基于PLC的船用锅炉自动控制培训仿真系统设计.doc

中国科技论文在线基于PLC的船用锅炉自动控制培训仿真系统设计基金项目：天津理工大学育苗基金项目（编号LGYM1003），天津理工大学教学基金项目（YB11-23），天津理工大学学生科技基金项目船舶辅锅炉仿真装置研究及开发 王宗涛，李雷斌，韩海龙，袁坤，贾状作者简介：王宗涛，男，1976年生，讲师，主讲课程：轮机自动化，电工学、自动化仪表. E-mail: 1.51.5Maritime college, Tianjin University of Technology,Tianjin 300384, P. R. China;Maritime college, Tianjin University of Technology,Tianjin 300384, P. R. China;Maritime college, Tianjin University of Technology,Tianjin 300384, P. R. China;Maritime college, Tianjin University of Technology,Tianjin 300384, P. R. China;Maritime college, Tianjin University of Technology,Tianjin 300384, P. R. China天津理工大学海运学院，天津 300384;天津理工大学海运学院，天津 300384;天津理工大学海运学院，天津 300384;天津理工大学海运学院，天津 300384;天津理工大学海运学院，天津 30038430038413622090402;天津市南开区红旗南路延长线，天津理工大学海运学院 ;;;;457428259;1254491969王宗涛，男，1976年生，讲师，主讲课程：轮机自动化，电工学、自动化仪表;李雷斌，男，1977年生，轮机长，讲师，主讲课程：船舶管理，船舶动力装置技术管理，机舱资源管理;王宗涛;李雷斌;韩海龙;袁坤;贾状Wang Zongtao;Li Leibin;Han Hailong;Yuan Kun;JIA Zhuang王宗涛天津理工大学育苗基金项目（编号LGYM1003），天津理工大学教学基金项目（YB11-23），天津理工大学学生科技基金项目船舶辅锅炉仿真装置研究及开发1*|*期刊*|*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.航海技术J.2005, (3):45-46. 2*|*期刊*|*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*|*期刊*|*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*|*期刊*|*甘辉兵,张均东,曾鸿,李一.基于PLC 的大型油船燃油锅炉仿真系统的开发.中国航海J,2006,(2):99-1025*|*期刊*|*李世臣,徐善林.轮机自动化M.大连:大连海事大学出版社，2008.*|1|王宗涛|Wang Zongtao|天津理工大学海运学院，天津 300384|Maritime college, Tianjin University of Technology,Tianjin 300384, P. R. China|王宗涛，男，1976年生，讲师，主讲课程：轮机自动化，电工学、自动化仪表|天津市南开区红旗南路延长线，天津理工大学海运学院 |300384|13622090402|2|李雷斌|Li Leibin|天津理工大学海运学院，天津 300384|Maritime college, Tianjin University of Technology,Tianjin 300384, P. R. China|李雷斌，男，1977年生，轮机长，讲师，主讲课程：船舶管理，船舶动力装置技术管理，机舱资源管理||3|韩海龙|Han Hailong|天津理工大学海运学院，天津 300384|Maritime college, Tianjin University of Technology,Tianjin 300384, P. R. China||4|袁坤|Yuan Kun|天津理工大学海运学院，天津 300384|Maritime college, Tianjin University of Technology,Tianjin 300384, P. R. China|457428259|5|贾状|JIA Zhuang|天津理工大学海运学院，天津 300384|Maritime college, Tianjin University of Technology,Tianjin 300384, P. R. China|1254491969|基于PLC的船用锅炉自动控制培训仿真系统设计|Training Simulating System Design of Auto-control Marine Boiler Based on PLC|天津理工大学育苗基金项目（编号LGYM1003），天津理工大学教学基金项目（YB11-23），天津理工大学学生科技基金项目船舶辅锅炉仿真装置研究及开发- 5 -（天津理工大学海运学院，天津 300384）摘要：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要求。随着PLC控制系统在船用锅炉的广泛应用，轮机人员必须掌握其控制原理。基于某船用锅炉自动控制的特点，采用PLC技术对船用自动控制系统进行了设计和制作，该系统集自动点火、补水、蒸汽压力双位控制、安全保护等为一体的模拟装置，装置运行可靠、操作简洁，为教育教学及适任评估提供了便利，实用价值较高。该系统和装置的研制有利于学生掌握PLC锅炉控制原理，为学生今后在船上工作打下扎实的基本功。关键词：船用锅炉；STCW公约；PLC；培训仿真系统；适任评估中图分类号：U66Training Simulating System Design of Auto-control Marine Boiler Based on PLCWang Zongtao, Li Leibin, Han Hailong, Yuan Kun, JIA Zhuang(Maritime college, Tianjin University of Technology,Tianjin 300384, P. R. China)Abstract: With the STCW convention Manila amendment formally going into effect, the National Maritime Bureau strengthen electrical knowledge requirements to marine engineer. For the widely application of PLC control system on marine boiler, it requests the marine engineer to master the control principle. Basing on the characteristic of marine boiler, training simulating system of auto-control marine boiler was designed and made with PLC technology, which is a simulation device integrating automatic igniting, water feeding, steam pressure on-off controling and safety protection togher. With running reliable, operating simple, the device provides convenience to the teaching and competence assessment, and has much high practical value. The device helps the students to master the control principle of PLC boiler. It provides the basic training for the students future work on ship.Key words: marine boiler; STCW convention; PLC; training simulating system; competence assessment0 引言以低投入、小容量、易操作的模拟器或仿真系统，替代海员在海上的部分经历，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，适合于在恶劣环境下使用，因而在船用锅炉的控制中得到了广泛应用，因而开发适用于轮机人员的仿真系统具有重要的意义。宋世全2介绍了一种基于PC机和PLC的船用辅锅炉实验装置，可以克服采用真实被控对象的缺点，以有限的设备、低廉的造价、多样化的程序，丰富实验课的内容，大大增强了教学培训的效果，而且该系统也可用于船用辅锅炉操作的评估培训。张建平采用F1-30型PLC对燃油锅炉的点火、燃烧、送风、喷油实现了对燃油锅炉的自动控制3。甘辉兵等4为解决航海教育中大型油轮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。上述的仿真系统适用于船舶锅炉的培训，但如何有机的把PLC基本原理和锅炉的控制过程结合起来，在有限的时间内容让学生掌握船舶PLC锅炉的基本原理，需要设计一套船用锅炉自动控制装置。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要求。伴随着PLC控制系统在船用锅炉的广泛应用，要求轮机人员必须掌握其控制原理。本文针对船用锅炉的特点设计了一套自动控制装置，通过该装置系统可以动态地学习船用锅炉的基本操作和PLC控制原理，非常适合船用锅炉PLC自动控制的课堂教学和适任评估。1 船舶PLC锅炉培训仿真系统的功能1.1 某柴油机货轮锅炉的主要特点某柴油机货轮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、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见教材5。为了更好对程序进行解读，结合船舶控制的安全保护需求，我们采用西门子公司的S7224CN对控制系统进行了设计，并制作了该装置。1.2 锅炉自动控制装置总体功能设计系统包括点火自动/手动模式、水位自动/手动模式、风机、油泵自动/手动模式（简称风油自动/手动），水位和压力采用双位控制，另外系统设置有多个故障点（风压、水位、火焰）对锅炉的工作进行全程监控，具体如图1所示。自动点火程序根据锅炉的点火特点，首先进行预扫风60秒，然后关小风门，打开点火变压器进行点火，10秒内点火成功，系统没有警报产生，则点火成功。具体实现程序如图2所示，系统的I/O点设计如表1所示，系统使用了14个输入点8个输出点，装置的实物如图3所示。手动点火系统水位控制系统压力控制系统故障设置故障报警故障处理自动点火系统执行自动点火程序蒸汽压力双位控制（低汽压锅炉自动起动，高汽压锅炉自动停止）水位双位控制（低水位水泵自动起动，高水位水泵自动停止炉）锅炉仿真系统图1 PLC锅炉总体功能设计框架图表1 系统I/O点的设计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报警故障修复系统复位预扫风60s预点火10s点火2s点火成功正常燃烧风压、水位、火焰故障报警系统起动 电源PLC图2 自动点火流程图 图3 船舶PLC锅炉装置实物图2 PLC锅炉的测试和使用方法该船用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，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。2.1 自动点火将PLC控制器位于RUN位置，燃烧控制、风油控制均置于自动状态（燃烧自动I1.4、风油自动I1.5），系统自动使风机Q0.1、油泵Q0.2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I0.1），经过60s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（I0.2），说明点火成功，首先熄灭点火变压器（Q0.3），2s后风门挡板（Q0.4）指示灯熄灭，70s内不报警则说明点火成功。点火控制程序如图4所示。a 手动模式 b自动模式图4 点火控制程序2.2 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I1.3、风油手动I1.0），首先进行预扫风，60s内建立风压（风压开关I0.1），60s后手动点火I1.1，打开手动点火油头I0.0，按下火焰模拟开关，70s内不报警则点火成功。2.3 水位控制 将水位控制置于自动位，先后闭合高水位I0.4，低水位I0.5，则水泵指示灯亮，关闭低水位，指示灯不熄灭，直到到达高水位，水泵停止供水，达到危险水位I0.7，系统将熄火报警。水位控制如图5所示。 图5 水位自动控制图 6 系统复位功能程序2.4 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I0.3），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（弹起模拟开关，对应输入点为I0.3），系统重新进行点火，具体分析和锅炉的点火过程相同。2.5 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I1