蘇州高等職業(yè)技術學校 汪 健 張?zhí)K新

船舶鍋爐水位PLC電氣控制系統(tǒng)設計

蘇州高等職業(yè)技術學校 汪 健 張?zhí)K新

當前我國船舶鍋爐雖然有一定程度的自動化控制，但控制系統(tǒng)基本上由傳統(tǒng)的接觸器和繼電器組成，線路復雜、可靠性差、維護工作量大。為改造舊船，改善船員勞動強度，提高生產效率，采用可編程控制器控制來實現鍋爐的自動控制，不僅具有控制線路簡單、可靠性高、維護方便等優(yōu)點，而且易維護、易擴展。本文首先對船舶鍋爐的結構和工作過程進行了闡述，在此基礎上，對控制系統(tǒng)進行了硬件設計，控制回路中的主控制器選用西門子公司的S7-200中的CPU224型號，再加上按鈕和接觸器線圈，主回路由變頻器、斷路器、熔斷器和電動機等輔助裝置組成。在軟件上，通過STEP 7-Micro/WIN軟件對PLC進行編程，包含一臺水泵恒壓供水、兩臺水泵供水、報警和變頻恒壓供水程序，最終完成了船舶鍋爐液位PLC電氣控制系統(tǒng)的設計。

船舶鍋爐；PLC；STEP 7-Micro/WIN

引言

鍋爐是船舶的重要設備之一，在采用內燃機動力裝置的船舶上，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。當前船舶鍋爐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是必不可少的。船用鍋爐由于其應用場合不同，需要特定的要求，在結構上，能夠適應船舶的晃動和沖擊，同時要有一定的容積能夠儲存汽和水，并且其蒸汽參數、蒸發(fā)量、鍋爐效率、蒸發(fā)率和爐膛容積熱負荷都要滿足一定的要求。

船舶鍋爐的種類很多，按照用途可以分為主鍋爐、輔助鍋爐和廢氣鍋爐；按照鍋爐結構分為煙管（火管）鍋爐、水管鍋爐和混合式鍋爐（部分煙管，部分水管）三種類型；按照鍋爐水循環(huán)方法可以分為自然循環(huán)鍋爐和強制循環(huán)鍋爐兩種；按照蒸汽工作壓力高低可以分為高壓鍋爐（＞6.0MPa）、中高壓鍋爐（4.0 MPa-6.0MPa）、中壓鍋爐（2.0 MPa-4.0MPa）、低壓過濾（＜2.0MPa）；按照工作介質可以分為蒸汽鍋爐和熱油鍋爐。

本文主要以船舶鍋爐為研究對象，對其水位系統(tǒng)的控制進行研究，采用水位計對液位進行檢測，根據控制需要將4個水位（上上限水位、下限水位、上限水位、上上限水位）的4個開關量信號接入PLC，經過PLC控制水泵電動機，實現恒壓供水、低水位聯鎖、報警和給水電動機故障時的聯鎖控制，使系統(tǒng)全自動平穩(wěn)運行。

1.船舶鍋爐的結構及其工作原理

船舶鍋爐主要由鍋爐本體和輔助設備組成。鍋爐本體包括有爐膛、蒸發(fā)受熱面、蒸汽過熱器、省煤器、空氣預熱器等，爐膛主要由耐火磚墻和水冷壁組成，用于提供足夠的空間使燃油能夠充分燃燒，其隔熱性能使得燃燒熱熱量不會損失；蒸發(fā)受熱面通過煙氣傳熱方式，將熱量傳遞給鍋水；蒸汽過熱器能夠產生更大的動力機械；省煤器用于加熱鍋爐的給水，起到節(jié)能的作用；空氣預熱器是運用煙氣的預熱來改善燃料的燃燒，在一定程度上能起到節(jié)能作用。輔助設備包括用于產生熱量的燃燒裝置、補充鍋爐給水所需的給水處理系統(tǒng)、由閥門和儀表組成的汽水系統(tǒng)、將外界空氣送入爐膛中燃燒的通風系統(tǒng)和保證鍋爐安全工作的監(jiān)測儀表設備。

船舶鍋爐水位控制工作過程主要包括水汽系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)。水汽系統(tǒng)為吸收大量煙氣熱的水，隨著水溫度升高，壓強增大，會使得汽化編程氣體，經過一段時間后形成飽和水，然后進入下降管和鍋爐底部；燃燒系統(tǒng)的工作概述為：鍋爐將外部空氣加熱成熱氣，同時油氣吸收煙氣的熱量，導致溫度不斷升高，便成了燃氣，與燃料進行一定的比例混合，進入爐膛燃燒，產生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器，形成飽和蒸汽。在該工作過程中，鍋爐的液位必須保持在一定的范圍內，才能使得鍋爐正常運行。

2.船舶鍋爐水位系統(tǒng)的硬件設計

PLC船舶鍋爐水位控制電路包括主電路和PLC控制電路，主電路是為控制鍋爐液位的水泵提供電源的電路，主要包括斷路器、熔斷器、接觸器、熱繼電器和水泵電機。斷路器用于水泵控制主電路的總開關以及水泵主電路的短路保護；熔斷器用于主電路的短路保護；5個水泵線路接觸器用于水泵運行的控制，1個用于變頻器電源通斷控制接觸器，2個接觸器用于1號水泵和2號水泵的變頻運行控制，2個用于水泵的工頻運行控制；熱繼電器用于主電路的過載保護，2個水泵電機用于抽放水控制。

在PLC控制回路中，首先需要根據輸入輸出點的個數，對PLC進行選型。本文設計的船舶鍋爐液位電氣控制系統(tǒng)用到了9個輸入點和9個輸出點共18個點，9個輸入點包括消音、水位下下限、水位下限、水位上限、水位上上限、啟東、停止、變頻器就緒和變頻器故障；9個輸出點包括指示燈、蜂鳴器、1號水泵變頻輸出、2號水泵變頻輸出、1號水泵工頻輸出、2號水泵工頻輸出、報警排水、停鍋爐報警和變頻器電源控制。根據控制要求，本文選用的西門子公司S7-200系列CPU224，該PLC共有14個輸入和12個輸出共26個點，能夠滿足控制系統(tǒng)的要求。電源模塊選用24V開關電源用于PLC的供電，380V交流電用于變頻器的供電，設計的硬件結構如圖1所示。

圖1　硬件結構圖

3.船舶鍋爐水位系統(tǒng)的軟件設計

根據船舶鍋爐液位電氣系統(tǒng)的控制工藝要求，本文設計的系統(tǒng)運行狀態(tài)包括一臺水泵恒壓供水、兩臺水泵供水、報警和變頻恒壓時，PLC報警并控制過濾停鼓風壓火，直至高于水位下下限時，課接觸鼓風機停機指令，恢復正常工作，從而完成供水聯鎖控制。

4.結論

本文首先對船舶鍋爐的基本概念及其分類進行了簡要闡述，在此基礎上，本文選用4個限位開關對水位的各個狀態(tài)進行監(jiān)測。然后從鍋爐本體和輔助設備對船舶鍋爐的基本機構進行了介紹，進而分析了其工作過程，在此基礎上，對船舶鍋爐水位系統(tǒng)進行PLC電氣控制的硬件和軟件設計。在硬件上，包含控制回路和主回路，控制回路中的主控制器選用西門子公司的S7-200中的CPU224型號，再加上按鈕和接觸器線圈，主回路是由變頻器為主，斷路器、熔斷器和電動機為輔組成的。在軟件上通過STEP 7-Micro/WIN軟件對PLC進行編程，其程序包含一臺水泵恒壓供水、兩臺水泵供水、報警和變頻恒壓供水。通過件硬和軟件設計，最終完成了船舶鍋爐液供水。根據PLC判斷水位的位置，來控制其運行工作狀態(tài)，其控制流程圖如圖2所示。

圖2　控制流程圖

首先供水系統(tǒng)通過判斷PLC水位是否在上限與下限范圍內，若在此范圍內則接通變頻器控制水泵進入恒壓供水狀態(tài)，并不斷檢測鍋爐水位。當水位到達上限時，則水泵變頻運行停止，并繼續(xù)檢測水位，直至低于水位上限時，變頻器重新啟動去控制另外一臺水泵進行運行，以使得水泵交替運行。如果水位高于上上限，輸出報警，請求排水。如果運行過程中檢測到水位低于水位下限時，則水泵變頻運行停止，轉換水泵進入工頻運行。當水位升至高于下限時，水泵在工頻狀態(tài)繼續(xù)運行2Min，然后轉入變頻調速控制的恒壓供水方式。如果水泵工頻運行水位仍繼續(xù)下降并低于水位下下限位PLC電氣控制系統(tǒng)的設計。

［1］程明魁.PLC 在蒸汽鍋爐控制系統(tǒng)中的應用［D］.中國石油大學，2011.

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［3］王瑞云.基于PLC控制的船用鍋爐水位控制系統(tǒng)的分析［J］.船舶技術.2014，4

［4］曾新紅.可編程控制器在船舶輔助鍋爐中的應用［J］.船舶工程，2006，5.