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辅锅炉自动控制系统功能及原理分析

摘要

随着我国内外贸易量的大幅增长，作为外贸货物主要运输工具的船舶也得到飞速发展，作为船舶自动化重要组成部分的船舶辅锅炉自动控制系统也因采用高新技术而获得新的生命力。

对辅锅炉系统的控制，特别是对透平机船或油轮所使用的大型辅锅炉系统的控制，一直是船舶轮机技术和自动化技术的一个重要课题，因为这一控制不仅直接涉及到锅炉运行的效率性能，而且关系到它运行的安全性和可靠性。

以继电器──接触器为主的老一代控制系统已不能满足现代船舶对其锅炉控制越来越高、越来越复杂的控制要求，这一领域的计算机化已势出必行，而应用在当前工业过程控制领域中引人注目的可编程序控制器（PLC）则是使其计算机化的最简便、最可靠途径。

本文研究的工作主要包括三个部分：

第一，分析辅锅炉控制的特点及现状，性能及原理，为设计辅锅炉自动控制奠定理论基础。

第二，根据船舶辅锅炉的工作特点，设计PLC在船舶辅锅炉自动控制系统中的应用方案，主要有PLC选型及输入/输出点的设计，画出系统控制梯形图并对工作过程进行分析；第三，对辅锅炉自动控制系统的总结及展望。

通过对船舶辅锅炉自动控制系统采用PLC技术的实例分析，得出结论：

船舶辅锅炉的自动控制系统不但可以使用PLC技术取代传统的继电器──接触器控制技术，而且前者比后者更可靠、更小巧，维护保养更方便，从而为船舶自动化开辟了一条新的路径。

关键词：

辅锅炉，自动控制系统，可编程控制器

Abstract

Alongwiththemeasuresofinsideandoutsidetradeincreasinggreatlyinourcountry,asaresultoftheshipsasmainconveyancetooloftheoutsidetradegoodsaredevelopedquickly,thelargesizeandautomationoftheshipsismoreandmoreneededbymarket.Theautomaticcontrolsystemofship’sauxiliarymechanismastheimportantpartofshipautomationalsoacquiresthenewvitalitybecauseofadoptionthehighnewtechnique.

Thecontrolofmarineboilersystemonboardship,especiallyonboardturboshiporonboardoiltanker,isalwaysaimportantquestionfordiscussionofmarineengineeringtechnologyandautoimmunizationtechnology.Thereasonisthatthecontrolcountformuchwithefficiency,securityandreliabilityofboiler.

Theoldcontrolsystemmainlyusing---and---nowcan’tmeetthehighandcomplicatedrequirementsofmodernshiptocontrolitsboiler.Itisimperativeunderthesituationtousecomputerforshipcontrolarea.AndtheremarkablePLCusedcurrentlybyindustryprocesscontrolareaisthemostreliable,simpleandconventionwaytorealizecomputercontrolonboardmodernship.

Theresearchworkofthispaperisdividedintothreeparts:

Thefirst,analyzetheworkcharacteristicsofship’sauxiliaryboiler,providingbaseforautomaticcontrolsystem.Thesecond,accordingtotheworkcharacteristicsofship’sauxiliaryboiler,thepaperistodesignappliedprojectintheauxiliaryboiler.Thethird,theconclusionandprospectoftheauxiliaryboiler.

Accordingtothecomprehensiveanalysisofaboveactualexampleofship’sauxiliarymechanismautomaticsystemwiththetechniqueofPLC,notonlycanusethetechniqueofPLCtoreplacetraditionalrelay–contactorcontroltechniqueinship’sauxiliaryboilerautomaticsystem,butalsocangettheconclusionoftheformerismoredependableandmorecleverthanthelatter,themaintenanceismoreconvenient,thusdevelopanewpathforshipautomation.

Keywords:

Auxiliaryboiler,automaticcontrolsystem,techniqueofPLC

1绪论

1.1选题目的（研究背景）

目前许多船舶的辅助机械自动控制系统都是以继电器──接触器为主要控制元件，鉴于如下因素有必要采用PLC技术来取代传统的继电器──接触器控制技术。

继电器控制逻辑采用硬接线逻辑，利用继电器机械触点的串联或并联，及延时继电器的滞后动作等组合成控制逻辑，其接线多而复杂、体积大、功耗大、故障率高，一旦系统构成后，想再改变或增加功能都很困难。

另外，继电器触点数目有限，每个只有4~8对触点，因此，灵活性和扩展性很差。

而PLC采用存储逻辑，其控制逻辑以程序方式存储在内存中，要改变控制逻辑，只需改变程序即可，故称为“软接线”。

因此，灵活性和扩展性都很好。

从以上几个方面的比较可知，PLC在性能上比继电器控制逻辑优异，特别是可靠性高、通用性强、设计施工周期短、调试修改方便，而且体积小、功耗低、使用维护方便。

但在很小的系统中使用时，价格要高于继电器系统，这可以从维修费用减少中得到补偿。

因此，研究基于PLC技术的辅助机械自动控制系统很有必要。

可编程控制器（PLC）作为传统的继电接触控制系统的替代产品，已广泛应用于工业控制的各个领域，由于它可通过软件来改变过程，而且具有体积小、组装灵活、编程简单、抗干扰能力强及可靠性高等特点，非常适用于在恶劣的工业环境下使用，被认为是工业上的无故障产品。

PLC应用于船舶辅锅炉燃烧自动控制系统中，替代传统辅锅炉燃烧控制系统是一种必然。

本文拟通过对船舶辅锅炉采用PLC技术所构成的自动控制系统的研究，说明船舶辅助机械采用PLC技术的必要性、可行性和优越性，进而为轮机自动化、船舶自动化开辟一条新途径。

1.2辅锅炉控制的特点

机舱中辅助设备的自动控制，是实现“无人值班”机舱的必要条件之一。

船舶辅锅炉是船舶动力装置的重要组成部分。

为了提高机舱的自动化程度，辅锅炉的全自动控制是必不可少的。

对于小型辅锅炉，由于产生的蒸汽主要供主机暖缸、加热燃油以及日常生活用，故对蒸汽参数的稳定性要求不高，一般采用双位控制或比例调节，允许蒸汽压力在设定范围内波动，实现有差调节。

对于大容量的油轮辅锅炉，因为加热货油、驱动货油泵、锅炉给水泵等蒸汽辅机以及洗舱的需要，多采用比例——积分环节，使蒸汽压力基本稳定在设定值，实现无差调节。

作为过程控制的一个典型，辅锅炉的控制具有以下特点：

（1）锅炉控制的动态特性具有大惯性大延时的特点，而且伴有非线性。

（2）控制过程属于慢过程、参数控制。

由于控制过程具有大惯性大延时的特点，因而决定了锅炉控制过程是一个慢过程。

（3）定值控制是锅炉控制的一种主要形式。

在锅炉控制系统中，其给定值是恒定的或保持在很小的范围内变化，控制的主要目的是在于如何减小或消除外界干扰对被控制量的影响。

船用辅锅炉的控制一般分为燃烧器管理和燃烧过程的负荷控制。

锅炉燃烧器管理系统是指按程序执行锅炉的起动和停炉，任一动作未完成前系统都决不会执行下一步。

若某一步动作的完成超过了预先设定的时间，系统将自动复位并发出报警。

燃烧过程的负荷控制是指监控和安全保护，对系统一切可能发生的非正常运行予以监视，当发生风机失灵、点火失败、中途熄火、危险低水位、危险高汽压等重要故障时，应实施停炉并进行声光报警。

对工作油泵、水泵电机过电流故障，应采取启动相应备用泵等措施。

对非重要故障（如高水位、高油温）则只发出声光报警。

1.3辅锅炉自动控制的原则和要求

辅锅炉系统的控制原则是确保其运行经济性、降低能耗和维修费用，整个系统的控制可分为三个部分，即燃烧程序控制、燃烧自动控制和给水自动控制。

燃烧程序控制系统控制及燃烧器点火、熄火有关的一整套程序，包括点火前油泵和风机的起动、预扫风和风油门控制、点火过程、熄火后的后扫气以及在多燃烧器系统中根据负荷变化自动调节燃烧器工作数量，还有对点火失败、缺水、炉前风压低等非正常情况的报警及自动保护措施。

这一系统基本上属于对开关量的顺序逻辑控制，虽然控制过程复杂，可靠性要求高，但输入/输出（I/O）点不多，很适合用仅有开关量功能的低档PLC控制。

根据负荷变化，对燃烧工况的自动调节，目的在于控制锅炉的供汽压力和温度，使其稳定在给定值以满足设备的需要。

同时调节给油量和进风量的比例，保持合适的过量空气从而使燃油充分燃烧，达到安全和省油的目的。

在主锅炉或大型油、客轮的辅锅炉控制中，此系统的主要被控量是模拟量，应采用具有多个模拟量PID调节回路功能的中档PLC。

图1为较典型的供汽压力和风油比调节的原理方框图。

压力调节器

+

-

燃油

调节器

风压

调节器

执行器

执行器

锅

炉

+

-

+

-

油阀

用汽量

给

定

压

力

供

汽

压

力

风门

图1典型的供汽压力和风油比调节的原理方框图

由于对小型船用辅锅炉的蒸汽品质要求不高，可采用双位调节（即高压停炉，低压起动），或采用单调节器的简单比例调节，或用分档方式将连续的汽压信号变成开关量，实现近似的连续闭环调节。

最后这种方式很适合于用低价的开关量PLC完成这一调节功能，同样可达到较高的调节质量，并可及前述的燃烧程序控制系统使用同一个小型或超小型PLC。

同样，给水自动调节系统亦可根据锅炉性能及大小、控制质量要求分别采用双位调节或单冲量、双冲量以至三冲量连续调节。

用具有模拟量控制功能的PLC实现双冲量或三冲量的调节都很方便而无须增添新的控制单元，因而较容易实现高质量的给水控制，而一般辅锅炉则多采用双位调节方式，可及前两个系统共用一个小型或更小型的PLC来实现。

1.4国内外船舶辅锅炉自动控制手段的改进

我国从60年代开始就从事锅炉自控系统的研制工作，到70年代初研制成强制循环辅助锅炉的全自动控制系统，直到90年代开始研制以可编程控制器为核心的辅锅炉燃烧控制装置。

中国船舶总公司的704所从60年代开始研制了辅助锅炉的自动控制系统，80年代初还制定了辅锅炉控制箱标准。

目前，他们又在开发用可编程控制器的油轮辅锅炉控制系统。

现在，国内造船业迅速发展，各船厂大量建造出口船舶，因此辅锅炉的控制系统都以进口产品为主，如：

丹麦的AALBORG公司、SUNROD公司、VOLCANO公司的自控系统，这些公司几乎都采用了可编程控制器组成的控制系统。

国外早在73年底，西德西门子公司已经开始将PLC用于超级油轮的主锅炉燃烧程序控制系统，并及该公司的数字调节器系统及过程控制计算机一起构成锅炉──透平机集中监控系统。

1978年，壳牌（SHELL）国际油轮公司开始了一个研究项目，即改造其超级油轮上的使用继电器或常规电子开关电路的锅炉燃烧器程序控制系统，为其经常发生且难以排除的故障找到一个根本的解决办法。

他们注意到了当时崭露头角的PLC，首先分别在实验室和船舶现场对所选用的美国德州仪器公司（TI）的PC—5TI进行了长达10个月的测试，取得了良好的结果，使该系统的故障率和故障停机时间比原系统大大降低。

Hamworthy工程公司是一个船舶辅机机械制造公司，由于锅炉的控制极为复杂，可靠性要求高，质量直接影响其产品的信誉，1979年以来，他们开始自己设计及成套生产锅炉控制系统。

1983年，他们对著名的豪华客轮“伊丽莎白女皇二号”主锅炉的继电器控制系统用PC公司的PM550中型PLC系统完成了对锅炉燃烧工况调节的全面控制，还配以彩色图形显示和操作等完善的高级系统实船装用，我国大连造船厂也为其出口船舶配置了这种系统。

1.5章节安排

在第一章绪论中通过对辅锅炉控制的特点及国内外船舶辅锅炉自动控制手段改进的分析得出PLC应用于船舶辅锅炉燃烧自动控制系统中，替代传统辅锅炉燃烧控制系统是一种必然。

第二章，分析了辅锅炉自动控制的原理，对辅锅炉自动控制进行了简单介绍，对辅锅炉的自动控制原理和安全保护进行了简单分析，并简单介绍了水位自动控制、燃烧自动控制、锅炉点火及燃烧时序自动控制和自动安全保护，为下一步进行PLC自动控制系统的设计、研究做好准备。

第三章开始进入设计阶段，首先在第一节介绍了PLC（可编程控制器）的基本特点。

第二节主要介绍了系统的设计要求。

第三节开始进行PLC的设计，首先根据控制功能、船用的特点进行PLC选型，接下来设计输入/输出点，然后进行硬件设计，即确定各种输入输出信号及PLC的连接方式，画出输入输出端子接线图，再根据设计要求绘制系统梯形图。

第四节对锅炉控制过程进行分析，说明PLC自动控制系统如何实现辅锅炉的自动控制。

最后的第四章是对辅锅炉自动控制系统的总结及展望，通过对PLC用于船舶辅锅炉自动控制系统的利弊分析，得出结论：

用PLC技术取代传统的继电器控制技术来实现船舶辅助机械的自动控制是大势所趋。

2辅锅炉控制的原理分析

2.1船舶辅锅炉自动控制概述

船舶辅锅炉的自动控制通常包括自动调节、程序控制、安全保护、自动连锁和热工检测等内容。

辅锅炉工作过程中的自动调节是使蒸汽压力、温度和水位等被调参数，在任何工况下均能维持所要求的规定值,包括燃烧过程和给水过程的自动调节。

程序控制是指在操作指令的作用下按照预定的操作程序自动完成锅炉的起动和停炉的操作。

安全保护主要是在锅炉的某个工作过程处于异常状态、危及安全运行时，进行必要的操作使锅炉停止运转，同时还要发出相应的声光报警。

船舶辅锅炉的安全保护有超压保护、过低水位保护及炉膛熄火保护等。

自动连锁是当锅炉的某个设备发生误操作或故障时，能自动阻止有关设备的操作和运转，避免事故的发生。

如当锅炉鼓风机发生故障而停止工作时，燃烧器应该自动停止喷油。

为了随时掌握锅炉运行情况并鉴别其运行是否良好，要不断的测量和监视蒸汽压力、蒸汽温度、水位，燃油压力、燃烧温度等运行参数，故热工检测也是必不可少的一个环节。

2.2船舶辅锅炉的主要调节任务

船舶辅锅炉设备根据生产负荷的需要，供应一定压力和温度的蒸汽，同时要保证在安全、经济的条件下运行。

所以，其主要的调节任务有

（1）锅炉供给负荷的蒸汽压力保持在一定范围内；

（2）锅炉汽包中的水位保持在一定范围内；

（3）炉膛负压保持在一定范围内；

（4）保持锅炉燃烧的经济性和安全运行。

2.3辅锅炉自动控制的原理分析

锅炉是船上最早实现自动控制的装置之一，其控制项目包括：

水位自动控制、燃烧自动控制、锅炉点火及燃烧时序自动控制和自动安全保护。

（1）水位自动控制的目的是保持锅炉的正常水位，即控制给水泵的起停或给水阀的开度，从而控制给水量及锅炉的蒸发量相当，以适应锅炉负荷的变化。

在蒸发量较小、蒸汽压力较低的辅锅炉中，大多数采用双位水位自动控制，即当锅炉水位达到水位下限时，自动起动给水泵向锅炉供水；当水位达到上限水位时，自动停止给水泵的工作。

因此，这种锅炉工作时水位在一定范围内波动而不会稳定在某一给定值上。

在大型的油轮上，辅锅炉的蒸发量一般很大，汽压较高，它要求水位稳定在给定值上。

所以，控制给水一般通过改变调节阀的开度来实现，即根据水位的偏差信号来控制给水阀的开度，从而使给水量适合蒸汽流量的变化。

（2）在燃烧自动控制系统中，被控量是锅炉的蒸汽压力，在单冲量控制系统中，控制器根据汽压的高低自动改变进入炉膛的燃油量和送风量，维持锅炉汽压恒定或在允许范围内波动，并维持一定的风油比，以保证获得较高的经济效益。

对于货轮辅锅炉，燃烧控制系统要求简单、可靠，而且对锅炉的经济性要求不是很严格，因此大多数采用双位控制。

在油轮辅锅炉中，要求汽压稳定，同时对锅炉的经济性要求也比较高，这就要求控制系统在不同的负荷下保证一个最佳的风油比，所以通常采用比例积分控制或更好的控制算法。

油轮的燃烧自动控制系统通常由两个回路组成。

其中一个回路根据汽压的偏差信号经比例积分的蒸汽压力调节器来控制燃油调节阀的开度，即改变向炉膛的喷油量。

喷油量的改变必须同时改变送风量，所以另一回路就是根据燃油量的多少来改变送风量，以达到最佳的风油比，从而获得较高的经济效益。

（3）辅锅炉点火及燃烧时序控制是指给锅炉一个起动信号后，按时序的先后进行预扫风、预点火、喷油点火，点火成功后对锅炉进行预热，接着转入正常燃烧的负荷控制阶段，同时对锅炉进行一系列的安全保护。

一般情况下，辅锅炉的点火及燃烧时序控制包括以下步骤：

起动前的准备：

检查是否具备启动条件。

比如手动燃油速闭阀是否打开；燃油阀是否关闭；锅炉水位是否正常：

燃油压力和温度是否在正常的范围内。

（1）预扫风：

为了防止锅炉内残余的油气在点火时发生冷爆，在点火前应进行预扫风。

此时应起动风机和燃油泵，使燃油在锅炉外打循环，将风门开到最大，以大量风吹去残余油气。

预扫风时间根据锅炉的结构形式不同而异，一般在20~60s之间。

（2）点火：

预扫风完毕后，打开辅电磁阀使点火油头投入工作，同时打开点火变压器，点燃从点火油头喷出的轻油，然后点燃工作油头。

（3）预热：

点火成功后，进入预热阶段，此时燃油控制应处于手动控制，使锅炉缓慢的加热至一定的压力后，将燃油控制转为自动控制，进入正常燃烧阶段，此时，控制系统根据锅炉的负荷调整喷入炉膛的燃油量或改变油头投入燃烧的数目。

（4）锅炉自动化系统的另一个重要任务是对锅炉进行自动保护。

自动保护包括：

安全保护和自动连锁。

对于全自动化的锅炉为达到锅炉安全、可靠的运行和无人管理的目的，当锅炉在点火、升汽以及正常运行的过程中产生异常情况，声光报警，这就是安全保护的任务，锅炉的安全保护一般包括极低水位自动保护、蒸汽压力过高自动保护、异常熄火自动保护、油压过低自动保护、油温过高/过低自动保护和低风压自动保护等。

自动连锁是指当某些特定的条件成立后，才能对一些设备进行操作，比如只有当风机运转建立风压以后，才允许开动燃油泵和开起燃油电磁阀。

2.4安全保护

自动控制系统不是绝对可靠的，万一失灵发生水位过低，汽压过高或是炉膛熄火，都可能导致重大的事故，所以安全保护装置更是不可缺少的组成部分。

以下分别叙述船舶辅锅炉自动控制系统中一些主要的安全保护设施。

（1）超压保护

锅炉汽压超过最高允许工作压力时，超压保护器的电触头被断开，促使喷油嘴切断而油泵停运，风机在后扫风后也停止工作。

（2）水位过低保护

当水位调节系统失灵时，若水位降至低水位后仍不进水，并且继续下降到危险水位时，通过过低水位保护器，切断燃油电磁阀，油泵以及风机的电源，从而实现熄火停炉，同时发出声光报警。

（3）熄火保护

所谓熄火保护，主要是指当锅炉运行时，突然中途熄火，此时应立即断油断风，实施停止燃烧的安全保护作用。

这一保护通常是通过一个火焰感受器的作用而达到的。

2.5本章小结

本章对辅锅炉自动控制进行了简单介绍，并对辅锅炉的自动控制原理和安全保护进行了简单分析，并简单介绍了水位自动控制、燃烧自动控制、锅炉点火及燃烧时序自动控制和自动安全保护，旨在为下一步进行PLC自动控制系统的设计、研究做好准备。

3辅锅炉控制系统的设计及分析

3.1可编程控制器的基本特点

可编程控制器（PLC）是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术发展起来的一种工业控制器。

PLC的工作原理框图如图所示

图2PLC的工作原理框图

PLC是采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作的。

即PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描。

如果无跳转指令，从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直到程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮扫描，周而复始。

每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。

PLC采用软件编制程序来实现控制要求。

编程时使用的各种编程元件，它们可提供相当多个常开触点和常闭触点。

这使得整个控制系统大为简单，只须外部端子上接上相应的输入输出信号线即可，并能在生产工艺流程改变或生产设备更新时，不必改变PLC的硬设备，只要改变程序即可。

PLC能在线修改程序，也能方便地扩展I/O点数。

PLC结构紧密，体积小巧，易于装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

3.2设计要求

总体要求达到：

锅炉水位是采用电极双位控制；锅炉汽压在低负荷时采用双位控制，正常负荷时采用压力比例调节器—电动比例操作的比例控制；火焰监视器采用光电池；有危险水位、低风压、超压保护等安全保护装置；自动控制系统失灵时可转为手动操作。

在起动锅炉以前，轮机员先要做一系列的准备工作。

如合上电源总开关；观察锅炉水位是否在危险水位以下，若是，则要向锅炉补足水，否则锅炉不能起动；让燃油系统的温度、压力自动控制系统投入工作；把“自动——手动”转换开关转到“自动”位置等。

做好这些工作以后，就可按锅炉起动按钮，燃烧时序控制系统的功能如下：

（1）预扫风

预扫风就是在起动锅炉时先用空气吹除残留在炉膛内的油气，防止炉膛内集油过多而在点火时发生冷爆。

预扫风的时间根据锅炉的结构形式不同而异，一般是20~60秒。

给锅炉一个起动信号后，控制系统能自动起动油泵和风机。

这时，燃油电磁阀是关闭的，不能供油，风门开得最大以大风量进行预扫风

（2）点火

当整定的预扫风时间到达后。

控制系统会自动关小风门以利于点火。

点火变压器通电，点火电极产生电火花进行供油点火。

有些锅炉没有预点火，在点火变压器通电的同时打开燃油电磁阀供油点火。

在点火时间内要求小风量少喷油。

对只有一个油头工作的辅锅炉，要开大回油阀减少供油。

点火是否成功由光电池来监视。

在调定的点火时间内，如果炉膛内有火焰说明点火成功，否则说明点火失败。

自动停炉，待故障修复后再重新起动。

（3）负荷控制

点火成功后维持一段时间低火燃烧对锅炉进行预热，然