船用废气锅炉自动控制系统的设计

林文城

(厦门海洋职业技术学院，福建厦门361012)

船用废气锅炉自动控制系统的设计

林文城

(厦门海洋职业技术学院，福建厦门361012)

针对早期采用传统控制系统存在的不足，以某轮废气锅炉为例，根据该轮蒸汽系统的技术要求与废气锅炉的运行特点，开发以台达DVP14ES00R2 PLC的自动控制系统，提高了该废气锅炉运行过程中的精确控制、节约耗能和抗干扰等方面的要求。

船用废气锅炉 PLC PID 自动控制

0 前言

船舶航行中，废气锅炉利用主机产生的排烟废热生产出大量的低压蒸汽，满足加热和日常生活之用，在节能减排方面取得卓越成效。

但在早期的船舶废气锅炉，采用传统继电器控制系统，可靠性差，故障率多，热效率低等问题一直无法根本解决，制约其进一步发展。而可编程控制器具有功能强大、稳定性好、抗干扰能力强和维护简便等特点，故在此提出了一种以台达DVP14ES00R2 PLC为控制核心，配有MT506L系列触摸屏来实现对早期船舶废气锅炉控制系统进行改造，通过状态参数的数据采集和运算，自动控制执行元件的动作次序和大小，保证整个蒸汽系统在良好状态下长期安全运转。

1 废气锅炉控制系统的硬件组成

如图1所示，下位机采用台达DVP14ES00R2 PLC为中央控制器，各个压力传感器、温度传感器、流量传感器和比例电位器等与模拟量输入输出模块(1746—NI04 V )相连。上位机使用带串行通讯口的触摸屏（Eview MT 506L），经过信号转换后与PLC连接，利用Easy Builder 500组态软件设计人机界面，从而实现废气锅炉运行的控制。

2 废气锅炉的自动控制原理

2.1 某轮废气锅炉概况

某轮配备一台LFY67—5船用废气锅炉，该废气锅炉受热面积为55 m2，工作压力为0.5 MPa，设计的废气量为10036.5 Nm3/h，废气温度为362℃，锅炉排气温度为210℃，蒸发量为550 kg/h。

当船舶处于航行状态，燃油锅炉熄火停炉，而废气锅炉向船舶提供大量饱和蒸汽用于加热。只有在废气锅炉产气量供不应求或出现故障时，才启动燃油锅炉产生水蒸气。当船舶停靠港口或锚地时，主机停止运转，则废气锅炉停炉而由燃油锅炉供气。

2.2 系统控制思路

控制水位、压力和蒸发量等技术参数，是保证废气锅炉安全节能运行的关键。相比燃油锅炉，废气锅炉内部的温度较低，只要保证锅炉水位在一定范围波动就能保证控制要求。而废气锅炉压力的大小由锅炉负荷和蒸发量决定，故根据蒸汽系统中主蒸汽总分配联箱的压力，相应调节废气锅炉的产气量，就可以完成锅炉内压力的控制。调节废气锅炉蒸发量的方法很多，本装置采用烟气旁通法，即在废气锅炉和旁通烟道入口处安装三通调节阀，依靠伺服电机调节该阀门来改变流经锅炉废气的流量，最终获得相应的水蒸气蒸发量。

如图2所示，台达DVP14ES00R2 PLC在应用程序的控制下，采集主蒸汽总分配联箱的压力，经过PID运算后，由PWM控制将其转化成控制脉冲信号进行输出，进而控制伺服电动机轴上的角位移来调节废气三通调节阀的位置，最终通过改变流经废气锅炉的废气流量来控制水蒸气的蒸发量，保证主蒸汽分配联箱中水蒸气的压力维持在稳定数值范围内。当然，也采集的其它技术参数数值，经过PID计算分析，非正常工作时控制系统将发出警报、或保护性停车，同时分析系统故障产生的原因并提出相应的排除措施。这样保证实现船舶水蒸气系统更为精确的自动调节、行之有效的节约能耗和安全可靠运行。

2.3 PLC硬件接线表（见表1）

3 废气锅炉自动控制系统的软件设计

根据下位机PLC控制内容和上位机监控界面的设计要求，采用编程软件完成程序的开发。

3.1 PLC控制内容的设计

根据船用废气锅炉系统的特点和要求，采用STEP7编程软件，将主程序分成若干个子程序模块，分别进行控制程序设计和软件开发，使得各程序逻辑清晰严密，并具有良好的可复制性和可扩展性。自动控制系统由主控制程序、数据实时采集、工艺流程和输出控制等4个模块组成。因篇幅所限，本文侧重说明废气锅炉自动控制的核心内容：即以根据蒸汽总分配的压力，来调节废气锅炉的蒸发量，最终保证船舶航行中蒸汽总分配联箱中的压力维持在理想的范围内，设计自动控制流程如图2所示。

1）技术参数的数据采集

将PLC采集的模拟量数值依次放在VD1000开始的寄存器内。

2）自动控制系统的保护和报警

废气锅炉的报警和保护性停车主要表现在危险水位保护、气压异常保护、三通调节阀失灵保护、换热管高温保护、给水泵排压异常保护等。

3）PID运算

在PLC实时采集运行参数数据里，大部分的参数属于测量参考量和安全报警量，如图2所示，蒸汽系统中蒸汽总分配联箱的压力是闭环控制的最重要参数。以控制蒸汽系统中蒸汽总分配联箱的压力为例，该参数借助PID控制算法调节输出，通过执行元件的动作，自动调节废气锅炉的蒸发量，以促使该压力偏差倾向于零，使整个系统几乎一直处于平稳状态。根据PLC周期采集参数数据的特点，控制系统选择离散化的周期采样偏差公式，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，则积分项和微分项可用求和及增量式表示：

推出离散的PID表达式：

式中：△t=T—采样周期，必须使T足够小；k—采样序号，k=0，1，2……；E(k)、E(k-1)—第k次和第(k-1)次采样时的偏差值；P(k)—第k次采样时调节器的输出。

4）PWM输出

在船用废气锅炉自动控制系统中，根据对蒸汽总分配联箱压力的PID计算结果，产生PWM输出信号，该输出信号通过伺服电机控制三通调节阀的动作，完成对废气锅炉蒸发量的调节。在废气锅炉蒸汽阀出口安装流量传感器测量蒸发量，该传感器把水蒸气流量转换为一比例电压反馈给PLC，PLC将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机使三通调节阀正向或反向地转动，调节废气锅炉内废气的流量。当三通调节阀全开时（即废气的泄放量为0），控制系统将发出警报，并自动启动燃油锅炉，增加水蒸气产量，最终使水蒸气的输出流量与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到蒸发量精确输出的目的，最终保证蒸汽总分配联箱中的压力维持在设计的范围内。

3.2 人机界面

本例自动控制系统选择MT506L触摸屏，采用Easy Bluilder500组态软件完成编程，建立了具备友好和直观性能的人机界面。该界面可以实时显示运行中蒸汽总分配联箱压力、废气锅炉的水位和蒸发量等技术参数的变化，同时不但动态反映给水泵等动力设备的运行状态，而且还显示三通调节阀等执行元件的动作情况。而当出现异常状况时，该界面能及时保存数据并分析和显示故障原因。

?

4 小结

本文采用以台达DVP14ES00R2 PLC为控制核心，配有Eview MT 506L触摸屏，完成对船用废气锅炉运行自动控制系统的设计。该系统轻松地解决了早期控制系统结构复杂、蒸气系统压力稳定性差和废气锅炉热效率低等缺点，充分发挥了PLC运算速度快、智能化高、抗干扰能力强和维护方便等控制优点，实现了设计的要求。

[1] 费 千. 船舶辅机[M] . 大连: 大连海事大学出版社, 2005.

[2] 王瑞云. 基于PLC控制的船用锅炉水位控制系统的分析[J]. 船电技术, 2013, (4): 40-43.

[3] 蔡东林. 船用锅炉蒸汽压力智能控制器设计[J]. 南通航运职业技术学院学报, 2012, (5): 28-31.

[4] 严华, 杨文中. 新颖船舶燃油锅炉模拟实验系统的研制[J] . 船电技术, 2012, (9):54-56.

[5] 叶翠安. 船用辅助锅炉监控系统的设计与应用研究[J]. 船电技术, 2009, (8): 44-46.

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, 硕士, 副教授 。 研究方向：船舶辅机自动控制和维护管理。