林文城

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

某公司生產(chǎn)的Desalt JWP-26-C80船用造水機，采用高真空低沸點的蒸餾方法來實現(xiàn)海水淡化，為船舶其他動力設(shè)備和船員生活提供淡水。該造水機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)完善，海水依靠水泵加壓后，歷經(jīng)抽真空、向蒸餾器補給海水和投放藥劑、用柴油機缸套冷卻水加熱、分離氣液、冷凝水蒸氣、向淡水柜排送蒸餾水、檢測蒸餾水含鹽量和排放多余鹽水等諸多環(huán)節(jié)，才能生產(chǎn)出含鹽量合格的淡水[1]。為保證裝置的正常運行，控制蒸餾器的高真空(即低壓力)是最重要的工作。如果蒸餾器內(nèi)的真空度無法建立或者一直波動，那么造水機就不可能正常穩(wěn)定工作，真空度太低，沸點過高，導(dǎo)致蒸發(fā)器表面結(jié)硬垢，甚至無法生產(chǎn)淡水；而真空度太高，所造淡水含鹽量超標，水質(zhì)不符合要求。而蒸餾器內(nèi)真空度波動的原因，可能是裝置自身結(jié)構(gòu)性能的改變，也可能受制于工作環(huán)境的變化，技術(shù)參數(shù)值多且相互牽制，增加了裝置運行管理和故障排除的難度。

基于造水機真空度控制的困境，創(chuàng)建1套基于Desalt JWP-26-C80的真空度自動控制系統(tǒng)，發(fā)揮可編程邏輯控制器(PLC)強大的運算功能、快速調(diào)節(jié)能力和可靠穩(wěn)定控制等優(yōu)勢，周期性地監(jiān)控該船用造水機的運行成效，實時調(diào)試工作狀態(tài)，以應(yīng)對外界環(huán)境的改變。當裝置出現(xiàn)異常狀況，自動控制系統(tǒng)立即報警并提供針對性的故障排除建議，設(shè)法減輕該造水機維護管理的壓力。

1 控制系統(tǒng)的硬件組成

船用造水機真空度控制系統(tǒng)硬件示意圖如圖1所示，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)控裝置運行狀況和設(shè)定技術(shù)參數(shù)初始值，以便于裝置更好應(yīng)對工作環(huán)境和外部需求的變化。下位機采用西門子S7系列控制器，模擬量輸入模塊選擇西門子EM235，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進行數(shù)據(jù)運算，生成電信號控制各執(zhí)行元件的動作情況，自動調(diào)整裝置的運行狀態(tài)，從而不斷修正目標參數(shù)的數(shù)值偏差。

圖1 船用造水機真空度控制系統(tǒng)硬件示意圖

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計思路

船用造水機真空度的建立分為2個階段：①在裝置啟動期間，真空泵(水射抽氣器)抽除蒸餾器內(nèi)的空氣，直至設(shè)定的真空度，所以啟動階段裝置的真空度由真空泵來建立。裝置的真空度，取決于裝置的密封性、真空泵的性能、海水的溫度和流量。②在裝置運行期間，產(chǎn)生大量的水蒸氣，真空度的建立，必須由真空泵和冷凝器共同承擔(dān)。

除了以上的影響因素之外，裝置的真空度還受制于蒸發(fā)量和冷凝量的動態(tài)平衡。所以，在裝置密封性能符合要求、泵部設(shè)備運轉(zhuǎn)正常和管路閥件正確啟閉的前提下，由于海水溫度和主柴油機缸套冷卻水溫度等參數(shù)受制于外部條件，為了獲得蒸餾器內(nèi)穩(wěn)定真空度數(shù)值，所采取的措施只能是調(diào)節(jié)裝置的真空泵工作水、海水給水、主柴油機缸套冷卻水、冷凝水和冷凝器冷卻水等的流量值?？紤]造水機本身的結(jié)構(gòu)性能特點，在裝置啟動期間，借助調(diào)節(jié)真空泵的工作水流量控制裝置的真空度；而在裝置運行期間，通過調(diào)節(jié)冷凝器冷卻水的流量控制裝置的真空度。

依據(jù)裝置的系統(tǒng)組成以及泵部的運行狀況，將所有影響真空度的技術(shù)參數(shù)，設(shè)置允許浮動的數(shù)值范圍。當這些技術(shù)參數(shù)的數(shù)值都在允許范圍內(nèi)變動時，監(jiān)測實際真空度與初始值的偏差，PLC輸出信號調(diào)節(jié)真空泵工作水的流量或者冷凝器冷卻水的流量，這樣周期性啟動測試→計算→調(diào)節(jié)的工作循環(huán)，確保真空度數(shù)值的恒定。當參數(shù)值超出允許范圍或開關(guān)量不符合設(shè)定等時，控制系統(tǒng)將發(fā)出警報信號，提示技術(shù)人員調(diào)整數(shù)據(jù)或者排除故障。

3 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，真空度控制系統(tǒng)的程序開發(fā)，選擇監(jiān)控系統(tǒng)軟件“組態(tài)王”和西門子編程軟件“STEP7”，分別來呈現(xiàn)上位機監(jiān)控界面的總體訴求和完成下位機控制程序的設(shè)計思路。

3.1 下位機控制程序的設(shè)計

裝置啟動時，控制系統(tǒng)先關(guān)閉真空破壞閥等電磁閥，確保密封性能，啟動海水泵加壓海水到設(shè)計壓力后，自動調(diào)節(jié)真空泵工作水的流量，進行抽真空操作，當檢測造水機內(nèi)真空度升至設(shè)定值時，啟動過程終止，自動轉(zhuǎn)入裝置的正常運行階段。開啟裝置的給水閥、加熱水水閥，冷凝器冷卻水閥和凝水出口閥，自動控制冷凝器冷卻水水閥，調(diào)節(jié)冷卻水的流量，控制造水機的真空度維持在設(shè)定值。船用造水機真空度控制系統(tǒng)流程圖如圖2所示，控制系統(tǒng)利用開關(guān)元件和傳感器等自動化元件采集造水機的各輸入模擬信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，PLC進行比例、積分、微分(以下簡稱PID)運算，輸出信號控制各開關(guān)量和調(diào)節(jié)各技術(shù)參數(shù)。其中，最重要的工作環(huán)節(jié)是判斷造水機的運行狀況，根據(jù)裝置真空度的實際數(shù)值，分別控制真空泵工作水和冷凝器冷卻水的電液比例流量控制閥的動作，實現(xiàn)維持裝置真空度恒定的目的。

圖2 船用造水機真空度控制系統(tǒng)流程圖

1)數(shù)據(jù)采集。遵循下位機控制程序的設(shè)計思路，在設(shè)定的掃描周期內(nèi)，監(jiān)測裝置電子元件的開關(guān)量和技術(shù)參數(shù)的數(shù)值，將這些模擬量轉(zhuǎn)換后，發(fā)送給PLC控制器。此外，根據(jù)船舶航行的海域位置、主柴油機的運行負載和裝置的結(jié)構(gòu)狀況等，技術(shù)人員合理調(diào)整上位機相關(guān)參數(shù)的設(shè)定值，提升下位機控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力。

2)安全保護。首先，蒸餾器內(nèi)真空度超出設(shè)定范圍，直接影響裝置的正常運轉(zhuǎn)。其次，在建立真空度階段可以選擇對裝置的密封性能進行自檢，密封性能不合格需要停機檢修。最后，監(jiān)測海水泵和真空泵的運轉(zhuǎn)是否正常。綜上所述，在造水機運行過程中，真空度控制系統(tǒng)需要設(shè)定蒸餾器壓力異常保護、密封性能失效保護和泵部吸排壓力差過低保護等。

3)PID運算。為獲取裝置穩(wěn)定真空度，真空度控制系統(tǒng)采用PLC閉環(huán)反饋控制，周期性采集裝置真空度的瞬間值，運用PID運算進行調(diào)節(jié)，同步跟蹤、快速修正該參數(shù)的數(shù)值。船用造水機真空度控制系統(tǒng)負反饋系統(tǒng)原理圖如圖3所示，實時采集真空度數(shù)值C(t)，該信號轉(zhuǎn)換后輸出測量值p(t)，PLC接收并完成PID運算，獲取測量值p(t)和設(shè)定值sp(t)的偏差e(t)。為了消除測量值p(t)的偏差，PLC向執(zhí)行機構(gòu)輸出控制信號M(t)，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)控制滑閥的閥芯連續(xù)運動，合理調(diào)節(jié)真空泵工作水或冷凝器冷卻水流量的大小，來獲得滿足裝置要求的真空度C(t)，通過程序性循環(huán)調(diào)整控制，確保裝置實際真空度維持在設(shè)定的數(shù)值。

圖3 船用造水機真空度控制系統(tǒng)負反饋系統(tǒng)原理圖

M(t)與e(t)的關(guān)系式為：

M(t)=

(1)

式中，Kp為比例控制增益；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)；M0為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：

M(n)=

(2)

式中，M(n)為第n次采樣時PID輸出；T為數(shù)據(jù)采集周期；n為數(shù)據(jù)采集次數(shù)，n=1，2，3……；e(n)為第n次數(shù)據(jù)采集時的真空度偏差。

4)脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出。在船用造水機真空度控制系統(tǒng)中，PLC控制器對真空度實際的偏差值執(zhí)行PID運算，輸出不同占空比的PWM控制信號。該PWM控制信號在功率驅(qū)動放大電路中轉(zhuǎn)換后，成為電流信號來控制電液比例流量閥閥芯的動作。通過改變PWM控制信號的占空比來改變比例電磁閥線圈通電時間，即控制閥芯相對于閥體的軸向位移(即閥口的軸向開度)的大小，調(diào)整真空泵工作水或冷凝器冷卻水的平均流量，促使裝置真空度的實際數(shù)值重返設(shè)定值，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的設(shè)計目的。

3.2 上位機控制程序的設(shè)計

TD200觸摸屏選擇“組態(tài)王”軟件進行編程，建立船用造水機真空度控制系統(tǒng)的人機交互界面。在觸摸屏上，動態(tài)展示裝置運行過程中技術(shù)參數(shù)和開關(guān)量的實際數(shù)值，為日常管理工作提供數(shù)據(jù)支撐；同時根據(jù)外界環(huán)境條件的改變和自身結(jié)構(gòu)特點的老化，提示技術(shù)人員進行技術(shù)參數(shù)設(shè)定值的調(diào)節(jié)。