林文城
船用海水淡化裝置自動(dòng)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(yùn)行管理壓力,開發(fā)出基于PLC的裝置自動(dòng)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(shí),該自動(dòng)控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)和PID運(yùn)算后,產(chǎn)生PWM輸出信號(hào),控制電液比例流量閥的動(dòng)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
為了提高續(xù)航能力和經(jīng)濟(jì)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(dòng)力設(shè)備冷卻水和鍋爐補(bǔ)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(diǎn)的設(shè)計(jì)思路,即在柴油機(jī)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(gè)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(jì)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(yùn)行的過程中,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)最重要兩個(gè)輸出技術(shù)指標(biāo)(所造淡水產(chǎn)量和含鹽量)一直在波動(dòng)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(shí)時(shí)做出準(zhǔn)確的決斷和采取有效的措施,增加了裝置運(yùn)行管理和故障排除的難度;另一個(gè)方面是裝置缺乏隨著外在因素變化而自動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng),利用PLC計(jì)算精度高,響應(yīng)速度快,抗干擾能力強(qiáng)和性能穩(wěn)定可靠等的優(yōu)點(diǎn),來實(shí)時(shí)分析該船用海水淡化裝置的運(yùn)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(shí)適時(shí)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào),及時(shí)提示技術(shù)人員采取準(zhǔn)確排除措施,減輕系統(tǒng)運(yùn)行中維護(hù)管理的壓力。
圖1 船用海水淡化裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件簡圖
在裝置海水泵、噴射泵和凝水泵等動(dòng)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(yùn)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(jī)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(yùn)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(hào)傳送給PLC,PLC數(shù)據(jù)運(yùn)算后,產(chǎn)生輸出信號(hào)控制各執(zhí)行元件的動(dòng)作,自動(dòng)調(diào)整裝置技術(shù)參數(shù)的數(shù)值,從而實(shí)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(jī),借助編程器來實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的連接,建立人機(jī)交互,實(shí)時(shí)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(dòng)力設(shè)備的運(yùn)行和船員的生活。
依據(jù)裝置的性能特點(diǎn)以及動(dòng)力設(shè)備的運(yùn)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(yùn)算處理,輸出電信號(hào)控制電液比例閥等執(zhí)行元件,來實(shí)時(shí)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(yùn)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(jì)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(shí),PLC輸出信號(hào),控制電液比例閥動(dòng)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(dòng)測試-計(jì)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(shí)候,控制系統(tǒng)將及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào),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。
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(dòng)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(jī)控制程序的設(shè)計(jì)思路和滿足上位機(jī)監(jiān)控界面的總體要求。
在裝置運(yùn)行的過程中,給水溫度和流量、真空度(海水沸點(diǎn))、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(yùn)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(yùn)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(shí)際的產(chǎn)水量,計(jì)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(hào),該電信號(hào)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(hào)的大小,故應(yīng)用PLC輸出電信號(hào)的大小,來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加熱水的流量,同時(shí)借助反饋信號(hào)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(dòng)控制系統(tǒng)流程圖
4.1.1數(shù)據(jù)采集
依據(jù)下位機(jī)的設(shè)計(jì)思路,在設(shè)定的周期內(nèi),監(jiān)測裝置各個(gè)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(jī)的工作負(fù)荷和裝置的運(yùn)行狀況等,技術(shù)人員可以在上位機(jī)上及時(shí)調(diào)整相關(guān)參數(shù)的數(shù)值,提高下位機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)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(shí),換熱面結(jié)垢嚴(yán)重;而真空度過高時(shí),所造淡水含鹽量超標(biāo)不符合要求。其次,鹽度計(jì)報(bào)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(yùn)行過程中,自動(dòng)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(yùn)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(shí)際產(chǎn)水量,進(jìn)行PID運(yùn)算調(diào)節(jié),實(shí)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(shí)時(shí)采集產(chǎn)水量數(shù)值C(),該信號(hào)轉(zhuǎn)換后輸出測量值Q(),PLC接收并完成PID運(yùn)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(hào),該信號(hào)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(hào)的大小和方向成正比的性質(zhì),M(t)信號(hào)控制滑閥的閥芯連續(xù)運(yùn)動(dòng),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(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)反饋系統(tǒng)圖
輸出信號(hào)()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(shí)間常數(shù);T-微分時(shí)間常數(shù);0-PID初始值。根據(jù)裝置的外在條件和性能特點(diǎn),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(shí)的輸出公式為:
式(2)中:()-第n次采樣時(shí)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(shí)的長水量偏差。
4.1.4 PWM輸出
在船用海水淡化裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)中,PIC控制器根據(jù)產(chǎn)水量的實(shí)際偏差值進(jìn)行PID運(yùn)算,輸出不同占空比的PWM控制信號(hào)。該P(yáng)WM控制信號(hào)在完成放大并轉(zhuǎn)換之后,成為脈沖電流信號(hào)來控制電液比例流量閥閥芯的動(dòng)作。脈沖電流信號(hào)的強(qiáng)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(shí)際數(shù)值不斷接近設(shè)定值,PWM控制信號(hào)的強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的。
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(dòng)控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。在上位機(jī)上,實(shí)時(shí)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(shí)根據(jù)環(huán)境條件的變化和其它設(shè)備的需求,及時(shí)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。
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(hào)的海水淡化裝置,研制基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng),為改善這些裝置的性能特點(diǎn)和維護(hù)管理很有裨益。裝置運(yùn)行過程中,某些技術(shù)參數(shù)改變時(shí),自動(dòng)控制系統(tǒng)將發(fā)揮快速響應(yīng)作用,自動(dòng)采取合理措施,及時(shí)消除穩(wěn)態(tài)偏差,并超前補(bǔ)償控制環(huán)節(jié)的滯后,保證裝置長時(shí)間處于安全穩(wěn)定高效的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。
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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(jī)自動(dòng)控制和維護(hù)管理等。E-mail: jiayiyuanxinyueyuan@126.com