基于PLC的船用增压锅炉点火与火焰检测装置设计

陈 兵 孙长江 秦晓勇

1海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033

2海军驻大连造船厂军事代表室，辽宁大连 116005

基于PLC的船用增压锅炉点火与火焰检测装置设计

陈 兵1孙长江2秦晓勇1

1海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033

2海军驻大连造船厂军事代表室，辽宁大连 116005

针对现有船用增压锅炉点火和火焰检测装置无逻辑保护功能，容易误操作的问题，提出了基于PLC的改进设计方案。利用PLC技术代替传统继电器控制回路，以逻辑保护模块为核心，将系统分为正常点火回路、应急点火回路、炉膛火焰检测回路、空气夹层火焰检测回路和报警回路；提出PLC配置方案和实现逻辑保护功能的方法；利用该方案研制新型增压锅炉点火与火焰检测装置，初步应用表面新装置大大减少船员的劳动量，提高系统的安全性和可靠性。

电点火；逻辑保护；PLC；增压锅炉

1 引言

船用增压锅炉［1］以重油为燃烧工质，较柴油而言，点火难度加大，同时增压锅炉较普通锅炉炉膛内压力提高，出口风速提高，火焰更不易保持稳定。特别是在恶劣海况和紧急状态时，如何保持锅炉可靠点火和安全运行事关重大，不容马虎。现有增压锅炉采用的点火方式包括24 V直流电碳棒点火和高压电极点火两种方式。24 V直流电碳棒点火方式点火过程繁琐，点火成功与否完全取决于船员的熟练程度；高压电极点火方式点火成功率高，易于操作，但也缺少逻辑保护功能。同时，用光敏二极管作为火焰检测装置容易受到炉膛内烟雾的干扰，会造成炉膛内火焰的误报。为确保增压锅炉的安全，防止锅炉炉膛爆炸等事故的发生，对其点火过程应设置严格的逻辑保护要求，同时尽量减少人为因素的影响。因此，需要对锅炉点火与火焰检测装置改进设计，特别是增加逻辑保护功能，以确保增压锅炉点火和燃烧过程的安全可靠。

PLC是可编程序逻辑控制器的简称，是以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，专为在工业现场应用而设计。它采用可编程的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时技术和算术运算等操作指令，并通过数字模拟的输入输出控制各种类型的机械或生产过程［2－5］。 和常规继电器组成的控制系统相比，在系统中减少了大量的中间继电器和时间继电器，使控制系统大大简化。同时由于中间环节减少，导致控制系统的故障点减少，增加了系统运行的可靠性。由于PLC具备的经济实用、可靠性高、易编程和便于维护的特点，基于PLC的各种控制系统得到了广泛的应用［6－10］。

在增压锅炉的点火和火焰检测装置改进设计中，充分利用PLC技术，以逻辑保护模块为核心，实现锅炉点火和燃烧过程的严格监控，减少船员工作量，提高装置可靠性，具有重要的现实意义。

2 装置的技术要求

要实现增压锅炉点火过程的安全可靠和炉膛与空气夹层火焰的实时检测，对点火及火焰检测装置的技术要求主要包括：

1）在锅炉起动时，按照一定逻辑顺序安全可靠点火。锅炉启动时按照操作步骤的要求，起动风机和油泵，并把风门调到最大而不向炉膛内供油，用高压空气大风量吹扫，即“扫风”，以防止点火时发生“冷爆”。扫风结束后把风门关到最小位置，打开点火喷油阀，喷入少量燃油，同时点火，点火成功后，加大油量，进入正常燃烧。如果一次点火不成功，要求必须重新通风3 min后才能进行第二次点火，三次点火不成功必须查明原因后再重新按逻辑顺序点火。

2）正常工作时实时检测炉膛火焰状态，防止炉膛事故，确保炉膛火焰熄灭后马上通知远程控制系统停止向锅炉供油。

3）实时检测锅炉空气夹层火焰，防止空气夹层着火事故，确保在第一时间发现空气夹层火焰并通知远程控制系统，保证锅炉安全。

3 装置的组成与基本原理

3.1 装置的组成

根据对装置的技术要求，改进后的系统主要包括正常点火回路、应急点火回路、炉膛火焰检测回路、空气夹层火焰检测回路和报警回路，这些回路均以逻辑保护回路为核心。正常点火回路采用12 000 V高压电极点火方式，为日常使用的点火方式。应急点火回路采用直流24 V电碳棒点火方式，为正常点火回路故障时的应急点火方式。炉膛火焰检测回路采用智能一体化红外火焰检测器，在锅炉前、后墙配风器观察孔上各布置一个；空气夹层火焰检测回路同样采用智能一体化红外火焰检测器，在锅炉前、后墙空气夹层内各布置一个。这些设备的控制和反馈信号都送到或来自于以PLC为核心的逻辑保护回路。

3.2 装置的基本原理

改进后，锅炉点火及火焰检测装置的原理框图如图1所示。利用风压传感器、正常点火电流传感器和应急点火电压传感器分别检测锅炉空气夹层风压、正常点火电流和应急点火电流并将其转换成线性的标准电流信号（4～20 mA），送到程序控制器，作为点火逻辑保护判断的输入；利用火焰检测器对炉膛火焰、前后墙空气夹层火焰状态进行检测，并将其转换成开关量信号，送到程序控制器；利用按钮和选择开关将报警消音和点火选择信号送到程序控制器；遥控室提供遥控点火信号，利用航空接插件送到程序控制器。利用程序控制器和驱动电路控制发光二极管用以显示炉膛有火、炉膛无火、前空气夹层火焰、后空气夹层火焰、点火准备就绪指示，并以无源接点的型式输出；控制蜂鸣器提供报警指示。利用程序控制器和驱动电路控制正常点火继电器和应急点火继电器，实现逻辑点火功能；正常点火继电器和炉旁点火按钮控制点火变压器的工作，应急点火继电器和应急点火按钮控制应急点火变压器的工作；电流传感器和电压传感器分别检测正常点火电流和应急点火电流以确定是否已经点火。

4 PLC配置和逻辑保护功能的实现

4.1 PLC的I/O点配置

根据国内外程序控制器的生产厂家产品情况，本设计采用西门子 S7－313C［11］紧凑型 CPU 作为核心关键控制元件。该型可编程序控制器的主要特点是带集成数字量和模拟量输入／输出，满足对处理能力和响应时间要求较高的场合。如该型号的环境温度范围不能满足船用条件，可选用和该型号相对应的宽温型PLC。

根据装置设计的需求，本系统配置了8点开关量输入，7点开关量输出和2路模拟量输入。开关量输入分别是前、后墙炉膛火焰状态输入，前、后墙空气夹层火焰状态输入，遥控、就地和应急点火选择（两个开关量）输入，报警消音输入，远程遥控点火输入；开关量输出分别是远程炉膛火焰指示、就地炉膛有火指示、就地炉膛无火指示、点火准备就绪指示、允许正常点火、允许应急点火和报警输出；2路模拟量输入分别是正常点火电流输入和应急点火电流输入。

4.2 逻辑保护功能的实现

逻辑保护模块的流程图如图2所示。其中，风压由风压传感器测得，当测得的风压超过一定值时即认为锅炉在通风。连续通风满3 min后，控制系统发出指令向高压点火变压器或应急点火枪供电，在此之前高压点火变压器或应急点火枪没有供电，船员按下点火起动按钮也不会点火，避免了船员误操作带来的后果。根据传感器传来的电流值是否大于一定值来判断是否已按下点火按钮。点火按钮按下后，若在点火设定的点火持续期内松开则认为点火已结束，或在点火持续期满后由控制器发出指令切断向高压点火变压器或应急点火枪的供电。点火持续期的设定确保了点火设备的安全，同时也防止了船员的误操作。利用火焰检测器的检测信号，判断点火是否成功，若成功即进入燃烧过程监控模块，若不成功即将所有数据复位，准备下一次点火。在进行PLC梯形图设计时，考虑到使用的方便性和易于修改等因素，采用模块化设计方法。即每一个模块化程序完成某一个特定的功能。最为重要的是逻辑保护功能模块，即不论是遥控、就地还是应急点火都必须调用该模块。该模块确保在点火之前必须完成3 min的扫风工作，若扫风还未结束，则不向点火变压器或应急点火枪供电。同时该模块还确保在锅炉炉膛或空气夹层有火时，自动切断向点火变压器或应急点火枪的供电，防止了增压锅炉正常工作时人员的误操作。

5 装置的实现和应用

根据上述的设计方案，对各个功能模块进行细化后，研制完成了改进后的新型点火及火焰检测装置。整套装置由控制箱、变压器箱、高压点火枪、应急点火枪、前后墙炉膛火焰检测器、前后墙空气夹层火焰检测器、风压传感器、点火按钮盒和蜂鸣器组成。其组成示意图如图3所示。该装置实现的功能包括：1）就地点火操作，在锅炉旁完成点火工作；2）遥控点火操作，在远程遥控部位指导完成点火工作；3）应急点火操作，高压点火枪故障时，利用应急点火完成点火工作；4）炉膛火焰检测，实现检测炉膛火焰，并在炉旁和远程控制部位指示炉膛有无火状态；5）空气夹层火焰检测，实现检测炉膛火焰，并在炉旁和远程控制部位指示炉膛有无火状态；6）参数调整，根据不同锅炉炉膛火焰状态、空气夹层风压、正常点火电流和应急点火电流的要求，可对火焰强度和有火门槛、风压上下限设定值、正常点火和应急点火电流下限值、允许一次持续点火时间等按不同装置要求重新设置。

该装置在某船用增压锅炉上初步应用表明：改进后实现了锅炉点火和燃烧过程的严格监控，特别是基于PLC的逻辑保护功能，大大减少了工作人员的工作量，减少了人为因素，有效防止工作人员的误操作，提高了系统的可靠性。

6 结束语

针对船用增压锅炉点火与火焰检测装置存在无逻辑保护功能，容易误操作的问题，对该装置进行了改进设计。设计方案以高压点火枪为常用点火装置，24 V碳棒点火为应急点火装置，采用智能一体化红外火焰检测器代替光敏二极管作为火焰检测装置。特别是采用PLC控制技术，实现了锅炉点火和火焰检测过程的逻辑保护功能。该功能满足了锅炉点火和燃烧过程需严格监控的需求，减少了船员的人为因素，有效防止了船员的误操作。另一方面，PLC取代了传统的继电器逻辑控制，提高了系统的可靠性，使故障率大大减少。改进后的装置实现了船用增压锅炉有逻辑保护的就地、遥控和应急点火，并能实时对炉膛和空气夹层火焰进行监控，同时PLC技术带来的参数调整功能使装置的适应性大大增强。

［1］李章，林瑛，赵进刚，等.船用蒸汽锅炉涡轮增压［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［2］廖常初.S7－300／400 PLC 应用技术［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［3］欧阳三泰，周琴，欧阳希.软 PLC控制技术综述［J］.电气传动，2005，35（9）：52-54.

［4］董猛，郭健，郑晓燕，等.PLC在船舶主机遥控系统中的应用［J］.中国修船，2007，20（1）：29-34.

［5］袁日寿，王正.PLC在组合机床上的应用综述［J］.可编程控制器与工厂自动化，2008（6）：47-49.

［6］IKEDA Y.Application of PLC to dynamic control system for liquid He cryogenic pumping facility on JT－60U NBI system ［J］.Fusion Engineering and Design，2008，83（2／3）：182-188.

［7］SANG C，CHANG M，WANG G.A PLC programming environment based on a virtual plant ［J］.Int J Adv Manuf Technol，2008，39（11／12）：1262-1270.

［8］邱国华，高立生，袁峰，等.PLC在蒸汽锅炉自动控制中的应用［J］.仪表技术与传感器，2009，B11：395-397.

［9］DU D，LIU Y，GUO Y，etc.Study on LD－VHDL conversion for FPGA－based PLC implementation ［J］.Int J Adv Manuf Technol，2009，40（11／12）：1181-1190.

［10］王春芳，邱裕滨.基于可编程控制技术的循环流化床锅炉自动控制系统［J］.制造业自动化，2009（11）：69-72.

［11］ SIMATIC S7－300 CPU 31xC 和 CPU 31x 技术规范［S］.德国：西门子公司，2006.

Design of Marine Supercharged Boiler Ignition and Flame Detector Based on PLC

Chen Bing1 Sun Chang－jiang2 Qin Xiao－yong1
1 College of Naval Architecture and Power， Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China 2 Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd.， Dalian 116001，China

For the existing electric ignition and flame detection systems in marine supercharged boiler are of no logic protection function and easily lead to incorrect manipulation，an improved design method based on PLC is presented.Based on PLC technology rather than conventional relay control loop， the system is consisted of five sub－loops as follows： normal ignition loop， emergency ignition loop， boiler chamber flame detection loop， boiler sandwich flame detection loop and alarm loop.The configuration design of PLC and the application of logic protection function are introduced.This improved method， implemented on the new type equipment，leads to less work demands of crewman and improvement of system security and reliability.

electric ignition；logic protection；PLC；supercharged boiler

TP29，TK229

A

1673－3185（2011）01－69－04

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.01.013

2010-03-12

陈 兵（1962－），男，副教授。研究方向：船舶机电设备热力性能分析和设备状态监测。E-mail：qinxy2002＠ hotmail.com