張國(guó)慶，董國(guó)保，劉吉軍

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島 266042）

0 引言

船用電動(dòng)空氣壓縮機(jī)帶有四級(jí)空氣冷卻器，在各空氣冷卻器后，均連接有一個(gè)油水分離器，該油水分離器可將高壓空氣中混雜的蒸氣冷凝水及滑油與潔凈干燥的高壓氣體進(jìn)行物理分離。分離后的蒸汽冷凝水與滑油混合形成的乳液狀油水混合物不斷積聚在油水分離器中，且積聚數(shù)量隨著系統(tǒng)工作時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速增多。為了能將油水分離器中產(chǎn)生的油水混合物廢料及時(shí)清除，必須為該油水分離器配置專用的自動(dòng)化清除控制系統(tǒng)。本文選用新一代APAX系列可編程自動(dòng)化控制器中的一種緊湊型工控產(chǎn)品——APAX5520CE為核心控制部件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種船用油水分離器自動(dòng)吹除控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱為自動(dòng)吹除系統(tǒng)）。

1 自動(dòng)吹除系統(tǒng)控制功能與流程設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)吹除系統(tǒng)控制功能設(shè)計(jì)

自動(dòng)吹除系統(tǒng)為可長(zhǎng)時(shí)連續(xù)工作的機(jī)電一體化控制系統(tǒng)，用于對(duì)空壓機(jī)的四級(jí)油水分離器進(jìn)行周期性自動(dòng)循環(huán)吹除。系統(tǒng)自動(dòng)吹除循環(huán)周期的設(shè)定要依據(jù)系統(tǒng)油水混合物廢料析出速率、系統(tǒng)運(yùn)行消耗、壽命等多個(gè)指標(biāo)因素綜合考慮，不宜過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)。同時(shí)，由于各級(jí)油水分離器的油水混合物廢料析出速率差異明顯，因此各級(jí)油水分離器吹除時(shí)間也應(yīng)相應(yīng)有所區(qū)別。如第一、二級(jí)油水分離器由于油水混合物析出速率較快，吹除時(shí)間應(yīng)不低于15 s/循環(huán)周期，而第三、四級(jí)油水分離器由于油水混合物析出速率較慢，吹除時(shí)間可適當(dāng)減小，但仍不得低于5 s/循環(huán)周期?；谏鲜龇治?，自動(dòng)吹除系統(tǒng)應(yīng)對(duì)各級(jí)油水分離器的吹除時(shí)間實(shí)施差異控制，即第一~第四級(jí)油水分離器吹除時(shí)間可依次設(shè)定為20 s/循環(huán)周期、15 s/循環(huán)周期、10 s/循環(huán)周期、5 s/循環(huán)周期，系統(tǒng)吹除循環(huán)周期可設(shè)定為30 min。

1.2 自動(dòng)吹除系統(tǒng)控制流程設(shè)計(jì)

自動(dòng)吹除系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先對(duì)系統(tǒng)控制、I/O、通信等工控模塊的狀態(tài)進(jìn)行自檢，自檢通過(guò)后自動(dòng)轉(zhuǎn)入循環(huán)吹除工況。系統(tǒng)在APAX5520CE控制模塊的控制下，按照設(shè)定的時(shí)序、間隔和周期依次自動(dòng)驅(qū)動(dòng)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行吹除作業(yè)。具體控制流程可概括為：某吹除點(diǎn)的執(zhí)行閥組（由電磁閥和氣動(dòng)閥構(gòu)成）打開(kāi)，積聚在油水分離器內(nèi)的油水混合物通過(guò)管路排出。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定，對(duì)該吹除點(diǎn)持續(xù)吹除一定時(shí)間后，在APAX5520CE控制模塊控制下關(guān)閉該吹除點(diǎn)的執(zhí)行閥組，排出管路截止，停止該點(diǎn)的吹除。經(jīng)過(guò)一定的間隔時(shí)間后，系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)下一吹除點(diǎn)的執(zhí)行閥組，執(zhí)行下一吹除點(diǎn)的吹除作業(yè)。當(dāng)所有吹除點(diǎn)依次完成吹除過(guò)程后，系統(tǒng)將在30 min后再次啟動(dòng)，對(duì)各吹除點(diǎn)重新進(jìn)行新一輪的吹除。當(dāng)參數(shù)超限或執(zhí)行閥組動(dòng)作失靈時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)終止循環(huán)吹除過(guò)程，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)和向船舶機(jī)艙自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

2 自動(dòng)吹除系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)[1]

自動(dòng)吹除系統(tǒng)采用的APAX5520CE控制模塊是新一代APAX系列可編程自動(dòng)化控制器中一種緊湊型工控產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有體積小、可靠性高、維護(hù)方面等特點(diǎn)。

圖1所示是系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中的核心控制模塊為APAX5520CE，該模塊主要由主頻為520 MHz的XScale PXA270 CPU、32M Flash ROM、64M SDRAM和1個(gè)RS-485串行通信端口、1個(gè)USB端口、2個(gè)10/100M以太網(wǎng)端口以及1個(gè)外置CompactFlash插槽組成。其主頻是ADAM系列PAC產(chǎn)品ADAM5510控制模塊的10倍。APAX5520CE最多可擴(kuò)展32個(gè)I/O槽，以便安裝不同類型的I/O模塊，其內(nèi)置運(yùn)行的WinCE操作系統(tǒng)，為使用C/C++等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)提供了條件。與ADAM5510或PLC類控制器相比，APAX5520CE運(yùn)算及遠(yuǎn)程通信能力更強(qiáng)，模擬量點(diǎn)價(jià)位低，經(jīng)濟(jì)性好。與工控機(jī)類似，APAX5520CE也可以連接顯示設(shè)備，具有便捷的人機(jī)交互條件，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、在線檢測(cè)調(diào)試及人工干預(yù)等功能。該模塊結(jié)構(gòu)更加緊湊，操作系統(tǒng)為準(zhǔn)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，軟硬件抗干擾能力更強(qiáng)，適于機(jī)艙環(huán)境下運(yùn)行，可靠性高。

圖1 自動(dòng)吹除控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)中共選用了4種型號(hào)的I/O模塊和1種通信適配器模塊，分別為：

1）24通道隔離數(shù)字量輸入模塊APAX5040，主要用于控制臺(tái)各開(kāi)關(guān)、按鈕等控制元件和系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)行程限位開(kāi)關(guān)、聯(lián)鎖觸點(diǎn)等的狀態(tài)信號(hào)采集與傳輸。

2）24通道隔離數(shù)字量輸出模塊APAX5046，主要用于驅(qū)動(dòng)控制臺(tái)各信號(hào)燈、報(bào)警器工作，同時(shí)也用于向系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電磁閥）驅(qū)動(dòng)電路以及系統(tǒng)保護(hù)電器等發(fā)送控制指令信號(hào)。

3）12通道隔離模擬量輸入模塊APAX5017，主要用于控制臺(tái)旋鈕、系統(tǒng)中各溫度、壓力、壓差、流量的物理參數(shù)的模擬信號(hào)采集與傳輸。

4）8通道隔離模擬量輸出模塊APAX5028，主要用于驅(qū)動(dòng)控制臺(tái)上的各類儀表。

5）Modbus/TCP通信適配器APAX5070，主要用于通過(guò)Modbus/TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制器與機(jī)艙自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信。

此外，為實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、參數(shù)修改及調(diào)試、數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)的功能，系統(tǒng)還配置有結(jié)構(gòu)緊湊的顯示設(shè)備、調(diào)試設(shè)備以及CF存儲(chǔ)卡等外圍設(shè)備。

3 自動(dòng)吹除系統(tǒng)控制軟件

3.1 軟件開(kāi)發(fā)方法

首先，為便于程序開(kāi)發(fā)與調(diào)試，通常采用PC機(jī)在eVC集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下編寫(xiě)、調(diào)試控制應(yīng)用程序，eVC集成開(kāi)發(fā)環(huán)境及源程序的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程與采用VC++類似，在此不再贅述。

其次，利用與APAX5520CE工控模塊配套的軟件開(kāi)發(fā)包，在eVC集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行編譯連接，生成該模塊內(nèi)置操作系統(tǒng)可支持的可執(zhí)行程序。最后，使用專用下載工具將編譯通過(guò)的可執(zhí)行程序下載到APAX5520CE內(nèi)，啟動(dòng)該模塊后即可在內(nèi)置WinCE操作系統(tǒng)下直接運(yùn)行。

3.2 控制程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[2]

控制程序主要由系統(tǒng)自檢、初始化、人工干預(yù)、吹除流程控制、故障停機(jī)控制、報(bào)警與信息存儲(chǔ)等功能單元構(gòu)成，程序流程框圖如圖2所示。

圖2 自動(dòng)吹除控制系統(tǒng)控制程序流程圖

1）系統(tǒng)自檢

程序運(yùn)行后，首先完成系統(tǒng)控制、I/O、通信等工控模塊的狀態(tài)自檢，確保系統(tǒng)本身工作正常。

2）初始化

程序首先啟動(dòng)看門(mén)狗，確保當(dāng)由于某種異常原因?qū)е孪到y(tǒng)陷入死循環(huán)后能自動(dòng)退出，使系統(tǒng)盡快恢復(fù)正常，避免系統(tǒng)陷入癱瘓。而后，程序?qū)ν瓿葾PAX5028等模擬量工控模塊的初始化設(shè)置。

3）人工干預(yù)

在必要的情況下，管理人員可在系統(tǒng)不停機(jī)的情況下在線介入，對(duì)吹除點(diǎn)、吹除時(shí)間、參數(shù)報(bào)警閾值等可調(diào)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，以便對(duì)系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行人工干預(yù)及適應(yīng)性調(diào)整。

4）吹除流程控制

吹除流程控制是整個(gè)控制程序的核心部分，主要用于空壓機(jī)四級(jí)油水分離器內(nèi)油水混合物的定時(shí)、定點(diǎn)吹除。各級(jí)油水分離器的吹除控制時(shí)序、時(shí)間等如前文所述，具體吹除流程參見(jiàn)圖2。

5）故障停機(jī)控制

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)傳感器采集到的溫度、壓力等參數(shù)值超出設(shè)定的閾值范圍、接收到關(guān)聯(lián)設(shè)備發(fā)送的聯(lián)鎖信號(hào)以及系統(tǒng)執(zhí)行閥組故障等情況時(shí)，控制模塊立即發(fā)出停機(jī)指令，停止系統(tǒng)工作，防止因系統(tǒng)“帶病運(yùn)行”導(dǎo)致出現(xiàn)更大的異常甚至造成重大事故。

6）報(bào)警和信息存儲(chǔ)

在系統(tǒng)正常停機(jī)情況下，程序?qū)㈤_(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間、吹除周期、溫度、壓力、流量等重要數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到CF卡內(nèi)，自動(dòng)記入系統(tǒng)工作日志。在系統(tǒng)故障應(yīng)急停機(jī)的情況下，不僅對(duì)上述信息進(jìn)行全面準(zhǔn)確記錄，而且能在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)向全船機(jī)艙自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送“自動(dòng)吹除系統(tǒng)故障停機(jī)”的報(bào)警信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

使用PAC控制技術(shù)不僅可以大大提高油水分離器自動(dòng)吹除控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，降低船員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高油水分離器運(yùn)行安全性，還可以針對(duì)控制模塊、傳感器系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障以及關(guān)聯(lián)設(shè)備（系統(tǒng)）的聯(lián)鎖信號(hào)等實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)與診斷、智能化自動(dòng)應(yīng)急處置等功能。同時(shí)，PAC控制技術(shù)的應(yīng)用，為系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)與運(yùn)行參數(shù)整定提供了有效手段，使得系統(tǒng)的使用和維護(hù)更加簡(jiǎn)便，實(shí)現(xiàn)了安全可靠、節(jié)能高效的設(shè)計(jì)目標(biāo)，更好地適應(yīng)了船舶自動(dòng)化的發(fā)展要求。

[1] 黃麟, 林葉春, 李大亮. 計(jì)算機(jī)控制故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在船舶柴油機(jī)中的應(yīng)用[J]. 船電技術(shù), 2012, （6）.

[2] 高鑫, 陸振軍. 基于PLC的船舶伙食冷庫(kù)制冷控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)修船, 2013, （1）.