喬顯輝

青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266237

1 船舶輔鍋爐控制要求分析

在以柴油機(jī)為驅(qū)動力的油輪上，鍋爐是船舶動力裝置的重要組成部分。鍋爐控制系統(tǒng)是一個多參數(shù)而復(fù)雜的控制系統(tǒng)，它包括水位的自動控制、蒸汽壓力的自動控制、點火及燃燒的時序自動控制和自動安全保護(hù)。本文的PLC 輔鍋爐自動控制系統(tǒng)，具有以下8 個基本功能：

1） 鍋爐啟動前和停爐后能確保水渠獨立正常工作。

2） 具有 AUTO 和 MANUAL2 種控制方式。

3） 自啟的程序工作（水位監(jiān)測、轉(zhuǎn)換開關(guān)置于自動位置、風(fēng)壓監(jiān)測、預(yù)掃風(fēng)、自動點火等） 設(shè)置邏輯判斷和監(jiān)視。

4） 由風(fēng)門擋板的適當(dāng)開度來決定風(fēng)量和油量的配比。

5） 在燃燒重油時，如果沒有燃油加熱器及控制線路、輕重油切換電路，則燃油需要采用電加熱。

6） 以兩個壓力開關(guān)對鍋爐蒸汽壓力進(jìn)行雙位自動控制[1]。

7） 具有正常停爐和緊急停爐2 種停爐方式。

8） 鍋爐的運(yùn)行故障監(jiān)視中，包括高低水位、水泵過載等故障的熄火處理。

2 基于PLC 的船舶輔鍋爐系統(tǒng)的控制框圖

船舶鍋爐工作環(huán)境惡劣，油霧、鹽霧、濕熱及船舶的縱傾橫搖、振動等，都會影響控制設(shè)備的工作可靠性。而PLC 完全能適應(yīng)惡劣的船舶工作環(huán)境，在硬件的輸入/輸出接口結(jié)構(gòu)上采用了光電耦合/隔離的措施，在軟件程序設(shè)計及運(yùn)行特性上也采取了一系列的安全措施。PC 通過“邏輯”控制而非真實物理“觸頭”，所以不會存在物理“觸頭”通斷時的“電火花”；PLC 采用“ms”級高精度定時基準(zhǔn)，定時設(shè)置由軟件實現(xiàn)，不會受到環(huán)境的影響，特別適用于鍋爐點火多時段的定時控制，可避免常規(guī)凸輪式或多回路式時間繼電器接觸點接觸不良或刻度盤松動等引起的時序紊亂、點火故障，PLC 與計算機(jī)、觸摸屏等的合理設(shè)計，可以構(gòu)建良好的人機(jī)界面，操控方便并實現(xiàn)控制過程的可視化[2]。

根據(jù)船舶輔鍋爐系統(tǒng)控制功能要求、輸入/輸出點及擴(kuò)展模塊等方面的綜合考慮，并通過對市場常用PLC 產(chǎn)品性能的比較，確定選用西門子公司的S7-200。鍋爐的點火時序控制、汽包水位控制、蒸汽壓力控制、故障安全保護(hù)均由S7-200PLC 完成。鍋爐控制原理如圖1 所示。

圖1 PLC 燃油鍋爐控制系統(tǒng)框圖

框圖中的PLC 選用西門子公司S7-200 PLC，具體模塊選用如下：CPU 模塊選用CPU-226 模塊 ； 模 擬 量 I/O 模 塊 選 用 2 個 EM-235（AI4/AQ1） 模塊和 1 個 EM232 （AQ2） 模塊；數(shù)字量I/O 擴(kuò)展模塊選用1 塊EM223（24VDCDI16/繼電器DO16） 模塊。

本設(shè)計中擴(kuò)展模塊的數(shù)量沒有超過7 個，符合CPU-226 對擴(kuò)展模塊數(shù)量限制要求，說明系統(tǒng)的硬件配置是合理可行的。PLC226CPU 與擴(kuò)展模塊聯(lián)接如圖2 所示。

圖2 PLC226CPU 與擴(kuò)展模塊配置

圖2 中的信號輸入包括：實現(xiàn)對PLC 系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)備的手（自動） 切換、運(yùn)行啟動、停止等的控制操作信號；來自于鍋爐現(xiàn)場工作狀態(tài)經(jīng)傳感器、變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號的各種數(shù)字量和模擬量。PLC 控制器對這些信號進(jìn)行處理，并形成相應(yīng)的控制信號驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實行自動控制；將反映被控對象狀態(tài)的相關(guān)參數(shù)信息發(fā)送給相應(yīng)的設(shè)備（如觸摸屏） 進(jìn)行直觀顯示；如果被監(jiān)控的物理量超過其限定范圍，將在其相應(yīng)的輸出端口發(fā)出報警信息。

3 基于西門子S7-200 PLC 鍋爐自動控制系統(tǒng)的功能設(shè)計

3.1 鍋爐水位控制系統(tǒng)設(shè)計

鍋爐水位雙位系統(tǒng)控制如圖3 所示。

圖3 水位雙位控制

程序2 的主要作用是對水位進(jìn)行雙位控制，當(dāng)水位超過高水位I0.5 時，M0.0 得電，程序1中的I0.0 失電，停止向鍋爐供水，當(dāng)水位低于低水位時，M0.0 得電自鎖，當(dāng)水位下降到低水位時，I0.4 得電，M0.0 失電，水泵啟動，開始向鍋爐供水，實現(xiàn)輔鍋爐的水位雙位控制[3]。

3.2 鍋爐點火與蒸汽壓力控制的程序設(shè)計

按燃油鍋爐工作特性，當(dāng)爐膛存在殘油時，可能會產(chǎn)生爐膛冷爆，造成設(shè)備的破壞和人員傷亡。為此必須設(shè)有鍋爐點火啟動和停機(jī)時的程序控制和各種安全保護(hù)。

3.2.1 鍋爐的啟動條件

燃油鍋爐在進(jìn)行點火啟動之前，應(yīng)滿足相應(yīng)的啟動條件。根據(jù)燃油鍋爐的工作性能要求，經(jīng)過暖爐后，并同時須滿足汽包水位正常、燃油壓力正常、燃油溫度正常、點火柜電源正常、蒸汽壓力未超過保護(hù)值、正常停爐或故障停爐已復(fù)位的條件時，才能具備點火條件。

3.2.2 燃油鍋爐的點火啟動程序設(shè)計

當(dāng)啟動準(zhǔn)備工作完成、啟動條件滿足，即“允許啟動”信號形成，也就具備了點火程序的運(yùn)行條件。點火流程與常規(guī)元件點火流程相似。

3.2.3 鍋爐停止程序設(shè)計

鍋爐停爐分為正常停爐、故障保護(hù)停爐和應(yīng)急停爐。鍋爐的正常停爐是提前5 分鐘換用輕油燃燒，然后停止供油、熄火、停水泵、后掃風(fēng)時間直到風(fēng)機(jī)停止。停爐保護(hù)故障是在點火程序和正常燃燒過程中，若出現(xiàn)安全故障，如爐膛風(fēng)壓低、點火不成功、中途熄火等，能停止供油實現(xiàn)熄火，并進(jìn)行后掃氣，然后鍋爐系統(tǒng)停止工作。手動緊急停爐是值班人員根據(jù)鍋爐現(xiàn)場工作情況所采取的停爐操作，即直接按下停止按鈕，系統(tǒng)停爐，而風(fēng)機(jī)不執(zhí)行后掃氣。

3.2.4 鍋爐安全保護(hù)程序設(shè)計

鍋爐安全保護(hù)功能是指接收鍋爐工作狀態(tài)檢測傳感器發(fā)出的狀態(tài)信息，根據(jù)輸入點的狀態(tài)信息直接或者與安全值比較判斷后，發(fā)出單一聲光報警，或發(fā)出聲光報警和停爐的控制命令[4]。

單一聲光報警是指不是很嚴(yán)重的故障，暫時不會立即發(fā)生危險，但需要提醒值班人員，這類故障的類型包括高水位、低水位、高氣壓、低油壓、高油溫和低油溫，此時只發(fā)出單一聲光報警。嚴(yán)重故障是指故障一旦發(fā)生，需要立即停爐，這類故障的類型包括超高汽壓、危險低水位、爐膛風(fēng)壓低限和中途熄火（或點火失?。４藭r發(fā)出聲光報警和停爐的控制命令。當(dāng)這類故障發(fā)生實現(xiàn)停爐保護(hù)后，即使故障排除，也還需要按下復(fù)位按鈕，鍋爐才能再重新啟動。

3.3 鍋爐蒸汽壓力（燃燒） 的自動控制

3.3.1 燃燒的雙位控制

在燃燒雙位控制系統(tǒng)中，鍋爐的蒸汽壓力在設(shè)定范圍內(nèi)波動。當(dāng)蒸汽壓力下降到下限值時，進(jìn)行高火燃燒；蒸汽壓力上升到上限值時，開關(guān)一個閉合一個斷開，進(jìn)行低火燃燒。在低火燃燒時，如果蒸汽壓力超過允許高壓，則將停止燃燒。只有當(dāng)蒸汽壓力下降到允許下限值時2 個壓力檢測開關(guān)都是閉合的，但要按下復(fù)位按鈕才能重新啟動鍋爐，船舶鍋爐采用高、低火的雙位控制方法，可避免鍋爐的頻繁啟停[5]。

3.3.2 燃燒的比例控制

燃燒的比例控制，即是指供油量與供風(fēng)量成比例關(guān)系。可較好地避免雙位控制中只有大油大風(fēng)、小油小風(fēng)2 種狀態(tài)，不能滿足燃油較好燃燒的狀況[6]。

針對船舶惡劣的工作環(huán)境，PLC 在硬件電路和軟件設(shè)計上都采取措施，提高了抗干擾能力和可靠性。實踐證明，采用PLC 替代常規(guī)繼電器和接觸器實現(xiàn)對船舶鍋爐控制系統(tǒng)的自動控制，更能發(fā)揮其優(yōu)越性。