船舶鍋爐水位PLC電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 汪 健 張?zhí)K新

船舶鍋爐水位PLC電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 汪 健 張?zhí)K新

當(dāng)前我國(guó)船舶鍋爐雖然有一定程度的自動(dòng)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(fù)雜、可靠性差、維護(hù)工作量大。為改造舊船，改善船員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，采用可編程控制器控制來(lái)實(shí)現(xiàn)鍋爐的自動(dòng)控制，不僅具有控制線路簡(jiǎn)單、可靠性高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，而且易維護(hù)、易擴(kuò)展。本文首先對(duì)船舶鍋爐的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程進(jìn)行了闡述，在此基礎(chǔ)上，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，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(hào)，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(dòng)機(jī)等輔助裝置組成。在軟件上，通過(guò)STEP 7-Micro/WIN軟件對(duì)PLC進(jìn)行編程，包含一臺(tái)水泵恒壓供水、兩臺(tái)水泵供水、報(bào)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(shè)計(jì)。

船舶鍋爐；PLC；STEP 7-Micro/WIN

引言

鍋爐是船舶的重要設(shè)備之一，在采用內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力裝置的船舶上，主要產(chǎn)生蒸汽用于加熱燃油、主機(jī)暖缸、驅(qū)動(dòng)輔助機(jī)械及生活雜用。當(dāng)前船舶鍋爐機(jī)艙自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，鍋爐的自動(dòng)控制在實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)艙是必不可少的。船用鍋爐由于其應(yīng)用場(chǎng)合不同，需要特定的要求，在結(jié)構(gòu)上，能夠適應(yīng)船舶的晃動(dòng)和沖擊，同時(shí)要有一定的容積能夠儲(chǔ)存汽和水，并且其蒸汽參數(shù)、蒸發(fā)量、鍋爐效率、蒸發(fā)率和爐膛容積熱負(fù)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(jié)構(gòu)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(qiáng)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(guò)濾（＜2.0MPa）；按照工作介質(zhì)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(duì)象，對(duì)其水位系統(tǒng)的控制進(jìn)行研究，采用水位計(jì)對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)控制需要將4個(gè)水位（上上限水位、下限水位、上限水位、上上限水位）的4個(gè)開關(guān)量信號(hào)接入PLC，經(jīng)過(guò)PLC控制水泵電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水、低水位聯(lián)鎖、報(bào)警和給水電動(dòng)機(jī)故障時(shí)的聯(lián)鎖控制，使系統(tǒng)全自動(dòng)平穩(wěn)運(yùn)行。

1.船舶鍋爐的結(jié)構(gòu)及其工作原理

船舶鍋爐主要由鍋爐本體和輔助設(shè)備組成。鍋爐本體包括有爐膛、蒸發(fā)受熱面、蒸汽過(guò)熱器、省煤器、空氣預(yù)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(huì)損失；蒸發(fā)受熱面通過(guò)煙氣傳熱方式，將熱量傳遞給鍋水；蒸汽過(guò)熱器能夠產(chǎn)生更大的動(dòng)力機(jī)械；省煤器用于加熱鍋爐的給水，起到節(jié)能的作用；空氣預(yù)熱器是運(yùn)用煙氣的預(yù)熱來(lái)改善燃料的燃燒，在一定程度上能起到節(jié)能作用。輔助設(shè)備包括用于產(chǎn)生熱量的燃燒裝置、補(bǔ)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(fēng)系統(tǒng)和保證鍋爐安全工作的監(jiān)測(cè)儀表設(shè)備。

船舶鍋爐水位控制工作過(guò)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(qiáng)增大，會(huì)使得汽化編程氣體，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后形成飽和水，然后進(jìn)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(shí)油氣吸收煙氣的熱量，導(dǎo)致溫度不斷升高，便成了燃?xì)?，與燃料進(jìn)行一定的比例混合，進(jìn)入爐膛燃燒，產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器，形成飽和蒸汽。在該工作過(guò)程中，鍋爐的液位必須保持在一定的范圍內(nèi)，才能使得鍋爐正常運(yùn)行。

2.船舶鍋爐水位系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

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(jī)。斷路器用于水泵控制主電路的總開關(guān)以及水泵主電路的短路保護(hù)；熔斷器用于主電路的短路保護(hù)；5個(gè)水泵線路接觸器用于水泵運(yùn)行的控制，1個(gè)用于變頻器電源通斷控制接觸器，2個(gè)接觸器用于1號(hào)水泵和2號(hào)水泵的變頻運(yùn)行控制，2個(gè)用于水泵的工頻運(yùn)行控制；熱繼電器用于主電路的過(guò)載保護(hù)，2個(gè)水泵電機(jī)用于抽放水控制。

在PLC控制回路中，首先需要根據(jù)輸入輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)，對(duì)PLC進(jìn)行選型。本文設(shè)計(jì)的船舶鍋爐液位電氣控制系統(tǒng)用到了9個(gè)輸入點(diǎn)和9個(gè)輸出點(diǎn)共18個(gè)點(diǎn)，9個(gè)輸入點(diǎn)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(gè)輸出點(diǎn)包括指示燈、蜂鳴器、1號(hào)水泵變頻輸出、2號(hào)水泵變頻輸出、1號(hào)水泵工頻輸出、2號(hào)水泵工頻輸出、報(bào)警排水、停鍋爐報(bào)警和變頻器電源控制。根據(jù)控制要求，本文選用的西門子公司S7-200系列CPU224，該P(yáng)LC共有14個(gè)輸入和12個(gè)輸出共26個(gè)點(diǎn)，能夠滿足控制系統(tǒng)的要求。電源模塊選用24V開關(guān)電源用于PLC的供電，380V交流電用于變頻器的供電，設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　硬件結(jié)構(gòu)圖

3.船舶鍋爐水位系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)船舶鍋爐液位電氣系統(tǒng)的控制工藝要求，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)包括一臺(tái)水泵恒壓供水、兩臺(tái)水泵供水、報(bào)警和變頻恒壓時(shí)，PLC報(bào)警并控制過(guò)濾停鼓風(fēng)壓火，直至高于水位下下限時(shí)，課接觸鼓風(fēng)機(jī)停機(jī)指令，恢復(fù)正常工作，從而完成供水聯(lián)鎖控制。

4.結(jié)論

本文首先對(duì)船舶鍋爐的基本概念及其分類進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，在此基礎(chǔ)上，本文選用4個(gè)限位開關(guān)對(duì)水位的各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。然后從鍋爐本體和輔助設(shè)備對(duì)船舶鍋爐的基本機(jī)構(gòu)進(jìn)行了介紹，進(jìn)而分析了其工作過(guò)程，在此基礎(chǔ)上，對(duì)船舶鍋爐水位系統(tǒng)進(jìn)行PLC電氣控制的硬件和軟件設(shè)計(jì)。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(hào)，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(dòng)機(jī)為輔組成的。在軟件上通過(guò)STEP 7-Micro/WIN軟件對(duì)PLC進(jìn)行編程，其程序包含一臺(tái)水泵恒壓供水、兩臺(tái)水泵供水、報(bào)警和變頻恒壓供水。通過(guò)件硬和軟件設(shè)計(jì)，最終完成了船舶鍋爐液供水。根據(jù)PLC判斷水位的位置，來(lái)控制其運(yùn)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(guò)判斷PLC水位是否在上限與下限范圍內(nèi)，若在此范圍內(nèi)則接通變頻器控制水泵進(jìn)入恒壓供水狀態(tài)，并不斷檢測(cè)鍋爐水位。當(dāng)水位到達(dá)上限時(shí)，則水泵變頻運(yùn)行停止，并繼續(xù)檢測(cè)水位，直至低于水位上限時(shí)，變頻器重新啟動(dòng)去控制另外一臺(tái)水泵進(jìn)行運(yùn)行，以使得水泵交替運(yùn)行。如果水位高于上上限，輸出報(bào)警，請(qǐng)求排水。如果運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)到水位低于水位下限時(shí)，則水泵變頻運(yùn)行停止，轉(zhuǎn)換水泵進(jìn)入工頻運(yùn)行。當(dāng)水位升至高于下限時(shí)，水泵在工頻狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行2Min，然后轉(zhuǎn)入變頻調(diào)速控制的恒壓供水方式。如果水泵工頻運(yùn)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(shè)計(jì)。

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

［2］呂金華.江漢紅.基于PLC的船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)［J］.徽計(jì)算機(jī)信息.2005，21

［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(shù).2014，4

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