林文城

船用海水淡化裝置自動控制系統(tǒng)的研制

林文城

（廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建廈門 361012）

為了減輕Desalt JWP-26-C系列船用海水淡化裝置的運行管理壓力，開發(fā)出基于PLC的裝置自動控制系統(tǒng)。以控制裝置的產(chǎn)水量為例，在環(huán)境條件或結(jié)構(gòu)性能變化時，該自動控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)和PID運算后，產(chǎn)生PWM輸出信號，控制電液比例流量閥的動作，來調(diào)節(jié)加熱水流量，確保裝置的產(chǎn)水量維持在初始值上。該控制系統(tǒng)提升該系列裝置的響應(yīng)速度和控制精度，可以考慮在其它船用海水淡化裝置上推廣應(yīng)用。

船用海水淡化裝置 PLC PWM

0 引言

為了提高續(xù)航能力和經(jīng)濟效益，遠(yuǎn)洋船舶上必須配備海水淡化裝置。船用海水淡化裝置利用蒸餾法將海水淡化后，生產(chǎn)含鹽量合格的淡水，不僅提供動力設(shè)備冷卻水和鍋爐補給水等，還要滿足船員生活用水的需求?；趶U熱合理利用和控制蒸餾器水垢等綜合因素，船用海水淡化裝置一般采納高真空低沸點的設(shè)計思路，即在柴油機缸套冷卻水（以下簡稱加熱水）加熱下，海水在較低的溫度下汽化沸騰，再將產(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)行冷凝后獲得蒸餾水，整個裝置包含海水系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)、凝水系統(tǒng)和投藥系統(tǒng)等[1]。以Alfa Laval公司生產(chǎn)的Desalt JWP-26-C80為例，設(shè)計真空度為93%，蒸發(fā)溫度為40℃，加熱水的溫度為60～90℃，淡水產(chǎn)量為625 L/h，產(chǎn)水含鹽量要求低于2 mg/L。在裝置運行的過程中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)最重要兩個輸出技術(shù)指標(biāo)（所造淡水產(chǎn)量和含鹽量）一直在波動著，分析其中的原因，是系統(tǒng)工作條件發(fā)生變化或者出現(xiàn)異常狀況，但因裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各技術(shù)參數(shù)值多且相互影響，技術(shù)人員無法實時做出準(zhǔn)確的決斷和采取有效的措施，增加了裝置運行管理和故障排除的難度；另一個方面是裝置缺乏隨著外在因素變化而自動調(diào)節(jié)的能力，無法給船舶其它設(shè)備提供水質(zhì)和水量均恒定的淡水資源。

基于以上存在的不足，開發(fā)一套適用于Desalt JWP-26-C80的自動控制系統(tǒng)，利用PLC計算精度高，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強和性能穩(wěn)定可靠等的優(yōu)點，來實時分析該船用海水淡化裝置的運行狀態(tài)，針對性調(diào)整工作參數(shù)，來適應(yīng)外界條件的變化和其它設(shè)備的需求，同時適時發(fā)出故障報警信號，及時提示技術(shù)人員采取準(zhǔn)確排除措施，減輕系統(tǒng)運行中維護(hù)管理的壓力。

圖1 船用海水淡化裝置自動控制系統(tǒng)硬件簡圖

1 自動控制系統(tǒng)的硬件組成

在裝置海水泵、噴射泵和凝水泵等動力設(shè)備正常工作的前提下，為了確保生產(chǎn)水質(zhì)合格和產(chǎn)水量穩(wěn)定的淡水，最重要的運行管理工作是合理控制裝置的海水給水量、加熱水流量、冷凝水流量和凝水流量等。如圖1所示，控制系統(tǒng)的下位機采用西門子S7系列控制器，通過傳感器、電開關(guān)和電磁閥等元件采集裝置運行過程中的技術(shù)參數(shù)數(shù)值，經(jīng)過輸入接口的模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號傳送給PLC，PLC數(shù)據(jù)運算后，產(chǎn)生輸出信號控制各執(zhí)行元件的動作，自動調(diào)整裝置技術(shù)參數(shù)的數(shù)值，從而實現(xiàn)系統(tǒng)輸出水質(zhì)合格和水量恒定的淡水。另外，選擇TD200觸摸屏作為上位機，借助編程器來實現(xiàn)與下位機的連接，建立人機交互，實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)裝置技術(shù)參數(shù)，以便于裝置更好地服務(wù)于其它動力設(shè)備的運行和船員的生活。

2 自動控制系統(tǒng)的設(shè)計思路

依據(jù)裝置的性能特點以及動力設(shè)備的運行狀況，來設(shè)定船用海水淡化裝置的所造淡水的含鹽量和產(chǎn)水量等參數(shù)的初始值。通過采集海水溫度、海水流量和加熱水溫度等數(shù)值，經(jīng)過PLC控制器的運算處理，輸出電信號控制電液比例閥等執(zhí)行元件，來實時調(diào)節(jié)蒸餾器的給水量、冷凝水的流量和加熱水的流量，確保裝置平穩(wěn)運行。因篇幅所限，下面就以控制裝置產(chǎn)水量這一技術(shù)參數(shù)數(shù)值為例，來闡述本控制系統(tǒng)的設(shè)計思路。影響產(chǎn)水量的因素很多，但裝置主要以控制加熱水的流量來調(diào)節(jié)產(chǎn)水量的，當(dāng)產(chǎn)水量與設(shè)定的初始值存在偏差時，PLC輸出信號，控制電液比例閥動作來調(diào)節(jié)加熱水的流量，使裝置的產(chǎn)水量偏差為0，周期性啟動測試-計算-調(diào)節(jié)的工作循環(huán)，確保產(chǎn)水量數(shù)值的恒定；當(dāng)因惡劣環(huán)境條件或裝置故障，導(dǎo)致產(chǎn)水量偏差無法消除的時候，控制系統(tǒng)將及時發(fā)出報警信號，提示技術(shù)人員重新設(shè)定初始值或者采取針對性措施排除故障。

3 自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

基于Desalt JWP-26-C80的結(jié)構(gòu)組成以及外界的環(huán)境條件，自動控制系統(tǒng)的程序開發(fā)，選擇編程軟件STEP7和組態(tài)王，分別來完成下位機控制程序的設(shè)計思路和滿足上位機監(jiān)控界面的總體要求。

3.1 下位機控制程序的設(shè)計

在裝置運行的過程中，給水溫度和流量、真空度（海水沸點）、加熱水溫度和流量、冷凝水溫度和流量、凝水流量、蒸餾器換熱能力和密封性能等因素，都將影響裝置產(chǎn)水量數(shù)值的變化。設(shè)定這些影響因素在合理變化區(qū)間，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測某些因素超出設(shè)定范圍，將提示環(huán)境條件惡化或裝置處于異常工作狀態(tài)。另一方面，裝置在正常工作狀態(tài)下，加熱水的熱值，是蒸餾器主要的能量來源，直接決定了裝置的蒸氣量（即產(chǎn)水量），故控制系統(tǒng)只要控制加熱水的流量，即可在設(shè)定的范圍內(nèi)保證產(chǎn)水量的恒定。

利用傳感器等輸入元件采集裝置運行的各技術(shù)參數(shù)值，模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，由控制系統(tǒng)確認(rèn)裝置的工作條件和運行狀況處于正常狀態(tài)。如圖2所示，由流量傳感器測量裝置實際的產(chǎn)水量，計算與設(shè)定產(chǎn)水量初始值的偏差值e，PLC根據(jù)偏差值e的結(jié)果生成數(shù)字脈沖信號，該電信號輸出并作用在加熱水的電液比例閥上。電液比例閥閥芯的位移，取決于輸入電信號的大小，故應(yīng)用PLC輸出電信號的大小，來實時調(diào)節(jié)加熱水的流量，同時借助反饋信號進(jìn)一步修正，消除裝置產(chǎn)水量的偏差值。

圖2 船用海水淡化裝置自動控制系統(tǒng)流程圖

4.1.1數(shù)據(jù)采集

依據(jù)下位機的設(shè)計思路，在設(shè)定的周期內(nèi)，監(jiān)測裝置各個技術(shù)參數(shù)的數(shù)值和所有元件的開關(guān)量，比如海水溫度和流量、加熱水溫度和流量、凝水流量和含鹽量等，將這些模擬量經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，傳送給PLC控制器。另外，根據(jù)船舶所處的緯度、柴油機的工作負(fù)荷和裝置的運行狀況等，技術(shù)人員可以在上位機上及時調(diào)整相關(guān)參數(shù)的數(shù)值，提高下位機控制系統(tǒng)運行可靠性。

4.1.2安全保護(hù)

首先，蒸餾器內(nèi)真空度過低時，換熱面結(jié)垢嚴(yán)重；而真空度過高時，所造淡水含鹽量超標(biāo)不符合要求。其次，鹽度計報警設(shè)備失效，將導(dǎo)致所造淡水不合格，直接縮短輔鍋爐的使用壽命。另外，要確保裝置的密封性能，包含要防止海水倒灌進(jìn)蒸餾器或漏入冷凝器。最后，檢測各水泵和噴射泵是否處于正常狀況。綜上所述，在裝置運行過程中，自動控制系統(tǒng)要設(shè)置蒸餾器壓力異常保護(hù)、所產(chǎn)淡水含鹽量超標(biāo)保護(hù)、止回閥失效保護(hù)和泵吸排壓力差過低保護(hù)等。

4.1.3 PID運算

為了保證裝置產(chǎn)水量數(shù)值的基本恒定，采用PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)，定期檢測實際產(chǎn)水量，進(jìn)行PID運算調(diào)節(jié)，實現(xiàn)該技術(shù)參數(shù)的高精度同步跟蹤修正性能。如圖3所示。實時采集產(chǎn)水量數(shù)值C()，該信號轉(zhuǎn)換后輸出測量值Q()，PLC接收并完成PID運算，產(chǎn)生測量值Q()和設(shè)定值SQ()的偏差e()。為了消減測量值Q()的偏差，PLC輸出M()信號，該信號放大后作用在電液比例流量閥上，根據(jù)比例電磁鐵的位移與輸入電流信號的大小和方向成正比的性質(zhì)，M(t)信號控制滑閥的閥芯連續(xù)運動，合理調(diào)節(jié)加熱水流量的大小，來獲得符合要求的產(chǎn)水量C(t)，經(jīng)過不斷循環(huán)調(diào)整控制，確保裝置實際產(chǎn)水量維持在設(shè)定的數(shù)值上。

圖3 船用海水淡化裝置自動控制系統(tǒng)負(fù)反饋系統(tǒng)圖

輸出信號()與產(chǎn)水量偏差()的關(guān)系式為：

式(1)中：()-PID輸出值；K-比例控制增益；()-產(chǎn)水量偏差值；T-積分時間常數(shù)；T-微分時間常數(shù)；0-PID初始值。根據(jù)裝置的外在條件和性能特點，選擇模擬量和開關(guān)量等數(shù)據(jù)的采集周期，從而離散化PID輸入輸出關(guān)系公式，最終獲得系統(tǒng)采集第n次數(shù)據(jù)時的輸出公式為：

式(2)中：()-第n次采樣時PID輸出；-數(shù)據(jù)采集周期；-數(shù)據(jù)采集次數(shù)，=1，2，3……；e()-第次數(shù)據(jù)采集時的長水量偏差。

4.1.4 PWM輸出

在船用海水淡化裝置自動控制系統(tǒng)中，PIC控制器根據(jù)產(chǎn)水量的實際偏差值進(jìn)行PID運算，輸出不同占空比的PWM控制信號。該PWM控制信號在完成放大并轉(zhuǎn)換之后，成為脈沖電流信號來控制電液比例流量閥閥芯的動作。脈沖電流信號的強弱，決定了閥芯相對于閥體的軸向位移（即閥口的軸向開度）的大小，也就控制了加熱水的流量變化。裝置產(chǎn)水量的實際數(shù)值不斷接近設(shè)定值，PWM控制信號的強度也隨著不斷衰減，加熱水的流量也就穩(wěn)定在響應(yīng)的某一數(shù)值上，這樣來達(dá)到產(chǎn)水量輸出穩(wěn)定的要求，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的設(shè)計目的。

4.2 上位機控制程序的設(shè)計

TD200觸摸屏選擇組態(tài)王軟件進(jìn)行編程，建立船用海水淡化裝置自動控制系統(tǒng)的人機交互界面。在上位機上，實時顯示裝置模擬量和開關(guān)量的數(shù)值，為技術(shù)人員的日常設(shè)備管理工作提供依據(jù)；同時根據(jù)環(huán)境條件的變化和其它設(shè)備的需求，及時提示技術(shù)人員調(diào)節(jié)相關(guān)技術(shù)參數(shù)的設(shè)定值。

5 小結(jié)

在船齡較大的部分遠(yuǎn)洋商船上，還服役著Desalt JWP-26-C系列型號的海水淡化裝置，研制基于PLC的自動控制系統(tǒng)，為改善這些裝置的性能特點和維護(hù)管理很有裨益。裝置運行過程中，某些技術(shù)參數(shù)改變時，自動控制系統(tǒng)將發(fā)揮快速響應(yīng)作用，自動采取合理措施，及時消除穩(wěn)態(tài)偏差，并超前補償控制環(huán)節(jié)的滯后，保證裝置長時間處于安全穩(wěn)定高效的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

[1] 陳海泉. 船舶輔機[M]. 大連: 大連海事大學(xué)出版社, 2016.

[2] 李哲. 船用海水淡化裝置設(shè)計實例與運行測試[J]. 工業(yè)水處理,2018(8):105-108.

[3] 蘇闖建, 田中軒, 熊云. 船用海水淡化裝置的產(chǎn)水水質(zhì)特性及經(jīng)濟性分析[J].化工進(jìn)展, 2018(2):796-802.

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[5] 胡鈺, 魏林瑞, 張磊, 盧素敏. 10t/d船用板式蒸餾海水淡化裝置性能測試與模擬計算[J].工業(yè)用水與廢水, 2016(3):78-83.

Development of automatic control system for marine desalination plant

Lin Wencheng

（Xiamen Marine Vocational and Technical College, Xiamen 361012, China）

P747

A

1003-4862（2022）08-0039-04

2022-02-16

林文城（1975-），男，副教授。研究方向：船舶輔機自動控制和維護(hù)管理等。E-mail: jiayiyuanxinyueyuan@126.com