船用辅锅炉自动控制系统设计与分析

船用辅锅炉自动控制系统设计与分析
李炜
【摘要】文章在分析了船用辅锅炉控制系统设计要求的基础上,采用可编程控制器为控制核心,开发出上位组态监控系统及下位可编程控制器控制程序,并完成了相关信号的数据通讯,设计了一套船舶辅锅炉控制系统.本系统可实现对船舶辅锅炉相关运行参数及控制元部件的监控调节,满足相关规范要求.
【期刊名称】《南通航运职业技术学院学报》
【年(卷),期】2011(010)001
【总页数】4页(P31-34)
【关键词】船用锅炉;控制系统;控制方案;可编程控制器;硬件设计
【作者】李炜
【作者单位】南通航运职业技术学院轮机工程系,江苏南通226010
【正文语种】中文
【中图分类】U664.5
0 引言
随着船舶科技水平的不断提高、船舶配员的不断减少以及对安全因素的不断重视，轮机设备的自动化程度不断提高，其运行可靠性也得到了保障。

而船用辅锅炉主要用于加热燃油、滑油并产生生活用蒸汽，其安全、稳定、高效地运行是船舶正常运营的前提，所以必须提高船舶辅锅炉的自动化程度与可靠性。

基于以上因素，本文
设计了基于可编程控制器（以下简称PLC）的船用辅锅炉自动控制系统，保证了
船舶辅锅炉的安全可靠高效运行。

1 船用辅锅炉系统分析
1.1 船用辅锅炉
船用辅锅炉装置是远洋船舶动力装置中的重要组成部件。

在柴油机动力装置的船舶上，部分蒸汽是用来加热燃油、滑油和满足各种日常生活取暖、蒸饭、加热水等，也有些用来驱动蒸汽辅助机械，这种用途的锅炉称之为辅锅炉，辅锅炉只产生饱和蒸汽。

在干货船上，通常只设一台低压燃油辅锅炉，且锅炉的蒸发量应小于
2.5T/h。

本文设计所选用的锅炉是一台船用水管锅炉，其蒸发量为1T/h，蒸汽压
力为0.6MP左右。

在PLC得到应用之前，大多数船舶辅锅炉所使用的控制方式为继电器控制系统。

所以锅炉在使用时，在完成各项准备工作之后，将控制按钮由“手动”转换为“自动”，然后按下控制箱上的起动按钮，锅炉就开始按自动点火、升汽等自动时序工作进行。

锅炉在正常运行时，控制系统将根据外界负荷的大小对锅炉的汽压和水位进行自动调节。

当外界不需要使用蒸汽时，锅炉就自动熄火停止工作；当锅炉发生故障时，首先停止锅炉工作，同时发出声光报警。

为保证锅炉的使用，需配一套手动控制装置，在自动控制失效时，作为应急操作系统。

1.2 船舶辅助锅炉的控制方案
船舶辅锅炉的控制主要包括以下几个环节：
（1）船舶锅炉起动前准备。

在锅炉准备点火前，主管人员应仔细检查锅炉的各部分：包括附件、汽水系统、自动控制系统是否正常。

炉舱中的防火设备是否齐全并处于备用状态。

如果是洗炉或修理后的首次点火，轮机长应亲自检查。

上水前，应检查水舱中炉水的质量，并向锅炉内加入水处理药剂，使炉水的碱度和磷酸根值符合规定要求。

上水时，水温与汽包壁面温度之差不宜超过60℃，最高水温不超过90℃。

在热炉点火时，不要向热锅炉中加入大量冷水，以免产生过大的温度应力
引起扩管处松动泄漏，上水的数量应视锅炉的型式而定。

上水时，除空气阀、压力表阀及水位计的通水阀、通汽阀应保持开足外，其它阀门、人孔门、手孔门应一律关闭。

上水结束后应关闭空气阀。

停汽阀在关死后应再回转1/4-1/2转，以防升汽后因阀杆受热膨胀较多将阀盘顶死在阀座上，致使以后开阀困难。

同时，注意锅炉水空间的每一接合部分有无渗水现象，检查各电气设备。

该阶段自动环节有：给水设备及过程控制、锅炉工作水位控制等方面。

（2）锅炉时序控制环节。

等一切检查完毕，就可以起动锅炉。

按下起动按钮后，锅炉按以下时序控制运行。

第一，预扫风。

为了防止锅炉炉膛内积存可燃性气体而产生爆炸事故，在点火前首先进行预扫风。

起动风机（起动风机时，燃油泵同时起动），将风机的风门开至最大，用大风量吹除锅炉内残余油气（此时燃油管上的电磁阀未打开，燃油在锅炉外打循环）。

预扫风时间一般在20-60s之间（采用
38s）。

第二，点火升汽。

当预扫风完毕后，进行点火，此时打开点火变压器，通过点火变压器产生的高压电使电火棒之间放电产生电火花，电火花时间一般为5-10s（可采用7s），预扫风和点火过程总时间是45s。

如果第一次点火不成功，火焰监视器起作用，发出声光报警信号，同时切断供油泵、风机、燃油电磁阀等。

程序回到初始位置。

第二次点火同样按点火程序动作，第二次点火不成功，发出声光报警信号。

同时切断各电路，等故障排除且按下故障排除按钮才可进行第三次点火工作。

第三，锅炉的预热。

当点火成功后，此时锅炉的控制仍处于手动控制状态，通过使锅炉工作一段时间，然后停炉一段时间，再工作一段时间，再停炉，反复进行此操作，对锅炉缓慢的加热并达到一定的汽压。

第四，正常燃烧。

当锅炉通过预热到加热一定的压力后，此时，应将锅炉的控制由手动控制转为自动控制，让锅炉进入正常燃烧阶段。

此时，锅炉的控制系统将根据锅炉的负荷变化自动调整喷油嘴喷入炉膛的燃油量或改变喷油嘴投入工作的数量。

2 基于PLC的辅锅炉自动控制设计
随着科技的不断发展，PLC以其自身独特的优势在工业控制的各个领域都得到了
广泛的应用。

船舶一年四季在海上航行，海况较差，所以船用设备的工作环境比较恶劣，而PLC具有体积小、组装容易、编程简单、软件适应性强、抗干扰能力强
及工作可靠性高等特点，非常适用于船用辅锅炉的控制元件。

基于以上因素，船舶辅锅炉控制系统摒弃了原来的继电器控制设备，改由PLC作为控制核心。

[1,2]
2.1 船舶辅锅炉控制系统设计要求
设计思路为：采用浮子式双位调节对锅炉的水位进行控制，采用双位控制方式对锅炉汽压在低负荷时进行控制，采用压力比例调节器/电动比例操作器的比例控制对
正常负荷时进行控制，采用光敏电阻对锅炉的燃烧火焰进行监视。

锅炉除了以上自动控制外，还应具有极限（最低危险）水位保护、风压失压或低压保护、油压失压保护、蒸汽压力过高保护等。

在自动控制系统不起作用时，控制系统可转换为手动操作。

而时序控制系统的功能主要有以下四个方面。

（1）预扫风。

预扫风主要是在起动锅炉时先用空气将残留在炉膛内的油气吹除，防止炉膛内集油过多而在点火时发生爆燃。

预扫风的时间根据锅炉的结构形式不同而异，可自主设置。

当预扫风完成后，控制系统就会给锅炉一个起动信号，控制系统开始自动起动油泵和风机。

这时，燃油电磁阀处于关闭状态，不能向锅炉供油，同时将风机的风门开至最大进行预扫风。

（2）点火。

当系统调定的预扫风时间达到后，控制系统通过控制机构先自动关小风门，同时给点火变压器通电，使点火电极之间高压放电产生电火花进行点火(时
间为3s左右)。

若不关小风门减小供风量，则易造成锅炉点火失败。

点火成功与否，则由光敏电阻来监控。

在调定的点火时间内，当光敏电阻感受到火焰温度，锅炉会自动转为正常燃烧。

反之则说明点火失败，锅炉停止工作并发出声光报警，如果要重新起动锅炉，必须待找到故障原因并排除后方行。

（3）负荷控制。

当锅炉点火成功并转为正常燃烧后，不可立即转为大火燃烧，维
持一段时间的低火燃烧，用于对锅炉进行预热，当达到整定值后（30min）后，开大风门，加大供油量（并关小回油阀），增强炉膛内的燃烧强度，让锅炉进入正常燃烧的负荷控制阶段。

（4）安全保护。

若出现点火失败、风机失压、中间熄火、水位太低等各种现象，保护系统会对锅炉进行安全保护使锅炉自动停炉。

如果要重新起运锅炉，需待故障排除后，按复位按钮才行。

2.2 PLC选型及输入输出点的设计
根据以上分析，船舶辅锅炉控制系统的输入与输出点数总和不超过30个，所以选用60个点数的FX2N-60MR型PLC，可以满足信号点数的要求。

另外，从该型PLC参数表上可以清楚的看出其内部软元件数也满足控制的要求。

根据分析，设计系统输入输出点分配表如表1所示。

表1 输入、输出点分配表PLC地址（X:输入/Y:输出）X000 X001 X005 X006
X007 X011 X012 X013 X014 X015 X016 X017 X020 X021 X022信号名称起动按钮停炉按钮急停按钮全自动开关水泵起动/停止(手动)风机起动/停止(手动)油泵起动/停止(手动)手动点火风机检测器流量传感器高水位低水位危险低水位油泵热保护水泵热保护PLC地址（X:输入/Y:输出）X023 X024 X025 X026 Y000 Y001 Y002 Y003 Y004 Y005 Y006 Y007 Y010 Y011信号名称风压保护超压保护风机热保护光电池控制触点水泵风机油泵压力调节器点火变压器燃油阀熄火保护复位熄火指示灯危险低水位指示灯报警器
FX2N系列的PLC中X0-X4为高速计数的输入点，可作为流量、转速等模拟量的使用。

另外因为使用高速计数器的脉冲密度SPD指令时，X10须接通，故保留
X2-X4及X10预留给系统扩展使用。

2.3 船用辅锅炉控制系统的硬件架构设计
本控制系统的硬件架构主要包括上位机、下位机、输入输出接口等部分。

（1）上位机（监控层、操作层）。

本系统的上位监控组态系统以力控软件（ForceControl 3.62）作为运行平台。

采用PC机对船舶辅锅炉的自动控制系统
进行监控管理，并提供人机交互、运行参数的采集转换、数据存储查询等功能，同时可根据现场受控设备和检测点的巡检结果做出故障报警判断及运行参数表格的存储、生成和打印输出。

（2）下位机（控制层）。

由三菱FX2N-60MR、FX2-6A模拟量模块、32CCL现场总线模块、三菱FR变频器组成，采用屏蔽双绞线作为传输介质。

（3）开关量输入/输出接口，将现场的靶式流量控制器、供水电磁阀、鼓风机和
锅炉组设备的运行状况和液位状况、烟雾检测信号、流量信号等开关量直接接到PLC的I/O接口；模数、数模模块（三菱FX2-6A）用于对PI调节模拟量的检测；锅炉燃油回油阀开度模拟量采用PID调节，由于回油阀改变的同时就要改变风门
挡板的开度，通过改变交流电机的频率来达到改变供水的流量；集线器（采集器）用于对温度信号进行采样，采集器与中央控制单元（PC机）之间由
RS232/RS485通讯实现数据交换。

计算机目前采用RS-232通信口，而三菱FX
系列PLC的通信接口是R-422，所以上位机与PLC的通信必须采用带有RS-
232/422转换的SC-09的专用通信电缆。

系统硬件架构系统如图1所示。

2.4 PLC与上位机间的通信梯形图设计
由于采用PLC作为船用辅锅炉的控制核心，若为纯粹的PLC控制，梯形图则很简单，考虑到用上位机也可以进行控制，则PLC的梯形图要求有两套控制方案。

（1）当上位机处于关闭状态或失效时，则PLC进行控制，下位机可以完成油门和风门挡板的PID调节。

（2）当采用上位机进行监控时，由于上位机不能对PLC的输入点进行改写，因此只能通过改写PLC的中间继电器(M)或数据(D)的值来体现从上位机控制PLC的输入情况。

本系统部分控制回路的PLC通信梯形图如图2所示。

图1 船辅锅炉控制系统硬件架构图
图2 船舶辅锅炉PLC通信梯形图（部分控制回路）
3 结束语
本文针对船用锅炉进行系统分析，分析船用锅炉的现状和类型，并研究了锅炉系统的控制过程和自动控制的要求，设计了以PLC作为下位控制核心，以力控软件作为系统运行平台的船用辅锅炉控制系统。

系统投入运行后，运行稳定，达到了预期控制目标。

本系统提高了船用锅炉的自动化水平，保障了其运行的安全可靠性。

参考文献：
[1]曾新红.可编程控制器在船舶辅助锅炉中的应用[J].船海工程,2006(5):54-56.
[2]邱志红.可编程控制器在船舶辅助锅炉自动控制系统中的应用[J].航海技
术,2000(5):52-54.。