賈智琪 楊凱悅 王文標(biāo)

（1.海軍駐大連四二六廠軍事代表室，遼寧 大連116001；2.大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連116026）

0 引言

化石燃料油是船舶必需的動力燃料，具有含瀝青質(zhì)和膠質(zhì)較多、黏度較大等特性，且在常溫下易于凝固，不利于在運輸過程中存儲。因此提供燃油供應(yīng)的貨船需要對其存儲的貨油進(jìn)行加熱，而貨油的溫度關(guān)系到供油船舶油品供應(yīng)的及時性，所以對船舶熱油系統(tǒng)的監(jiān)控引起了航運公司的重視。

本課題選用了亞控科技6.53版本組態(tài)王，其靈活多變的組態(tài)方式為系統(tǒng)提供了良好的人機界面，且支持微軟視窗操作系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)OPC通信兼容PLC實時數(shù)據(jù)采集以測遙控?，F(xiàn)場操作人員可以通過計算機界面對系統(tǒng)行全程監(jiān)控。

本文依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用組態(tài)王軟件設(shè)計了供油船舶熱油監(jiān)控系統(tǒng)，滿足了現(xiàn)代化造船技術(shù)的發(fā)展需要，降低了操作人員的作業(yè)強度，能夠為用戶提供快速構(gòu)建人機交互界面的功能，實現(xiàn)了供油船舶加溫?zé)嵊蛯崟r在線監(jiān)控，包括實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、歷史報表、歷史曲線以及統(tǒng)計分析等功能，能為企業(yè)提供信息化服務(wù)［1］，提高了供油船舶運輸過程中的經(jīng)濟性和安全性。

1 船舶熱油系統(tǒng)工藝流程

1.1 燃料油的特性及運輸條件

燃料油多用作船舶鍋爐及大部分生產(chǎn)現(xiàn)場的工業(yè)用鍋爐的燃料，它主要成分是石油經(jīng)過蒸餾直餾后的殘渣油，是原油精煉過程中的最后產(chǎn)品［2］。按照加工的不同工藝可將燃料油分為減壓重油、常壓重油和混合重油，按照用途可分為爐用燃料油和內(nèi)燃機燃料油，具有黏度大、含有較多非烴化合物和膠質(zhì)等特性。當(dāng)溫度低于45℃時燃料油物理特性會發(fā)生較大變化，逐漸變成黏稠狀，流動性變差，將影響供油船舶的卸貨作業(yè)，所以對凝點較高的燃料油在裝卸和運輸過程中需進(jìn)行充分的加熱保溫，保持貨油溫度高于50℃，使其保持良好的流動性。

船舶燃料油在遠(yuǎn)程運輸過程中由于其傾點和凝固點較高，容易造成管路堵塞，延誤航期，一般都需要通過對其加溫來減小黏度、降低輸送阻力，同時保證燃料油溫度高于凝固點，但也要控制加溫過程，不能使油溫過高而造成蒸發(fā)過多有害含硫氣體，降低油品質(zhì)量。

1.2 導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)工作原理

供油船導(dǎo)熱油鍋爐熱源來自燃油加熱或利用柴油機廢氣，鍋爐運行過程中利用導(dǎo)熱油代替水蒸氣作為中間傳熱介質(zhì)，從鍋爐爐膛或柴油機尾氣中吸收熱量、升高溫度，經(jīng)導(dǎo)熱油循環(huán)泵輸送到待加熱貨油處進(jìn)行換熱，實現(xiàn)對船用燃油的加熱和保溫［3］。如圖1所示，機艙內(nèi)設(shè)置了2臺導(dǎo)熱油鍋爐，當(dāng)燃料油保溫時啟用1臺鍋爐，升溫時2臺同時啟用。熱油鍋爐的負(fù)荷為1 000kW，設(shè)置燃料油加熱回路和機艙加熱回路，且設(shè)置旁通閥用于平衡回路中的熱量不均勻問題，進(jìn)出口熱油溫度為210℃和260℃，為增加傳熱面積加溫管呈蛇形排列，位于貨油艙底部。

圖1 熱油系統(tǒng)工藝流程圖

整個系統(tǒng)是一整套由導(dǎo)熱鍋爐、膨脹油柜、集油柜、熱油循環(huán)泵、油氣分離器、過濾器、用熱設(shè)備組合而成的封閉系統(tǒng)［3］，周而復(fù)始，實現(xiàn)熱量的連續(xù)傳遞，滿足設(shè)備的使用要求。導(dǎo)熱油系統(tǒng)相比蒸汽加熱具有工作壓力低、控制精確度高、設(shè)備維護(hù)簡單等優(yōu)點。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

熱油監(jiān)控系統(tǒng)本著“分布采集、集中管理、分類評價、指導(dǎo)改進(jìn)”的理念設(shè)計，采用三級架構(gòu)，包括船舶自動化系統(tǒng)級、過程管理級和直接測控級。通過B／S的體系設(shè)計結(jié)構(gòu)，上位機服務(wù)器與下位機的監(jiān)控計算機通信，監(jiān)控計算機作為PLC的操作層與PLC進(jìn)行有線通信和管理。通過以太網(wǎng)服務(wù)器與中轉(zhuǎn)站連接，將客戶機的變量采集存儲到應(yīng)用層服務(wù)器的SQL Server數(shù)據(jù)庫中。將設(shè)備的監(jiān)控數(shù)據(jù)匯集到中轉(zhuǎn)站，借助局域網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)上傳至實時監(jiān)測數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集。再通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)更新、歷史數(shù)據(jù)查詢以及對數(shù)據(jù)的整理、統(tǒng)計和分析。

監(jiān)控平臺采用微軟公司的.net集成開發(fā)環(huán)境，服務(wù)器由主機和SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫平臺組成，用于數(shù)據(jù)的存儲及統(tǒng)計，并采用面向?qū)ο蟮目梢暬幊碳夹g(shù)，平臺界面采用Java Script腳本語言及AJAX設(shè)計。整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，包括基礎(chǔ)服務(wù)平臺和各類應(yīng)用子模塊，并用Web發(fā)布水晶報表編輯器生成的報表。系統(tǒng)可根據(jù)不同角色權(quán)限實現(xiàn)多用戶切入和不同層面的人機交互。組態(tài)王通過OPC通信經(jīng)由PLC對油艙溫度、濕度信號進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)通過OPC服務(wù)器軟件轉(zhuǎn)換協(xié)議后傳給服務(wù)器［4］。

3 上位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

組態(tài)王是亞控科技開發(fā)的一款能夠?qū)崿F(xiàn)功能擴展并提供標(biāo)準(zhǔn)化接口的組態(tài)軟件開發(fā)平臺，本課題選用亞控科技組態(tài)王6.53版本，能夠集成多款PLC硬件驅(qū)動，多線程、多任務(wù)適應(yīng)Windows操作系統(tǒng)。由工程管理、畫面制作系統(tǒng)、報警和事件系統(tǒng)、報表系統(tǒng)以及OPC通信等組成，支持Windows標(biāo)準(zhǔn)的Active X控件，很大程度地方便了用戶調(diào)用已有控件實現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)。組態(tài)王6.53全面支持OPC標(biāo)準(zhǔn)，它本身也能作為OPC服務(wù)器向控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)［4］。支持遠(yuǎn)程撥號和使用DTU的GPRS設(shè)備通信，并增設(shè)分級分區(qū)雙重保護(hù)，以實現(xiàn)用戶組和安全區(qū)的管理，并記錄操作過程。

3.1 熱油系統(tǒng)運行流程

系統(tǒng)運行前首先將導(dǎo)熱油注入主循環(huán)回路，隨后啟動熱油系統(tǒng)內(nèi)的主循環(huán)泵，將熱油送入加熱爐內(nèi)加熱，加熱后的導(dǎo)熱油通過總管進(jìn)入燃料油加熱盤管以及船艙其余用熱單元進(jìn)行換熱，最終經(jīng)除氣柜過濾后返回到主循環(huán)泵，如圖2所示。需要注意的是，在給膨脹柜注油過程中需要給熱油受熱膨脹預(yù)留空間，且首次運行前需要對導(dǎo)熱油進(jìn)行預(yù)加熱，以除去殘留的水分。

圖2 系統(tǒng)運行監(jiān)控界面

依據(jù)船級社規(guī)范，系統(tǒng)主循環(huán)回路必須配備2臺循環(huán)泵，一用一備，以防止循環(huán)泵出現(xiàn)故障時導(dǎo)熱油溫度迅速上升而變質(zhì)結(jié)焦，給系統(tǒng)帶來安全隱患。系統(tǒng)上電后首先檢查聯(lián)鎖停爐按鈕是否處于關(guān)閉狀態(tài)，按下啟動按鈕啟動循環(huán)泵，監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)對應(yīng)指示燈亮，調(diào)節(jié)系統(tǒng)主循環(huán)泵管路閥門，使得導(dǎo)熱油流量大于200L／h，若出口處熱油流量低于該值系統(tǒng)啟動報警；熱油循環(huán)泵出口壓力不能低于0.5MPa，否則系統(tǒng)報警并啟動備用循環(huán)泵；膨脹槽液位也不能低于規(guī)定值。檢查系統(tǒng)熱油鍋爐附屬設(shè)備情況：燃燒機鉸鏈?zhǔn)欠裉幱诤蠣顟B(tài)、燃燒機馬達(dá)未過載、排煙溫度不得高于450℃、熱油鍋爐出口溫度不得高于200℃［5］。系統(tǒng)采用濕度傳感器來監(jiān)測導(dǎo)熱油泄漏，啟動前需對鍋爐進(jìn)行掃風(fēng)，在啟動鍋爐風(fēng)機時為保護(hù)電機低速運轉(zhuǎn)允許短暫的低壓報警。以上是系統(tǒng)啟動聯(lián)鎖的必要條件，在運行過程中出現(xiàn)故障，系統(tǒng)自動停爐并發(fā)出報警。在貨油艙內(nèi)溫度滿足卸油溫度時，系統(tǒng)啟動停止加溫程序和燃燒器運行，此時需維持風(fēng)機延時運轉(zhuǎn)一段時間以完成掃風(fēng)工作；管道內(nèi)導(dǎo)熱油溫度此時仍很高，循環(huán)泵需要延遲運行一段時間，直到出口油溫低于80℃再停運。

當(dāng)發(fā)生停電事故或雙循環(huán)泵故障時，即使手動關(guān)閉燃燒器導(dǎo)熱油也會因余熱繼續(xù)升溫，嚴(yán)重時會導(dǎo)致熱油結(jié)焦而管道爆裂，因此系統(tǒng)需配置冷油置換管路，膨脹柜中的冷油依靠靜壓進(jìn)入油氣分離器和主循環(huán)泵中，實現(xiàn)熱油安全排入主儲油罐。

3.2 熱油系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

為了實時監(jiān)測貨油艙溫度，在每個貨油艙加裝溫度傳感器，通過PLC采集溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)由OPC通信到組態(tài)王平臺，定義采集數(shù)據(jù)的變量，包括膨脹柜液位、導(dǎo)熱油流量、出口溫度、出口壓力以及排煙溫度，利用組態(tài)王自帶工具箱和圖庫模擬該供油船舶貨油艙。該公司供油船設(shè)有5個貨油艙，每個貨油艙分左右2個艙室，經(jīng)PLC采集溫度傳感器中模擬量，將艙內(nèi)溫度傳至組態(tài)王平臺。在氣溫較低的冬季進(jìn)行運輸作業(yè)時，需掌握加溫時間，可根據(jù)導(dǎo)熱油溫度監(jiān)測的數(shù)據(jù)選擇油溫較高、靠中間艙室優(yōu)先加熱，因為其受外界因素影響小，能夠很快加熱到卸油溫度，再通過散熱作用對周圍艙室進(jìn)行輻射。

系統(tǒng)流程監(jiān)控只能定性對各設(shè)備的運行狀況進(jìn)行監(jiān)測，需要輔以實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線，以便提早發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行過程中的異?，F(xiàn)象。組態(tài)王6.53提供內(nèi)嵌式報表系統(tǒng)，如圖3所示，并可實現(xiàn)日報表、月報表、實時報表的組態(tài)。操作人員可以通過監(jiān)控界面中設(shè)備當(dāng)前運行數(shù)據(jù)與前一時刻數(shù)據(jù)作對比，并參考設(shè)備手冊，判斷工況是否正常。數(shù)據(jù)曲線能夠直觀表現(xiàn)一段時間內(nèi)所監(jiān)測數(shù)據(jù)的走勢，并可調(diào)節(jié)時間范圍和數(shù)據(jù)類別。

4 結(jié)語

供油船舶熱油監(jiān)控系統(tǒng)是船舶自動化系統(tǒng)的重要組成部分，然而國內(nèi)很多大型供油船舶大都停留在以繼電器為主的手動控制階段，由于手動操作不便，熱油溫度過高而導(dǎo)致的惡性事故頻頻發(fā)生，給供油船舶的運輸安全帶來了嚴(yán)重隱患。本文以某公司新建供油船燃料油加熱系統(tǒng)為背景，采用導(dǎo)熱油鍋爐加熱保溫燃料油，通過組態(tài)王組態(tài)軟件的OPC接口與PLC采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信，建立了一整套有效的供油船舶熱油監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的動畫監(jiān)控、故障報警、數(shù)據(jù)分析等功能，并用組態(tài)王提供的報表功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分時分段統(tǒng)計分析，降低了操作人員作業(yè)強度，減少了系統(tǒng)運行的安全隱患，提高了供油船的裝卸效率，在船舶的日常管理、設(shè)備維護(hù)等方面發(fā)揮了巨大作用，加大了該船舶公司的市場優(yōu)勢。

圖3 實時數(shù)據(jù)監(jiān)測報表

本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于組態(tài)軟件的供油船舶熱油監(jiān)控系統(tǒng)，并很好地運用于實際船舶中。下一步研究的重點是系統(tǒng)的故障自診斷以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的系統(tǒng)自適應(yīng)控制，對熱油加熱過程進(jìn)行迭代優(yōu)化，并可結(jié)合實時數(shù)據(jù)建立實時績效考評體系，反映系統(tǒng)當(dāng)前運行狀況，從而進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的安全可靠性。本系統(tǒng)也可廣泛應(yīng)用于供熱、電力、石油等其他行業(yè)。

［1］鄭偉勇，李艷瑋.節(jié)能型溫室大棚群集中供熱智能監(jiān)控管理系統(tǒng)［J］.計算機測量與控制，2015，23（7）：2371－2373.

［2］韓超.論我國當(dāng)前進(jìn)口石油的運輸能力［J］.價值工程，2011（18）：21.

［3］陳瑾，袁進(jìn).有機載熱體（導(dǎo)熱油）鍋爐房設(shè)計簡介［J］.能源研究與利用，1999（5）：6－8.

［4］蔡翔云，鄭小虎，姜麟，等.OPC規(guī)范及開發(fā)應(yīng)用［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報：理工版，2002，27（3）：1－7.

［5］祁國常，羅貴送.液態(tài)硫磺運輸船硫磺罐導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)的研究［J］.中國水運，2010（6）：44－45.