警處理給水水泵電機(jī)故障時(shí)的聯(lián)鎖控制等，使系統(tǒng)全自動(dòng)平穩(wěn)地運(yùn)行。

2.2 蒸汽壓力控制

蒸汽壓力通過(guò)壓力傳感器測(cè)量實(shí)現(xiàn)。水位正常時(shí)，如蒸汽壓力在0.4-0.46Mpa時(shí)鍋爐正常燃燒;當(dāng)負(fù)荷減少時(shí)，蒸汽壓力上升到0.46Mpa時(shí)鍋爐停止燃燒;如故障蒸汽壓力仍上升至0.49Mpa時(shí)，切斷電源并發(fā)出報(bào)警;當(dāng)蒸汽壓力下降到0.4Mpa以下時(shí)鍋爐重新點(diǎn)火燃燒。

采用壓力傳感器測(cè)量當(dāng)前蒸汽壓力，通過(guò)壓力開(kāi)關(guān)，信號(hào)接入PLC的兩點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入，或者用壓力傳感器測(cè)量通過(guò)變送器將信號(hào)接入PLC的一路模擬量輸入，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)燃燒(大、小火)控制和壓力上限保護(hù)及實(shí)時(shí)監(jiān)視。

2.3 燃燒程序自動(dòng)控制

燃燒系統(tǒng)的自動(dòng)控制就是蒸汽壓力的自動(dòng)控制。汽壓是燃燒自動(dòng)控制的被控參數(shù)。對(duì)鍋爐發(fā)出起動(dòng)信號(hào)后，自動(dòng)起動(dòng)油泵和風(fēng)機(jī)，并把風(fēng)門調(diào)到最大而不向爐膛內(nèi)供油，用壓縮空氣大風(fēng)量吹掃，即“予掃風(fēng)”，以防止點(diǎn)火時(shí)發(fā)生“冷爆”。預(yù)掃氣結(jié)束后自動(dòng)把風(fēng)門關(guān)到最小位置，打開(kāi)點(diǎn)火噴油電磁閥，噴入少量燃油;同時(shí)接通點(diǎn)火變壓器進(jìn)行點(diǎn)火。點(diǎn)火成功后，自動(dòng)斷開(kāi)點(diǎn)火變壓器，燃油電磁閥正常打開(kāi)，進(jìn)入正常燃燒。

2.4 自動(dòng)保護(hù)和報(bào)警

按照要求在PLC編制中實(shí)現(xiàn)過(guò)水位保護(hù)、高水位保護(hù)、點(diǎn)火失敗報(bào)警、燃燒熄火報(bào)警等。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(yùn)行速度快，功能強(qiáng)，提供的Ｉ／Ｏ點(diǎn)數(shù)為16/16，除實(shí)際使用外，有足夠的余量供系統(tǒng)以后擴(kuò)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(gè)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(diǎn)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(shí)，其明顯的節(jié)能效益使得由于使用變頻器帶來(lái)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?cè)O(shè)計(jì)的控制器在這方面作了改進(jìn)，以適應(yīng)不同的要求。

同時(shí)為了利用船舶主機(jī)排出的廢氣余熱，在控制系統(tǒng)中加入了主機(jī)廢氣控制開(kāi)關(guān)。

表1 PLC的I／O分配表

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

按照船舶鍋爐的全自動(dòng)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(kāi)爐點(diǎn)火前先打到自動(dòng)控制位置。檢測(cè)水位是否正常，正常則檢測(cè)油溫和油壓是否正常，正常則進(jìn)入點(diǎn)火程序。鍋爐點(diǎn)火燃燒后，當(dāng)蒸汽壓力達(dá)到正常供汽時(shí)(0.46MPa)。供水系統(tǒng)通過(guò)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(jìn)入恒壓供水狀態(tài)，并不斷檢測(cè)鍋爐水位。當(dāng)水位到達(dá)上限時(shí)，水泵停止，并繼續(xù)檢測(cè)水位;如水位高于上上限時(shí)，輸出報(bào)警，請(qǐng)求排水。如到水位低于上限時(shí)，重新起動(dòng)另一臺(tái)水泵進(jìn)行供水，以使水泵交替使用。如運(yùn)行中檢測(cè)到水位低于水位下限時(shí)，則兩只水泵同時(shí)運(yùn)行;當(dāng)水位升至高于下限時(shí)，關(guān)閉一臺(tái)水泵，加另一臺(tái)水泵繼續(xù)在工頻狀態(tài)下供水。如水泵工頻運(yùn)行水位仍繼續(xù)下降并低于水位下下限時(shí)，PLC報(bào)警并控制鍋爐停鼓風(fēng)壓火，直至高于水位下下限時(shí)，才解除鼓風(fēng)停機(jī)恢復(fù)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(dòng)方式，也必須由PLC進(jìn)行聯(lián)鎖控制，以保證供水正常，鍋爐安全運(yùn)行。

圖2 系統(tǒng)軟件圖

3.3 PLC控制的實(shí)踐試驗(yàn)

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(shù)應(yīng)用，所以采用了可編程序控制器實(shí)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(chǔ)備功率和隔離中小功率設(shè)備間的電聯(lián)系。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

采用FX2N-32MRPLC對(duì)船舶鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，經(jīng)試運(yùn)行，未出現(xiàn)過(guò)誤動(dòng)作，在系統(tǒng)可靠性方面取得了良好的效果，改善船員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，并且節(jié)能效益明顯，為船舶機(jī)艙無(wú)人化具有重要的實(shí)用價(jià)值與經(jīng)濟(jì)效益