張國慶，董國保，劉吉軍

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266042）

0 引言

船用電動空氣壓縮機(jī)帶有四級空氣冷卻器，在各空氣冷卻器后，均連接有一個油水分離器，該油水分離器可將高壓空氣中混雜的蒸氣冷凝水及滑油與潔凈干燥的高壓氣體進(jìn)行物理分離。分離后的蒸汽冷凝水與滑油混合形成的乳液狀油水混合物不斷積聚在油水分離器中，且積聚數(shù)量隨著系統(tǒng)工作時間的延長而迅速增多。為了能將油水分離器中產(chǎn)生的油水混合物廢料及時清除，必須為該油水分離器配置專用的自動化清除控制系統(tǒng)。本文選用新一代APAX系列可編程自動化控制器中的一種緊湊型工控產(chǎn)品——APAX5520CE為核心控制部件，設(shè)計并實現(xiàn)了一種船用油水分離器自動吹除控制系統(tǒng)（以下簡稱為自動吹除系統(tǒng)）。

1 自動吹除系統(tǒng)控制功能與流程設(shè)計

1.1 自動吹除系統(tǒng)控制功能設(shè)計

自動吹除系統(tǒng)為可長時連續(xù)工作的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)，用于對空壓機(jī)的四級油水分離器進(jìn)行周期性自動循環(huán)吹除。系統(tǒng)自動吹除循環(huán)周期的設(shè)定要依據(jù)系統(tǒng)油水混合物廢料析出速率、系統(tǒng)運行消耗、壽命等多個指標(biāo)因素綜合考慮，不宜過短或過長。同時，由于各級油水分離器的油水混合物廢料析出速率差異明顯，因此各級油水分離器吹除時間也應(yīng)相應(yīng)有所區(qū)別。如第一、二級油水分離器由于油水混合物析出速率較快，吹除時間應(yīng)不低于15 s/循環(huán)周期，而第三、四級油水分離器由于油水混合物析出速率較慢，吹除時間可適當(dāng)減小，但仍不得低于5 s/循環(huán)周期?；谏鲜龇治?，自動吹除系統(tǒng)應(yīng)對各級油水分離器的吹除時間實施差異控制，即第一~第四級油水分離器吹除時間可依次設(shè)定為20 s/循環(huán)周期、15 s/循環(huán)周期、10 s/循環(huán)周期、5 s/循環(huán)周期，系統(tǒng)吹除循環(huán)周期可設(shè)定為30 min。

1.2 自動吹除系統(tǒng)控制流程設(shè)計

自動吹除系統(tǒng)啟動后，首先對系統(tǒng)控制、I/O、通信等工控模塊的狀態(tài)進(jìn)行自檢，自檢通過后自動轉(zhuǎn)入循環(huán)吹除工況。系統(tǒng)在APAX5520CE控制模塊的控制下，按照設(shè)定的時序、間隔和周期依次自動驅(qū)動各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行吹除作業(yè)。具體控制流程可概括為：某吹除點的執(zhí)行閥組（由電磁閥和氣動閥構(gòu)成）打開，積聚在油水分離器內(nèi)的油水混合物通過管路排出。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定，對該吹除點持續(xù)吹除一定時間后，在APAX5520CE控制模塊控制下關(guān)閉該吹除點的執(zhí)行閥組，排出管路截止，停止該點的吹除。經(jīng)過一定的間隔時間后，系統(tǒng)自動打開下一吹除點的執(zhí)行閥組，執(zhí)行下一吹除點的吹除作業(yè)。當(dāng)所有吹除點依次完成吹除過程后，系統(tǒng)將在30 min后再次啟動，對各吹除點重新進(jìn)行新一輪的吹除。當(dāng)參數(shù)超限或執(zhí)行閥組動作失靈時，系統(tǒng)自動終止循環(huán)吹除過程，同時在現(xiàn)場和向船舶機(jī)艙自動化監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出聲光報警信號。

2 自動吹除系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)[1]

自動吹除系統(tǒng)采用的APAX5520CE控制模塊是新一代APAX系列可編程自動化控制器中一種緊湊型工控產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有體積小、可靠性高、維護(hù)方面等特點。

圖1所示是系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中的核心控制模塊為APAX5520CE，該模塊主要由主頻為520 MHz的XScale PXA270 CPU、32M Flash ROM、64M SDRAM和1個RS-485串行通信端口、1個USB端口、2個10/100M以太網(wǎng)端口以及1個外置CompactFlash插槽組成。其主頻是ADAM系列PAC產(chǎn)品ADAM5510控制模塊的10倍。APAX5520CE最多可擴(kuò)展32個I/O槽，以便安裝不同類型的I/O模塊，其內(nèi)置運行的WinCE操作系統(tǒng)，為使用C/C++等高級語言進(jìn)行程序開發(fā)提供了條件。與ADAM5510或PLC類控制器相比，APAX5520CE運算及遠(yuǎn)程通信能力更強，模擬量點價位低，經(jīng)濟(jì)性好。與工控機(jī)類似，APAX5520CE也可以連接顯示設(shè)備，具有便捷的人機(jī)交互條件，可實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控、在線檢測調(diào)試及人工干預(yù)等功能。該模塊結(jié)構(gòu)更加緊湊，操作系統(tǒng)為準(zhǔn)實時操作系統(tǒng)，軟硬件抗干擾能力更強，適于機(jī)艙環(huán)境下運行，可靠性高。

圖1 自動吹除控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)中共選用了4種型號的I/O模塊和1種通信適配器模塊，分別為：

1）24通道隔離數(shù)字量輸入模塊APAX5040，主要用于控制臺各開關(guān)、按鈕等控制元件和系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程限位開關(guān)、聯(lián)鎖觸點等的狀態(tài)信號采集與傳輸。

2）24通道隔離數(shù)字量輸出模塊APAX5046，主要用于驅(qū)動控制臺各信號燈、報警器工作，同時也用于向系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電磁閥）驅(qū)動電路以及系統(tǒng)保護(hù)電器等發(fā)送控制指令信號。

3）12通道隔離模擬量輸入模塊APAX5017，主要用于控制臺旋鈕、系統(tǒng)中各溫度、壓力、壓差、流量的物理參數(shù)的模擬信號采集與傳輸。

4）8通道隔離模擬量輸出模塊APAX5028，主要用于驅(qū)動控制臺上的各類儀表。

5）Modbus/TCP通信適配器APAX5070，主要用于通過Modbus/TCP協(xié)議實現(xiàn)控制器與機(jī)艙自動監(jiān)測系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信。

此外，為實現(xiàn)在線監(jiān)測、參數(shù)修改及調(diào)試、數(shù)據(jù)記錄與存儲的功能，系統(tǒng)還配置有結(jié)構(gòu)緊湊的顯示設(shè)備、調(diào)試設(shè)備以及CF存儲卡等外圍設(shè)備。

3 自動吹除系統(tǒng)控制軟件

3.1 軟件開發(fā)方法

首先，為便于程序開發(fā)與調(diào)試，通常采用PC機(jī)在eVC集成開發(fā)環(huán)境下編寫、調(diào)試控制應(yīng)用程序，eVC集成開發(fā)環(huán)境及源程序的設(shè)計與開發(fā)過程與采用VC++類似，在此不再贅述。

其次，利用與APAX5520CE工控模塊配套的軟件開發(fā)包，在eVC集成開發(fā)環(huán)境下對應(yīng)用程序進(jìn)行編譯連接，生成該模塊內(nèi)置操作系統(tǒng)可支持的可執(zhí)行程序。最后，使用專用下載工具將編譯通過的可執(zhí)行程序下載到APAX5520CE內(nèi)，啟動該模塊后即可在內(nèi)置WinCE操作系統(tǒng)下直接運行。

3.2 控制程序設(shè)計與開發(fā)[2]

控制程序主要由系統(tǒng)自檢、初始化、人工干預(yù)、吹除流程控制、故障停機(jī)控制、報警與信息存儲等功能單元構(gòu)成，程序流程框圖如圖2所示。

圖2 自動吹除控制系統(tǒng)控制程序流程圖

1）系統(tǒng)自檢

程序運行后，首先完成系統(tǒng)控制、I/O、通信等工控模塊的狀態(tài)自檢，確保系統(tǒng)本身工作正常。

2）初始化

程序首先啟動看門狗，確保當(dāng)由于某種異常原因?qū)е孪到y(tǒng)陷入死循環(huán)后能自動退出，使系統(tǒng)盡快恢復(fù)正常，避免系統(tǒng)陷入癱瘓。而后，程序?qū)ν瓿葾PAX5028等模擬量工控模塊的初始化設(shè)置。

3）人工干預(yù)

在必要的情況下，管理人員可在系統(tǒng)不停機(jī)的情況下在線介入，對吹除點、吹除時間、參數(shù)報警閾值等可調(diào)參數(shù)進(jìn)行實時修改，以便對系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行人工干預(yù)及適應(yīng)性調(diào)整。

4）吹除流程控制

吹除流程控制是整個控制程序的核心部分，主要用于空壓機(jī)四級油水分離器內(nèi)油水混合物的定時、定點吹除。各級油水分離器的吹除控制時序、時間等如前文所述，具體吹除流程參見圖2。

5）故障停機(jī)控制

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)傳感器采集到的溫度、壓力等參數(shù)值超出設(shè)定的閾值范圍、接收到關(guān)聯(lián)設(shè)備發(fā)送的聯(lián)鎖信號以及系統(tǒng)執(zhí)行閥組故障等情況時，控制模塊立即發(fā)出停機(jī)指令，停止系統(tǒng)工作，防止因系統(tǒng)“帶病運行”導(dǎo)致出現(xiàn)更大的異常甚至造成重大事故。

6）報警和信息存儲

在系統(tǒng)正常停機(jī)情況下，程序?qū)㈤_關(guān)機(jī)時間、運行時間、吹除周期、溫度、壓力、流量等重要數(shù)據(jù)信息存儲到CF卡內(nèi)，自動記入系統(tǒng)工作日志。在系統(tǒng)故障應(yīng)急停機(jī)的情況下，不僅對上述信息進(jìn)行全面準(zhǔn)確記錄，而且能在現(xiàn)場發(fā)出聲光報警信號，同時向全船機(jī)艙自動化監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送“自動吹除系統(tǒng)故障停機(jī)”的報警信息。

4 結(jié)束語

使用PAC控制技術(shù)不僅可以大大提高油水分離器自動吹除控制系統(tǒng)的自動化程度，降低船員勞動強度，提高油水分離器運行安全性，還可以針對控制模塊、傳感器系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障以及關(guān)聯(lián)設(shè)備（系統(tǒng)）的聯(lián)鎖信號等實現(xiàn)實時檢測與診斷、智能化自動應(yīng)急處置等功能。同時，PAC控制技術(shù)的應(yīng)用，為系統(tǒng)在線監(jiān)測與運行參數(shù)整定提供了有效手段，使得系統(tǒng)的使用和維護(hù)更加簡便，實現(xiàn)了安全可靠、節(jié)能高效的設(shè)計目標(biāo)，更好地適應(yīng)了船舶自動化的發(fā)展要求。

[1] 黃麟, 林葉春, 李大亮. 計算機(jī)控制故障監(jiān)測系統(tǒng)在船舶柴油機(jī)中的應(yīng)用[J]. 船電技術(shù), 2012, （6）.

[2] 高鑫, 陸振軍. 基于PLC的船舶伙食冷庫制冷控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 中國修船, 2013, （1）.