武汉理工大学毕业设计（论文）
3 辅锅炉控制系统的设计与分析
3.1 可编程控制器的基本特点
可编程控制器（PLC）是以中央处理器为核心，综合了计算机和自动控制等先进技术发展起来的一种工业控制器。PLC的工作原理框图如图所示
图2 PLC的工作原理框图
PLC是采用“顺序扫描、不断循环”的方式进行工作的。即PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描。如果无跳转指令，从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直到程序结束，然后重新返回第一条指令，开始下一轮扫描，周而复始。每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC采用软件编制程序来实现控制要求。编程时使用的各种编程元件，它们可提供相当多个常开触点和常闭触点。这使得整个控制系统大为简单，只须外部端子上接上相应的输入输出信号线即可，并能在生产工艺流程改变或生产设备更新时，不必改变PLC的硬设备，只要改变程序即可。PLC能在线修改程序，也能方便地扩展I/O点数。PLC结构紧密，体积小巧，易于装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
3.2 设计要求
总体要求达到：锅炉水位是采用电极双位控制；锅炉汽压在低负荷时采用双位控制，正常负荷时采用压力比例调节器—电动比例操作的比例控制；火焰监视器采用光电池；有危险水位、低风压、超压保护等安全保护装置；自动控制系统失灵时可转为手动操作。
在起动锅炉以前，轮机员先要做一系列的准备工作。如合上电源总开关；观察锅炉水位是否在危险水位以下，若是，则要向锅炉补足水，否则锅炉不能起动；让燃油系统的温
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度、压力自动控制系统投入工作；把“自动——手动”转换开关转到“自动”位置等。做好这些工作以后，就可按锅炉起动按钮，燃烧时序控制系统的功能如下：
（1）预扫风
预扫风就是在起动锅炉时先用空气吹除残留在炉膛内的油气，防止炉膛内集油过多而在点火时发生冷爆。预扫风的时间根据锅炉的结构形式不同而异，一般是20~60秒。给锅炉一个起动信号后，控制系统能自动起动油泵和风机。这时，燃油电磁阀是关闭的，不能供油，风门开得最大以大风量进行预扫风
（2）点火
当整定的预扫风时间到达后。控制系统会自动关小风门以利于点火。点火变压器通电，点火电极产生电火花进行供油点火。有些锅炉没有预点火，在点火变压器通电的同时打开燃油电磁阀供油点火。在点火时间内要求小风量少喷油。对只有一个油头工作的辅锅炉，要开大回油阀减少供油。点火是否成功由光电池来监视。在调定的点火时间内，如果炉膛内有火焰说明点火成功，否则说明点火失败。自动停炉，待故障修复后再重新起动。
（3）负荷控制
点火成功后维持一段时间低火燃烧对锅炉进行预热，然后开大风门，关小回油阀，以大风量多喷油来增强炉膛内的燃烧强度，使锅炉进入正常燃烧的负荷控制阶段。负荷控制就是对锅炉蒸汽压力进行自动控制。
（4）安全保护
如果发生点火失败、风机失压、中间熄火、水位太低等现象，会自动停炉进行安全保护。待故障排除后按复位按钮才能重新起动锅炉。
3.3 PLC选型、设计及系统梯形图
3.3.1 PLC选型
机型选择的基本原则是在满足控制功能的前提下，保证系统可靠、安全、经济及使用维护方便。
在实际设计中一般考虑以下几个方面的问题：
（1）I/O点数的确定（一般可考虑10%~15%的备用量）；
（2）确定用户程序存储器的存储容量，一般粗略的估计方法是：（输入+输出）×（10~12）=指令步数；
（3）响应速度
（4）输入输出方式以及负载能力。根据控制系统中输入输出信号的种类、参数等级和负载要求，选择能够满足输入输出接口需要的机型，在这里特别要注意电压和电流的问题。
PLC机应用于船用控制设备，特别是应用于机舱监视系统上，必须具有较好的防震性能、三防性能以及抗干扰性能。根据设计要求，主要从以下几个方面进行了反复比较：
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（1） PLC机的电源电压为DC24V。
（2） 使用环境条件，满足海规或内规的要求。 （3） 有实船使用的经验，也即取得过船级社认可标记。 （4） 适用、便于掌握操作，价格较低。
（5） 输入方式采用源输入，输出采用继电器输出方式，输入输出均为DC24V。 （6） 具有较高的使用可靠性，软件指令丰富，功能较强。
基于以上几点，通过对国产和进口PLC机进行反复的比较，最后选择了三菱FX 2N PLC机。其原因基于以下几方面：
（1）FX 2N 配置灵活，除主机单元外，还可以扩展I/O模块、A/D模块、D/A模块和其他特殊功能模块。系统设计需I/O点数40点（输入24点，输出16点）。主机采用小型化基本单元FX ZN-40MR。
（2）FX 2N 指令功能丰富，有各种指令107条，且指令执行速度快。
（3）FX 2N PLC可用内部辅助继电器M、状态继电器S、定时器T、寄存器D、计数器C的功能和数量满足系统控制要求的需要。
（4）FX 2N PLC的编程，可用编程器，也可以在PC机上使用三菱公司的专用编程软件包MELSE M EDOC进行。编程语言可用梯形图或指令表。尤其是PC机对系统实时进行监控。为调试和维修提供了极大的方便。
3.3.2 输入/输出点的设计
输入/输出点的设计如表1所示
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表1 输入/输出点的设计
X000 X001 X002 X003 X004 X005 X006 X007 X010 X011 X012 X013 X014 X015 X016 X017 X020 X021 X022 X023 X024 X025 X026 X027 水泵转换旋钮-停止 水泵转换旋钮-自动 水泵转换旋钮-手动 停炉按钮 起动按钮 燃烧旋钮-停止 燃烧旋钮-自动 燃烧旋钮-手动 风压保护 超压保护 危险低水位 高水位 低水位 水泵热保护 风机热保护 油泵热保护 风机转换旋钮-停止 风机转换旋钮-自动 风机转换旋钮-手动 油泵转换旋钮-停止 油泵转换旋钮-自动 油泵转换旋钮-手动 手动点火按钮 光电池控制触点 Y000 Y001 Y002 Y003 Y004 Y005 Y006 Y007 Y010 Y011 Y012 Y013 Y014 Y015 水泵 风机 油泵 点火变压器 回油及风量调节 压力比例调节器 燃油电磁阀 熄火手动复位 水泵运行指示灯 风机运行指示灯 油泵运行指示灯 熄火指示灯 危险低水位指示灯 报警器 3.3.3 硬件设计
主要是确定各种输入输出信号与PLC的连接方式，设计外围辅助电路及操作控制箱，画出输入输出端子接线图，并实施具体的安装和连接。图3是锅炉自动控制系统的硬件电路接线图。
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图3 锅炉自动控制系统的硬件电路接线图
3.3.4 系统梯形图
系统控制梯形图如图4所示
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