陳新恩, 蔡建邦, 覃浩峰

(廣州航海學(xué)院 海運(yùn)學(xué)院， 廣州 510725)

基于PLC的船用焚燒爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳新恩, 蔡建邦, 覃浩峰

(廣州航海學(xué)院 海運(yùn)學(xué)院， 廣州 510725)

為有效保護(hù)海洋環(huán)境，對(duì)船用焚燒爐的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。闡述船用焚燒爐系統(tǒng)的構(gòu)成，說(shuō)明船用焚燒爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求、硬件組成、PLC的 I/O分配情況以及一些工作數(shù)據(jù)設(shè)置，論述船用焚燒爐焚燒污油和焚燒固體垃圾的2種工作模式原理。試驗(yàn)證明：該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，安保措施可靠，焚燒單位垃圾或污油所耗柴油量比普通系統(tǒng)低5%，焚燒污油含水率可高達(dá)60%以上，具有工作可靠、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等特性。

船舶工程； 海洋環(huán)境保護(hù)； 船用焚燒爐； 控制系統(tǒng)； PLC

隨著全球經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，承擔(dān)物流運(yùn)輸任務(wù)的船舶數(shù)量越來(lái)越多，船舶垃圾污染海洋環(huán)境問題日益嚴(yán)重。船用焚燒爐是MARPOL 73/78(The International Convention for the Prevention of Pollution From Ships, 1973 as Modified by the Protocol of 1978)公約規(guī)定的遠(yuǎn)洋船舶必備的防污染設(shè)備之一。[1-3]目前世界各國(guó)已研制出50多款船用焚燒爐，如英國(guó)哈姆公司生產(chǎn)的船用焚燒爐，丹麥阿特提斯公司生產(chǎn)的船用焚燒爐，日本日立造船廠生產(chǎn)的船用焚燒爐。國(guó)內(nèi)有中船公司704研究所研制的船用焚燒爐、中船公司綠洲機(jī)器廠引進(jìn)挪威戈拉公司技術(shù)生產(chǎn)的船用焚燒爐。這些焚燒爐大多具有輔助燃燒器、自動(dòng)化程度高、能焚燒污油與固體垃圾等特點(diǎn)，但能焚燒的污油的含水率一般在50%左右。目前我國(guó)船用焚燒爐技術(shù)發(fā)展還不夠成熟[4]，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，設(shè)計(jì)新型船用焚燒爐具有現(xiàn)實(shí)意義。在廣東省科研資金的助力下，設(shè)計(jì)出一種新型船用焚燒爐及其控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了污油柜110℃高溫加熱、 燃燒室內(nèi)900～1 000℃高溫燃燒，大大加快了污油中水分的汽化，焚燒污油的含水率可高達(dá)60%以上。

1 設(shè)計(jì)要求

控制系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)完善的程序控制、燃燒控制、安全保護(hù)等功能。[5]

1.1程序控制

船用焚燒爐控制系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)的程序?qū)Υ梅贌隣t前掃氣、噴油、點(diǎn)火、燃燒、熄火、后掃氣等動(dòng)作進(jìn)行自動(dòng)控制。

1.2燃燒控制

船用焚燒爐控制系統(tǒng)能夠?qū)Υ梅贌隣t噴油量、風(fēng)門開度大小、爐膛溫度等進(jìn)行自動(dòng)控制，保證在消耗最少柴油的基礎(chǔ)上，焚燒最大量的固體垃圾或污油。

1.3安全保護(hù)

低壓或失電、排煙溫度高于350℃、燃燒室溫度高于1 200℃、爐膛壓力升到大氣壓之前、 點(diǎn)火失敗或中途熄火、燃油壓力低等情況出現(xiàn)時(shí)，要求船用焚燒爐自動(dòng)停爐，停止燃料供給，并發(fā)出聲光報(bào)警。

2 船用焚燒爐系統(tǒng)構(gòu)成

船用焚燒爐系統(tǒng)主要由柴油系統(tǒng)、污油系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、焚燒爐本體和電氣控制柜組成。[6]其中：污油系統(tǒng)的主要功能是污油的貯存、加熱和泵送；柴油系統(tǒng)的主要功能是柴油的貯存和泵送;壓縮空氣系統(tǒng)主要用于霧化柴油或污油，污油燃燒器停止工作之前沖洗管路，及推動(dòng)一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如加料門)等;電氣控制柜主要用于集中安裝焚燒爐一些控制設(shè)備;焚燒爐本體主要由爐膛、加料門、出灰門、柴油燃燒器、污油燃燒器、鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)門調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成,固體垃圾或污油燃燒主要在其中完成。系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 船用焚燒爐系統(tǒng)原理圖

3 船用焚燒爐主電路設(shè)計(jì)

船用焚燒爐主電路的主要設(shè)備有隔離開關(guān)、熱繼電器、交流接觸器、MM430型變頻器、污油變量泵、污油粉碎泵、柴油泵、風(fēng)機(jī)等。該電路設(shè)計(jì)見圖2。

4 控制部分硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是船用焚燒爐系統(tǒng)的靈魂，代表著船用焚燒爐智能化程度的高低?？刂圃O(shè)備主要集中安放在電氣控制箱內(nèi)。電氣控制箱主要包含下列設(shè)備：正面上有操作開關(guān)、顯示控制屏、指示燈；箱內(nèi)有隔離開關(guān)、繼電器、交流接觸器、變壓器、PLC(Programmable Logic)等。其中PLC是控制系統(tǒng)的核心部件,選用S7-200型。 S7-200系列中的CPU226(Central Processing Unit 226)型PLC具有成本低、功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)上具有24個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，滿足該系統(tǒng)的要求。[7]擴(kuò)展模塊選用EM235型模擬量擴(kuò)展模塊，該模塊具有4路輸入和1路輸出，可以將PLC外部的模擬量變成數(shù)字量輸送到PLC內(nèi)部進(jìn)行處理，將PLC輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量以控制被控對(duì)象。

圖2 船用焚燒爐主電路

S7-200系列中CPU226型PLC的輸入、輸出端口分配見表1。一次端控制設(shè)備安裝在焚燒爐本體上，主要有熱電偶、熱電阻、壓力傳感器、負(fù)壓傳感器、火焰探測(cè)器等。顯示控制屏主要用于顯示和調(diào)整焚燒爐的參數(shù)以及方便工作人員操作。顯示控制屏選用文本顯示器TD(Text Display) 400C型顯示器，該顯示器專門支持S7-200，具有價(jià)格低廉和操作方便等優(yōu)點(diǎn)。TD 400C通過TD/CPU電纜與S7-200 CPU相連。[8]

5 船用焚燒爐工作原理分析

該種船用焚燒爐有2種工作方式：焚燒固體垃圾工作模式，焚燒污油工作模式。

5.1固體垃圾焚燒工作原理

1) 合上電源開關(guān)，選擇焚燒固體垃圾工作模式。

2) 啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)，掃風(fēng)30 s。

3) 啟動(dòng)柴油泵，柴油燃燒器噴油點(diǎn)火。如果8 s之內(nèi)火焰探測(cè)器檢測(cè)到火焰，則繼續(xù)燃燒;如果8 s之內(nèi)檢測(cè)不到火焰，則發(fā)出聲光報(bào)警并停爐。

4) 燃燒室溫度繼續(xù)升高。如果5 min之內(nèi)爐膛溫度高于600℃，則正常燃燒；如果低于600℃,則發(fā)出聲光報(bào)警和停爐。[9]

5) 在燃燒的過程中，如果燃燒室溫度升到1 000℃，則柴油燃燒器停止燃燒;如果降到900℃，則柴油燃燒器重新點(diǎn)燃。這樣設(shè)計(jì)，可保證消耗最少柴油，焚燒最多垃圾。

表1 PLC I/O 分配表

6) 在焚燒工作過程中，如果安裝在煙囪上的熱電阻檢測(cè)到排煙溫度高于350℃，或安裝在爐膛的熱電阻檢測(cè)到爐膛溫度高于1 200℃，燃燒室負(fù)壓高于-10 Pa，柴油燃燒器油壓低于0.5 MPa，霧化室氣壓低于0.5 MPa，則控制單元發(fā)出聲光報(bào)警并停爐。

7) 按停爐開關(guān)，則柴油燃燒器停止燃燒，鼓風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)爐膛低于60℃時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

5.2污油焚燒工作原理

1) 合上電源開關(guān)，選擇焚燒污油工作模式，污油粉碎泵運(yùn)轉(zhuǎn)。

2) 污油柜內(nèi)溫度傳感器檢測(cè)污油溫度是否大于110℃，如是，進(jìn)入掃風(fēng)程序；如不到110℃，則等待蒸汽對(duì)污油繼續(xù)加熱。這樣設(shè)計(jì)，有利于污油中水分蒸發(fā)，減少進(jìn)入爐膛的實(shí)際水分。

3) 啟動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)掃風(fēng)30 s。

4) 啟動(dòng)柴油泵，柴油燃燒器噴油點(diǎn)火。如果8 s之內(nèi)火焰探測(cè)器檢測(cè)到火焰，則繼續(xù)燃燒;如果8 s之內(nèi)檢測(cè)不到火焰，則發(fā)出聲光報(bào)警并停爐。

5) 當(dāng)爐膛溫度達(dá)到650℃時(shí)，進(jìn)入污油燃燒程序，此時(shí)變頻器根據(jù)爐膛溫度調(diào)節(jié)污油變量泵的轉(zhuǎn)速，改變噴入爐膛的污油量。在焚燒工作過程中，如果安裝在煙囪上的熱電阻檢測(cè)到排煙溫度高于350℃，或安裝在爐膛的熱電阻檢測(cè)到爐膛溫度高于1 200℃，燃燒室負(fù)壓高于-10 Pa，柴油燃燒器油壓低于0.5 MPa，霧化室氣壓低于0.5 MPa，則控制單元發(fā)出聲光報(bào)警并停爐。

6) 在燃燒的過程中，如果燃燒室溫度升到1 000℃，則柴油燃燒器停止燃燒；如果燃燒室溫度降到900℃，則柴油燃燒器重新點(diǎn)燃。這樣設(shè)計(jì)，可保證消耗最少柴油，焚燒最多污油。同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高溫燃燒，使燃燒更徹底，減少污染排放物。

7) 當(dāng)污油柜液位高度達(dá)到低位時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出停爐指令，關(guān)閉柴油燃燒器、污油燃燒器，柴油泵、污油泵等停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

8) 風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，進(jìn)入冷卻程序。爐膛溫度低于60℃，風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

6 船用焚燒爐控制系統(tǒng)一些工作數(shù)據(jù)設(shè)置

在設(shè)計(jì)船用焚燒爐控制系統(tǒng)時(shí)，一些工作數(shù)據(jù)(如報(bào)警極限數(shù)據(jù))的設(shè)置至關(guān)重要，對(duì)系統(tǒng)的工作可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性具有重要影響。船用焚燒爐控制系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)的設(shè)置見表2。

表2 船用焚燒爐控制系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)設(shè)置表

7 結(jié) 語(yǔ)

由于采用了變頻調(diào)速技術(shù)和柴油燃燒器自動(dòng)啟停技術(shù)，該系統(tǒng)焚燒單位垃圾或污油耗柴油量比普通系統(tǒng)低5%。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了污油高溫加熱和垃圾高溫燃燒，焚燒效率大大提高，排放指標(biāo)得到降低。試驗(yàn)證明，該控制系統(tǒng)具有工作可靠性、經(jīng)濟(jì)性、較好的先進(jìn)性，值得推廣。研究船用焚燒爐控制技術(shù)，做到垃圾處理環(huán)?；茉蠢酶咝Щ?，向綠色航海方向發(fā)展。

[1] 王建強(qiáng)，陳紀(jì)賽．船舶污染物處理技術(shù)及發(fā)展方向探討[J]．船海工程，2010,39(6)：71-77．

[2] 崔建偉，韓曉波，徐筱欣．船用垃圾焚燒爐整體結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模擬[J]．船舶工程，2010(S2)：143-146．

[3] 孟崢嶸， 王春明．船用焚燒爐技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．交通科技，2012(1)：104-106．

[4] 徐筱欣， 韓小波．船用焚燒爐煙氣排放控制技術(shù)研究[J]．江蘇船舶，2009,26(2)：1-3．

[5] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)．GB/T 10836—2008,船用焚燒爐要求[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008．

[6] 殷佩海．船舶防污染技術(shù)[M]．大連：大連海事大學(xué)出版社，2000: 136-143．

[7] 田淑珍．S7-200 PLC原理及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009: 11-13.

[8] 廖常初．PLC編程及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008: 246-248.

[9] 施耀新，劉紅飛．基于比例調(diào)節(jié)的船用焚燒爐系統(tǒng)研發(fā)[J]．船舶，2012,23(6)：43-47．

[10] 黃運(yùn)佳，羅良寶．船用焚燒爐系統(tǒng)參數(shù)和控制策略[J]．船舶設(shè)計(jì)通訊，2011(1)：43-47．

DesignofMarineIncineratorControlSystemBasedonPLC

CHENXin’en，CAIJianbang，QINHaofeng

(Maritime College, Guangzhou Maritime Institute, Guangzhou 510725, China)

The satisfactory operation of a incinerator relies on effective control system. The composition of marine incinerator system is expiained, and the design requirements of the control system of marine incinerator, the equipment composition and the allocation of PLC I/O, and some work parameter settings are illustraed. Two types of working principles of marine incinerator for burning waste oil and solid wastes are discussed. The system designed is highly automated with reliable safety protection and can treat the sump oil containing water up to 60%. Tests indicate that the fuel consumption of this system is 5% less than that of conventional systems.

ship engineering; protection of marine environment; marine incinerator; control system; PLC

2014-05-06

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012B010500030)；廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2012-04-005)；廣州市黃埔區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(201258)

陳新恩(1972—)，男，湖北黃岡人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事輪機(jī)工程技術(shù)教學(xué)和研究工作。E-mail：cxe29@126.com

1000-4653(2014)03-0025-03

U664.9; TP273

A