林文城

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建廈門361012)

船用廢氣鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

林文城

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建廈門361012)

針對(duì)早期采用傳統(tǒng)控制系統(tǒng)存在的不足，以某輪廢氣鍋爐為例，根據(jù)該輪蒸汽系統(tǒng)的技術(shù)要求與廢氣鍋爐的運(yùn)行特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)以臺(tái)達(dá)DVP14ES00R2 PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)，提高了該廢氣鍋爐運(yùn)行過(guò)程中的精確控制、節(jié)約耗能和抗干擾等方面的要求。

船用廢氣鍋爐 PLC PID 自動(dòng)控制

0 前言

船舶航行中，廢氣鍋爐利用主機(jī)產(chǎn)生的排煙廢熱生產(chǎn)出大量的低壓蒸汽，滿足加熱和日常生活之用，在節(jié)能減排方面取得卓越成效。

但在早期的船舶廢氣鍋爐，采用傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)，可靠性差，故障率多，熱效率低等問(wèn)題一直無(wú)法根本解決，制約其進(jìn)一步發(fā)展。而可編程控制器具有功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)和維護(hù)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，故在此提出了一種以臺(tái)達(dá)DVP14ES00R2 PLC為控制核心，配有MT506L系列觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)早期船舶廢氣鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，通過(guò)狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算，自動(dòng)控制執(zhí)行元件的動(dòng)作次序和大小，保證整個(gè)蒸汽系統(tǒng)在良好狀態(tài)下長(zhǎng)期安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 廢氣鍋爐控制系統(tǒng)的硬件組成

如圖1所示，下位機(jī)采用臺(tái)達(dá)DVP14ES00R2 PLC為中央控制器，各個(gè)壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器和比例電位器等與模擬量輸入輸出模塊(1746—NI04 V )相連。上位機(jī)使用帶串行通訊口的觸摸屏（Eview MT 506L），經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換后與PLC連接，利用Easy Builder 500組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面，從而實(shí)現(xiàn)廢氣鍋爐運(yùn)行的控制。

2 廢氣鍋爐的自動(dòng)控制原理

2.1 某輪廢氣鍋爐概況

某輪配備一臺(tái)LFY67—5船用廢氣鍋爐，該廢氣鍋爐受熱面積為55 m2，工作壓力為0.5 MPa，設(shè)計(jì)的廢氣量為10036.5 Nm3/h，廢氣溫度為362℃，鍋爐排氣溫度為210℃，蒸發(fā)量為550 kg/h。

當(dāng)船舶處于航行狀態(tài)，燃油鍋爐熄火停爐，而廢氣鍋爐向船舶提供大量飽和蒸汽用于加熱。只有在廢氣鍋爐產(chǎn)氣量供不應(yīng)求或出現(xiàn)故障時(shí)，才啟動(dòng)燃油鍋爐產(chǎn)生水蒸氣。當(dāng)船舶停靠港口或錨地時(shí)，主機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，則廢氣鍋爐停爐而由燃油鍋爐供氣。

2.2 系統(tǒng)控制思路

控制水位、壓力和蒸發(fā)量等技術(shù)參數(shù)，是保證廢氣鍋爐安全節(jié)能運(yùn)行的關(guān)鍵。相比燃油鍋爐，廢氣鍋爐內(nèi)部的溫度較低，只要保證鍋爐水位在一定范圍波動(dòng)就能保證控制要求。而廢氣鍋爐壓力的大小由鍋爐負(fù)荷和蒸發(fā)量決定，故根據(jù)蒸汽系統(tǒng)中主蒸汽總分配聯(lián)箱的壓力，相應(yīng)調(diào)節(jié)廢氣鍋爐的產(chǎn)氣量，就可以完成鍋爐內(nèi)壓力的控制。調(diào)節(jié)廢氣鍋爐蒸發(fā)量的方法很多，本裝置采用煙氣旁通法，即在廢氣鍋爐和旁通煙道入口處安裝三通調(diào)節(jié)閥，依靠伺服電機(jī)調(diào)節(jié)該閥門來(lái)改變流經(jīng)鍋爐廢氣的流量，最終獲得相應(yīng)的水蒸氣蒸發(fā)量。

如圖2所示，臺(tái)達(dá)DVP14ES00R2 PLC在應(yīng)用程序的控制下，采集主蒸汽總分配聯(lián)箱的壓力，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算后，由PWM控制將其轉(zhuǎn)化成控制脈沖信號(hào)進(jìn)行輸出，進(jìn)而控制伺服電動(dòng)機(jī)軸上的角位移來(lái)調(diào)節(jié)廢氣三通調(diào)節(jié)閥的位置，最終通過(guò)改變流經(jīng)廢氣鍋爐的廢氣流量來(lái)控制水蒸氣的蒸發(fā)量，保證主蒸汽分配聯(lián)箱中水蒸氣的壓力維持在穩(wěn)定數(shù)值范圍內(nèi)。當(dāng)然，也采集的其它技術(shù)參數(shù)數(shù)值，經(jīng)過(guò)PID計(jì)算分析，非正常工作時(shí)控制系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)、或保護(hù)性停車，同時(shí)分析系統(tǒng)故障產(chǎn)生的原因并提出相應(yīng)的排除措施。這樣保證實(shí)現(xiàn)船舶水蒸氣系統(tǒng)更為精確的自動(dòng)調(diào)節(jié)、行之有效的節(jié)約能耗和安全可靠運(yùn)行。

2.3 PLC硬件接線表（見(jiàn)表1）

3 廢氣鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)下位機(jī)PLC控制內(nèi)容和上位機(jī)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)要求，采用編程軟件完成程序的開(kāi)發(fā)。

3.1 PLC控制內(nèi)容的設(shè)計(jì)

根據(jù)船用廢氣鍋爐系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，采用STEP7編程軟件，將主程序分成若干個(gè)子程序模塊，分別進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)，使得各程序邏輯清晰嚴(yán)密，并具有良好的可復(fù)制性和可擴(kuò)展性。自動(dòng)控制系統(tǒng)由主控制程序、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、工藝流程和輸出控制等4個(gè)模塊組成。因篇幅所限，本文側(cè)重說(shuō)明廢氣鍋爐自動(dòng)控制的核心內(nèi)容：即以根據(jù)蒸汽總分配的壓力，來(lái)調(diào)節(jié)廢氣鍋爐的蒸發(fā)量，最終保證船舶航行中蒸汽總分配聯(lián)箱中的壓力維持在理想的范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)自動(dòng)控制流程如圖2所示。

1）技術(shù)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集

將PLC采集的模擬量數(shù)值依次放在VD1000開(kāi)始的寄存器內(nèi)。

2）自動(dòng)控制系統(tǒng)的保護(hù)和報(bào)警

廢氣鍋爐的報(bào)警和保護(hù)性停車主要表現(xiàn)在危險(xiǎn)水位保護(hù)、氣壓異常保護(hù)、三通調(diào)節(jié)閥失靈保護(hù)、換熱管高溫保護(hù)、給水泵排壓異常保護(hù)等。

3）PID運(yùn)算

在PLC實(shí)時(shí)采集運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)里，大部分的參數(shù)屬于測(cè)量參考量和安全報(bào)警量，如圖2所示，蒸汽系統(tǒng)中蒸汽總分配聯(lián)箱的壓力是閉環(huán)控制的最重要參數(shù)。以控制蒸汽系統(tǒng)中蒸汽總分配聯(lián)箱的壓力為例，該參數(shù)借助PID控制算法調(diào)節(jié)輸出，通過(guò)執(zhí)行元件的動(dòng)作，自動(dòng)調(diào)節(jié)廢氣鍋爐的蒸發(fā)量，以促使該壓力偏差傾向于零，使整個(gè)系統(tǒng)幾乎一直處于平穩(wěn)狀態(tài)。根據(jù)PLC周期采集參數(shù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)選擇離散化的周期采樣偏差公式，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，則積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表示：

推出離散的PID表達(dá)式：

式中：△t=T—采樣周期，必須使T足夠?。籯—采樣序號(hào)，k=0，1，2……；E(k)、E(k-1)—第k次和第(k-1)次采樣時(shí)的偏差值；P(k)—第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出。

4）PWM輸出

在船用廢氣鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)中，根據(jù)對(duì)蒸汽總分配聯(lián)箱壓力的PID計(jì)算結(jié)果，產(chǎn)生PWM輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)通過(guò)伺服電機(jī)控制三通調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作，完成對(duì)廢氣鍋爐蒸發(fā)量的調(diào)節(jié)。在廢氣鍋爐蒸汽閥出口安裝流量傳感器測(cè)量蒸發(fā)量，該傳感器把水蒸氣流量轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給PLC，PLC將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)使三通調(diào)節(jié)閥正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)廢氣鍋爐內(nèi)廢氣的流量。當(dāng)三通調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)（即廢氣的泄放量為0），控制系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)，并自動(dòng)啟動(dòng)燃油鍋爐，增加水蒸氣產(chǎn)量，最終使水蒸氣的輸出流量與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達(dá)到蒸發(fā)量精確輸出的目的，最終保證蒸汽總分配聯(lián)箱中的壓力維持在設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)。

3.2 人機(jī)界面

本例自動(dòng)控制系統(tǒng)選擇MT506L觸摸屏，采用Easy Bluilder500組態(tài)軟件完成編程，建立了具備友好和直觀性能的人機(jī)界面。該界面可以實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行中蒸汽總分配聯(lián)箱壓力、廢氣鍋爐的水位和蒸發(fā)量等技術(shù)參數(shù)的變化，同時(shí)不但動(dòng)態(tài)反映給水泵等動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，而且還顯示三通調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行元件的動(dòng)作情況。而當(dāng)出現(xiàn)異常狀況時(shí)，該界面能及時(shí)保存數(shù)據(jù)并分析和顯示故障原因。

?

4 小結(jié)

本文采用以臺(tái)達(dá)DVP14ES00R2 PLC為控制核心，配有Eview MT 506L觸摸屏，完成對(duì)船用廢氣鍋爐運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)輕松地解決了早期控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、蒸氣系統(tǒng)壓力穩(wěn)定性差和廢氣鍋爐熱效率低等缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了PLC運(yùn)算速度快、智能化高、抗干擾能力強(qiáng)和維護(hù)方便等控制優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求。

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Design of Automatic Control System for Marine Exhaust Boiler

Lin Wencheng
(Marine Vocational and Technical College in Xiamen, Xiamen 361012 , Fujian, China)

In allusion to the defects in the early use of the traditional control system, taking a round exhaust boiler as an example, and according to the technical requirements of the wheel steam system and the exhaust gas boiler operation characteristics, the development of the automatic control system based on DVP14ES00R2 PLC is presented in the paper, which improves on the precise control to the exhaust gas boiler with characteristics such as saving energy and anti-interference, etc.

marine exhaust boiler; PLC; PID automatic control

U665

A

1003-4862（2014）03-0019-03

2013-09-17

林文城 (1975-), 男, 碩士, 副教授 。 研究方向：船舶輔機(jī)自動(dòng)控制和維護(hù)管理。