基于PLC的船舶辅锅炉控制系统的设计

收稿日期：2012－08－22摘要：为解决传统继电器—接触器电气控制系统存在的线路复杂、可靠性和稳定性差、故障诊断及排除困难等难题，研究船舶辅锅炉自动控制。PLC控制系统与继电器—接触器控制系统相比，具有结构简单，编程方便，调试周期短，可靠性高，抗干扰能力强，故障率低，对工作环境要求低等一系列优点。因此，把PLC控制技术应用到船舶辅锅炉自动控制系统的改造方案中，大大提高了辅锅炉自动控制系统的工作性能。分析了船舶辅锅炉自动控制的控制原理，给出了相应的控制流程图，制定了辅锅炉PLC控制系统的设计方案，完成了该系统软硬件的设计，其中包括PLC机型的选择、I/O接口的分配、PLC外部接线图的绘制和PLC梯形图程序的设计。最后对辅锅炉PLC控制的工作过程作了详细阐述。关键词：船舶辅锅炉；PLC；自动控制中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009－9492(2013)01－0049－06TheControlSystemDesignofMarineAuxiliaryBoilerBasedonPLCFENGTeng-fei，PANXiao-fei（LuanchuanLongyuMolybdenumIndustryCo.，Ltd，Luoyang471500，China）Abstract:ThispaperistodiscusstheproblemofMarineauxiliaryboilercontrolsystem，tosolvethetraditionalrelay-contactorcontrolsystem’sdifficultiessuchaselectricalwiringcomplexity，poorreliabilityandstability，difficultiesforfaultdiagnosisandtrouble-shooting.Comparedwithrelay-contactorelectriccontrolsystem，theelectricalcontrolsystembasedonPLChasaseriesofadvantagessuchasthesimplestructure，easyprogramming，shortdebuggingcycle，highreliabilityandstronganti-interferenceability，lowfailurerate，andlowenvironmentalrequirements.Therefore，PLCcontroltechnologyisappliedtotherehabilitationprogramsforthemarineauxiliaryboilercontrolsystem，toincreasetheworkperformanceofthemarineauxiliaryboilercontrolsystem.Besidescomingupwiththecontrolflowchart，thispaperalsoanalyzesthecontroltheoryofthemarineauxiliaryboilercontrolsystemanddevelopesadesignplanfortheauxiliaryboilerPLCcontrolsystem，thuscompletingthesystem’shardwareandsoftwaredesign，includingthechoiceforPLCmodel，theassignmentofI/Oport，thedesignofPLCexternalwiringdiagramandPLCladderchart.ThentheauxiliaryboilerPLCcontrolprocessisexpoundedindetails.Keywords:marineauxiliaryboiler；PLC；automaticcontrol基于PLC的船舶辅锅炉控制系统的设计冯腾飞，潘晓飞（栾川龙宇钼业有限公司，河南洛阳471500）DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2013.01.0130引言船舶辅锅炉是船舶动力装置中最早实现自动控制的设备之一。它包括水位的自动控制，蒸汽压力的自动控制，锅炉点火及燃烧的时序控制和自动安全保护等。大型油船辅锅炉所产生的蒸汽主要用于加热货油，驱动货油泵及其他甲板机械，其蒸发量及蒸汽压力都比较大；柴油机货船辅锅炉所产生的蒸汽仅用于加热柴油机所需用的燃油、滑油及船员生活，其蒸发量及蒸汽压力比较小[1]。因此，确保船舶辅锅炉控制系统安全可靠且经济运行，是船舶自动化控制的重要内容之一。辅锅炉自动化控制装置采用计算机技术，包括可编程控制器（PLC），使控制部分体积质量大大减小，工作可靠性大大提高，控制方式也由硬件控制变为软件控制为主，使功能的组合、扩展或修改变得很容易，而且维护方便，模块通用性好，抗干扰能力强，非常适合在恶劣的工业环境下使用。船舶辅锅炉控制系统有其自身的特点，船舶工况复杂多变，船舶的辅锅炉设备工作条件恶劣，更易发生故障等，而传统的继电接触式控制系统的可靠性、稳定性都不够理想，因此采用可靠性好的可编程控制器来控制显得十分有必要。工业自动化机电工程技术2013年第42卷第01期491船舶辅锅炉PLC自动控制的设计1.1船舶辅锅炉PLC自动控制流程根据船舶辅锅炉的工作原理及过程，设计出其由PLC进行控制的整个工作流程（如图1所示），包括：（1）水位正常的判定；（2）风机正常的判定；（3）油泵正常的判定；（4）点火成功的判定。1.2船舶辅锅炉PLC自动控制硬件设计1.2.1设计方案本课题应用PLC控制器设计船舶辅锅炉自动控制系统，实现了以下基本功能：（1）锅炉起动前和停炉后都能保证水泵独立正常工作；（2）应有“自动”、“手动”两种控制方式；（3）对自动启动的各程序工作（水位检测、转换开关置于自动位置、风压检测、预扫风、自动点火等）设置逻辑判断和监视；（4）风量和油量的配比，由风门挡板的适当开度来保证；（5）适用于燃烧重油，设有燃油加热器及其控制线路和“轻油—重油”切换电路，燃油采用电加热；（6）采用两个压力开关实现锅炉蒸汽压力的双位自动控制；（7）有正常停炉和紧急停炉两种停炉方式；（8）锅炉运行故障监视，包括高水位、低水位、危险低水位、低风压、汽压高、水泵过载、风机过载、油泵过载、中途熄火等故障保护[2]。1.2.2PLC选择本锅炉控制系统有21个输入点，14个输出点，根据选择的原则和方法，本设计采用德国西门子S7-200CPU226CN，输入24点，输出16点[3]。具体输入输出接口如“表1”所示。定时器和辅助继电器的分配如“表2”所示。图1船舶辅锅炉PLC自动控制流程图工业自动化机电工程技术2013年第42卷第01期501.2.3PLC硬件电路设计本控制系统PLC硬件接线图如图2所示。图2中，PLC的电源接线等外部电路在此就省略未画出，画出的都是可编程控制器的输入和输出接口。1.3船舶辅锅炉PLC自动控制软件设计本锅炉系统选用S7-200CPU226CN作为控制核心，根据控制流程图和系统的输入、输出信号编制梯形图，如图3所示。本装置在自动位置按下I0.3后系统就会根据所检测到的信号自动投入运行，当检测到有故障信号时，系统会发出声光报警甚至停炉。1.4辅锅炉PLC控制过程分析（1）起动前的准备1）合上总电源开关，控制电路接通电源。2）如果锅炉水位低于危险低水位，则触点I1.2(95)断开，M0.8断电，其常开触点M0.8(9)断开，锅炉无法起动。将给水泵转换开关扳到“手图2PLC硬件接线图表1输入输出接口一览表编号I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5I0.6I0.7I1.0I1.1I1.2I1.3I1.4I1.5I1.6I1.7I2.1I2.2I2.4I2.6I2.7名称水泵转换开关—停止水泵转换开关—自动水泵转换开关—手动起动停止燃烧转换开关—停止燃烧转换开关—自动燃烧转换开关—手动低风压汽压高危险低水位高水位低水位水泵过载风机过载油泵过载风机和油泵开关—自动风机和油泵开关—手动燃油电磁阀—手动手动点火火焰监视编号Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1Q1.2Q1.3Q1.4Q1.5Q1.6名称水泵接触器线圈风机接触器线圈油泵接触器线圈点火变压器线圈风门挡板线圈燃油电磁阀线圈熄火保护继电器线圈水泵运转指示灯风机运转指示灯油泵运转指示灯故障熄火指示灯危险低水位指示灯低风压指示灯声光报警定时器T2T3T11T12T13T14T15T16T17火焰监视计时10s点火成功计时2s开始风压检测70s延开开始点火60s延闭预扫风计时60s延闭打开燃油电磁阀62s延闭开始火焰计时60s延闭中途熄火监视70s延闭后扫风计时60s延开辅助继电器M0.1M0.2M0.7M0.8M1.2M1.3M1.4M1.5M2.0M3.0M4.1M3.1M0.4、M3.2熄火保护燃烧水位双位控制危险低水位风机油泵点火（手动）点火（自动）熄火指示（中）低风压指示（中）时间继电器火焰监视中间继电器表2定时器、辅助继电器一览表工业自动化冯腾飞等：基于PLC的船舶辅锅炉控制系统的设计51动”位置，触点I0.2(0)闭合，Q0.0通电，水泵起动向炉内供水。当水位上升至正常水位后，把水泵转换开关扳到“停”位置，水泵就停止工作。然后再将给水泵开关扳到“自动”位置，触点I0.1(0)闭合，此时锅炉水位就由高水位压力开关触点I1.3(76)和低水位压力开关触点I1.4(76)进行双位控制。3）使燃油压力和温度控制系统投入工作，保持燃油压力和温度在正常范围内。4）将燃烧转换开关扳到“手动”位置，风机和油泵开关扳到“手动”位置，触点I0.7(9)和I2.2(26)均闭合，按下起动按钮I0.3，M0.2通电，M0.2(9)、(26)闭合自锁，M1.2和M1.3通电，M1.2(124)和M1.3(126)触点闭合，则Q0.0和Q0.2通电，起动风机进行预扫风，同时油泵进行预运转，手动预扫风约一分钟后，按停止按钮I0.4，使风机停止工作。（2）手动控制在手动控制前，将燃烧转换开关置于“停止”位置，将风机和油泵开关、点火控制开关和燃油电磁阀控制开关置于“自动”位置。手动操作具体步骤如下。1）按下起动按钮I0.3接通控制电路。2）将燃烧转换开关扳到“手动”位置，I0.7(9)、(26)闭合，M0.2通电，M0.2(9)、(26)闭合。3）将风机和油泵转换开关转到“手动”位置，风机和油泵投入运行，进行预扫风并使燃油管路建立油压。4）预扫风一分钟左右，将点火控制开关扳到“手动”位置，触点I2.6(26)闭合，I0.7(26)已闭合，M1.4通电，触点M1.4(121)闭合，点火变压器Q0.3通电，点火电极之间产生电火花进行点火。同时Q0.4通电，风门挡板关闭，准备点火。5）将燃油电磁阀控制开关扳到“手动”，触点I2.4(26)闭合，燃油电磁阀Q0.6有电，油泵到喷油器的供油管路打开，向炉内喷油，开始点火。6）从观察孔看到火焰时，将点火控制开关扳图3船舶辅锅炉PLC自动控制梯形图工业自动化机电工程技术2013年第42卷第01期52到“自动”位置，终止点火变压器工作，Q0.4断电，风门挡板打开，进入正常燃烧阶段。7）若手动点火失败，应立即将燃油电磁阀控制开关扳到“自动”，并进行后扫风，然后将风机和油泵开关扳到“自动”位置，燃烧转换开关扳到“停止”位置。待故障排除并复位后，方可进行重新点火。8）停炉时，应将燃油电磁阀控制开关扳到“自动”并进行后扫风，再将风机和油泵开关扳到“自动”位置，燃烧转换开关扳到“停止”位置，最后切断总电源。船舶辅锅炉之所以设置手动控制，其目的是在于当自动控制系统发生故障时，锅炉能够在人工操作的条件下顺利起炉点火，并在点火成功后顺利进入正常燃烧阶段。（3）自动控制在完成锅炉起动前的准备后，然后将水泵开关、燃烧开关、风