(天津理工大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，天津 300384)

基于PLC的船舶輔鍋爐教學(xué)裝置設(shè)計(jì)

王宗濤

(天津理工大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，天津 300384)

針對(duì)在船舶輔鍋爐的適任評(píng)估教學(xué)中，采用真實(shí)鍋爐既增加教學(xué)成本又加大教學(xué)的危險(xiǎn)性的問(wèn)題，根據(jù)船舶輔鍋爐的特點(diǎn)，采用可編程序控制器(PLC)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套船舶輔鍋爐教學(xué)裝置，該裝置可以模擬船舶輔鍋爐的點(diǎn)火、補(bǔ)水、壓力和安全保護(hù)等功能。

可編程序控制器(PLC)；船舶輔鍋爐；適任評(píng)估；教學(xué)裝置

一、引言

隨著STCW公約馬尼拉修正案的正式生效，國(guó)家海事局加強(qiáng)了對(duì)輪機(jī)人員電氣知識(shí)的考查要求。低投入、小容量、易操作的模擬器或仿真系統(tǒng)，是快速、有效地培養(yǎng)現(xiàn)代化高級(jí)船員實(shí)際操控能力的有效手段。[1]相對(duì)于繼電器控制系統(tǒng)而言，可編程序控制器(PLC)具有體積小、組裝靈活、可靠性高、適合在惡劣環(huán)境下使用等特點(diǎn)，在船舶鍋爐的控制中得到廣泛應(yīng)用，因而開(kāi)發(fā)適用于輪機(jī)人員的仿真系統(tǒng)或裝置具有重要的意義。宋世全介紹了一種基于PC機(jī)和PLC的船用輔鍋爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠克服采用真實(shí)被控對(duì)象的缺點(diǎn)；[2]張建平采用F1-30型PLC實(shí)現(xiàn)了燃油鍋爐的點(diǎn)火、燃燒、送風(fēng)、噴油的自動(dòng)控制；[3]甘輝兵等為解決航海教育中大型油船燃油鍋爐操作培訓(xùn)的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于PLC的大型油船燃油鍋爐仿真系統(tǒng)，可以有效地代替真實(shí)鍋爐進(jìn)行操作培訓(xùn)。[4]

上述研究均采用軟件方式，雖然電腦界面的操作可以實(shí)現(xiàn)鍋爐培訓(xùn)的相關(guān)功能，但是缺乏船員的實(shí)際體驗(yàn)功能。為了增強(qiáng)教學(xué)的真實(shí)感，有機(jī)地把PLC基本原理和鍋爐的控制過(guò)程結(jié)合起來(lái)，筆者設(shè)計(jì)了一套船舶輔鍋爐教學(xué)裝置，采用該裝置船員可以親自通過(guò)實(shí)際的按鈕操作，體驗(yàn)輔鍋爐的操作過(guò)程，增強(qiáng)了教學(xué)和培訓(xùn)的真實(shí)感。本文就此進(jìn)行探討。

二、船舶輔鍋爐教學(xué)裝置的功能

1.某柴油機(jī)貨船輔鍋爐的主要特點(diǎn)

某柴油機(jī)貨船所配備的鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽主要用來(lái)加熱主、輔柴油機(jī)所用燃油及廚房用汽，鍋爐水位和汽壓采用雙位控制，燃燒采用單油頭、定油量和定風(fēng)量燃燒。系統(tǒng)設(shè)有中途熄火、危險(xiǎn)低水位和低風(fēng)壓等安全保護(hù)裝置，詳細(xì)的控制原理和過(guò)程可以參考輪機(jī)自動(dòng)化方面的相關(guān)文獻(xiàn)[5]。根據(jù)該輔鍋爐的控制特點(diǎn)和安全保護(hù)需求，本文采用西門(mén)子品牌的S7224CN型號(hào)PLC對(duì)輔鍋爐的控制系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了教學(xué)裝置。

2.船舶輔鍋爐教學(xué)裝置的總體功能設(shè)計(jì)

該裝置的主要功能包括點(diǎn)火自動(dòng)/手動(dòng)模式切換、水位自動(dòng)/手動(dòng)模式切換、風(fēng)機(jī)起停控制、油泵自動(dòng)/手動(dòng)模式切換(簡(jiǎn)稱風(fēng)油自動(dòng)/手動(dòng))、水位和壓力的雙位控制等功能。此外，該裝置還設(shè)置了多個(gè)故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)(包括風(fēng)壓、水位、火焰)對(duì)鍋爐的工作進(jìn)行全程監(jiān)控，具體功能如圖1所示。

根據(jù)鍋爐的點(diǎn)火特點(diǎn)，自動(dòng)點(diǎn)火程序啟動(dòng)后，程序首先實(shí)現(xiàn)預(yù)掃風(fēng)60 s，然后關(guān)小風(fēng)門(mén)，打開(kāi)點(diǎn)火變壓器進(jìn)行點(diǎn)火，10 s內(nèi)點(diǎn)火成功，系統(tǒng)沒(méi)有警報(bào)產(chǎn)生，則點(diǎn)火成功。系統(tǒng)功能流程如圖2所示，教學(xué)裝置如圖3所示，除了開(kāi)關(guān)電源、PLC，還包括開(kāi)關(guān)、指示燈。系統(tǒng)的I/O點(diǎn)設(shè)計(jì)如表1所示。

圖1 PLC鍋爐總體功能設(shè)計(jì)框架

圖2 自動(dòng)點(diǎn)火流程

圖3 船舶輔鍋爐教學(xué)裝置

I0．0手動(dòng)點(diǎn)火油頭I1．3燃燒自動(dòng)I0．1風(fēng)壓開(kāi)關(guān)I1．4燃燒手動(dòng)I0．2火焰開(kāi)關(guān)I1．5風(fēng)油手動(dòng)I0．3蒸汽開(kāi)關(guān)Q0．0水泵I0．4低水位Q0．1風(fēng)機(jī)I0．5高水位Q0．2油泵I0．6水位自動(dòng)Q0．3點(diǎn)火線圈I0．7危險(xiǎn)水位Q0．4風(fēng)門(mén)擋板I1．0風(fēng)油自動(dòng)Q0．6油頭電磁閥I1．1手動(dòng)點(diǎn)火Q0．7熄火保護(hù)I1．2復(fù)位開(kāi)關(guān)Q1．1報(bào)警

3.船舶輔鍋爐教學(xué)裝置的測(cè)試和使用

該輔助鍋爐模擬裝置的控制功能包括：鍋爐自動(dòng)/手動(dòng)點(diǎn)火、水位控制、蒸汽壓力控制、火焰檢測(cè)，風(fēng)油自動(dòng)/手動(dòng)控制及熄火保護(hù)、報(bào)警等，輸入狀態(tài)由開(kāi)關(guān)按鈕控制，通過(guò)PLC控制輸出，并由指示燈指示。

(1)自動(dòng)點(diǎn)火

將PLC置于RUN位置，燃燒控制、風(fēng)油控制均置于自動(dòng)狀態(tài)(燃燒自動(dòng)I 1.4、風(fēng)油自動(dòng)I 1.5)，系統(tǒng)自動(dòng)點(diǎn)亮風(fēng)機(jī)Q 0.1、油泵Q 0.2指示燈點(diǎn)亮，開(kāi)始進(jìn)入預(yù)掃風(fēng)階段，并在此階段建立風(fēng)壓(風(fēng)壓開(kāi)關(guān)I 0.1)，經(jīng)過(guò)60 s大風(fēng)門(mén)預(yù)掃風(fēng)自動(dòng)關(guān)小風(fēng)門(mén)，進(jìn)行預(yù)點(diǎn)火，點(diǎn)火線圈指示燈、風(fēng)門(mén)擋板指示燈點(diǎn)亮。按下火焰模擬開(kāi)關(guān)(I 0.2)，說(shuō)明點(diǎn)火成功，首先熄滅點(diǎn)火變壓器(Q 0.3)，2 s后風(fēng)門(mén)擋板(Q 0.4)指示燈熄滅，70 s內(nèi)不報(bào)警則說(shuō)明點(diǎn)火成功。點(diǎn)火控制程序如圖4所示。

圖4 點(diǎn)火控制程序

(2)手動(dòng)點(diǎn)火模式

將燃燒控制、風(fēng)油控制均置于手動(dòng)位置(燃燒手動(dòng)I 1.3、風(fēng)油手動(dòng)I 1.0)，首先進(jìn)行預(yù)掃風(fēng)，60 s內(nèi)建立風(fēng)壓(風(fēng)壓開(kāi)關(guān)I 0.1)，60 s后手動(dòng)點(diǎn)火I 1.1，打開(kāi)手動(dòng)點(diǎn)火油頭I 0.0，按下火焰模擬開(kāi)關(guān)，70 s內(nèi)不報(bào)警則點(diǎn)火成功。

(3)水位控制

將水位控制置于自動(dòng)位，先后按下高水位(I 0.4)、低水位(I 0.5)模擬開(kāi)關(guān)，則水泵指示燈亮，松開(kāi)低水位開(kāi)關(guān)，指示燈不熄滅，直到松開(kāi)高水位開(kāi)關(guān)，水泵才停止供水。如果達(dá)到危險(xiǎn)水位(I 0.7)，系統(tǒng)將熄火報(bào)警。水位控制如圖5所示。

圖5 水位自動(dòng)控制

(4)蒸汽壓力雙位控制

運(yùn)行中，蒸汽壓力達(dá)到上限設(shè)定值(按下模擬開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)輸入點(diǎn)為I 0.3)，系統(tǒng)將熄火停爐，并進(jìn)行后掃風(fēng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停爐功能。該控制功能分布在程序的各個(gè)控制點(diǎn)，用于控制風(fēng)機(jī)、油泵、點(diǎn)火變壓器、風(fēng)門(mén)擋板以及油頭電磁閥。

當(dāng)蒸汽壓力下降到設(shè)定的下限值(松開(kāi)模擬開(kāi)關(guān)，對(duì)應(yīng)輸入點(diǎn)為I 0.3)，系統(tǒng)重新進(jìn)行點(diǎn)火，具體分析和鍋爐的點(diǎn)火過(guò)程相同。

(5)系統(tǒng)復(fù)位功能

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)復(fù)位功能(對(duì)應(yīng)的輸入點(diǎn)為I 1.2)，當(dāng)出現(xiàn)故障后，待所有故障檢測(cè)完畢，按下復(fù)位按鈕，方可重新起動(dòng)鍋爐。系統(tǒng)復(fù)位功能程序如圖6所示

圖6 系統(tǒng)復(fù)位功能程序

(6)運(yùn)行中的模擬故障報(bào)警

運(yùn)行中風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致無(wú)風(fēng)壓，系統(tǒng)熄火并報(bào)警，應(yīng)檢查故障；運(yùn)行中斷開(kāi)火焰開(kāi)關(guān)，則系統(tǒng)將熄火并報(bào)警；運(yùn)行中出現(xiàn)危險(xiǎn)水位報(bào)警，即鍋爐水位低于危險(xiǎn)水位時(shí)，系統(tǒng)將熄火并報(bào)警。在點(diǎn)火以及鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)上述故障時(shí)，均可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

本文中的報(bào)警功能實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)風(fēng)壓開(kāi)關(guān)、火焰開(kāi)關(guān)、危險(xiǎn)水位等按鈕實(shí)現(xiàn)。在預(yù)掃風(fēng)過(guò)程中，如果沒(méi)有在60 s內(nèi)按下風(fēng)壓開(kāi)關(guān)(按下該開(kāi)關(guān)表示建立風(fēng)壓)，則系統(tǒng)就發(fā)出報(bào)警信號(hào)并自動(dòng)停爐。在點(diǎn)火或者正常燃燒過(guò)程中，如果松開(kāi)火焰開(kāi)關(guān)(松開(kāi)該開(kāi)關(guān)表示沒(méi)有火焰)，則系統(tǒng)將發(fā)出熄火報(bào)警，并進(jìn)行后掃風(fēng)60 s后系統(tǒng)停爐。

三、結(jié)語(yǔ)

PLC綜合了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)，在船舶輔鍋爐自動(dòng)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合評(píng)估教學(xué)的實(shí)踐，所設(shè)計(jì)的船舶輔鍋爐教學(xué)裝置，有效地降低適任評(píng)估和教學(xué)的成本，避免了真實(shí)鍋爐教學(xué)的危險(xiǎn)性。本文所設(shè)計(jì)的船舶輔鍋爐教學(xué)裝置，有利于船員掌握船舶鍋爐的基本操作過(guò)程和電氣控制原理，非常適合船舶輔鍋爐的適任評(píng)估和教學(xué)。

[1] 陳意惠,薛士龍,蒲小蓮.基于PLC的大型油輪燃油鍋爐仿真系統(tǒng)[J].航海技術(shù)，2005(3)：45-46.

[2] 宋世全.基于PC機(jī)和PLC的鍋爐仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)室研究與探索[J].2009,28(4)：50-51,90.

[3] 張建平.PLC在燃油鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.廣州航海高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)[J], 2005,13(1)：58-60.

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

[5] 李世臣,徐善林.輪機(jī)自動(dòng)化[M].大連:大連海事大學(xué)出版社，2008.

U676.2

A*

2015-06-10

天津市普通高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革研究計(jì)劃基金項(xiàng)目“輪機(jī)工程專業(yè)卓越計(jì)劃體系建設(shè)的研究與實(shí)踐”(B01-0818)；天津理工大學(xué)教學(xué)基金項(xiàng)目(YB11-23)

王宗濤(1976-)，男，講師，主要從事輪機(jī)自動(dòng)化設(shè)備與系統(tǒng)研究。

1006-8724(2015)03-0088-03