基于嵌入式的船舶锅炉监控系统

基于嵌入式的船舶锅炉监控系统学号：200810123014姓名：王公航摘要：随着全球人口和经济规模的不断增长，能源使用带来的环境问题不断地为人们所认识，大气中二氧化碳浓度升高带来的全球气候变化，越来越受到世界各国和各地区的广泛重视。在此背景下，航运界作为能源消耗大户，肩负着巨大的责任。而锅炉作为船舶的一个耗油大户，提高锅炉燃油的利用率是解决这个问题的最主要的方法。针对目前锅炉监控技术问题，提出了采用嵌入式微处理器为控制器核心的锅炉状态参数监测和控制设计方案，进行了监控系统的硬件和软件系统的设计，实现了对水位、蒸汽压力，供油量，供风量，炉膛温度，油藏油量和故障自动报警的控制和监测。控制燃油消耗量，使锅炉工作在较理想的状态。而且采用集控室监测控制，可方便船员的管理，减少工作量，提高工作效率。关键词:嵌入式PLC锅炉监控节能引言：船舶锅炉自动化控制系统是根据要求或负载特性，自动对锅炉热工参数进行检测与显示、对锅炉的运行进行控制、并实施保护与联锁，以达到生产满足额定参数要求的蒸汽或热水，保证锅炉运行的安全性和经济性的自动控制系统。在传统的船舶辅锅炉控制系统中,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。近年来,可编程控制器(PLC)以其结构紧凑、安装和维护方便、可靠性高、能适应恶劣环境等优点,逐渐取代了继电器,在船舶轮机自动化控制领域得到广泛应用.本文以燃烧重油的船舶辅锅炉为对象,对船舶辅锅炉燃烧器进行设计.设计中使用可编程控制器处理各参数并执行控制命令,利用组态王软件制作人机交互界面,动态显示各个实时采集的参数以及进行报警监控,这样可以提供一个舒适的工作环境,提高工作效率。正文：船用锅炉在船舶辅助设备中具有举足轻重的地位，尤其是在油轮上，油轮上的锅炉也叫主锅炉，它和主机地位相当，具有十分重要的作用。船用锅炉作用就是产生蒸汽，产生的蒸汽主要用于以下几个方面：1.用于对燃料油的加热,包括燃油舱、燃油柜和燃油管路。2.在油轮上还用于给蒸汽动力装置提供蒸汽，如清洗油舱的的泵。3.用于产生惰性气体，如油船的惰气就可取自锅炉燃烧后产生的废气。4.生活用如在寒冷的环境下可以给中央空调加热，还可以给厨房供热。因此锅炉运行的好坏和锅炉的监控系统的的对船舶和船员就显得尤为重要，一个锅炉监控系统主要包含一下几个部分：设备状态的采集；系统状态的采集;显示单元；锅炉和各种执行机构的控制。设备状态的采集主要是锅炉输出的状态点，循环泵和补税泵给出的状态点，以及水箱等其他设备的状态点。锅炉输出的状态点主要包括锅炉的运行状态点、锅炉故障状态点、锅炉出水温度、锅炉回水温度、锅炉排烟温度；循环泵和补水泵以及辅助其工作设备的状态点一般是由水泵控制柜或控制柜中集中取出的。水箱的液位状态一般直接送到PLC控制柜。系统状态的采集根据锅炉系统的不同有差别。如果需要根据室外温度实现锅炉监控系统的自动控制那么还需要增加室外温度的采集。锅炉自动控制一般有以下几个环节：蒸汽压力自动控制，燃烧程序的自动控制，锅炉水位的自动控制，保护与报警，显示单元。过路的全自动起动、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。1.水位控制采用水位计对水位进行检测，根据控制需要将3个水位（下限水位、下下限水位、上限水位）的3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，使系统全制动平稳地运行。当蒸汽压力达到正常供气0.46Mpa时，供水系统通过PLC首先判断水位是否在上限与下限范围内，若在此范围则水泵进入恒压供水状态，并不断检测锅炉水位。当水位达到上限时，水泵停止，并继续检测监测水位;如到水位低于上限时，重新启动另一台水泵进行补水，以使水泵交替使用。如运行中检测到水位低于下限时，则两只水泵同时运行；当水位升至低于下限时，关闭一台水泵，加另一台水泵继续在工频状态下供水。如水泵工频运行水位仍继续下降并低于水位下下限时，PLC报警并控制锅炉停鼓风压火，直至高于水位下下限时，才解除鼓风停机恢复正常工作，从而完成供水联锁控制。如上述供水系统切换到切换到手动方式，也必须由PLC进行联锁控制，以保证供水正常，锅炉安全运行。2.蒸汽压力控制对锅炉的蒸汽压力控制，是通过改变向炉膛的喷油量和送风量，控制锅炉的燃烧强度来实现的。蒸汽压力可通过压力传感器测量得到，根据控制的需要将测量得到得蒸汽压力（压力下限值、压力上限值）信号接入PLC，通过PLC自动控制锅炉的喷油量和送风量，使锅炉蒸汽压力稳定在上限值和下限值之间。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，蒸汽压力上升到0.46Mpa时，经PLC的控制使锅炉停止燃烧：如故障蒸汽压力仍上升至0.46Mps时，切断风机的电源和燃油的供给，并发出警报；当蒸汽压力下降到0.4Mps时，压力传感器将信号传入PLC，ＰＬＣ控制锅炉的喷油量和送风量使锅炉重新燃烧，通过ＰＬＣ的自动控制使锅炉的蒸汽压力维持在正常的范围内。3.燃烧程序自动控制燃烧系统的自动控制就是蒸汽压力的自动控制。蒸汽压力是燃烧自动控制的被控参量，因为锅炉蒸汽要加热燃油舱，所以船舶油舱油量多少和油温也是燃烧自动控制的被控参量。将和锅炉燃烧有关的信息量接入ＰＬＣ，当对锅炉发出起动信号后，通过ＰＬＣ程序控制喷油泵和风机的起动，并把风门调到最大而不向炉膛内供油，用压缩空气大风量吹扫，即“预扫风”，以防止点火时发生冷爆。扫气结束后自动把风门关到最小位置，打开点火喷油电磁阀，喷入少量燃油，同时接通点火变压器进行点火。点火成功后，自动断开点火变压器，燃油电磁阀正常打开，进入正常燃烧。炉膛内的烟火感受器，将炉膛内火焰的信息反馈到ＰＬＣ，当点火失败或在持续燃烧期间熄火时，ＰＬＣ收到传感器传来的信号，为避免继续向炉内喷油而引起事故，ＰLＣ立即关闭燃油电磁阀停止喷油，并发出声光报警。当警报被工作人员解除之后，再次对锅炉发出起动信号，ＰＬＣ按照预先编写的控制程序控制锅炉的点火，直到锅炉点火成功为止。点火成功后，PLC通过各传感器反馈回的信息，自动控制锅炉的喷油量和送风量，使锅炉的蒸汽压力维持在设定的范围。PLC控制模块是本设计中最核心的部分，它主要完成锅炉点火时所需的各种逻辑控制和运算。由点火设备发出的每一个位置信号均接入PLC,此位置信号除参与逻辑控制以外,还将为点火设备连接到指示灯信号:一路在手动控制面板上显示;另一路则送至燃烧机器人机界面上显示和记录。驱动电路接受PLC输出的控制信号,经继电器控制点火设备.无论是就地控制方式或远程控制方式,点火设备都直接接受由PLC发出的控制指令。4.自动保护和报警系统的安全保护有危险低水位，风压过低和蒸汽压力超压自动熄火等保护。每一种参数都有相应的传感器进行测量，并将传感器测量的信息接入ＰＬＣ。当参数超过设定的参数时，按照要求要在PLC的程序控制中实现水位保护，高水位保护，点火失败报警，燃烧熄火报警，蒸汽低压力报警，高压力报警和保护等。锅炉系统中的风机电机故障、燃烧装置故障、电磁阀开关故障等监测控制处理也由ＰＬＣ用户程序实现。5.显示单元将系统的各种参数通过系统总线，连接到集控室的显示单元，这样就可以在集控室实时监控锅炉各系统的运行状态，这样既减轻了工作人员的劳动强度，还提高了工作效率。而组态王为开发者提供了丰富图库和图库开发工具,用户可以根据需要创建新的控件并在画面上自由搭配，在主画面中直观显示系统各设备的运行情况和一些实时参数。实时显示锅炉的水位，水泵的工作状态，锅炉的出水温度、回水温度;锅炉排烟温度；锅炉的蒸汽压力和蒸汽的产生速率；锅炉的瞬时耗油量和锅炉每天总的耗油量以便于工作人员清楚的知道锅炉的能耗，锅炉燃烧设备的工作状态；风机的工作状态。处理器还可以记录下一定时间内各个系统的的运行参数，便于人员检查。人机友好的报警界面，报警画面中包括实时报警查询和历史报警查询两部分,报警事件一旦发生,便记录下日期、时刻、变量的状态值及报警处理，并记录下警报解除的时间。还可以将警报的信息直接送到轮机长的休息室，使轮机长及时了解到故障的产生，便于故障的解决。船舶管理人员还可以通过键盘等输入设备，对系统的参数或程序进行修改，以满足船舶的需求。控制方框图控制流程图结论：１．传统的船舶自动化系统需要配备各式各样的电路板，系统结构很复杂，嵌入式控制器具有较强的通用性，适合船舶所有设备的现场控制要求，而且具有体积小、组装灵活、编程简单、抗干扰和可靠性高等特点，非常适合在海上恶劣的环境下使用。２．嵌入式系统在船用辅锅炉燃烧等自动控制系统中的应用，替代传统自动控制设备是一种必然，是船舶提高自动化程度的较好选择，为船舶机舱无人化具有重要的实用价值。而且嵌入式系统也可以应用在船舶的其它设备管理上，如对主机的燃油、滑油、空气、冷却水、气缸温度、排气温度等的监测与控制，对空压机的自动控制控制，对船舶消防设备的监控，对船舶电站的制动化控制等等。３．基于嵌入式的船舶锅炉监控系统在船舶上的应用，可以极大地改善船员的工作强度和工作环境，使得系统控制更加简便，提高了生产效率，在节能减排方面也产生了明显的经济效益。参考文献：徐轶群，万隆君，杨国豪船舶自动化系统嵌入式控制器研制林叶锦轮机自动化单海校张华船舶锅炉ＰＬＣ控制系统闫明赵殿礼张春来组态王的船舶辅锅炉燃烧器的设计输入接口水位传感器输出接口蒸汽压力传感器微处理器油舱油温燃油消耗锅炉水温燃烧控制水位控制报警输入单元集控室显示器和锅炉旁显示单元风机控制