船舶锅炉水位PLC电气控制系统设计

船舶锅炉水位PLC电气控制系统设计
发表时间：2019-07-03T16:40:14.380Z 来源：《基层建设》2019年第10期作者：王俊
[导读] 摘要：随着电子信息技术的发展，继电器-接触器形式的控制系统已经不能满足船舶锅炉的自动化控制需求，本文将针对船舶锅炉水位PLC电子控制系统设计展开研究，希望能够改善传统控制系统存在的弊端，促进系统升级，提高船舶锅炉的自动化控制水平。

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摘要：随着电子信息技术的发展，继电器-接触器形式的控制系统已经不能满足船舶锅炉的自动化控制需求，本文将针对船舶锅炉水位PLC电子控制系统设计展开研究，希望能够改善传统控制系统存在的弊端，促进系统升级，提高船舶锅炉的自动化控制水平。

关键词：船舶锅炉；水位；PLC；电气控制；系统设计
前言：
锅炉是船舶的主要设备之一，通过输入化学能或电能产出具有一定热能的高温水、蒸汽、有机热载体，用于主机暖缸、加热燃油、驱动辅助机械、满足生活需求。

随着科学技术的发展，越来越多的自动化控制技术应用在船舶上，PLC控制系统可以有效解决传统锅炉控制系统的稳定性差、维护维修困难等问题，提高锅炉的自动控制水平，更好的为船舶正常运行服务。

一、简述船舶锅炉的种类划分及主要结构
（一）船舶锅炉的种类划分
船舶锅炉的种类比较多，可以根据不同标准进行划分，按用途可分为主锅炉、废气锅炉、辅助锅炉，按结构可以分为水管锅炉、火管锅炉、混合锅炉，按锅炉水循环方式可以分为强制循环锅炉、自然循环锅炉，按工作压力等级可以低压锅炉、中压锅炉、中高压锅炉、高压锅炉，其中压力小于2兆帕的属于低压锅炉，2兆帕到4兆帕的属于中压锅炉，4兆帕到6兆帕的属于中高压锅炉，大于6兆帕的就是高压锅炉，另外按工作介质可以分为热油锅炉和蒸汽锅炉。

（二）船舶锅炉的主要结构
船舶锅炉是由辅助设备和锅炉本体两部分构成。

辅助设备主要包括如下几个部分：提供热能的燃烧装置，给锅炉补水的给水装置，仪表和阀门组成的汽水装置，输送外部空气进入炉膛燃烧的通风装置，维护锅炉安全稳定运行的监测仪表装置。

而船舶锅炉本体主要由省煤器、炉膛、蒸汽过热器、蒸发受热面、空气预热器等部分组成。

省煤器，顾名思义，它起着节省能源消耗的作用，用来加热锅炉内的给水。

炉膛是燃油燃烧的场所，主要由水冰壁和耐水砖墙构成，炉膛需要有足够的空间才能使燃料充分燃烧，而且它需要具备良好的隔热性能，减少热量的散失，提高能源利用率。

蒸汽在蒸汽过滤器的作用下能够产生很大的动力。

蒸发受热面可以以烟气的形式，将热量传递到锅炉内的水中。

空气预热器也具备一定的节能作用，通过烟气的预热作用，来提高燃料的燃烧效果【1】。

二、分析船舶锅炉系统的工作原理及PLC简介
（一）船舶锅炉系统的工作原理
船舶锅炉系统主要包括燃烧系统和水汽系统。

其中燃气系统的工作过程为：锅炉将外部空气加热成热气，油气通过吸收热量而温度不断升高，从而形成燃气，然后燃料与燃气经过一定比例的混合进入炉膛内燃烧，燃烧产生的能量传递给蒸汽发生器，促使饱和蒸汽的形成。

水汽系统的工作过程为：水吸收了大量的烟气产生的能量，温度不断升高，压强不断增大，液体水会汽化成蒸汽，然后形成饱和水进入下降管和锅炉底部位置。

在船舶锅炉水位控制系统工作过程中，必须要保证水位的稳定才能维持船舶锅炉正常工作。

（二）PLC电气控制系统简介
可编程逻辑控制器即PLC控制系统，是一种为工业生产设计的基于数字运算操作的电子装置，在工业控制中占据着核心位置，通过内部存储程序，执行顺序控制、逻辑运算、计数与算术、定时等操作指令，从而实现控制各类机械或生产过程的目的。

顺序扫描、循环往复是PLC控制系统的运行方式，电气工程师将编制好的特定程序存储在存储器内，系统便可以进行循环扫描，如果某一周期指令扫描结束而且没有发生跳转指令，则会继续执行程序指令完成扫描工作，PLC控制系统在每次扫描过程中，会对输出信号进行采样，并且刷新信号输出状态。

三、船舶锅炉水位PLC电气控制系统设计要点
（一）船舶锅炉PLC电气控制系统的工作过程
船舶锅炉控制系统可以实现对应指令的应答，按照程序设置完成启动、停止工作。

当启动锅炉时，风机和油泵首先启动，而且风门达到最大，通过压缩空气进行预扫风，在这个阶段为了避免初始点火发生冷爆问题不能输油到炉膛。

在完成预扫后，调节风门到最小，打开点火喷油阀，点火完成后调整供油量，从而保证锅炉持续正常工作。

在锅炉停止时，先关喷油阀，再停风机。

在船舶锅炉正常工作时，水位参数在不断变化，系统可以自行调节，以维持锅炉的正常运转，PLC电气控制系统可以自动控制锅炉喷油器的喷油量、水泵、风机及风门开关、风量大小等方面的参数。

船舶锅炉工作过程中一旦发生异常情况，控制系统会及时报警，而且系统内设置了点火失败保护、危险水位保护、中途熄火保护等保护程序【2】。

船舶锅炉水位PLC电气控制系统主要针对的是锅炉水位及水泵状况进行调整，包括锅炉给水动作、给水位置、液位控制器等。

通常情况下，水位控制系统可以选用YZ型号的液位控制器，其工作原理为控制器浮子将水位变化转换为磁性探头的相对位移，继而产生磁性继电器动作，并将动作信号输入到PLC中，从而有效实现了锅炉水位的双水位控制、水泵故障联锁、水位保护报警等效果。

（二）船舶锅炉水位PLC电气控制系统的硬件
船舶锅炉水位PLC电气控制系统电路可以分为主电路和PLC控制电路。

其中给锅炉液压水泵提供电源的是主电路，它主要由熔断器、断路器、水泵电机、热继电器、接触器等部分组成。

熔断器起着保护主电路短路的作用，而断路器起着控制主电路总开关和水泵主电路短路保护的作用，水泵电机用来控制抽放水，热继电器起着保护主电路过载的作用。

最后，水泵运行控制需要五个线路接触器，一个用来控制变频器电源通断，两个用来控制1号水泵和2号水泵的变频运行情况，另外两个用来控制水泵的工频运行。

锅炉水位电气控制电路设计需要根据输入、输出点的数量来进行PLC产品型号的选择，在这里我们举例说明。

某船舶锅炉水位电气控制系统有九个输入点和九个输出点，输入点包括启动、消音、水位下限、水位上限、水位下下限、水位上上限、变频器就绪、变频器故障、停止共九个。

输出点包括指示灯、1号水泵变频输出、1号水泵工频输出、2号水泵变频输出、2号水泵工频输出、蜂鸣器、停锅炉报警、报警排水、变频器电源控制共九个。

根据输入、输出点数量共十八个的控制要求，我们可以选用西门子S7-200系列的CPU224型号产
品，该型号具有十四个输入点以及十二个输出点，可以充分满足我们的控制需求。

另外，在电源模块的设计上，PLC供电使用24伏开关电源，变频器供电采用380伏交流电。

（三）船舶锅炉水位PLC电气控制系统的软件
船舶锅炉水位PLC电气控制系统软件需要满足控制工艺要求，保证系统正常运行。

供水系统可以判断PLC水位是否在上下限范围之内，如果处于正常范围，那么系统会接通变频器，从而控制水泵保持在恒压供水状态，并且实时监测水位变化情况。

如果监测到水位达到上限，控制系统会禁止水泵变频运行，直至水位恢复到正常范围，才会重启变频器控制水泵正常运行；如果水位达到上上限，系统会自动报警，需要进行排水工作；同样，如果监测水位达到下限，控制系统停止水泵变频运行，使其进入工频运行状态，如果水位恢复正常，水泵会继续在工频状态运行两分钟，随后进入变频运行；当监测水位继续下降到下下限，会引发系统警报，并且作出一系列动作，控制水位下降，直至恢复正常运行。

四、结论
综上所述，我们首先了解了船舶锅炉的种类及结构，然后简要介绍了PLC控制技术，最后对水位PLC电气控制系统的工作过程及软硬件设计进行了研究，希望能够起到积极的现实意义，为日后的相关工作提供参考。

参考文献：
[1]管旭. 基于PLC的船舶锅炉控制系统设计[J]. 船电技术，2013，33（06）：58-60.
[2]吕雪瑛. 船舶锅炉水位PLC电气控制系统设计[J]. 科学技术创新，2018（31）：185-186.。