船舶锅炉PLC控制系统

船舶锅炉PLC控制系统

在内燃机动力装置的船舶上，锅炉是船舶的重要辅机设备，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中是必不可少的。但是目前我国船舶(特别在远洋渔船)上，虽有一定程度的自动化控制，但控制系统基本上是采用接触器—继电器系统, 系统线路复杂、可靠性差、维护工作量大。为改造船舶设备，改善船员劳动强度，提高生产效率, 采用可编程序控制器来实现锅炉的自动控制, 可以使线路简单、可靠性提高、维护方便且容易实现现场调试等。可编程序控制器控制系统的经济性能比高于接触器—继电器控制系统。

2 设备与工艺要求

本文主要针对的是船舶辅助燃油锅炉,其蒸发量一般为0.45-2.5t/h，蒸汽压力在0.3-0.7Mpa左右，但只要简单修改PLC程序就可以适用不同型号的船舶锅炉。船舶锅炉自动控制一般有以下几个环节:蒸汽压力自动控制，燃烧程序的自动控制，锅炉水位自动控制，保护与报警。

系统的全自动起动、停炉和故障事件处理，按照要求在PLC中编制用户程序，实现:给水、扫气、点火、燃烧等过程的全自动起、停控制。锅炉定期定时保养维护的自动提示和超期不维护的系统自动闭锁。为配合燃烧，PLC在系统的起停运行中，根据控制要求自动起停风机电机和开闭风门完成扫气工序，并根据燃烧情况，控制风门的开闭大小。此外，风机电机故障、炉内压力超限联锁、燃烧发生故障的联锁控制和报警处理，报警联锁等控制处理等也由PLC用户程序实现。

2.1 水位控制

采用水位计对水位进行检测，根据控制需要将3个水位(下限水位、下下限水位、上限水位)的3个开关量信号接入PLC，经PLC控制水泵电机，实现合适给水量的控制、低水位联锁、报警处理给水水泵电机故障时的联锁控制等，使系统全自动平稳地运行。

2.2 蒸汽压力控制

蒸汽压力通过压力传感器测量实现。水位正常时，如蒸汽压力在0.4-0.46Mpa时锅炉正常燃烧;当负荷减少时，蒸汽压力上升到0.46Mpa时锅炉停止燃烧;如故障蒸汽压力仍上升至0.49Mpa时，切断电源并发出报警;当蒸汽压力下降到0.4Mpa以下时锅炉重新点火燃烧。

采用压力传感器测量当前蒸汽压力，通过压力开关，信号接入PLC的两点开关量输入，或者用压力传感器测量通过变送器将信号接入PLC的一路模拟量输入，实现两级燃烧(大、小火)控制和压力上限保护及实时监视。

2.3 燃烧程序自动控制

燃烧系统的自动控制就是蒸汽压力的自动控制。汽压是燃烧自动控制的被控参数。对锅炉发出起动信号后，自动起动油泵和风机，并把风门调到最大而不向炉膛内供油，用压缩空气大风量吹扫，即“予扫风”，以防止点火时发生“冷爆”。预扫气结束后自动把风门关到最小位置，打开点火喷油电磁阀，喷入少量燃油;同时接通点火变压器进行点火。点火成功后，自动断开点火变压器，燃油电磁阀正常打开，进入正常燃烧。

2.4 自动保护和报警

按照要求在PLC编制中实现过水位保护、高水位保护、点火失败报警、燃烧熄火报警等。

3 系统设计

3.1 PLC选型及I/O分配

根据以上控制要求，船用辅锅炉控制系统采用ＦＸ2Ｎ-32ＭＲＰＬＣ，它是日本三菱公司的产品，具有运行速度快，功能强，提供的Ｉ／Ｏ点数为16/16，除实际使用外，有足够的余量供系统以后扩展。模拟块采用ＦＸ2Ｎ－4ＡＤ和ＦＸ2Ｎ-4ＤＡ。提供4路输入和输出。通信模块采用ＦＸ-232ＡＷＣ。

本系统PLC的I／O分配表如表1。

为了节能，锅炉控制系统中的给水、燃烧控制部分能采用变频器，那么整个锅炉的控制水平(如温度、压力、水位的控制精度)将可得到较大的提高，并且其节能效益是十分明显的，这点在很多的锅炉系统，特别是较大容量的锅炉控制系统中己得到证实，其明显的节能效益使得由于使用变频器带来的控制系统成本提高在短期内就可得到回收，所以我们设计的控制器在这方面作了改进，以适应不同的要求。

同时为了利用船舶主机排出的废气余热，在控制系统中加入了主机废气控制开关。

表1 PLC的I／O分配表

3.2 系统软件设计

按照船舶锅炉的全自动控制流程，在PLC中编制用户程序[2]。图1、图2为控制系统程序。

图1 系统程序图

按照船舶锅炉操作规程，每次开炉点火前先打到自动控制位置。检测水位是否正常，正常则检测油温和油压是否正常，正常则进入点火程序。锅炉点火燃烧后，当蒸汽压力达到正常供汽时(0.46MPa)。供水系统通过PLC首先判断水位是否在上限与下限范围内，若在此范围内则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，水泵停止，并继续检测水位;如水位高于上上限时，输出报警，请求排水。如到水位低于上限时，重新起动另一台水泵进行供水，以使水泵交替使用。如运行中检测到水位低于水位下限时，则两只水泵同时运行;当水位升至高于下限时，关闭一台水泵，加另一台水泵继续在工频状态下供水。如水泵工频运行水位仍继续下降并低于水位下下限时，PLC报警并控制锅炉停鼓风压火，直至高于水位下下限时，才解除鼓风停机恢复正常工作，从而完成供水联锁控制。若上述供水系统切换到手动方式，也必须由PLC进行联锁控制，以保证供水正常，锅炉安全运行。

图2 系统软件图

3.3 PLC控制的实践试验

由于船用辅锅炉燃烧控制中变量较多，所以控制电器用量较大, 为探索研究新技术应用，所以采用了可编程序控制器实现。考虑增大输出功率，故用小型中间继电器作为输出形式，以储备功率和隔离中小功率设备间的电联系。

在实践中，PLC输入回路设置了人工与自动控制方式的选择，在人工操作时, 各种功率元件的起动、停止及锅炉燃烧按钮仍然存在着。也保留设备安全运行报警等各环节。在自动选择时，设有各种压力和水位控制的各检测输入量。为调整方便，附有各人工模拟开关量输入，以备设备自检的需要。在船舶实际运行工况中，有主机排气的废气等设备的附加受热面，所以设有废气开启阀控件作为联接需要。

4 结束语

采用FX2N-32MRPLC对船舶锅炉控制系统进行改造，经试运行，未出现过误动作，在系统可靠性方面取得了良好的效果，改善船员劳动强度，提高生产效率，并且节能效益明显，为船舶机舱无人化具有重要的实用价值与经济效益