基于PLC技術(shù)的油船機(jī)艙多參數(shù)自動控制系統(tǒng)設(shè)計

鄒永冬， 朱發(fā)新， 吳厚毅， 孫 強(qiáng)， 劉 笑

(浙江海洋學(xué)院 港航學(xué)院， 浙江 舟山 316022)

基于PLC技術(shù)的油船機(jī)艙多參數(shù)自動控制系統(tǒng)設(shè)計

鄒永冬， 朱發(fā)新， 吳厚毅， 孫 強(qiáng)， 劉 笑

(浙江海洋學(xué)院 港航學(xué)院， 浙江 舟山 316022)

針對目前油船機(jī)艙存在的溫度、油氣濃度較高及濕度不能自動控制等缺點(diǎn)與不足，該文從油船機(jī)艙的多參數(shù)控制的必要性和自動化設(shè)計要求出發(fā)，在現(xiàn)有油船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用PLC技術(shù)設(shè)計出油船機(jī)艙多參數(shù)自動控制系統(tǒng)，并介紹了該系統(tǒng)的組成及溫度、油氣濃度及濕度等參數(shù)的自動控制原理。最后從結(jié)構(gòu)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面分析了該系統(tǒng)的可行性。

PLC技術(shù) 多參數(shù) 自動控制 通風(fēng)系統(tǒng) 油船 機(jī)艙

1 引言

由于可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,簡稱PLC)具有體積小、能耗低、抗干擾能力強(qiáng)，自帶有硬件故障檢測功能，出現(xiàn)故障時可在幾微秒內(nèi)發(fā)出警報信息等特點(diǎn)，在船舶設(shè)備自動化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1，2]。如船舶主機(jī)遙控技術(shù)、船舶動力裝置的監(jiān)測報警技術(shù)、 船舶柴油機(jī)的工控監(jiān)測與趨勢分析技術(shù)、 船舶故障預(yù)診斷技術(shù)等[2]。

機(jī)艙是船舶的動力中心，機(jī)艙內(nèi)多參數(shù)的變化直接影響到機(jī)艙設(shè)備的工況和輪機(jī)人員的工作條件。為了解決目前油船機(jī)艙存在的溫度、油氣濃度較高及濕度不能自動控制等缺點(diǎn)，并提高機(jī)艙的自動化程度，本文從油船機(jī)艙自動化系統(tǒng)設(shè)計要求出發(fā)，設(shè)計了一套基于油船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的機(jī)艙內(nèi)多參數(shù)自動控制系統(tǒng)。

2 油船機(jī)艙概述

2.1 油船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)

油船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)是指包括風(fēng)機(jī)類型、通風(fēng)管路、通風(fēng)方式、回風(fēng)井、進(jìn)風(fēng)井和其它有關(guān)器件在內(nèi)的總稱。油船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)通風(fēng)動力的不同，可分為自然通風(fēng)系統(tǒng)和機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)[3]。機(jī)械通風(fēng)是指由于機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)形成壓力差使外界空氣進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)部的通風(fēng)形式；而自然通風(fēng)則是在機(jī)艙外風(fēng)力形成的風(fēng)壓和機(jī)艙內(nèi)外空氣溫度差所造成的熱壓二者共同作用下，實現(xiàn)機(jī)艙內(nèi)空氣交換的一種通風(fēng)形式[4]。其中機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)又有全新風(fēng)系統(tǒng)、循環(huán)冷卻加新風(fēng)系統(tǒng)和射流通風(fēng)系統(tǒng)。

2.2 油船機(jī)艙多參數(shù)控制的必要性

(1) 溫度控制。研究數(shù)據(jù)表明，人體最佳的工作環(huán)境溫度為15～20℃。在油船機(jī)艙中，由于柴油機(jī)、鍋爐等設(shè)備持續(xù)向機(jī)艙內(nèi)釋放熱量,加熱空氣，使機(jī)艙內(nèi)溫度遠(yuǎn)高于20℃[4]。在高溫環(huán)境中，人體通過蒸發(fā)來散發(fā)熱量，身體中的鹽分隨汗液流失會引起血壓下降，造成心臟負(fù)荷增大，從而增加了輪機(jī)人員的患病幾率，此外高溫還會影響到人體神經(jīng)活動和運(yùn)動協(xié)調(diào)等。因此，為保證輪機(jī)人員良好的工作環(huán)境，機(jī)艙內(nèi)必須進(jìn)行有效的溫度控制。

(2) 濕度控制。機(jī)艙內(nèi)設(shè)備隨著濕度的變化，儀表的精度和靈敏度會有所不同，當(dāng)環(huán)境濕度超過或低于儀表的設(shè)計工作溫度時，儀表就不能正常工作，甚至損壞[5]。

(3) 油氣濃度控制。由于機(jī)艙內(nèi)夾板間存在裝載燃油、燃燒設(shè)備的燃燒和管路的滴漏等情況，不可避免的會揮發(fā)出油氣。當(dāng)油氣濃度達(dá)到一定值時，可能會發(fā)生爆炸和火災(zāi)，造成重大損失并直接威脅油船和船員生命財產(chǎn)安全。所以必須對機(jī)艙油氣濃度進(jìn)行控制，避免爆炸和火災(zāi)的發(fā)生。

3 油船機(jī)艙自動化系統(tǒng)設(shè)計要求分析

根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2014)規(guī)定，機(jī)艙自動化系統(tǒng)主要設(shè)計要求如下。

(1) 傳感器。能以適當(dāng)?shù)木群挽`敏度長期穩(wěn)定地正常工作；傳感器應(yīng)能適應(yīng)其工作環(huán)境；傳感器的安裝位置應(yīng)能保證所測參數(shù)的準(zhǔn)確性，且易拆裝。

(2) 控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)能有效、持續(xù)、可靠地運(yùn)行；船舶自動化系統(tǒng)對工作環(huán)境的濕度要求是：溫度達(dá)到45℃時，相對濕度為92%～98%，溫度高于45℃時，相對濕度為67%～73%。

(3) 報警系統(tǒng)。能在控制室或設(shè)備所在的控制位置發(fā)出報警；報警系統(tǒng)應(yīng)具有故障自我檢測功能；應(yīng)能使運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障相互獨(dú)立[6]。

4 基于PLC技術(shù)的油船機(jī)艙多參數(shù)自動控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 油船機(jī)艙溫度自動控制的工作原理

該系統(tǒng)主要是由溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、PLC、D/A轉(zhuǎn)換器、報警器、風(fēng)機(jī)、風(fēng)管、風(fēng)門等組成(見圖1)。溫度傳感器1～6實時監(jiān)測機(jī)艙內(nèi)溫度的變化，實時傳遞到A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后傳遞到PLC與集控室，并在集控室儀表盤上顯示。PLC內(nèi)部將接收到的數(shù)據(jù)與設(shè)定值一一進(jìn)行比較，當(dāng)2個或2個以下的溫度傳感器超出設(shè)定值時，發(fā)出該傳感器所對應(yīng)的風(fēng)門角增大指令；當(dāng)2個以上的溫度傳感器超過設(shè)定值時，發(fā)出風(fēng)機(jī)變頻以增大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的指令；當(dāng)接收數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)不全、大于最高設(shè)定值時，發(fā)出聲、光警報，同時不影響其他指令的執(zhí)行。D/A轉(zhuǎn)換器將PLC發(fā)出的指令轉(zhuǎn)換成模擬信號，作用于風(fēng)門或風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)艙內(nèi)風(fēng)量。

圖1 油船機(jī)艙多參數(shù)自動控制系統(tǒng)簡圖

4.2 艙室其他參數(shù)的自動控制原理

(1) 油氣濃度。機(jī)艙內(nèi)油氣濃度的自動控制，只需將圖1中的溫度傳感器換成相應(yīng)的油氣濃度傳感器即可，原理與溫度的自動控制完全一樣。利用油船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)將油氣掃出艙外，達(dá)到自動控制機(jī)艙內(nèi)油氣濃度的目的。

(2) 濕度。機(jī)艙內(nèi)濕度的自動控制則相對復(fù)雜。由于外界空氣濕度的不確定性，需在機(jī)艙通風(fēng)總管前加設(shè)超聲波加濕器和轉(zhuǎn)輪除濕器，以改變進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)的空氣濕度。當(dāng)濕度傳感器測得機(jī)艙內(nèi)空氣濕度高于設(shè)定值時，PLC發(fā)出風(fēng)機(jī)變頻和轉(zhuǎn)輪除濕器工作的指令。外界空氣在風(fēng)機(jī)的機(jī)械作用下進(jìn)入通風(fēng)總管，再經(jīng)轉(zhuǎn)輪除濕器的作用對空氣除濕后進(jìn)入機(jī)艙，與機(jī)艙內(nèi)空氣混合、換氣，達(dá)到降低機(jī)艙內(nèi)空氣濕度的作用。當(dāng)濕度傳感器測得機(jī)艙內(nèi)空氣濕度低于設(shè)定值時，PLC發(fā)出風(fēng)機(jī)變頻和超聲波加濕器工作的指令，空氣則經(jīng)過超聲波加濕器作用后進(jìn)入機(jī)艙，達(dá)到增加機(jī)艙內(nèi)空氣濕度的作用。

4.3 主要部件

(1) PLC。 PLC采用計算機(jī)控制技術(shù)，通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)程序控制和保護(hù)功能，從而實現(xiàn)油船機(jī)艙多參數(shù)的自動控制[7]。PLC的程序設(shè)計與大多數(shù)軟件工程的設(shè)計方法一樣，其概要設(shè)計可用流程框圖表示。自動溫度控制的PLC程序流程框圖如圖2所示。

圖2 溫度自動控制的PLC程序流程框圖

(2) 超聲波加濕器?？紤]到加濕的工藝性和節(jié)能效果，該系統(tǒng)采用超聲波加濕器。具體的工作原理為：通過超聲波的高頻震蕩，在換能片作用下，將水霧化為1～5 μm的水霧粒子，與流動的空氣進(jìn)行熱濕交換，達(dá)到加濕的目的[8]。

(3) 轉(zhuǎn)輪除濕器。轉(zhuǎn)輪除濕器的除濕原理為：由轉(zhuǎn)軸帶動的吸附轉(zhuǎn)盤低速轉(zhuǎn)動，一半在處理區(qū)吸收空氣中的水分子，另一半則在再生區(qū)對吸收的水分子進(jìn)行高溫處理，這一過程周而復(fù)始，其優(yōu)點(diǎn)是效率高，除濕量大。

5 可行性分析

5.1 結(jié)構(gòu)可行性分析

目前，國內(nèi)還沒有專家學(xué)者研究油船機(jī)艙內(nèi)多參數(shù)的自動控制。所以，該系統(tǒng)具有很大的優(yōu)越性，在結(jié)構(gòu)方面有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1) 與現(xiàn)有油船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)只增設(shè)了傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、PLC、D/A轉(zhuǎn)換器、報警器幾個主要器件，結(jié)構(gòu)簡單。

(2) 為提高傳感器所測參數(shù)的準(zhǔn)確性，將傳感器安裝在通風(fēng)支管的風(fēng)門正后方?？稍谛略煊痛习惭b，也可以安裝在現(xiàn)有油船機(jī)艙通風(fēng)管系上。

(3) 考慮到傳感器損壞、誤測等情況的發(fā)生，該系統(tǒng)設(shè)有報警器，可以滿足油船機(jī)艙自動化的設(shè)計要求。

5.2 技術(shù)可行性分析

PLC技術(shù)已經(jīng)成為了油船應(yīng)用最成熟的自動化技術(shù)。為實現(xiàn)油船機(jī)艙多參數(shù)的自動控制，采用的技術(shù)方案為：將傳感器所測參數(shù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)PLC運(yùn)算后輸出執(zhí)行指令，就能達(dá)到自動控制多參數(shù)的目的。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，提高了油船機(jī)艙的自動化程度，減少了輪機(jī)人員的工作量。

5.3 經(jīng)濟(jì)可行性分析

油船機(jī)艙自動化通風(fēng)系統(tǒng)在設(shè)計上雖然所用傳感器及報警器較多，但整體價格低廉，與原有油船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的造價相比，差價不大。但其與PLC結(jié)合使用后，能在降低能源消耗和輪機(jī)人員勞動強(qiáng)度的同時，提高油船機(jī)艙的自動化程度與通風(fēng)效率，初期投資小，符合經(jīng)濟(jì)性要求。

6 結(jié)語

該系統(tǒng)的研究設(shè)計符合油船機(jī)艙系統(tǒng)的設(shè)計要求，能有效地降低輪機(jī)人員的工作量，提高油船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的效率，為進(jìn)一步實現(xiàn)無人化機(jī)艙提供了一些參考。

本文的油船機(jī)艙多參數(shù)自動控制系統(tǒng)設(shè)計屬于前期研究，未能在專業(yè)模擬軟件上進(jìn)行模擬仿真或在實船環(huán)境下檢測其運(yùn)行的可靠性，也未考慮機(jī)艙內(nèi)幾種參數(shù)相互影響的情況，因此后期的研究可以對本文的設(shè)計進(jìn)行軟件模擬仿真、對機(jī)艙內(nèi)幾種參數(shù)相互影響的具體過程進(jìn)行分析等方面做進(jìn)一步的研究。

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Design of Multi-parameters Automatic Control System in Engine Room in Oil Tanker Based on PLC Technology

ZOU Yong-dong, ZHU Fa xin, WU Hou-yi, SUN Qiang, LIU Xiao

(Shipping and Ports Architecture Engineering School of Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316022, China)

For the shortcomings and deficiencies exists in engine room in oil tanker, such as high temperature, high oil gas concentration and nonautomatic controlled humidity, this article considers from the necessity of multi-parameter control and requirement of automatic design in tanker cabin. Based on the existing ventilation system and PLC technology, the multi-parameters automatic control system in tanker is designed, the composition of the system and automatic control principle of parameters of temperature, humidity and oil gas concentration are introduced. Finally, the feasibility of the system is analyzed from the aspects of structure, technology and economic.

PLC technology Multi-parameter Automatic control Ventilation system Oil tanker Engine room

2014年浙江省自然科學(xué)基金青年基金項目，編號LQ14E090001；2013年浙江省重大科技專項，編號2013C03033。

鄒永冬(1992-)，男，本科。

U662

A