船舶辅锅炉装置模拟控制系统的实现

周名侦



船舶辅锅炉装置模拟控制系统的实现

周名侦

（广东交通职业技术学院 ，广州 510800）

本文以实船CPDB-40船舶辅锅炉为对象，用实物加仿真的形式，利用PLC、MCGS触摸屏和MINIC模拟板从而实现锅炉装置、燃烧装置、锅炉附件的运行显示，形象逼真，并可在触摸屏上实时显示和控制锅炉的运行状态。该设备运用到海船船员适任岗位技能训练和评估取得了很好的效果。

船舶辅锅炉 MCGS触模屏 PLC MINIC模拟

0 前言

船舶辅锅炉是海船上重要的设备之一，主要用于产生饱和蒸汽驱动各种辅机、加热燃油、润滑油、暖缸冷却水及供船员日常生活使用。对于船舶辅锅炉的操作与管理是轮机工程技术专业学生必须学习和考核的内容，但由于真实锅炉造价昂贵，而且污染较大，运行成本高，对于初学者操作不当容易出现安全事故。而采用模拟控制系统替代真实的船舶辅锅炉装置既可降低建设费用又可减少日常运行管理和保养费用少，同时又安全可靠，不会学生由于误操作或操作不当损坏设备和危及学生，更不会引起爆炸和对周围环境的污染。并且还可以操作在实船上难以操纵的训练内容：如，严重失水，满水操作等。因此在教学上一般先采用模拟仿真训练再实际操作。本文是以CPDB-40船舶辅锅炉系统为研究对象，对废旧锅炉进行改造后，用于学生模拟训练是可行的。

1 船舶辅锅炉装置模拟控制系统的组成

1.1系统的硬件组成

系统的硬件组成如图1所示。

1.2系统各组成部分功能说明

1）可实行急停；自动/手动切换控制。

2）遇到火灾时能自动关闭辅锅炉系统。

3）触摸屏界面中，可以看到锅炉运行的状态数据参数及故障信息显示，如显示蒸汽压力；同时可以对锅炉的相关参数进行设置，例如:预扫风时间，预点火时间，预热时间等。

4）自动检测、监测各种器件工况、参数与标准数值是否符合，以确保整个系统的使用安全，如出现故障将做出相应的处理，并报警。

5）模拟量和数字量信号转换由PLC特殊模块处理。

6）MINIC模拟板能直观的显示整个系统的运行流程。

2 模拟控制过程与要求

2.1 自动控制过程

按下锅炉启动按钮后，自动起动燃油泵和鼓风机，关闭燃油电磁阀使燃油在锅炉外面循环，此时风门开得最大，以大风量进行预扫风，防止锅炉内残油的油气在点火发生“冷爆”，预扫风时间设定为30～50 s，达到预扫风的时间后自动关小风门，同时启动点火变压器，开始进行预点火，时间为3～5 s，点火同时，打开燃油电磁阀，关闭回油电磁阀，以小风量和小喷油进行点火，点火成功后维持一段时间，低火燃烧对锅炉进行预热，然后开大风门，关小回油阀或增加一个油头向炉膛喷油，使锅炉转入高火燃烧，即进行正常燃烧的负荷控制阶段，当压力升到额定压力时，自动停炉，停炉时，必须先停止喷油，然后再关风机。

在预定的时间内若点火不成功，中间熄火，水位过低，气压超压等异常现象，应停炉，待故障排除后按复位按钮方可重新起炉，防止锅炉发生事故，并发出声光报警。

2.2 系统控制具有的功能

2.2.1 联锁功能

在锅炉点火、运行及停炉阶段，只有在风机运转后方允许开动油泵和燃油电磁阀，如果风机故障应停止工作，立即关闭电磁阀和停止油泵。当水位低处于低水位时，不能开炉。同时手动操作与自动操作实现联锁，互不干涉。

2.2.2 手动控制功能

将控制开关切换到手动位置，操作者只须按人工操作规程进行点火和正常运行。在电控箱上按下按钮即能起动风机、水泵和油泵。

2.2.3 自动控制功能

在整个控制过程中系统必须达到以下几点：燃烧程序实现自动控制；蒸气压力保护；温度保护；锅炉水位自动控制；火焰异常联锁；停炉报警；声光报警；应急停炉；模拟故障等九项功能。具体辅锅炉控制流程如图2所示。

3 系统软件设计

由于在很多文章里都有叙述过触摸屏和PLC的制作和编程，在此重点述MINIC模拟的实现。

3.1 PLC通信设置

三菱FX系列PLC在其内部有一个特殊功能寄存器D8120,可以根据其中的内容,按照一定的协议实现与单片机之间的通信.但必须事先对PLC编程写入D8120。三菱FX系列的PLC控制器,采用FX1N-485-BD通信模块与单片机连接。格式采用1位起始位，8位数据位，一位停止。因此设置D8120数据为H0C81,部分程序如图3：

3.2 STC89C52RC单片机的通信设置

为了保证单片机与PLC的正常通信,除了要了解清楚通信协议外,还必须正确设定其通信方式,即采用统一的波特率、起始位、数据位、停止位和偶校验位,据此建立双方通信的应答信号。AT89C51内部有一个全双工增强UART，TXD(P3.1)为发送端,RXD(P3.0)为接收端。AT89C51系列单片机的SCI工作方式由串行口控制寄存器(SCON)、波特率控制寄存器(PCON)设置决定，可用软件设置四种工作方式。通信工作方式中,方式1是标准的异步通信方式,此方式工作时,串行口为8位异步通信接口,每帧信息包括10位:1个起始位、8个数据位和1个停止位。波特率可变,由定时器T1或T2的溢出率和SMOD1的状态决定,在CPU的晶振为11.0592 MHz时波特率采用9600bps。单片机的通信参数设置如下:置寄存器T2CON为34H(定时器T2工作于波特率发生器方式);置寄存器TH2和RCAP2H为FFH,TL2和RCAP2L为D9H(波特率9600 b/s);置寄存器SCON为50H(串口工作方式1,允许接收)。波特率控制寄存器一般只在复位后初始化时写入一次,以建立SCI通信波特率。

3.3 电路设计

显示系统采用单片机将PLC通过485传送过来的压力数据显示在数码管上，通过PLC自由口通信发送相关数据给单片机，单片机负责显示。系统结构如图4，电路图如图5。

4 结束语

整个系统由基于三菱FX系列PLC的控制单元进行控制，工作可靠，性能稳定，如图7所示。用实际的锅炉控制箱进行控制，锅炉本体装置及系统采用MINIC模拟板进行模拟，学生能够按照实船锅炉的操作程序在MINIC板上进行实际系统的操作和控制，基本实现既能用于教学，又能进行实操训练和评估的需要，实际运用中得到海事局和学员双方的认可。

[1] 黄继昌. 传感器工作原理及应用实例[M]. 北京：人民邮电出版社，2006.

[2] 张原. 可编程控制器件设计及应用[M]. 北京：机械工业出版社，2010.

[3] 龚仲华，史建成，孙毅. 三菱FX/Q系列PLC应用技术[M]. 北京：人民邮电出版社，2008.

[4] 肖威 ，李庆海. PLC及触摸屏组态控制技术[M]. 北京： 电子工业出版社， 2010.

[5] 甘辉兵. 基于PLC的船舶燃油锅炉仿真系统设计与实现[J]. 大连海事大学学报 , 2006,（5）：5-7.

[6] 张少明，卢晓春. 基于组态控制船用辅锅炉监控系统的设计与实现[J]. 船海工程，2008,（10）：23-24.

Implement of Simulation Control System for Marine Auxiliary Boiler Plant

Zhou Mingzhen

(Guangdong Communications Polytechnic，Guangzhou 510800, China)

TM769

A

1003-4862（2015）01-0024-04

2014-07-21

周名侦（1973-），男，高级实验师。研究方向：船舶机电工程。