船舶滑油溫度控制系統(tǒng)的設計與研究

于海洋 張佰順

（中國人民解放軍海軍潛艇學院 山東省青島市 266199）

船舶潤滑系統(tǒng)具有機械傳動部件的潤滑、冷卻、減振降噪等功能，在延長機械設備使用壽命，保障船舶安全航行方面發(fā)揮著重要作用，而潤滑劑溫度的高低往往決定著潤滑效果的好壞。目前，大部分船舶依舊采用傳統(tǒng)的固定流量的冷卻方式，這無法滿足船舶全球航行時對潤滑劑溫度的調節(jié)需求，嚴重影響機械設備的使用壽命和航行安全。

如圖1 傳統(tǒng)船舶滑油冷卻系統(tǒng)所示，目前船舶滑油冷卻的主流方法是通過淡水冷卻器由海水對淡水冷卻，而后由淡水對高溫滑油進行冷卻，最終實現海水對滑油的間接冷卻。該過程中滑油、淡水、海水的流量都是人為設定和控制，尚未形成滑油溫度自動控制體系，人為因素影響明顯。此外，目前尚不存在特殊工況下對滑油加熱控制的裝置，無法滿足船舶緊急出港時所需的滑油溫度加熱調節(jié)。

圖1： 傳統(tǒng)船舶滑油冷卻系統(tǒng)

隨著自動控制技術的快速發(fā)展，PLC 控制成為解決該問題的有效方法。本文所設計的船舶滑油溫度控制系統(tǒng)能有效實現對不同環(huán)境溫度、工況條件下滑油溫度的穩(wěn)定控制，保證船舶機械設備在最適滑油溫度下工作，延長其使用壽命。

1 系統(tǒng)功能過程

潤滑劑被稱為現代工業(yè)的血液。在船舶機械中，主推軸承、柴油機、發(fā)電機等設備的有效工作都依賴于性能優(yōu)良的潤滑劑。為保障潤滑效果，本文針對影響滑油性能的主要因素——溫度，研究并設計了船舶滑油溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的作用是，綜合考慮船舶工況條件、水域環(huán)境等因素，實時調節(jié)加熱功率和冷卻水流量，將滑油溫度維持在最適工作區(qū)間。

如圖2 船舶滑油溫度控制系統(tǒng)所示，本系統(tǒng)在現有滑油冷卻系統(tǒng)的基礎上，在滑油油箱中增加了滑油加熱器，以實現對滑油的加熱功能。同時，在滑油、淡水、海水三條管路上設置了溫度及流量傳感器以實時獲取管路中的溫度、流量數據。在該數據支撐下，結合傳熱學理論，系統(tǒng)以PLC 控制器為中心可計算出為保證滑油溫度所需的加熱功率或三條管路上的流量數據。進而，向執(zhí)行器發(fā)出相應的控制指令，實現加熱功率及管路流量調節(jié)，達到滑油溫度精確控制的目的。

圖2： 船舶滑油溫度控制系統(tǒng)

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由三部分組成：

（1）用以獲取管路流量和溫度的傳感器，主要包括Pt100 傳感器、LUGB 渦街流量傳感器以及模擬量輸入輸出模塊等。

（2）處理信號和發(fā)出指令的PLC 綜合控制單元，本文選用西門子S7-1200 1215C 型PLC。

（3）執(zhí)行溫度調節(jié)指令的執(zhí)行器，主要包括SINAMICS V90PN 伺服驅動器、伺服電機、滑油加熱器以及功率放大器等。此外，還包括KTP700 Basic PN 觸摸屏等輔助組件。本系統(tǒng)的結構組成框圖如圖3 所示。

圖3： 基于PLC 的船舶滑油溫度控制系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 PLC硬件組態(tài)

根據對滑油溫度控制系統(tǒng)PLC 功能分析，PLC 控制單元、傳感器輸入單元、伺服執(zhí)行機構和人機界面觸摸屏等組成了控制系統(tǒng)；PLC 控制流程如圖4 所示。在本系統(tǒng)控制單元中CPU 選用的是西門子S7-1200 1215C，電源模塊是PM1207；2 個數字量輸入模塊SM1221 DI16，2 個數字量輸出模塊SM1222 DQ16，模擬量輸入輸出模塊各一個，同時還有一個RS485/422 通訊模塊CM 1241 (RS422/485)；PLC控制單元硬件組態(tài)完成后，結合該系統(tǒng)傳感器輸入單元中的溫度傳感器及流量傳感器等以及伺服驅動器、功率放大器的控制信號等數字量輸出信號的數量，系統(tǒng)數字輸入輸出點進行配置。

圖4： PLC 控制流程

在船舶滑油溫度智能控制系統(tǒng)中，HMI 人機界面選用的是西門子觸摸屏KTP700，與S7-1200PLC 通過Profinet 總線實現通信，同時控制系統(tǒng)還配備起動、停止、緊急停止按鈕以及報警三色燈；觸摸屏作為人機交互的窗口實現對系統(tǒng)的控制和監(jiān)控功能，PLC 與觸摸屏硬件組態(tài)界面如圖5 所示。

圖5： PLC 與觸摸屏硬件組態(tài)

3.2 系統(tǒng)組件選型

3.2.1 溫度傳感器

根據實際設計要求，選擇溫度變送器型號為EL2271 系列，如圖6 實驗室滑油溫度控制系統(tǒng)模擬裝置所示。感應探測頭采用Pt100 傳感器，具備高穩(wěn)定性、耐磨損和高溫潮濕的優(yōu)點，滿足系統(tǒng)測試流體溫度檢測要求。Pt100 溫度傳感器是一款重工況溫度傳感器，多用于測量海上應用得柴油發(fā)動機、渦輪以及壓縮機排出的尾氣、船舶滑油、燃油、冷卻水等的溫度信號。其量程為-25～85℃，響應時間小于10s。

圖6： 實驗室滑油溫度控制系統(tǒng)模擬裝置

3.2.2 流量傳感器

管路流量檢測選用LUGB 渦街流量傳感器，如圖6 實驗室滑油溫度控制系統(tǒng)模擬裝置所示。該流量傳感器是根據卡門渦街原理生產制造而成，主要用于測量流體的體積流量，其主要應用于工業(yè)管道介質流體的流量測量。其主要優(yōu)點為精度高、可靠性高、壓力損失小、維護量小，同時還具有測量范圍廣的特點，幾乎不受流體溫度、密度、粘度、壓力等參數的影響。渦街流量計采用壓電應力式傳感器，可靠性高，可在-20℃～350℃的工作溫度范圍內工作。有模擬標準4-20MA 信號，也有數字脈沖信號輸出，容易與計算機等數字系統(tǒng)配套使用，適用于本系統(tǒng)中滑油、海水及淡水管路流量的測量。

3.2.3 V90 伺服系統(tǒng)

SINAMICS V90PN 伺服驅動通過Profinet 電纜可與PLC的RJ45 接口相連接，電機側的電源動力線和編碼器電纜與驅動器側的對應接口連接；SINAMICS V90 是一款小型、高效便捷的伺服系統(tǒng)。SINAMICS V90 驅動器與SIMOTICS S-1FL6 電機組成的伺服系統(tǒng)覆蓋0.05kW～7kW 功率范圍，SINAMICS V90 PN 支持SIMATIC PLC 的工藝對象(TO)，可通過TO 實現位置及速度的控制。在本系統(tǒng)中V90 伺服電機帶動流量泵通過速度調節(jié)對滑油、海水和淡水管路流量進行控制。

4 系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)分為上位機和下位機，下位機主要由PLC程序、流量數據采集、溫度數據采集等程序組成，上位機主要由控制柜觸摸屏組成，觸摸屏軟件是基于西門子博圖組態(tài)軟件開發(fā)的可視化操作界面，其可實現近遠程的健康和數據管理。選擇通過先組態(tài)，再生成程序的方法進行控制。此部分主要介紹溫度控制算法和PLC 程序設計流程。

4.1 溫度控制算法

4.1.1 加熱控制算法

為滿足特殊工況下艦船緊急出港時滑油加熱的需求,本系統(tǒng)設計了相應的滑油加熱控制模塊?；偷目焖偌訜嶂饕揽炕图訜崞鞯母吖β十a熱。因此，根據滑油實時溫度和目標溫度差可確定熱交換量為：

式中，c表示滑油的比熱容，m 為滑油總質量，T 和T分別表示目標滑油溫度和實時滑油溫度。進而，可確定滑油加熱器的加熱功率為：

式中，β 表示過量系數，通常取值為1.2；T為實時滑油溫度，通過其管路上的溫度變送器實時獲得；t為船舶離港時間，其值可在PLC 編程過程中根據實際情況需求人為設定；對于某型船用滑油，其比熱容c、最適溫度T 以及所用滑油質量m 為固定值。因此，PLC 控制中心可通過式（2）依據實時滑油溫度和流量確定滑油加熱器為滿足出港時間需求所需加熱功率，并發(fā)出相應指令實現對船舶滑油的加熱控制。

4.1.2 冷卻控制算法

對機械設備的冷卻是滑油系統(tǒng)的基本功能之一。當船舶動力突增或大水域范圍航行時，熱負荷急劇變化，而冷卻系統(tǒng)未及時的隨之調整，將導致滑油溫度過高，影響機械設備使用壽命和航行安全。因此，維持滑油溫度的關鍵在于及時調整海、淡水流量，保證對滑油的冷卻效率。根據滑油實時溫度和目標溫度差可確定滑油所需熱交換量為：

式中，q 表示滑油管路實時流量，q和q分別表示淡水管路和海水管路所需要設定的流量；T和T分別表示淡水管路中的實時高、低溫水溫，T和T分別表示海水管路中的實時高、低溫水溫；c和c分別表示淡水和海水的比熱容，通常情況下其值為定值。因此，PLC 控制中心可通過式（6）依據實時滑油溫度和流量確定三臺泵機滿足滑油冷卻需求所需轉速，并發(fā)出相應指令實現對船舶滑油的冷卻控制。

4.2 PLC程序設計

船舶滑油溫度智能控制系統(tǒng)的工作原理為：首先使能系統(tǒng)開始信號，調用系統(tǒng)初始化程序，進行船舶滑油、淡水及海水管路溫度、流量檢測，若檢測到潤滑溫度小于最適工作溫度，則調節(jié)功率放大器控制滑油加熱頻率。若檢測到潤滑溫度大于最適工作溫度，則調節(jié)伺服電機控制淡水及海水管路流量，進而控制滑油冷卻效果。系統(tǒng)整體流程見圖7。

圖7： 船舶滑油溫度智能控制系統(tǒng)軟件流程

5 結語

本文介紹了船舶主機滑油溫度控制系統(tǒng)的工作原理及滑油溫度控制系統(tǒng)的設計方案。從硬件層面主要介紹了滑油溫度控制系統(tǒng)的硬件組成，西門子S7-1200 1215C 控制器與溫度傳感器EL2271、LUGB 渦街流量計進行通信獲取滑油、淡水及海水的實時溫度數據信息，并計算獲得滿足滑油溫度控制的輸出條件，最終由PLC 控制滑油加熱器、滑油管路泵機等執(zhí)行機構完成對船舶滑油溫度的控制；從軟件層面介紹了滑油溫度控制系統(tǒng)的PLC程序流程以及溫度控制算法。船舶滑油溫度控制系統(tǒng)能有效實現對不同環(huán)境溫度、工況條件下滑油溫度的穩(wěn)定控制，對于延長機械設備使用壽命，保障船舶安全航行方面具有一定意義和參考價值。