基于PLC的船舶辅锅炉教学装置设计

(天津理工大学 海运学院，天津 300384)

基于PLC的船舶辅锅炉教学装置设计

王宗涛

(天津理工大学 海运学院，天津 300384)

针对在船舶辅锅炉的适任评估教学中，采用真实锅炉既增加教学成本又加大教学的危险性的问题，根据船舶辅锅炉的特点，采用可编程序控制器(PLC)技术设计了一套船舶辅锅炉教学装置，该装置可以模拟船舶辅锅炉的点火、补水、压力和安全保护等功能。

可编程序控制器(PLC)；船舶辅锅炉；适任评估；教学装置

一、引言

随着STCW公约马尼拉修正案的正式生效，国家海事局加强了对轮机人员电气知识的考查要求。低投入、小容量、易操作的模拟器或仿真系统，是快速、有效地培养现代化高级船员实际操控能力的有效手段。[1]相对于继电器控制系统而言，可编程序控制器(PLC)具有体积小、组装灵活、可靠性高、适合在恶劣环境下使用等特点，在船舶锅炉的控制中得到广泛应用，因而开发适用于轮机人员的仿真系统或装置具有重要的意义。宋世全介绍了一种基于PC机和PLC的船用辅锅炉实验系统，能够克服采用真实被控对象的缺点；[2]张建平采用F1-30型PLC实现了燃油锅炉的点火、燃烧、送风、喷油的自动控制；[3]甘辉兵等为解决航海教育中大型油船燃油锅炉操作培训的问题，开发了基于PLC的大型油船燃油锅炉仿真系统，可以有效地代替真实锅炉进行操作培训。[4]

上述研究均采用软件方式，虽然电脑界面的操作可以实现锅炉培训的相关功能，但是缺乏船员的实际体验功能。为了增强教学的真实感，有机地把PLC基本原理和锅炉的控制过程结合起来，笔者设计了一套船舶辅锅炉教学装置，采用该装置船员可以亲自通过实际的按钮操作，体验辅锅炉的操作过程，增强了教学和培训的真实感。本文就此进行探讨。

二、船舶辅锅炉教学装置的功能

1.某柴油机货船辅锅炉的主要特点

某柴油机货船所配备的锅炉所产生的蒸汽主要用来加热主、辅柴油机所用燃油及厨房用汽，锅炉水位和汽压采用双位控制，燃烧采用单油头、定油量和定风量燃烧。系统设有中途熄火、危险低水位和低风压等安全保护装置，详细的控制原理和过程可以参考轮机自动化方面的相关文献[5]。根据该辅锅炉的控制特点和安全保护需求，本文采用西门子品牌的S7224CN型号PLC对辅锅炉的控制系统进行程序设计，并设计了教学装置。

2.船舶辅锅炉教学装置的总体功能设计

该装置的主要功能包括点火自动/手动模式切换、水位自动/手动模式切换、风机起停控制、油泵自动/手动模式切换(简称风油自动/手动)、水位和压力的双位控制等功能。此外，该装置还设置了多个故障监测点(包括风压、水位、火焰)对锅炉的工作进行全程监控，具体功能如图1所示。

根据锅炉的点火特点，自动点火程序启动后，程序首先实现预扫风60 s，然后关小风门，打开点火变压器进行点火，10 s内点火成功，系统没有警报产生，则点火成功。系统功能流程如图2所示，教学装置如图3所示，除了开关电源、PLC，还包括开关、指示灯。系统的I/O点设计如表1所示。

图1 PLC锅炉总体功能设计框架

图2 自动点火流程

图3 船舶辅锅炉教学装置

I0．0手动点火油头I1．3燃烧自动I0．1风压开关I1．4燃烧手动I0．2火焰开关I1．5风油手动I0．3蒸汽开关Q0．0水泵I0．4低水位Q0．1风机I0．5高水位Q0．2油泵I0．6水位自动Q0．3点火线圈I0．7危险水位Q0．4风门挡板I1．0风油自动Q0．6油头电磁阀I1．1手动点火Q0．7熄火保护I1．2复位开关Q1．1报警

3.船舶辅锅炉教学装置的测试和使用

该辅助锅炉模拟装置的控制功能包括：锅炉自动/手动点火、水位控制、蒸汽压力控制、火焰检测，风油自动/手动控制及熄火保护、报警等，输入状态由开关按钮控制，通过PLC控制输出，并由指示灯指示。

(1)自动点火

将PLC置于RUN位置，燃烧控制、风油控制均置于自动状态(燃烧自动I 1.4、风油自动I 1.5)，系统自动点亮风机Q 0.1、油泵Q 0.2指示灯点亮，开始进入预扫风阶段，并在此阶段建立风压(风压开关I 0.1)，经过60 s大风门预扫风自动关小风门，进行预点火，点火线圈指示灯、风门挡板指示灯点亮。按下火焰模拟开关(I 0.2)，说明点火成功，首先熄灭点火变压器(Q 0.3)，2 s后风门挡板(Q 0.4)指示灯熄灭，70 s内不报警则说明点火成功。点火控制程序如图4所示。

图4 点火控制程序

(2)手动点火模式

将燃烧控制、风油控制均置于手动位置(燃烧手动I 1.3、风油手动I 1.0)，首先进行预扫风，60 s内建立风压(风压开关I 0.1)，60 s后手动点火I 1.1，打开手动点火油头I 0.0，按下火焰模拟开关，70 s内不报警则点火成功。

(3)水位控制

将水位控制置于自动位，先后按下高水位(I 0.4)、低水位(I 0.5)模拟开关，则水泵指示灯亮，松开低水位开关，指示灯不熄灭，直到松开高水位开关，水泵才停止供水。如果达到危险水位(I 0.7)，系统将熄火报警。水位控制如图5所示。

图5 水位自动控制

(4)蒸汽压力双位控制

运行中，蒸汽压力达到上限设定值(按下模拟开关，对应输入点为I 0.3)，系统将熄火停炉，并进行后扫风，可以实现自动停炉功能。该控制功能分布在程序的各个控制点，用于控制风机、油泵、点火变压器、风门挡板以及油头电磁阀。

当蒸汽压力下降到设定的下限值(松开模拟开关，对应输入点为I 0.3)，系统重新进行点火，具体分析和锅炉的点火过程相同。

(5)系统复位功能

本系统设计了系统复位功能(对应的输入点为I 1.2)，当出现故障后，待所有故障检测完毕，按下复位按钮，方可重新起动锅炉。系统复位功能程序如图6所示

图6 系统复位功能程序

(6)运行中的模拟故障报警

运行中风机出现故障，导致无风压，系统熄火并报警，应检查故障；运行中断开火焰开关，则系统将熄火并报警；运行中出现危险水位报警，即锅炉水位低于危险水位时，系统将熄火并报警。在点火以及锅炉运转过程中，当出现上述故障时，均可以实现报警功能。

本文中的报警功能实现可以通过风压开关、火焰开关、危险水位等按钮实现。在预扫风过程中，如果没有在60 s内按下风压开关(按下该开关表示建立风压)，则系统就发出报警信号并自动停炉。在点火或者正常燃烧过程中，如果松开火焰开关(松开该开关表示没有火焰)，则系统将发出熄火报警，并进行后扫风60 s后系统停炉。

三、结语

PLC综合了计算机和自动控制等先进技术，在船舶辅锅炉自动控制中得到了广泛的应用。本文结合评估教学的实践，所设计的船舶辅锅炉教学装置，有效地降低适任评估和教学的成本，避免了真实锅炉教学的危险性。本文所设计的船舶辅锅炉教学装置，有利于船员掌握船舶锅炉的基本操作过程和电气控制原理，非常适合船舶辅锅炉的适任评估和教学。

[1] 陈意惠,薛士龙,蒲小莲.基于PLC的大型油轮燃油锅炉仿真系统[J].航海技术，2005(3)：45-46.

[2] 宋世全.基于PC机和PLC的锅炉仿真实验系统.实验室研究与探索[J].2009,28(4)：50-51,90.

[3] 张建平.PLC在燃油锅炉自动控制系统中的应用.广州航海高等专科学校学报[J], 2005,13(1)：58-60.

[4] 甘辉兵,张均东,曾鸿,等.基于PLC 的大型油船燃油锅炉仿真系统的开发[J].中国航海,2006(2)：99-102.

[5] 李世臣,徐善林.轮机自动化[M].大连:大连海事大学出版社，2008.

U676.2

A*

2015-06-10

天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究计划基金项目“轮机工程专业卓越计划体系建设的研究与实践”(B01-0818)；天津理工大学教学基金项目(YB11-23)

王宗涛(1976-)，男，讲师，主要从事轮机自动化设备与系统研究。

1006-8724(2015)03-0088-03