沈刚1郭丙君2
（1.上海格菱动力设备〈中国〉有限公司，中国 上海 200040；2.华东理工大学信息学院，中国 上海 200237）
【摘要】船用辅锅炉一直是船舶重要设备之一，对它的控制要求也越来越高。针对船用辅锅炉的给水系统，从给水系统的系统图，到硬件，软件设计，到最后的PID参数调试，详细地介绍了整个系统的控制设计，并且在实际海上环境下，锅炉给水系统运行稳定，满足船用规范标准。
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关键词 给水系统；PLC；PID
Marine Auxiliary Boiler Feed Water System Control Design
SHEN Gang1GUO Bing-jun2
(1.Greens Power Equipment 〈China〉 Co., Ltd., Shanghai 200040, China;
2.Information School of East China University of science and Technology, Shanghai 200237, China)
【Abstract】The Marine auxiliary boiler has been one of the important equipment, its control is becoming more and more strict. Towards the Marine auxiliary boiler feed water system, from the feed water system diagram, to the hardware and software design, and the PID parameter debugging, the whole system control design is introduced in detail, and in the actual sea environment, boiler feed water system is stable and meet the standards on the Marine.
【Key words】Feed water system; PLC; PID
0引言
目前我国船用辅锅炉的热效率比较低，其影响因素是多方面的，主要原因是给水系统，燃烧系统不完善等。对于给水系统的控制，包括水泵，进水流量、出水压力等的控制，现在的自动化水平并不高。针对目前的这些问题，通过研究船用辅锅炉的给水系统控制来解决以上的问题，这对保证船用辅锅炉的安全稳定运行，具有十分重要的意义[1]。本文介绍了给水系统的硬件，软件设计，西门子S7-200PLC控制供水调节阀，最后取得了较好的实际效果。
1锅炉的介绍
锅炉是指将其它形式的热能转变为其它的工质热能，生产出规定参数要求和品质的工质的设备。船舶锅炉是由锅炉本体和辅助设备所组成的。锅炉本体的任务主要是将燃料的化学能通过传热和燃烧转换为蒸汽的热能。辅助设备主要是指提供锅炉工作所必须的设备和工作系统。船用辅锅炉是船舶锅炉中的一种，主要作用是生产饱和蒸汽，产生的蒸汽用作船舶上的重油、油舱、主机缸套水、生活用水等的加温介质，也用于加热滑油、燃油、工作水和油轮上的洗舱加温、驱动货油泵、生产二氧化碳惰性气体等。本项目采用针形管锅炉，主要采用针形管的设计，这样有效的增加受热面，从而提高了传热效率。
2锅炉给水系统工作原理
水循环与蒸汽的产生主要是由于水汽比重减小而上升到水面并进入蒸汽空间，而留出的空间则由比重较大的水来补充，由此形成汽水的自然循环。当炉中的水不断变成蒸汽而使得水位下降时，给水泵将水供进锅炉内，保持锅炉水位始终在正常范围内。锅炉的这个过程不断反复进行，从而不断地把燃油的热量传给锅炉水，产生所需的蒸汽[2]。
给水系统的宗旨就是为了保证船用锅炉在正常水位下工作，保证锅炉的给水量与蒸发量相当，以适应锅炉负荷的变化。在蒸发量较小，蒸汽压力较低的锅炉中，大多数采取双水位控制，即当锅炉水位达到水位下限时，自动启动给水泵，向锅炉供水。当水位达到上限时，自动停止给水泵的工作，锅炉工作水位在一定范围内波动。在大型油轮中，锅炉的蒸发量一般很大，蒸汽量较高，要求水位稳定在某一定值上，所以控制给水一般通过改变调节阀的开度来实现，即根据水位变送器传送过来的水位实测信号来控制给水调节阀的开度，从而使给水量适应蒸发量。并且当水位到达高水位或低水位以及过低水位时，通过PLC控制系统发出相应的报警指示，甚至停炉检修[3]。
给水系统的重要组成部件：燃油锅炉的给水系统由两台水泵组成。两台电动马达驱动泵一备一用。工作马达故障时，自动切换到备用马达工作。锅炉安装了两个水位表，一个水位传感器和一个极低水位报警开关，一个盐度计和一个加药单元，盐度计和加药单元用于保证锅炉给水系统的水质。
图1为锅炉给水系统图。图中HOT WELL为热井水箱，外部淡水都存储在热井水箱中，锅炉所需的给水主要也是通过热井水箱补给。使用油份仪M.9.01来指示给水箱中水的油分含量，当水中油份超过预设的报警值时，油份仪会产生一个开关量信号给PLC，产生报警。使用盐度计M.9.02来测量水中盐度含量，与油份仪工作原理相同，超过设定值时会产生报警。当水中盐度超标时，同时使用加药泵M.9.03向水中加入药剂来中和水中的盐质，一般情况下，药剂大多数为Na3PO4。最后通过水泵M.0.01/1&2将给水压入锅炉炉体中。利用压力表M.3.01/1&2显示给水进水泵前压力，利用压力表M.3.02/1&2显示给水出水泵后压力，这样可以让工作人员及时查看水压以保证锅炉给水系统的正常使用。使用压力开关M.6.01检测水压，当水压低于限制值时，通过PLC产生水泵出口压力低报警。
3系统硬件设计
给水系统主要通过水泵的控制来使得锅炉炉体中的水量与蒸汽的蒸发量维持相对平衡。图2为水泵控制硬件电路图。
开关4S1分为1,2与3,4两组触点，1,2属于就地控制；当1,2触点闭合时，则接触器4KM2得电，就能促使接触器触点闭合（前提是断路器触点1Q7闭合，也就是说该水泵没有出现热过载或者短路的情况下，断路器应该处于闭合状态），从而使得水泵电机得到440V的交流电压，使水泵运转。
触点3,4属于遥控控制触点，在遥控模式下，还进一步分为手动控制和自动控制两种模式。当开关4S3的触点1,2闭合时属于手动控制，只要通过开关4S2选择触点1,2闭合或是3,4闭合，就能确定是1号水泵运行还是2号水泵运行了。当开关4S3的触点3,4闭合时，可编程逻辑控制器PLC的输入点有24V电压输入，则通过事先编写好的程序经过运算在对应的输出点输出24V直流电给继电器41K4，继电器41K4的触点闭合，从而接触器4KM2得电，水泵运行；所以，41K4可以理解为自动启泵触点。这样的设计方式使得该水泵同时满足遥控启动和就地启动两种功能。
由开关4S1表格可以看出，当开关选择OFF的时候，则触点1,2和3,4均断开，水泵停止运行。由开关4S2表格可以看出，除了触点1,2和3,4以外，还有触点5,6和7,8；同样它们也是1号水泵和2号水泵的选择触点，利用它们作为PLC的输入点，在程序中需要用到水泵1号或是2号的选择信号，作为PLC输出的判断条件。
运行指示灯4P2与接触器4KM2并联，同时得电失电，起到了就地指示的作用，可以通过指示灯的亮灭判断水泵的运行停止情况。
4系统软件设计
水泵控制系统中，首先向水泵供电，水泵控制可分为本地控制和远程控制。当选择就地控制，则只需在水泵旁安装的就地控制盒手动选择各开关即可；若选择远程控制，则由锅炉控制箱来控制。接着是水泵的启动/停止控制，若停止则返回到最初状态；若是启动水泵，则分为手动控制和自动控制两部分，若是手动控制，则直接选择1号或是2号水泵即可，若是自动，则要看水位是否高，若是水位高，则停止水泵运行，若不高，则选择1号泵或是2号泵，在同时满足水位不低，水压不低，水泵不过载时才运行水泵，否则备用水泵运行。当水泵启动条件均满足时，选择1号泵时则1号泵启动，选择2号泵时则2号泵启动，当满足备用泵运行条件时，选择1号泵时则2号泵启动，反之，选择2号泵时则1号泵启动。如图3所示。
5系统调试
锅炉水位的控制除了控制水泵的启停外，还利用供水调节阀来调节锅炉的水位。如图4所示，A1.5.01为供水调节阀，从水泵打过来的给水从右侧通过调节阀到左侧进入锅炉炉体。安装于锅炉上的水位变送器在检测锅炉水位的同时将信号传给PLC。当实测水位降低时，PLC会控制调节阀增加开度。当实测水位升高时，PLC会控制调节阀减小开度。
PLC根据水位输入信号，经过PID运算后，输出4-20mA信号控制调节阀的开度。图5为PID整定过程。
图5中经过反复整定，不断修正后，比例增益Kc设定为1，积分时间Ti设定为2，得到的比较理想的PID曲线图。从图中可以看出：设定值50，即期望PLC经过PID整定后，控制水位调节阀从而使得水位保持在50mm的水位刻度处。采样时间为1秒。当输入的P，I，D的参数为上述值时，图中的蓝线输出值大约维持在13000左右，此时红线与绿线，即过程量与给定值近似吻合，可以理解为当输出值在13000左右时，实际的水位值与设定值近似相等，为50mm水位。
由于输出的是4-20mA信号，对应的实数值为6400-32000之间，所以输出值13000经过换算，13000/1600≈8.1，也就是说，此时输出的电流值为8.1mA；对应到阀的开度，4mA为阀门关闭0%，20mA为阀门全开100%，此时8.1mA阀门的开度大约为(8.1-4)/(20-8.1)=X/100，所以求得X≈34.5%，即当阀门的开度约为34.5%时，能控制水位基本保持在50mm的水位线处。所得的参数能满足工程要求。
6结束语
船用辅锅炉的给水系统一直是锅炉运行过程中非常重要的环节之一。本文从整个系统的分析，到硬件电路原理图设计，再到软件设计，最后通过控制供水调节阀的开度来详细地设计了给水系统的控制。通过PID参数的反复整定，绘制出了较为平滑的，实际值与给定值近乎吻合的曲线，从而得出最后的实验数据。该设计取得了较好的效果，在实际运用中有较好的参考意义和推广价值。
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参考文献
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［责任编辑：汤静］