船舶鍋爐PLC控制系統

1 引 言
在內燃機動力裝置的船舶上，鍋爐是船舶的重要輔機設備，主要產生蒸汽用于加熱燃油、主機暖缸、驅動輔助機械及生活雜用。當前船舶機艙自動化的要求越來越高，鍋爐的自動控制在實現無人機艙中是必不可少的。但是目前我國船舶(特別在遠洋漁船)上，雖有一定程度的自動化控制，但控制系統基本上是采用接觸器—繼電器系統, 系統線路復雜、可靠性差、維護工作量大。為改造船舶設備，改善船員勞動強度，提高生產效率, 采用可編程序控制器來實現鍋爐的自動控制, 可以使線路簡單、可靠性提高、維護方便且容易實現現場調試等。可編程序控制器控制系統的經濟性能比高于接觸器—繼電器控制系統。

2 設備與工藝要求
本文主要針對的是船舶輔助燃油鍋爐,其蒸發量一般為0.45-2.5t/h，蒸汽壓力在0.3-0.7Mpa左右，但只要簡單修改PLC程序就可以適用不同型號的船舶鍋爐。船舶鍋爐自動控制一般有以下幾個環節:蒸汽壓力自動控制，燃燒程序的自動控制，鍋爐水位自動控制，保護與報警。
系統的全自動起動、停爐和故障事件處理，按照要求在PLC中編制用戶程序，實現:給水、掃氣、點火、燃燒等過程的全自動起、停控制。鍋爐定期定時保養維護的自動提示和超期不維護的系統自動閉鎖。為配合燃燒，PLC在系統的起停運行中，根據控制要求自動起停風機電機和開閉風門完成掃氣工序，并根據燃燒情況，控制風門的開閉大小。此外，風機電機故障、爐內壓力超限聯鎖、燃燒發生故障的聯鎖控制和報警處理，報警聯鎖等控制處理等也由PLC用戶程序實現。
2.1 水位控制
采用水位計對水位進行檢測，根據控制需要將3個水位(下限水位、下下限水位、上限水位)的3個開關量信號接入PLC，經PLC控制水泵電機，實現合適給水量的控制、低水位聯鎖、報警處理給水水泵電機故障時的聯鎖控制等，使系統全自動平穩地運行。
2.2 蒸汽壓力控制
蒸汽壓力通過壓力傳感器測量實現。水位正常時，如蒸汽壓力在0.4-0.46Mpa時鍋爐正常燃燒;當負荷減少時，蒸汽壓力上升到0.46Mpa時鍋爐停止燃燒;如故障蒸汽壓力仍上升至0.49Mpa時，切斷電源并發出報警;當蒸汽壓力下降到0.4Mpa以下時鍋爐重新點火燃燒。
采用壓力傳感器測量當前蒸汽壓力，通過壓力開關，信號接入PLC的兩點開關量輸入，或者用壓力傳感器測量通過變送器將信號接入PLC的一路模擬量輸入，實現兩級燃燒(大、小火)控制和壓力上限保護及實時監視。
2.3 燃燒程序自動控制
燃燒系統的自動控制就是蒸汽壓力的自動控制。汽壓是燃燒自動控制的被控參數。對鍋爐發出起動信號后，自動起動油泵和風機，并把風門調到最大而不向爐膛內供油，用壓縮空氣大風量吹掃，即“予掃風”，以防止點火時發生“冷爆”。預掃氣結束后自動把風門關到最小位置，打開點火噴油電磁閥，噴入少量燃油;同時接通點火變壓器進行點火。點火成功后，自動斷開點火變壓器，燃油電磁閥正常打開，進入正常燃燒。
2.4 自動保護和報警
按照要求在PLC編制中實現過水位保護、高水位保護、點火失敗報警、燃燒熄火報警等。

3 系統設計
3.1 PLC選型及I/O分配
根據以上控制要求，船用輔鍋爐控制系統采用ＦＸ2Ｎ-32ＭＲＰＬＣ，它是日本三菱公司的產品，具有運行速度快，功能強，提供的Ｉ／Ｏ點數為16/16，除實際使用外，有足夠的余量供系統以后擴展。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PLC的I／O分配表如表1。
為了節能，鍋爐控制系統中的給水、燃燒控制部分能采用變頻器，那么整個鍋爐的控制水平(如溫度、壓力、水位的控制精度)將可得到較大的提高，并且其節能效益是十分明顯的，這點在很多的鍋爐系統，特別是較大容量的鍋爐控制系統中己得到證實，其明顯的節能效益使得由于使用變頻器帶來的控制系統成本提高在短期內就可得到回收，所以我們設計的控制器在這方面作了改進，以適應不同的要求。
同時為了利用船舶主機排出的廢氣余熱，在控制系統中加入了主機廢氣控制開關。

表1 PLC的I／O分配表

3.2 系統軟件設計
按照船舶鍋爐的全自動控制流程，在PLC中編制用戶程序[2]。圖1、圖2為控制系統程序。

圖1 系統程序圖

按照船舶鍋爐操作規程，每次開爐點火前先打到自動控制位置。檢測水位是否正常，正常則檢測油溫和油壓是否正常，正常則進入點火程序。鍋爐點火燃燒后，當蒸汽壓力達到正常供汽時(0.46MPa)。供水系統通過PLC首先判斷水位是否在上限與下限范圍內，若在此范圍內則水泵進入恒壓供水狀態，并不斷檢測鍋爐水位。當水位到達上限時，水泵停止，并繼續檢測水位;如水位高于上上限時，輸出報警，請求排水。如到水位低于上限時，重新起動另一臺水泵進行供水，以使水泵交替使用。如運行中檢測到水位低于水位下限時，則兩只水泵同時運行;當水位升至高于下限時，關閉一臺水泵，加另一臺水泵繼續在工頻狀態下供水。如水泵工頻運行水位仍繼續下降并低于水位下下限時，PLC報警并控制鍋爐停鼓風壓火，直至高于水位下下限時，才解除鼓風停機恢復正常工作，從而完成供水聯鎖控制。若上述供水系統切換到手動方式，也必須由PLC進行聯鎖控制，以保證供水正常，鍋爐安全運行。

圖2 系統軟件圖

3.3 PLC控制的實踐試驗
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, 為探索研究新技術應用，所以采用了可編程序控制器實現。考慮增大輸出功率，故用小型中間繼電器作為輸出形式，以儲備功率和隔離中小功率設備間的電聯系。
在實踐中，PLC輸入回路設置了人工與自動控制方式的選擇，在人工操作時, 各種功率元件的起動、停止及鍋爐燃燒按鈕仍然存在著。也保留設備安全運行報警等各環節。在自動選擇時，設有各種壓力和水位控制的各檢測輸入量。為調整方便，附有各人工模擬開關量輸入，以備設備自檢的需要。在船舶實際運行工況中，有主機排氣的廢氣等設備的附加受熱面，所以設有廢氣開啟閥控件作為聯接需要。

4 結束語
采用FX2N-32MRPLC對船舶鍋爐控制系統進行改造，經試運行，未出現過誤動作，在系統可靠性方面取得了良好的效果，改善船員勞動強度，提高生產效率，并且節能效益明顯，為船舶機艙無人化具有重要的實用價值與經濟效益。