楊東存

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門361021)

0 引言

船舶燃油鍋爐在船舶機(jī)艙設(shè)備中占有非常重要的地位［1］，對(duì)船舶安全航行起著至關(guān)重要的作用，但同時(shí)它也具有相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)性，一旦管理不到位和操作不慎將會(huì)引起重大事故，所以要加強(qiáng)對(duì)燃油鍋爐的操作和管理.傳統(tǒng)的船舶燃油鍋爐實(shí)驗(yàn)裝置一般由控制箱直接控制，操作者難以直觀地觀察到控制過程和各部件的工作過程，筆者開發(fā)的新型船舶燃油鍋爐實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)把整套鍋爐的本體和管系各部件完全展現(xiàn)在控制面板上，使操作者對(duì)燃油鍋爐的工作全過程一目了然，并且設(shè)置了鍋爐的常規(guī)故障.對(duì)于操作者掌握鍋爐的控制過程與故障排除起著積極的作用.

1 燃油鍋爐模擬系統(tǒng)的組成

燃油鍋爐模擬系統(tǒng)由控制箱和模擬鍋爐本體兩大部分組成.控制箱的作用主要是利用PLC來控制燃油鍋爐工作程序，它包含了水位控制、燃燒時(shí)序控制、蒸汽壓力控制、安全保護(hù) (含水位低限、危險(xiǎn)水位、蒸汽壓力過高、中途熄火)［2］.鍋爐本體作用是讓操作者能直觀地看到鍋爐的燃燒控制和水位控制的過程.

1)水位自動(dòng)控制 一是采用控制箱上的水位控制開關(guān)進(jìn)行模擬控制;二是采用電極 (共用了5根電極)來實(shí)現(xiàn)控制.當(dāng)鍋爐水位高時(shí)給水泵停止工作，鍋爐水位極高時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警;當(dāng)水位低限時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，達(dá)危險(xiǎn)水位時(shí)停爐，給水泵的工作情況由指示燈來表示.

2)燃燒時(shí)序控制 由可編程控制器直接控制.預(yù)掃風(fēng)、點(diǎn)火、燃燒、燃油泵等工作情況都采用指示燈來表示.編好程序后由可編程控制器來執(zhí)行整個(gè)的燃燒時(shí)序過程［3］，操作者可以從指示燈工作情況來判別鍋爐此時(shí)處于哪種工作狀態(tài).

3)蒸汽壓力控制 當(dāng)燃油鍋爐的蒸汽壓力低時(shí)鍋爐按既定的程序自動(dòng)點(diǎn)火燃燒［4］.蒸汽壓力達(dá)一定值時(shí)鍋爐小火燃燒，當(dāng)蒸汽壓力達(dá)額定值時(shí)鍋爐停止燃燒，當(dāng)蒸汽壓力達(dá)高限時(shí)鍋爐應(yīng)停爐.由于是模擬鍋爐沒有真正燃燒產(chǎn)生蒸汽，蒸汽壓力是由開關(guān)量來模擬的.

4)安全保護(hù) 鍋爐在運(yùn)行過程中如果出現(xiàn)油壓過高或過低、油溫過高或過低、危險(xiǎn)水位、蒸汽壓力過高或低壓、中途熄火等其中任意一種情況時(shí)都能發(fā)出相應(yīng)聲光報(bào)警或停爐.

2 鍋爐本體及燃油鍋爐模擬器控制箱面板的設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的燃油鍋爐模型如圖1所示.水位的變化可由水位鏡來觀察，水泵的運(yùn)行及報(bào)警單元的工作可通過電極來控制，鍋爐的燃燒情況可通過爐膛三盞火焰燈進(jìn)行火焰仿真.

傳統(tǒng)的控制箱面板一般只顯示電源及各種工況的報(bào)警信號(hào)，無法體現(xiàn)燃油鍋爐模擬器整個(gè)的工作過程，因此，筆者在控制箱面板上進(jìn)行了改進(jìn):1)在控制箱面板上印制了鍋爐的工作流程圖，它真實(shí)反映了鍋爐整個(gè)的工作過程;2)在工作流程上按照實(shí)際的情況設(shè)置多個(gè)閥，這些閥都是可控的，比如說鍋爐在起動(dòng)時(shí)油閥沒開啟 (流程圖上的開關(guān)沒按下)鍋爐將無法點(diǎn)火也無法燃燒;3)在控制面板下面設(shè)置了多個(gè)開關(guān)來模擬燃油鍋爐可能出現(xiàn)的工況和故障，如鍋爐在燒重油時(shí)加熱器沒開，那么控制面板上代表加熱器的指示燈不亮，同時(shí)鍋爐無法正常工作.

圖1 鍋爐本體模擬裝置Fig.1 Boiler simulator

3 燃燒、水位檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

燃燒和水位程序的控制電路如圖2所示.其中，R1、R3、R5為分壓電阻;R2、R4、R6為基極電阻;J1為火焰控制繼電器;J2、J3為水位控制繼電器;Q1、Q2、Q3為開關(guān)管.CD4066是一種四雙向模擬開關(guān)，IC內(nèi)部四組開關(guān)獨(dú)立分開，一組開關(guān)由三只引腳組成，當(dāng)控制腳為低電平時(shí)，另外兩腳的電阻相當(dāng)于開路狀態(tài);當(dāng)控制腳為高電平時(shí)，另外兩腳的電阻相當(dāng)于短路狀態(tài).采用5個(gè)電極對(duì)水位進(jìn)行控制時(shí)只需2個(gè)CD4066.如果采用CD4066進(jìn)行水位控制，以電極1為例，其工作原理:當(dāng)水沒過電極1時(shí)相當(dāng)于控制電極處于高電平，開關(guān)導(dǎo)通，開關(guān)管Q2基極處于高電位，Q2導(dǎo)通，J2線圈有電，其觸點(diǎn)閉合，用其觸點(diǎn)來控制報(bào)警或水泵的工作，且克服了三極管容易被擊穿這一缺陷.

圖2 燃燒水位檢測(cè)電路Fig.2 Water level control circuit

4 模擬系統(tǒng)控制軟件與主程序的設(shè)計(jì)

4.1 控制軟件的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行程序控制，在設(shè)計(jì)控制程序時(shí)充分考慮了船舶燃油鍋爐的控制特點(diǎn)，如在設(shè)計(jì)自動(dòng)燃燒程序控制時(shí)考慮到了油溫、油泵、油閥、掃風(fēng)、點(diǎn)火時(shí)間、火焰監(jiān)視等諸多因素，其部分梯形圖如圖3所示.其中，輸入信號(hào):X1—燃油閥信號(hào);X2—輕油閥信號(hào);X3、X4、X5、X6、X7—油閥信號(hào);X15、X25—轉(zhuǎn)換開關(guān)自動(dòng)擋信號(hào);X21、X22—起動(dòng)和停止信號(hào);X25—點(diǎn)火成功信號(hào);X26—輕/重油選擇信號(hào);X27—重油溫度信號(hào);X30—危險(xiǎn)水位信號(hào);X36—汽壓高信號(hào);X37—過高壓信號(hào);X31—風(fēng)機(jī)過載信號(hào).輸出信號(hào):M1、M2—輕、重油泵運(yùn)行條件;M4—火焰檢測(cè)條件;M10—系統(tǒng)自動(dòng);M14—點(diǎn)火失敗報(bào)警;M18—風(fēng)機(jī)過載報(bào)警;M24—起、停保護(hù)作用;T3—點(diǎn)火變壓器延時(shí)時(shí)間;Y18—火焰監(jiān)視;Y21—風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào);M114—風(fēng)機(jī)過載指示;M5—點(diǎn)火成功信號(hào);T1—點(diǎn)火電磁閥延時(shí)時(shí)間;M11—手動(dòng)點(diǎn)火信號(hào);M25—點(diǎn)火成功指示信號(hào);Y25—點(diǎn)火失敗信號(hào);M26—輔助繼電器.

4.2 主程序工作流程

本系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種功能.手動(dòng)狀態(tài)是由轉(zhuǎn)換開關(guān)控制水泵的工作、點(diǎn)火、燃燒的過程.自動(dòng)狀態(tài)只有在各油閥開啟，水位正常，蒸汽壓力低于正常的條件下，按下啟動(dòng)按鈕系統(tǒng)才能按照自動(dòng)的程序運(yùn)行.如首先預(yù)掃風(fēng)，40 s后，關(guān)小風(fēng)門開始點(diǎn)火，經(jīng)過4 s后點(diǎn)火結(jié)束，鍋爐根據(jù)蒸汽壓力情況進(jìn)行工作 (如選擇大火還是小火燃燒)，如果在點(diǎn)火期間出現(xiàn)點(diǎn)火不著，則發(fā)出聲光報(bào)警停爐.停爐后鍋爐需啟動(dòng)才能重新運(yùn)行 (如中途熄火、危險(xiǎn)水位等故障出現(xiàn)也都得按此程序運(yùn)行)，其主程序工作流程圖如圖4所示.

圖3 主程序梯形圖Fig.3 Ladder diagram of main program

本船舶燃油鍋爐模擬器以實(shí)際鍋爐為原型，對(duì)鍋爐的各主要的控制環(huán)節(jié)的工作情況進(jìn)行了模擬，逼真、形象地反映出了鍋爐工作的整個(gè)過程，并能在模擬器上設(shè)置各種鍋爐常見的故障，為訓(xùn)練者提供了良好的訓(xùn)練平臺(tái).

圖4 主程序工作流程圖Fig.4 Flowchart of main program

［1］史際昌.船舶電氣設(shè)備及系統(tǒng)［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，1998.

［2］李春香，鐘壁良，陳玉昌.船用鍋爐仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) ［J］.船海工程，2009，38(3):120-121.

［3］甘輝兵，張均東，曾紅，等.基于PLC大型油船燃油鍋爐仿真系統(tǒng)的開發(fā)［J］.中國(guó)航海，2006(2):99-102.

［4］鄭鳳閣.輪機(jī)自動(dòng)化［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，2006.