辅锅炉燃烧模拟控制系统设计

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题目：辅锅炉燃烧模拟控制系统设计Auxiliary boiler combustion control system

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2011年月日

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前言 (3)

摘要 (3)

1 可编程序控制器的基本特点 (4)

2系统设计要求 (5)

2.1水位控制 (5)

2.2燃烧程序自动控制 (5)

2.3蒸汽压力控制 (7)

2.4自动保护和报警 (7)

3控制部分的设计 (7)

3.1硬件设计 (8)

3.2控制部分的软件设计 (9)

一、控制系统流程图 (10)

二、时序图 (11)

三、控制程序 (12)

四、控制程序的说明 (15)

4 结束语 (16)

参考文献 (16)

前言

在内燃机动力装置的船舶上，锅炉是船舶的重要辅机设备，主要产生蒸汽用于加热燃油、主机暖缸、驱动辅助机械及生活杂用。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(特别在远洋渔船)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、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、可靠性提高、维护方便且容易实现现场调试等。可编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。

随着船舶技术的发展，船舶自动化的程度越来越高，而PLC因其可靠性高、运用灵活，在自动控制领域获得了广泛的应用。目前，在船舶自动化设备中，船舶电站自动化、分油机自动控制、锅炉自动控制等领域，都已成功地应用了可编程序控制器，相信随着市场的发展和技术的进步，PLC技术在船上会有更广阔的前景。

船舶辅锅炉是一个多输入、多输出且相互关联的复杂的控制对象，其实际操作必须遵循严格的步骤，在实习和教学环节中，实现每个人都进行实际操作有难度。因燃油运行成本且可能出现操作失误，会给实习和教学带来一定的困难和不安全因素。随着虚拟现实技术的产生，这些问题将逐步得到解决。以下将会用PLC设计一个辅锅炉模拟控制系统。

摘要

目前我国船舶自动化控制程度较低，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、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、可靠性提高、维护方便且容易实现现场调试等。随着船舶自动化的发展，PLC技术越来越多的在船舶中得到应用。本文分析了PLC的特点以及在船用辅锅炉自动控制系统的应用，主要应用在船用辅锅炉锅炉水位自动控制、蒸汽压力自动控制、燃烧程序的自动控制、保护与报警，使锅炉实现自动控制，逐渐达到无人机舱的目的。

本文主要包括以下几方面内容：一、介绍可编程序控制器（PLC）的基本特点，使人了解PLC工作原理及方式；二、说明该控制系统的设计要求，也就是本文用S7—200 PLC实现自动锅炉控制要达到的目的；三、是本文最重要的一环，系统自动控制的设计包括硬件和软件方面。

1 可编程序控制器的基本特点

可编程序控制器（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的工作原理框图如下：

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长闭触点。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。

2系统设计要求

系统必须能够实现程序控制、自动调节、安全保护功能和具有较高的仿真度。

本文主要针对的是船舶辅助燃油锅炉,其蒸发量一般为0.45-2.5t/h，蒸汽压力在04-0.46Mpa左右，但只要简单修改一下，PLC程序就可以适用不同型号的船舶锅炉。船舶锅炉自动控制一般有以下几个环节: 锅炉水位自动控制、燃烧程序的自动控制、蒸汽压力自动控制、保护与报警。

系统的全自动起动、停炉和故障事件处理，按照要求在PLC中编制用户程序，实现:给水、扫气、点火、燃烧等过程的全自动起、停控制。锅炉定期定时保养维护的自动提示和超期不维护的系统自动闭锁。为配合燃烧，PLC在系统的起停运行中，根据控制要求自动起停风机电机和开闭风门完成扫气工序，并根据燃烧情况，控制风门的开闭大小。此外，风机电机故障、炉内压力超限联锁、燃烧发生故障的联锁控制和报警处理，报警联锁等控制处理等也由PLC用户程序实现。

2.1水位控制

采用水位计对水位进行检测，根据控制需要将2个水位(下限水位位、上限水位)的2个开关量信号接入PLC，经PLC控制水泵电机，实现合适给水量的控制、低水位联锁、报警处理给水水泵电机故障时的联锁控制等，使系统全自动平稳地运行。

2.2 燃烧程序自动控制

燃烧自动控制的被控量是辅锅炉内的蒸汽压力，根据汽压的高低自动改变进入炉膛的喷油量和送风量。

对货船辅锅炉，燃烧自动控制系统的要求简单、可靠，对辅锅炉运行的经济性要求不是很严格，大多数这样的辅锅炉采用汽压的双位控制，少数采用比例控制，并保证辅锅炉在不同负荷下，其送风量基本适应喷油量的要求。在油船辅锅炉中，要求汽压必须稳定，同时对辅锅炉的运行经济性要求比较高，这样辅锅炉才能在不同的负荷情况下，保证有一个最佳的风油比，所以通常采用比例积分控制或更好的控制算法。

点火及燃烧采用时序控制：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。

按下辅锅炉启动按钮后，自动启动燃油泵和鼓风机，关闭燃油电磁阀使燃油在辅锅炉外面循环，此时风门开的最大，以最大风量进行预扫风，防止炉内残存

的油气在点火中产生冷爆。

预扫风的时间根据辅锅炉的结构形式不同而异，一般是 20～6O S。达到预扫风的时问后自动关小风门，同时点火电极打出火花进行预点火，时间约为3 S。然后打开燃油电磁阀或开大回油阀，或让一个油头喷油工作，即以小风量和少喷油进行点火。点火成功后，先维持一段时间低火燃烧，对辅锅炉进行预热，再开大风门关小回油阀或增加一个油头向炉膛喷油，使辅锅炉转入高火燃烧，即进入正常燃烧的负荷控制阶段。在预定的时间内若点火不成功或风机失压、中间熄火等，会自动停炉，待故障排除后按恢复按钮使时序控制恢复到起动前的状态，方能重新起动辅锅炉

风油比的控制在该控制系统中是很重要的一环，大家知道：燃油的充分燃烧，离不开合理精确的风油比。这是关系能耗的重要指标。而目前各国生产的自动燃烧器火焰调节原理，基本都是由机械连杆带动风门油门同步转动来实现的。这种结构不仅结构复杂、故障率高，还普遍存在着风油比控制精度差（不能精确量化）且调节困难的缺点。当使用两种不同黏度的燃油和燃油品质发生变化时，由于不能分别控制和自动切换轻/重燃油的风油比，因此燃烧状况很难处于最佳状态，导致油耗加大、热效率降低。尤其是那种高压风机空气雾化的开放式燃烧器，由于大量燃烧用氧完全依赖引风机提供的负压，燃烧器本身根本就不能良好调控风油比，因此能耗很大、热效率也很低。

至于如何控制，现在我就简单介绍一下我自己的方法：风门电磁调节阀和油门电磁调节阀各串一个可变电阻，阻值大小，可以自己适当选择，原理通过改变阻值来改变电流的大小从而改变磁力的大小。通电之前，变阻器阻值调到最大这时油门调节阀调到最小即油门调到最小用来点火和预热用；而与风门调节阀相连的变阻器则调到最小值即风门最大为预扫风作好整备，很显然这种方法是比较粗糙的，有很多不足之处，因为所带不同负载所要求的风油比就不一样，这样调起开来就比较麻烦，而且精度比较低，很容易浪费资源。至于更好的方法就像上面所说的采用比例积分控制或更好的控制算法，这样辅锅炉才能在不同的负荷情况下，保证有一个最佳的风油比，就可以达到使汽压必须稳定，同时减小辅锅炉的运行经济成本。具体的原理就是在油门和风门加一个比例调节器，通过对蒸汽压的检测判断处理，分别给油量和风量一个合适的反馈量，达到获得一个动态的比较合适的风油比，再通过对输入即油量或风量和输出即蒸汽压构成闭环系统使蒸汽压保持稳定。本程序用的就是比例积分控制法，在锅炉里加了一个蒸汽压力检测装置，在燃油泵里加了流量比例调节器，在风机里加了一个压力比例调节器，两个比例调节器都与蒸汽压力检测器有电的相接，点火成功后的控制全过程的风油比就是由这三者来控制完成。

2.3 蒸汽压力控制

蒸汽压力通过压力传感器测量实现。水位正常时，如蒸汽压力在0.4-0.46Mpa时锅炉正常燃烧;当负荷减少时，蒸汽压力超过0.46Mpa时锅炉停止燃烧切断电源并发出报警，此时，若用户想马上再次起动锅炉时，点火失败指示灯会亮并发出警报，只有当报警自动撤销，才能再次起动或者当蒸汽压力下降到0.4Mpa以下时锅炉自动重新点火燃烧。

采用压力传感器测量当前蒸汽压力，通过压力开关，信号接入PLC的两点开关量输入，或者用压力传感器测量通过变送器将信号接入PLC的一路模拟量输入，实现两级燃烧(大、小火)控制和压力上限保护及实时监视。

2.4 自动保护和报警

按照要求在PLC编制中实现危险水位保护、燃油泄漏保护和报警过汽压保护、点火失败报警、燃烧熄火报警

3控制部分的设计

采用PLC技术实现自动控制主要是以程序形式来体现其控制能力的，大量的工作时间是用在软件设计，也即程序设计上。

通常采用继电气系统设计法中的逐步探索法，以步为核心，一步一步设计下去，一步一步修改调试，直至完成整个程序的设计。

由于PLC内部继电器数量大，其接点在内存允许的情况下可重复使用，具有存储数量大、执行快等特点，在系统设计前，必须深入了解：

一、锅炉自动控制系统的基本流程及基本原理。

二、锅炉控制所具备的全部功能和控制范围。

三、作为锅炉的程序控制，主要是要清楚其时序控制图，这就要根据锅炉系统时序控制的特点，在程序设计时要着重用好PLC内部计数器和定时器。

机型选择的基本原则是在满足控制功能的前提下，保证系统可靠、安全、经济及使用方便。

在实际设计中一般要考虑以下几个方面的问题：

一、I\O点数的确定（一般可考虑10%-15%的备用量）；

二、确定用户程序存储器的存储容量，一般粗略的估计方法是：（输入+输出）*10

到12=指令步数；

三、响应速度；

四、输入和输出的方式及负载能力。根据控制系统中输入和输出信号的种类、参

数等级和负载要求，选择能够满足输入和输出接口需要的机型，在这里要特别注意电压和电流的问题。

3.1 硬件设计

操作控制箱中有S7-200 PLC一台、接触器、热继电器、开关、导线等若干，这些设备组成模拟器控制部分的主电路和控制电路。控制电路各项功能主要由PLC来实现，S7-200 PLC系统接线图和I/O点分配表如下图所示。

PLC硬件接线图

I/O点分配表

3.2 控制部分的软件设计

根据PLC扫描工作方式的特点，按照锅炉自动控制系统的控制流程及各部动作的逻辑关系，合理划分成型模块，画出控制系统流程图和控制系统程序梯形图。在程序设计中要充分利用PLC内部继电器的无限多触点给程序带来的方便。

一、控制系统流程图

锅炉点火时序控制图

这里对控制系统流程图说明一下，系统得电就进入初始化即所有数据都恢复到原始状态为新一轮起动做好整备并且进入水位自动控制阶段并一直执行下去，这里的启动条件就是水位是否正常，只有在正常的情况下，按起动按钮才有效。正常起动后系统就进入燃烧自动控制阶段，首先为预扫风做好整备风机、油泵启动和风门开到最大，当风机和风门都正常打开时，系统会经过一个压力感应开关来自动检测风压是否建立，如果在9秒之内成功建立风压，预扫风延时60秒，系统就会进入点火阶段，否则进入自动保护和报警状态，解除警报只须按下停止按钮就行了，以下都一样。当点火变压器得电进入预点火，在9秒之内，点火是否成功，是否有火焰生成，系统经过一个合适的光敏电阻来自动检测，成功就进入下一阶段，失败就进行自动保护和报警。点火成功后，系统就开始正常工作，生成大量的蒸汽，这时系统就进入蒸汽压自动控制阶段，这时系统会利用一个压力检测开关来检测蒸汽压是否超过预定0.46Mpa.一旦超过系统就会进入自动保护和报警状态，这时系统想再次起动，必须要等到蒸汽压回到正常值，在回到正常值时，你可以按起动按钮让系统再次起动，或者等到蒸汽压一直降到0.4Mpa 以下时系统会自动重新点火燃烧。

二、时序图

锅炉系统执行机构的动作时序图

三、控制程序

四、控制程序的说明

系统得电进入初始化，首先自动检测水位是否正常，水位正常时，按下起动按钮I0.0，这时燃油泵、轻油泵开始工作，而且风门开到最大同时相应的定时计数器开始计时。当计数器T37计时到3秒时，鼓风机得电工作开始预扫风，在T38计时到9秒或9秒以内，I1.3风压检测开关检测到预定的风压，程序继续进行（否则发出警报和断电）。当T39计数到60秒时，Q0.6 风门（大）接触器关闭，预扫风结束，而Q0.7风门（小）接触器、Q1.0 关小进油阀、Q1.1点火变压器开始工作；点火变压器得电后，T40计时到3秒，进行预点火，同时Q0.4 燃油电磁阀、Q0.5轻油电磁阀打开，这时开始检测点火是否成功，在T41计时到9秒及以内，I0.4检测火焰开关检测到火焰则点火成功（否则点火失败报警断电），系统继续，这时点火变压器、Q0.6轻油泵关断，点火结束，系统进入正常工作状态。整个过程中，若出现中途熄火、蒸汽压过高、燃油泄漏等情况，系统就会自动报警及断电。

4 结束语

采用PLC控制技术取代传统的继电器逻辑控制，有很大的优点，它取消了逻辑接触器而用软件来代替，使故障率大大减小；接线简单明了，控制逻辑指示清楚，易于排查故障；而且在控制功能作少许改动时，只需改变软件编程，无需改变实际接线；编程图形化，易于掌握使用。

用PLC做的模拟自动系统有几大优点：经济、安全、便于教学、故障模拟方便、先进。

参考文献

1、昝宪生《轮机自动化》大连海事出版社。

2、王永华《现代电气控制及PLC应用技术》第二版北京航空航天大学出版社