摘 要

船用锅炉的自动控制是船舶自动化控制系统的重要组成部分。从国内航运集团各机务部门的反映来看,很多船舶锅炉的控制系统依旧建立在以继电器一接触器为主的硬布线基础上,由于手动操作不当和硬接触所固有的缺点造成的恶性事故屡有发生,给生命安全和财产安全带来隐患。因此采用可靠性好的可编程控制器来控制显得十分必要。本论文研究船舶锅炉自动控制问题，旨在把PLC控制技术应用到船舶锅炉自动控制方案中，去解决传统继电器接触式电气控制系统中存在的各种不足，以提高船舶辅锅炉自动控制系统的性能以及其工作可靠性。本文对船舶辅锅炉使用的特殊性和结构特点进行了分析,研究工作成效主要体现在：采用抗干扰能力强、可靠性高的S7-200作为锅炉控制系统的总体控制器，利用SIMATIC S7-200PLC编程软件进行软件设计，能够实现锅炉控制系统的多个控制回路安全、可靠、高效地工作。

关键词：PLC；蒸汽压力控制；船用辅锅炉；船舶动力装置

Abstract

With the development of automation, more and more is also high to the requirement of automation, need system was established, based on PLC system can fast response, the system not only can effectively improve the stability of the system, and provides an important guarantee for parameter control. Steam boiler control system. Marine steam boiler is the main production equipment of Marine power energy medium, which plays a very important role in industrial production and life. With the rapid development of economy, the increasingly serious environmental pollution and the increasing energy demand, it is necessary to design a steam boiler with energy saving, environmental protection and safety. The design of steam boilers with strong coupling and hysteresis is very promising. Hardware design mainly includes the design of main circuit and control circuit. The software design includes the upper unit state and the lower computer programming.

Key words: PLC; Steam pressure control; Marine steam boiler; Marine power plant

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2船舶蒸汽压力自动控制概述 1

1.3本文主要研究内容 2

第2章 可编程控制器基础 4

2.1可控制编程器简介 4

2.1.1可控制编程器的基本概念 4

2.1.2可编程控制器的特点 4

2.1.3可编程控制器的应用 6

2.1.4可编程控制器的未来发展趋势 6

2.2可编程序控制器的结构 6

2.2.1处理器 8

2.2.2安装架 8

2.2.3输入和输出模块 8

2.2.4电力供应 9

2.2.5编程单元 9

2.3可编程序控制器的工作过程 9

第3章 船舶蒸汽自动控制系统主要环节的控制方法 11

3.1锅炉燃烧时序控制 11

3.2燃料的燃烧过程 13

3.2.1蒸汽压力多位控制 13

3.2.2蒸汽压力定值控制 14

3.3锅炉水位控制 14

3.4自动保护设计 14

第4章 基于PLC的船舶蒸汽压力控制系统 16

4.1系统硬件设计 16

4.1.1西门子S7-200系列PLC 16

4.1.2系统输入输出设计 16

4.1.3输入输出信号的采集和转化 18

4.2系统软件设计 19

第5章 总结与展望 21

5.1全文总结 21

5.2研究展望 21

致谢 22

参考文献 23

第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

船舶现在是被大家公认的耗能大户，如今社会，节能与降排变成了世界性课题,对于大型船舶这种耗能设备的节能与效率的提高已经迫在眉睫。控制大型船用锅炉，特别是大型船舶锅炉系统的控制一直是船舶工程自动化技术和船舶轮机技术中最重要的问题之一。船用蒸汽锅炉是船用动力能源介质的主要生产设备，在工业生产和生活中起着非常重要的作用。随着经济的快速发展，环境污染的日益严重和能源需求的不断增加，有必要设计一种节能、环保、安全的蒸汽锅炉。对于自动控制蒸汽锅炉的设计是非常有前途的。随着工业生产的重要性越来越明显，可编程控制器以其强大的优势得到了广泛的应用，特别是蒸汽锅炉的控制系统。随着自动化的发展，对自动化的要求也越来越高，需要基于PLC的系统建立，能快速响应的整个系统，不仅能有效地提高系统的稳定性，而且为参数控制提供了重要的保证。因此，PLC控制系统具有重要意义和必要性。目前，我国中小型锅炉控制系统自动化水平不高，安全性低，大部分效率普遍低于国家标准，由于控制技术在中国的落后，仍有许多锅炉系统生产运行不稳定、低燃料利用率和污染物超标排放，从而制约了企业的发展，也加重了环境的负担铁与资源。

系统采用PLC的控制方式，主要是保证锅炉正常工作，降低工作人员的劳动强度，减少能量损失。采用自动控制系统对锅炉蒸汽压力进行控制，在PLC的实际应用中，开关量的输入部分（外围状态输入）、开关量的输出（外围设备的工作状态的控制）、模拟信号的输入部分（数据采集）、连续控制的输出（模拟输出）。从而实现蒸汽压力控制，根据PLC的实际需要I/O点去对应配置。

1.2船舶蒸汽压力自动控制概述

在锅炉燃烧自动控制系统中，蒸汽压力是控制量。在单脉冲控制系统中，控制器可以根据蒸汽压力的高低自动调节燃油和空气的供应量，使锅炉蒸汽压力恒定或在允许范围内波动，并保持一定的比例。对于货机辅助锅炉，燃烧控制系统简单可靠，锅炉经济要求不高。因此，双位置控制主要应用于油轮辅机，这需要稳定的蒸汽压力和更高的经济要求。这就要求控制系统保证在不同负载下的最佳控制系统。船舶的自动燃烧控制系统通常由两个回路组成。一个回路通过一个比例积分调节器控制蒸汽压力的偏差信号来控制燃油控制阀的开启，即改变注入到锅炉中的燃料量。燃料量的变化必须同时改变，所以另一个循环是根据燃料量改变供气量，以达到最佳的油气比，从而获得更高的经济效益。辅助锅炉的点火和燃烧定时控制意味着在启动信号发送到锅炉后，系统预热、燃油喷射点火和点火，然后加热锅炉，然后转到正常燃烧负荷控制阶段，锅炉的点火和燃烧定时控制包括以下步骤：

（1）起动前的准备

检查启动条件是否可用，例如是否打开手动燃油快速关闭阀和关闭燃油阀。

（2）预扫风

为了防止锅炉在点火过程中残余油、气的发生，应在点火前进行预清洗。在预扫气过程中，风机和燃油泵开始在锅炉外循环，最大程度打开阻尼器，剩余的油和气会被大风吹走。预扫时间根据锅炉的结构而变化。

（3）点火

为了使燃料体积、风量和负载蒸汽体积相互对应，燃料的体积和体积应根据所需的蒸汽量来控制。锅炉燃烧过程是在一定温度和压力的燃料喷嘴的喷雾充电，雾化成小液滴然后炉内吸收热量，然后逐渐蒸发成石油和天然气，形成可燃混合物倒入炉继续加热可燃混合物达到燃点和燃烧。

（4）预热

当点火成功，它进入预热阶段，锅炉是缓慢加热到一定的汽压。

（5）正常燃烧

在当预热到一定压力时，锅炉这个时候进入到了正常燃烧阶段。在这时，控制系统就将根据锅炉的负荷来进行调节注入炉内的燃料量，在这时同时控制空气供应。

（6）自动保护

对于自动锅炉来说，为了实现锅炉的安全可靠运行和管理目标，当锅炉点火时，在提升过程中的蒸汽和正常运行的异常情况下，需要对相应的部件进行测试。锅炉安全防护一般包括危险的低水位自动保护、自动保护、蒸汽压力、不正常的自动保护、低油压保护、高油温或低自动保护和低气压保护。

1.3本文主要研究内容

阐述了PLC在蒸汽锅炉控制系统中的应用，提出了控制点，为蒸汽锅炉控制系统的高效运行提供了参考和借鉴。采用PLC控制锅炉正常工作，降低了工作人员的劳动强度，降低了能耗。采用自动控制系统对锅炉蒸汽压力进行控制，以PLC控制方式在实际应用中，PLC主要由模拟信号输入部分、连续控制输出部分、开关输入部分和开关输出组成。根据PLC的实际需求，对锅炉汽压控制目标进行了相应的配置。第一部分简要介绍了课题的主要研究意义，蒸汽压力控制系统的各个组成部分以及锅炉自动控制系统的目的和意义。第二部分章详细分析了可编程序控制器的概念、发展现状及未来发展趋势。第三部分主要介绍了锅炉燃烧时序控制和压力控制，第四部分主要讲了软硬件设计及系统流程图设计。最后一部分讲了对全文的总结和研究期望。

本论文研究船舶锅炉自动控制问题，旨在把PLC控制技术应用到船舶锅炉自动控制方案中，去解决传统继电器接触式电气控制系统中存在的各种不足，以提高船舶辅锅炉自动控制系统的性能以及其工作可靠性。本文对船舶辅锅炉使用的特殊性和结构特点进行了分析,研究工作成效主要体现在：系统采用抗干扰能力强、可靠性高的S7-200作为锅炉控制系统的总体控制器，能够实现锅炉控制系统的多个控制回路安全、可靠、高效地工作。

第2章 可编程控制器基础

2.1可控制编程器简介

2.1.1可控制编程器的基本概念

可编程控制器是微处理器的核心电子系统设备，为工业领域设计它使用可编程内存存储操作指令，如逻辑操作、顺序控制、计时、计数和算术操作，以及通过数字或模块化操作。特别是，编程语言不需要特殊的计算机编程语言知识，而是一套基于继电器的简单指令集。用户程序对图像编辑直观，容易学习。用户购买所需产品后只有少量的布线和简单的用户编程可以根据指令进行，并且可以应用在生产实践中灵活、方便。各大工厂和科研机构正在引进、利用和生产PLC，PLC的应用也愈来愈成熟。可编程控制器已广泛并且成熟的应用于我国许多工业领域。最重要的是已被广泛应用于船舶，并带给了整体和行业上非常便利的操作，在未来也会得到更好的应用与发展推广。

特别近几年来，PLC绝大多数采用的是用微处理器或单片机为主要核心，使用了一种非常简单容易学习的编程语言。控制规模可以从几十个输入/输出(I/O)到10000个点。它还可以连接到互联网，形成分布式的本地网络，分散控制和集中管理。在过去的几年里，欧洲、美国和日本的年增长率达到了30%到50%，而且这个趋势正在增长，这已经成为工业控制的主流。

2.1.2可编程控制器的特点

可编程控制器像个人电脑用户一样可以做出了非常多选择和配置。考虑到不同的优点和配置，它可以选择能够在特定应用程序上执行最佳的单元。主要特点:

1. 滤波：在可编程控制器的I/0接口上进行滤波，通常会在字段或空间中引入高频干扰信号。因此，在可编程控制器的模板中，采用了两种PLC滤波器，既能过滤外部的高频干扰，又能削弱模板之间的不必要信号。
2. 电源：PLC中的电源，特别是CPU主模板的主电源，具有较强的抗电压波动和高频干扰能力。与此同时，它还具有超压、过流和其他保护措施，以防止PLC造成的系统混乱。
3. 环境的检测和诊断电路：这部分电路负责对PLC的运行环境(如电网电压，对工作温度、环境湿度等)进行测试，并对各模块的工作状态进行测试。
4. 屏蔽：屏蔽有两种，一种是磁场的双重屏蔽，另一种是变压器的电场，屏蔽层应该用于导电和磁性材料，另一种方法是只屏蔽像CPU和编程器这样的电磁场，这种电磁场可用于屏蔽层的导电金属材料。
5. 隔离：在PLC系统中，CPU和电路(主要的索引接口)几乎无一例外地都配备了光电危险隔离器，防止外部地面和其他干扰信号影响CPU的正常工作，或造成CPU损坏。
6. 模块化结构：PLC通常采用模块化结构，这是用户维护的目的之一。与此同时，当一块板失效时，将删除一个错误模板，并替换为一个好的模板，以使系统正常工作。同时，在每个模板上都有一个故障检测电路，并使用相应的指示器来指示其标识，以便用户能够快速确定故障模板的位置。
7. 连锁功能：PLC中的输出模板具有控制端，实现输出通道之间的互锁或连锁效应,以防止各被控对象之间因误动作可能造成的事故。

在软件方面,可编程控制器中采取的措施有:

1. 与硬件配合：配合硬件检查外部工作环境状况(如功率下降、负压或超压、强电磁干扰等)，在异常情况下及时处理。
2. 工作信号的保护：PLC在受到强干扰而导致工作进程混论甚至停止时，如果PLC硬件系统没有损坏，则在强干扰消失后，PLC应该能够继续工作。因此，在强干扰的情况下，当前的工作状态和相关信息应迅速存储在磁性存储器或由其他电源(如电池)供电的存储器中,为了能够在强干扰消失后自动从该内存中移除，以便继续完成由于强干扰中断的工作。
3. PLC采用扫描方式操作，即对信号的输入、数据处理和控制信号输出分别在一个扫描周期的不同时间间隔以批处理方式机型，因此，它不仅使用户编程简单，不易出错，而且不容易使PLC的工作受到外界干扰的影响。采用PLC处理的数据稳定，减少了处理中的误差，同时，对输入和输出的控制相对简单，不容易产生由时机不当引起的问题。

由于PLC在硬件和软件上采取了相应措施，使其运行可靠性大幅度增加，特别是在工业生产过程中，尤其是在工业生产中最常见的瞬时强干扰具有很强的抑制和处理能力。

2.1.3可编程控制器的应用

（1）开关逻辑控制

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