PLC在船舶辅锅炉系统中的应用

1、名亲属于押逐救帚堂您JIANGSUMARITIMEINSTITUTE专科毕业设计（论文）设计题目：PLC在船舶辅锅炉系统中的应用系部：电气工程系专业：工业企业电气班级：工企091301姓名：徐澧学号：093905130147指导教师：姚苏华职称：讲师2012年6月南京可编程控制器（PL。是一种以CPU为核心的计算机工业控制装置，可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小、编程简单、抗干扰及可靠性高等特点，非常适合在恶劣的工业环境下使用。PLC船用辅锅炉自动控制系统替代传统辅锅炉自动控制系统是一种必然。通过PLC实现对燃烧时序控制，蒸汽压力的控制以及锅炉水位的自动控制，从而有效提高辅锅炉自控系统的

2、可靠性、功能的完善性和可维护性。关键词PLC船用辅锅炉锅炉水位蒸汽压力燃烧时序AbstractProgrammablecontrolleristheindustrialcontrolsystematthecoreofCPU.Asthereplacementproductsarewidelyusedinvariousfieldsofindustrialcontrol.Becauseitcanbesetbysoftwaretochangecontrolprocess,anditssmallsize,simpleprogramming,highreliabilityfitintheterriblei

3、ndustrialenvironment,itisnecessarytoreplacethetraditionalmarinesystem.Itcaneffectivelyincreasethereliabilityoftheauxiliaryboilercontrolsystemandconsummatingsexandmaintainabilityoffunctionthroughcontrollingthesequenceofcombustion,steampressureandboilerwaterlevel.KeywordsProgrammablecontrollerMarineau

4、xiliaryboilerBoilerwaterTeampressureCombustiontiming1引言12可编程序控制器概述12. 1PLC的基本结构13. 2与传统继电控制的比较22. 3PLC的工作原理23船用辅锅炉工作原理23. 1船用辅锅炉控制系统概述23. 2锅炉水位的自动控制23. 3蒸汽压力的自动控制43. 4燃烧的程序控制54. 5报警及保护环节64辅锅炉的PLC控制程序64. 1PLC的选择原则64. 2I/O点数的确定及I/O模块的选择74. 3I/O地址分配75. 4程序图85船用辅锅炉的运行及维护105. 1锅炉的运行管理105. 2锅炉的水质控制105. 3锅

5、炉停用时的保养116. 4锅炉的检验11结论11致谢12参考文献131引言随着船舶大型化、自动化的发展，以柴油机作为主动力的船舶上，为了保证船用燃油加热分主机备车时缸套水升温、生活用热水、滑油的加热、甚至驱动些小型辅机，在船舶上都设有辅助锅炉。当前船舶机舱自动化的要求越来越高，锅炉的自动控制在实现无人机舱中是必不可少的。但是目前我国船舶上，虽有一定程度的自动化控制，但控制系统基本上是采用接触器-继电器系统,系统线路复杂、可靠性差且维护工作量大。为改造船舶设备，改善船员劳动强度，提高生产效率，采用可编程序控制器来实现锅炉的自动控制，可以使线路简单、提高可靠性、维护方便且容易实现现场调试等。故可编

6、程序控制器控制系统的经济性能比高于接触器-继电器控制系统。可编程控制器是以微处理器为基础，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字控制技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置，已成为现代工业控制的四大支柱之一。在PLC控制方案中，只要准备工作完成，在自动运行监控状态下锅炉就能实现自动点火，产生蒸汽。在整个工作过程中水位、设定的蒸汽压力实现自动控制与调节，实现自动停炉；如果在正常工作中出现故障，能够自动发出声光报警。2可编程序控制器概述2. 1PLC的基本结构可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计。它采用可编程序的存储器，用于在其内部存储程序

7、，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关外部设备都按照易于与工业控制系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计.2.1.1 PLC硬件组成PLC主要由CPU真块、输入/输出模块、电源和编程装置等组成。其中，CP久PLC的核心，输入/输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU：问的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。2.1.2 PLC软件组成PLC的软件包括系统软件和用户程序。系统程序由PLC制造商设计编写，并存入PLC的系统存储器中，用户不能随意直接编写更改。用户程序即应用

8、程序，是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。PLC通常采用相对简单、易懂、形象的专用编程语言，常用的有梯形图语言、语句表语言、逻辑图语言和功能表图语言02.1.3 .2与传统继电控制的比较从下面几个方面可以初步看出PLC控制系统与传统的继电控制系统中的一些差别。(1)控制方法继电控制系统控制逻辑采用硬件接线，利用继电器机械触点的串联或并联等组成控制逻辑，连线多、复杂、体积大、功耗大，系统增减功能较困难；且继电器的触点数量有限，所以电气控制系统的灵活性和可扩展性受到很大限制。而PLC采用计算机技术，其控制逻辑是以程序的方式存放在存储器中，要改变控制逻辑只需改变程序，故增减系统功能容

9、易，且PLC所谓的“软继电器”的触点数量是无限的，系统的灵活性和可扩展性也较好。(2)工作方法继电控制系统工作时，采用的是并行工作方式。当电源接通时，电路中所以继电器都处于受制约状态，即该吸合的继电器都同时吸合，不该吸合的继电器受某种条件制约而不能吸合。PLC系统采用的工作方式是用行工作方式。PLC的用户程序按一定顺序循环执行，所以各软继电器都处于周期性循环扫描接通中，受同一条件制约的各个继电器的动作次序决定于程序的扫描顺序。2. 3PLC的工作原理PLC通电后，需要对硬件和软件作一些初始化工作。为了使PLC的输出及时响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分阶段处理各种不同的任务，这种周

10、而复始的循环工作方式称为循环扫描工作方式。其过程为读取输入(采样)一执行用户程序一通信处理一CPU自诊断测试一改写输出(刷新)3船用辅锅炉工作原理3. 1船用辅锅炉控制系统概述在内燃机动力装置中所使用的锅炉称为辅锅炉。其中，大型油船辅锅炉产生的蒸汽要加热货油，驱动货油泵及其他甲板机械，它的蒸发量和蒸汽压力都比较大，其工作特点接近主锅炉。柴油机货船辅锅炉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，它的蒸发量小和蒸汽压力低，对水位和蒸汽压力的波动要求不严格。船舶辅锅炉控制系统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。接下来介绍用继电器-接触器控制

11、的货船辅锅炉的工作原理。3. 2锅炉水位的自动控制水位自动控制的任务是保证锅炉的给水量适应锅炉蒸发量的变化，使水位的波动不超过一定的范围。由于辅锅炉水位允许变化范围为60-120mm并且柴油机货轮辅锅炉蒸发量小，蒸汽压力低，为了简化控制系统，采用双位控制即可满足要求燃烧系统自动点火启动的必要条件，是其工作水位在安全水位以上。锅炉的工作水位降至最低水位的时，水泵应能自动启动补水；升至最高水位时水泵应自动停止补水，水位降至极限低水位时，应能发出声光报警信号，并使整个系统停止工作。所以在锅炉工作期间，锅炉水位时允许在上、下限之间波动的，不会稳定在某一个水位上。目前，在船舶中采用较多的水位传感器主要有

12、浮子式水位调节器、参考水位罐水位检测装置以及电极式水位传感器三种，由此构成了不同的水位自动控制系统。如图1所示是一种电极式水位调节系统，它利用水的导电特性而工作。在锅炉工作水位附近接出一个上下与锅炉相通的测量筒，测量筒应尽量靠近与船舶纵中剖面平行的锅炉中心线，筒中水位与锅炉内水位相同，筒中插入三根长度不同与筒壳绝缘的铜棒电极，铜棒末端的安装高度恰好与锅炉最高工作水位、最低工作水位和极限低水位相对应。筒壳壳体接地，使电路构成交流通路。水位调节可以采用手动和自动两种方式，通过转换开关K实现。自动补水时，水位上升到最高水位使水面与铜棒1接触，继电器1JY有电动作，其常闭触点1JY1断开使接触器1CJ

13、失电，使水泵停止工作；当水位下降至最低水位时，水面与铜棒2脱离接触，使水泵开始工作补水；如果由于某种原因锅炉水位未能上升，则水位到达极限低水位时，铜棒3也与水面脱离接触，发出声光报警，同时使燃油泵停止工作，炉膛自动灭火。止匕外，可以通过转换开关K置手动位置实现手动补水。图1电极式水位调节系统锅炉水位控制的特点是存在虚假水位：水中含有蒸汽（可达15%-20%,总量与锅炉的蒸发量和气压有关；蒸发量越大，气压越小,水面下的蒸汽总容积越大；过渡工况时，水位不仅受蒸发量和给水量的影响，还受水面下蒸汽容积的影响，蒸汽流量突增，气压降低，蒸汽的饱和温度下降，水面下蒸汽比容增大造成水面下蒸汽的容积增大；同时由

14、于炉水变成过热水，将产生更多蒸汽，水位虚高。3. 3蒸汽压力的自动控制锅炉汽压稳定的前提是必须保持蒸发量和送汽量的平衡。燃烧过程自动调节的主要任务是使锅炉汽压维持在规定值或是在规定的允许范围之内；同时为了保证燃烧良好，必须使供风量与供油量相适应。由于船用货轮辅锅炉蒸汽压力自动控制系统要求简单、可靠，对经济性要求并不严格，大多数蒸汽压力的自动控制主要采用双位和比例两种控制方式。双位控制系统燃烧系统的双位控制，就是汽压上升至设定值上限时，停止燃烧；而汽压下降至设定值的下限时，点火燃烧。采用双位控制系统，锅炉的点火和熄火比较频繁。如图2所示，锅炉内的蒸汽压力作用于压力双位调节器，实际上它就是一个压力

15、继电器。当汽压上升达到设定值上限时，作用在波纹管11上的力将电触头断开，使驱动油泵和风机的电动机断电停转，燃油电磁阀也关闭，锅炉熄火。此时炉内汽压开始下降，当降至设定值下限时，压力继电器闭合将电路接通，风机和油泵启动，同时开启电磁阀，电点火器进行点火，锅炉重新燃烧，汽压又开始上升，如此重复不已。上下限之间差值可以通过转动幅差弹簧13上的调节螺钉14加以调整。转动主弹簧16上的调节螺钉18,可调整其设定汽压值。flfl图2YT-1226型压力调节器结构原理图双位调节系统的燃烧器只能在其额定供油量和停止供油之间进行切换。蒸汽压力不灵敏区的大小决定了切换的频繁程度。由于小型辅助锅炉对供气压力的稳定性

16、要求不高，不灵敏区可以适当增大，以减少启动次数。但增大不灵敏区也是有限度的。在负荷不稳定而蒸发量较大的锅炉中,不利工况比较严重，所以只有蒸发量小、负荷比较稳定的锅炉比较适合采用双位自动控制系统。对于货船辅助锅炉，由于产生的蒸汽仅用于加热燃油、滑油以及日常生活用，它的蒸发量小（一股小于5t/h）、蒸汽压力低（一般低于1MPA,对蒸汽压力的波动要求不高，一般都采用双位控制止匕外，为了弥补双位自动控制系统只有最大和零两种输出的缺点，可采用多位调节系统。其特点主要是除了设置一个具有相当于锅炉高负荷喷油量的主喷油器外，还配置了一个相当于锅炉低负荷喷油量的辅助喷油器，辅助喷油器一般兼做点火喷油器，各喷油器

17、配合不同的风量运行时,可有不同的产汽量。采用多位调节系统可以使锅炉不需经常点火和熄火，从而大大地提高了运行安全性。比例控制系统在少数的货船辅锅炉的蒸汽压力控制系统中，采用压力比例调节和电动比例操作器组成的比例控制系统，能够根据汽压的变化成比例地改变喷油量和送风量，把汽压控制在给定值附近。3. 4燃烧的程序控制锅炉的程序控制是指对锅炉的启动和停止按预先设定好的顺序进行控制，它属于时序程序控制系统。实现船用辅锅炉的时序控制电路千差万别，但是基本原理和要实现的功能是一致的，一般包括预扫风，预点火、点火和预热、负荷控制等几个阶段，此外还附加一系列的安全保护和时序控制。在启动锅炉以前，轮管人员应先做好启

18、动前的准备工作，如向控制电路供电，观察锅炉的水位、燃油系统的油温、手动-自动切换阀是否置于自动位等等。上述准备工作做好以后，按下启动按钮，燃烧程序控制器通电投入工作。首先进行预扫风，预扫风是在启动锅炉时对残留在炉膛内的油气进行吹除干净，主要是为了防止炉膛内集油过多而造成点火时的“冷爆”现象。预扫风时间一般设定为20-60S，此时控制系统能自动启动油泵和风机，燃油电磁阀处于关闭状态不能供油,风门开到最大以大风量进行预扫风。预扫风结束后，控制系统自动关小风门以便于点火。点火变压器通电，点火电极产生电火花进行预点火，时间约为3s左右，然后打开燃油电磁阀进行供油点火。有些锅炉上未设有预点火环节，在点火

19、变压器通电的同时打开燃油电磁阀进行供油点火，所以点火期间要求小风量小风门。火焰感受器用来检测点火是否成功，在设定的时间内，若未感受到火焰即点火失败，自动停炉，故障修复后才可重新启动。若点火成功，系统将维持一段时间低火燃烧，对锅炉进行预热。然后开大风门，关小回油阀或打开第二个汕头电磁阀，以大风门大油门增强炉膛内的燃烧强度，使锅炉进入正常燃烧的负荷控制阶段。负荷控制是对锅炉蒸汽压力进行的自动控制。在锅炉启动和运行过程中，如发现点火失败、风机失压、水位低于危险水位、中间熄火、蒸汽压力超压等现象时，该控制系统将能够进行安全保护，待故障排除后再重新启动锅炉。程序控制系统中的主要元件有以下几部分组成；信号

20、发送器信号发送器包括手动信号发送器和自动信号发送器。前者一般是采用按钮或者选择开关，一般采用各种自动继电器（俗称开关），如压力继电器、温度继电器、液位继电器等。用它们来接通或断开控制电路，以完成程序控制的启动和停止。时序控制器时序控制器是辅助锅炉程序控制的核心部分。它根据信号发送器送出来的电信号接通或切断电路，或根据规定时间来接通或切断电路。目前时序控制器有有触点控制器、无触点控制器、可编程序控制器和微型计算机控制器。点火变压器及点火电极船用的自动点火装置大部分通过点火变压器，将380V的交流电压升至8000V或10000V,然后在点火电极两端利用高压电尖端放电，产生火花点火。点火电极是两根直

21、径为2mmi勺锲铭合金丝，它用耐高压电的瓷套管绝缘，固定在喷油器上。火焰感受器火焰感受器又称火焰传感器，它主要用于监测炉膛内有无火焰，以便在锅炉启动点不着火或正常燃烧突然熄火时的报警和执行停炉保护程序，它是保证锅炉可靠运行的关键。辅锅炉中常用的火焰感受器主要由光敏电阻、光电池和紫外线检测管。3. 5报警及保护环节为了保证锅炉运行过程的安全、可靠，除了对锅炉水位及燃烧进行自动控制外，还需要采取一系列安全保护措施，设置安全保护装置。当锅炉点火、升压或运行过程中产生异常时，相应的感受元件能检测出故障并发出声光报警，同时迫使锅炉立即熄火，以避免设备损坏和人员伤亡。锅炉的安全保护环节一般有以下几种：(1

22、)极限低水位的液压控制器检测(2)蒸汽压力过高的压力调节器检测(3)点火失败和异常熄火的火焰传感器检测(4)燃油压力过低的油路压力继电器检测(5)燃油温度过高或过低的温度调节器检测(6)电动机过载热继电器检测4辅锅炉的PLC控制程序4. 1PLC的选择原则PLC控制系统与传统的继电器-接触器控制系统比较，具有体积小，封闭性好，可靠性强，使用维护容易，运行速度快，输出功率大，可直接带动负载，抗干扰能力强等优点。这些优点使得PLC适用于许多有电噪声、高湿高温、机械振动等条件恶劣的工作场合。采用PLC控制船舶辅锅炉，可以大大减少维修的费用，缩短检修的时间，经济效益可以得到显著的提高，为实现船舶自动化

23、作铺垫。虽然PLC的控制系统有许多优势，但是既能安全的完成任务，又能节约生产成本，是值得思考的。国内市场上的PLC的种类也比较多，主流像西门子、三菱、ABB欧姆龙、莫迪康等等。各个品牌的PLC也是在应用上也是各有特点，例如西门子、ABB等欧美产品在大型机领域表现出众，而在中、小型机领域日本产品以其优越的性能占据了大半的市场。总的来说，PLC按其结构形式分类，可分为整体式和模块式两类。小型机一般是整体式，根据其型号可以带扩展单元，而大中型PLC由于I/O点数比较多，也为了用户的选择方便，一般为模块式。在PLC机型选择主要要考虑下述几点：(1)合理的结构形式一般来说，整体式PLC的I/O点的平均价

24、格比较便宜，但是只能运用于一些小型项目中；而模块式PLC的I/O点数可以根据需要自行配置(在允许的范围内)，当然价格要贵一点。但是模块式的维修方便，可以用于较复杂的系统。(2)安装方式的选择PLC的安装方式主要有集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。(3)相应功能的要求例如逻辑运算、定时、计数、PID运算、闭环控制、通信联网等，根据需要选用。(4)响应速度的要求(5)系统可靠性的要求一般情况下都能满足，对可靠性要求很高的系统，应考虑是否采用冗余系统或热备系统。(6)机型尽量统一同一公司，应做到PLC的机型统一。(7)考虑性价比根据辅锅炉控制系统要求，给水自动调节系统一般采用双位调节方

25、式；而船用货轮辅锅炉蒸汽压力自动控制系统要求简单、可靠，对经济性要求并不严格；燃烧时序控制实质就是时序控制，而时序控制是PLC的一大优势。4.2I/O点数的确定及I/O模块的选择PLC的I/O点数通常是要根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%15%勺裕量来确定的。根据辅锅炉控制系统要求，采用PLC为控制核心单元，以按钮开关、压力传感器以及热继电器作为PLC的输入控制信号；以接触器、电磁阀及指示灯作为输出控制信号。经过计算，控制系统需要用到14个输入点、15个输出点。根据上述PLC选择的原则，本锅炉控制系统采用西门子S7-200PLCCPUS用226,其I/O口为24输入16输出。

26、4.3I/O地址分配输入说明输出说明自动启动按钮声光报警电磁阀声光报警热继电器水位上限指示灯复位按钮水位下限指示灯水位上限开关危险水位指示灯水位下限开关水泵接触器1危险水位限位水泵接触器2水泵热继电器1风机接触器1水泵热继电器2（备用）风机接触器2风机热继电器1油泵接触器1风机热继电器2（备用）油泵接触器2油泵热继电器1点火电磁阀油泵热继电器2（备用）点火变压器火焰检测器正常燃烧电磁阀蒸汽压力开关燃烧指示熄火指示4. 4程序图（I-HI-MI()F.E一一公”t1IIIIHQ1.3I1.4T41Tl-1-60INTONPT100ms5船用辅锅炉的运行及维护1覆炉是在高温条件下工作的压力容器，它

27、的安全可靠是至关重要的。对船舶锅炉，尤其是对低压辅锅炉发生的事故分析表明，管理操作和维护保养方面的失误往往是发生事故的主要原因。因此轮机人员应有高度的责任感，应该熟悉锅炉的操作程序及维护保养方面的规定及要求，并在实际工作中认真遵照执行。5. 1锅炉的运行管理锅炉在运行时，最主要的是要保证安全生产、燃烧质量良好和维持蒸汽参数的稳定。为此值班人员应随时注意水位、气压、油压、风压、炉内的燃烧情况和排烟的颜色，以及给水和炉水水质分析与处理等。同时要注意油泵、风机和其他附件的工作情况，保证其处于正常状态。锅炉运行时，应进行表面排污，表面排污应以每天1-2次为宜。6. 2锅炉的水质控制在锅炉的管理维护工作

28、中，定期对给水和炉水水质进行化验与处理是不可忽视的。水质控制得好，可显著减轻水垢的生成，防止腐蚀发生和汽水共腾。炉水质量控制好坏直接影响锅炉工作的安全性、可靠性、经济性和使用年限。锅炉水控制的主要项目有硬度、碱度和含盐量。辅助锅炉一般化验炉水的硬度、碱度和含盐量。一般船上都有专门负责化验的轮机员，正常情况下，船舶辅助锅炉每个1-2天进行一次炉水化验，根据化验结果，对炉水进行投药处理，保证炉水的水质符合要求。船上携带的淡水和造水机所造淡水必须满足锅炉用水的要求。5.3锅炉停用时的保养锅炉在较长时间停用时需要加以保养，否则其腐蚀程度甚至比工作时还要严重。辅锅炉与废气锅炉停炉时的保养方法，可根据停用

29、的时间长短分为满水保养法（一般不超过一个月）和干燥保养法。5.4锅炉的检验锅炉检验的内容不但包括锅炉本体及其主要部件，而且还有主要的附件和指示仪表，例如水位计、安全阀、压力表等。检验的目的不仅是找出腐蚀、变形、损坏的存在，而且还要研究其产生的原因和以后如何妥善地维护管理，同时还有确定是否需要修理和需要修理的范围。根据规定,设计压力大于0.35MPa且受热面积大于4.65m2的锅炉，船龄在8年以内者，每两年要进行一次检验；超过8年时，每年检验一次，检验由专职的验船师进行。结论在柴油机干货船上，一般装设一台压力为0.5-1.0MPa,产生饱和蒸汽的辅锅炉，蒸发量为0.4-2.5t/ho在柴油机油船上，因为加热货油、驱动汽轮货油泵等蒸汽辅机以及洗货油舱等需要大量蒸汽，所以一般都装设有两台辅锅炉，蒸发量常在20t/h以上。在大型柴油