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工业 自 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ， j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 1 3 基于P L C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4 7 1 5 0 0 摘要为解决传统继电器一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。P L C 控制系统与继电器一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P L C 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P L C 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P L C 机型的选择、I ／ O 接 口的分配 、 P L C 外部接线图的绘 制和P L C 梯形图程序的设计。最后对辅锅炉P L C 控制的工作过程作了详细阐述。 关键词船舶辅锅炉； P L C ；自动控制 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识 码A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2f 2 0 1 3 0 l 一0 0 4 90 6 Th e Co n t r o l S y s t e m De s i g n o f M a r i n e Au x i l i a r y Bo i l e r Ba s e d o n PLC F E NG T e n g f e i ．P AN Xi a o f e i L u a n c h u a n L o n g y u M o l y b d e n u m I n d u s t r y C o ． ，L t d ，L u o y a n g 4 7 1 5 0 0 ，C h i n a Abs t r a c t T hi s pa p e r i s t o d i s c u s s t h e p r o b l e m o f Ma r i n e a u x i l i a r y b o i l e r c o n t r o l s y s t e m ， t o s o l v e t h e t r a d i t i o n a l r e l a y c o n t a c t o r c o n t r o l s y s t e m ’ S d i ffic ul t i e s s u c h a s e l e c t r i c a l wi r i n g c o mpl e x i t y， p o o r r e l i a b i l i t y a n d s t a bi l i t y， d i ffic u l t i e s f o r f a u l t d i a g n o s i s a n d t r o u b l e s h o o t i n g ．C o mp a r e d wi t h r e l a y c o n t a c t o r e l e c t r i c c o n t r o l s y s t e m， t h e e l e c t r i c a l c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n P LC h a s a s e r i e s o f a d v a n t a g e s s u c h a s t h e s i mp l e s t r uc t u r e， e a s y p r o g r a mmi n g， s h o rt d e b u g g i n g c y c l e ， h i g h r e l i a b i l i t y a n d s t r o n g a n t i - i n t e r f e r e n c e a b i l i t y， l o w f a i l u r e r a t e，a n d l o w e n v i r o n me n t a l r e u i r e me n t s ． T h e r e f o r e ， P LC c o n t r o l t e c h n o l o g y i s a p p l i e d t o t h e r e ha b i l i t a t i o n p r o g r a ms f o r t h e ma r i n e a u x i l i a r y b o i l e r c o n t r o l s y s t e m，t o i n c r e a s e t h e wo r k p e r f o r ma n c e o f t h e ma r i n e a u x i l i a ry b o i l e r c o n t r o l s y s t e m． Be s i d e s c o mi n g u p wi t h t h e c o n t r o l flo w c ha r t ，t hi s p a p e r a l s o a n a l y z e s t he c o n t r o l t h e o r y o f t he ma r i n e a u x i l i a ry b o i l e r c o n t r o l s y s t e m a n d d e v e l o p e s a d e s i g n p l a n f o r t h e a u x i l i a ry b o i l e r P LC c o n t r o l s y s t e m， t h u s c o mp l e t i n g t h e s y s t e m’ S h a r d wa r e a nd s o f t wa r e d e s i g n，i n c l u d i n g t h e c h o i c e for PLC mo d e l ， t h e a s s i g n me n t o f I ／ O p o r t ，t h e de s i g n o f P LC e x t e r n a l wi r i n g d i a g r a m a n d PL C l a d d e r c ha r t ． Th e n t h e a ux i l i a ry b o i l e r P LC c o n t r o l p r o c e s s i s e x p o u n d e d i n d e t a i l s ． Ke y wo r ds ma r i n e a u x i l i a ry b o i l e r ；P LC；a u t o ma t i c c o n t r o l 0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 。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。 收稿 日期 2 0 1 20 82 2 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 P L C ，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。 自动化 1 船舶辅锅炉 P L C自动控制的设计 1 ． 1 船舶辅锅炉 P L C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P L C进 行控 制 的整个 工作 流程 如 图 l 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 P L C自动控制硬件设计 1 ． 2 ． 1 设计方案 本课题应用 P L C控制器设计船舶辅锅炉 F 1 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 ； 图 1 船舶辅锅炉P L C自动控制流程图 r r T ] ＼ ＼ 5 0 ＼ ＼ 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 “ 轻油一重油 ”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 。 1 ． 2 ． 2 P L C 选择 本锅炉 控 制 系 统有 2 1 个 输 入 点 ， l 4个 输 出 点 ，根 据选 择 的原则 和 方 法 ，本设计采用德围西 门 子 S 7 2 0 0 C P U 2 2 6 C N，输 入 2 4点 ，输 出 1 6点 。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 冯腾飞 等基于P L C的船舶辅锅炉控制系统的设计 工业自 表 1 输入输出接 口一览表 表 2 定时器、辅助继电器一览表 1 ．2 ． 3 P L C 硬件电路设计 本控制系统P L C 硬件接线图如图2 所示。图2 中，P L C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。 图2 P L C硬件接线图 水 泵 风机 油泵 点火变压器 风门挡板 燃 油电磁 阀 熄火保护 水泵 风机 油泵 故障熄火 危险低水位 低风压 声光报 警 1 ． 3船舶辅锅炉 P L C自动控制软件设计 本锅炉系统选用s 7 2 0 0 C P U 2 2 6 C N 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1 0 -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 P E G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 I 1 ． 2 9 5 断开 ，M 0 ． 8 断电，其常开触点 M 0 ． 8 9 断 开，锅炉无法起动。将给水泵转换开关扳到 “ 手 自动化 5 0 5q’ Ib S 曝二 f l Q,o 7 爱 M0． 2 l 1 ． 1 1 2． 1 I 1 ． 6 ]厂 1_ r]厂 I I 2． 2 I1． 7 l I I ，fl 10． 5 I O． 7 I 2． 6 ■ r Tl 2 M0 ． 4 l I I Tl 3 T3 - q l 卜__J M1． 2 T1 4 n． 1 曛 ] r I I 2． 7 l I I I M 3．1 l l l I M 3． 2 I ／rl I 1 ． 4 M0 ． 7 I 1 ．3 1 _ _ J ． 火焰 计 1 i l I I M0 ． 4 点火成功计 I T 2 Q l I M0 ． T 16 、 H卜 1 H卜 I t l I 2 l1 ． 1 l 1 ． 1 I l M l 2 i i M 1 ． 3 i i J o I I 9 o 1 l l ，2 l i M 0 ． 1 i i I i I 1 ． 0 1 1 M0． 8 I 0 l M 8 M2． O 卜 一 M3 图 3 船舶辅锅炉 P L C自动控制梯形 图 动”位置，触点1 0 ．2 0 闭合 ，Q 0 ．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 1 0 ． 1 O 闭合 ，此时锅炉水位就由高水位压力开关 触点I 1 ．3 7 6 和低水位压力开关触点I 1 ．4 7 6 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 1 0 ． 7 9 和 I 2 ． 2 2 6 均闭合 ，按下起动按 钮 1 0 _ 3 ，M0 ． 2 通 电 ，M0 ． 2 9 、 2 6 闭合 白锁 ，M1 ． 2 和 M1 _ 3通 电 ，M1 ． 2 1 2 4 1 和M1 ． 3 1 2 6 点闭合，则 Q o ． o 和Q 0 ． 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 1 0 -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 。 开 闭 闭 期 间 澜 研 延 延 延 涎 ， ㈣ 慨 8 l 2 3 4 5 6 7 ” n ～ ， ， {； i{ ； l 2 O l 2 O O 冯腾飞 等 基于P L C的船舶辅锅 炉控制 系统的设计 自 到 “ 自动”位置，终止点火变压器工作，0 0 ．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 、风机和油泵开关都扳到 “ 自动” 位置，准备自动起动。 1 预扫风 按下起动按钮1 0 ． 3 ，此时水位正常 ，M O ． 8 有 电，其常开触点M O ． 8 9 1 闭合。此时T l l 计时时间 未到 ，其常闭延时开触点 T 1 1 9 闭合 ，M 0 ． 2 有 电，Q O ． 1 和Q O _ 2 通 电，风机和油泵开始运转。由 于燃油 电磁 阀无 电关 闭 ，所 以燃油 在管 路 中循 环 ，不能进入炉内。此时M 0 ． 1 2 6 闭合 ，M 4 ． 1 得 电 ，M4 ． 1 9 7 闭合 ，T 1 l 、T 1 2 、T 1 3 、T 1 4 、T 1 5 、 T 1 6 均开始通电计时。此时T 1 3 计时未到，其常开 延时闭触点T 1 3 2 6 断开，风门挡板Q O ．4 断电，风 门挡板在弹簧力的作用下开度最大，风机对炉膛 进行预扫风 。 由于在6 0 S 之前未进行点火 ，所以火焰感受 器感受 不 到火焰 的光 照 ，I 2 ． 7 2 6 断 开 ，M3 ． 1 无 电 ，M0 ． 4 有电 ，M0 ． 4 2 6 、 8 0 触点闭合 ，为 自动 点火和火焰监视计时器T 2 通电做好准备。 2 点火 在预扫 风 6 0 s 时 ，T 1 3 计 时时 间到 ，其 常开 延时闭触点T 1 3 2 6 闭合 ，Q 0 ．4 通电，风门挡板关 闭，准备点火。T 1 2 计时时间到 ，常开延时闭触 点 T 1 2 2 6 闭合 ，M1 ．5通 电 ，触 点 M1 ．5 1 2 1 闭 合，点火变压器0 0 -3 通电，点火电极之间产生电 火 花进 行 预点 火 。T 1 4计 时 时间 到 ，T 1 4 2 6 1 闭 合。此时炉内处于无压或低压状态 ，I 1 ． 1 2 6 是闭 合的，故燃油电磁阀Q O ．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 0 S 时 ，T 1 5 计时时间到 ，T 1 5 8 0 同时闭合 ，T 2 通 电。延时 1 0 S 后才能将触点T 2 9 0 闭合，熄火保 护继 电器 Q 0 ． 7 通 电，此 时只对火焰进行监视 ，为 熄火保护做好准备。 若 1 0 S内点火 成功 ，火焰 感受 器感 受 到光 照 ，触 点 I 2 ． 7 2 6 闭合 ，M0 ． 4失 电 ，M0 ． 4 8 o 断 开，T 2 失电，其触点T 2 9 0 由于未达到闭合时间 而继续 断开 ，维持 M 0 ． 1 为断 电状 态 。常 开触点 M0 ． 4 2 6 断 开 ，点 火 变 压 器 Q 0 ． 3断 电 ，停 止 点 火。常闭触点M 0 ．4 8 6 闭合，2 s 后T 3 断开，Q 0 ．4 断电，风门打开。 3 点火失败 由上可知，从6 0 s 时开始T 1 5 8 0 闭合，T 2 通 电开始 1 0 s 延时，若延时超过 1 0 S 火焰感受器仍 未感受到火焰 ，触点 I 2 ． 7 处于断开状态 ，M0 ． 4一 直有电，M 0 ．4 f 8 0 一直闭合。当T 2 达到设定时间 1 0 S 后 ，触点T 2 9 0 闭合 ，0 0 ．7 通电，常开触点 Q O ．7 7 闭合 ，M 0 ． 1 得电，触点M 0 ． 1 9 断开，M O ．2 断电，M O ． 2 2 6 断开，燃油电磁阀Q O ．6 断电，停 止 向炉内喷油 。同时常开触点 M 0 ． 1 1 3 4 闭合 ， M 2 ．0 通电，常开触点M 2 ．0 1 3 9 闭合，熄火指示灯 Q 1 _3 通电亮 ，常开触点M 2 ．0 1 4 5 闭合，Q 1 ． 6 通电 发出声光报警。M 0 ． 2 1 1 6 闭合 ，T 1 7 通电计时 ， 此时常闭延时开触点 T 1 7 2 3 处 于闭合状态 ，M1 ． 2 继续有电， 进行后扫风6 0 s 后风机停转。 到7 0 s 时，T 1 1 计时时间到，常闭延时开触 点T 1 1 9 断开，若风压正常，则I 1 ．0 9 闭合，M O ．2 仍有电。若风压未建立，低风压保护触点I 1 ．0 9 就不能闭合 ，M0 ． 2 断 电，燃油电磁 阀Q O ． 6断电 ， 停止 向炉 内喷 油 。触 点 I 1 ． 0 1 3 6 断 开 ，M3 ． 0断 电 ，M3 ． 0 1 4 3 闭合 ，低 风压指示灯 Q1 ． 5 通 电亮 ， M 3 ．0 1 4 5 闭合发出声光报警。后扫风后风机停 转 ，锅炉 自动停炉 。 4 再次起 动 在点火失败后，必须先排除故障才能再次起 动锅炉。将熄火保护继电器触点Q 0 ．7 手动复位 ， 使M O ． 1 断电，M O ． 1 f9 恢复闭合，方可重新起动。 r 々 __ ____ F ● _ _ ■ _ 一 ] } 。 ≯ 蔓 ≯ 誊 I 5 3 f 毒 0 麓 f I ． ． ． ； ． i ． ． ． J ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． J ． 。 ． ． ‘ - ． ． ． ． - _J 自动化 5 中途熄火 燃烧过程 中，若 中途熄火 ，火焰感受器失去 光照，则触点I 2 ．7 2 6 断开，同上述点火失败一样 使 M0 ． 2 断电 ，燃油电磁 阀关闭 ，进行后扫风 6 0 S 后风机停转，并发出声光报警。 3 汽压的 自动控制 当高汽压 压力 开关动 作时 ，触点 I 1 ． 1 2 6 断 开，燃油电磁阀Q 0 ．6 断电，停止向炉内喷油，油 泵停止运行。常开触点I 1 ． 1 1 1 6 闭合，T 1 7 通电计 时 ，lt L w ,t 常闭延时开触点T 1 7 2 3 处于闭合状态， M1 ． 2 继续有电 ，进行后扫风 6 0 S 后风机停转 。此 时炉 内虽无火 ，但 M0 ． 4 仍通 电 ，常开触 点 M0 ． 4 8 0 闭合 ，又 因为 I 1 ． 1 8 0 已经断开 ，所以T 2 不会 通 电 ，也 就不会发 出声光报警 ，视为正常停炉 。 当炉内汽压降到控制汽压下限值时，I 1 ． 1 2 6 重新 闭合，风机和油泵重新起动， 锅炉重新燃烧。 4 安全保护 该系统有危险低水位和风压过低 自动熄炉保 护 。 锅炉在运行中，若水位下降到危险低水位 时 ，触点 I 1 ．2 9 5 断开 ，M 0 ． 8 断电 ，使 M 0 ．2 断 电，切断整个控制程序，使锅炉 自动熄火停炉并 发出声光报警。 若风压过低 ，低风压保护继 电器触点 I 1 ． 0 9 断开 ，主继电器 M0 ． 2 断电，锅炉 自动熄火停炉并 发出声光报警。 5 停炉 停炉时，可手按停止按钮 1 0 ． 4 ，使 M 0 ．2 断 电，燃烧系统停止工作。若锅炉水位低于危险低 水位 ，应把水泵开关放在 “ 手动”位置 ，继续向 锅炉供水 ，直到水位达到正常水位时 ，再把水泵 开关扳到 “ 停止”位置上 。然后把燃烧开关置于 “ 停止”位置 ，风机和油泵开关扳 到 “ 手动”位 置。最后切断总电源 1 。 2 结论 机舱辅助设备的自动化是轮机 自动化的重要 组成部分 。随着船舶 电气技术的发展 ，船舶的 自 动化成度越来越高。这一高度 自动化的实现取决 于机舱设备控制系统的可靠性。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，容易发生故障，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 控制显得十分必要。 本论文研究船舶辅锅炉 自动控制问题 ，旨在 把P L C 控制技术应用到船舶辅锅炉 自动控制方案 中，去解决传统继电接触式电气控制系统中存在 的各种不足，以提高船舶辅锅炉自动控制系统的 性能以及其工作可靠性。 本文是在参考前人对辅锅炉 P I C控制研究 的 基础上 ，结合已有技术，对辅锅炉控制系统进行 分析和研究，对于船舶自动化的改善还需要更多 研究者共同努力。 参考文献 [ 1 ]李世 臣． 轮机 自动化 [ M]． 大连大连海事大学出版 社 ．2 0 0 8 ． [ 2 1严华，杨文中，华增芳． 轮机管理专业综合训练指导 书 [ Z ]． 厦门集美大学，2 0 0 8 ． [ 3 ]陈立定，等． 电气控制与可编程序控制器的原理及应 用 [ M]． 北京机械_T - 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