林文城

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學院，福建廈門　361012)

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船用壓力水柜控制系統(tǒng)的設(shè)計

林文城

(廈門海洋職業(yè)技術(shù)學院，福建廈門361012)

摘要針對傳統(tǒng)船舶壓力水柜控制系統(tǒng)存在的問題，以某貨輪淡水壓力水柜為例，開發(fā)出基于PLC變頻技術(shù)的自動控制系統(tǒng)，減輕輪機技術(shù)人員的勞動強度，同時提高了壓力水柜運行過程中的平穩(wěn)性以及節(jié)能減排和可靠性等方面的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞壓力水柜；PLC；變頻技術(shù)

某輪設(shè)置有3套壓力水柜系統(tǒng)，分別為船員和設(shè)備提供淡水、飲用水和海水。以淡水壓力水柜為例，安裝在泵和用戶之間的管路上，從空氣瓶中引入高壓空氣充注柜體上部空間，同時利用旋渦泵作為給水泵對柜體下部空間進行間斷供水，這樣，壓力水柜類似蓄能器，可以隨時向外提供高壓淡水。

1存在的問題

該輪淡水壓力水柜采用壓力繼電器來控制給水泵的運行,向外供應(yīng)淡水時，壓力水柜內(nèi)的水位將下降，壓力隨之降低，當壓力值下降到設(shè)定值的下限0.25MPa時，利用壓力繼電器啟動給水泵，向壓力水柜內(nèi)補水；而補水時水位上漲，水柜內(nèi)空氣被壓縮造成壓力的增加，當壓力升高至設(shè)定值的上限0.4MPa時，壓力繼電器將切斷給水泵電機的電源，補水結(jié)束。另一方面，在壓力水柜正常工作過程中，上部空間內(nèi)的空氣將不斷溶解在水里導(dǎo)致質(zhì)量的下降，失去緩存效果，這樣將造成水位過度升高且水壓波動劇烈，當向外供水后，水柜內(nèi)壓力迅速降低，導(dǎo)致給水泵頻繁啟動和停車，提供給用戶的水壓也達不到要求?？紤]到空氣量變化帶來的影響，值班輪機員要經(jīng)常檢查壓力水柜內(nèi)水位和空氣壓力，發(fā)現(xiàn)空氣量不足時，打開壓力水柜下部的泄放閥放掉柜內(nèi)多余的水，水位也達到設(shè)計數(shù)值時關(guān)閉泄放閥，開啟充氣閥進行補氣，當水柜壓力達到上限值時關(guān)閉充氣閥，避免補氣量過多導(dǎo)致安全閥開啟和給水泵背壓過大耗能。所以傳統(tǒng)壓力水柜運行控制模式，不但增加值班輪機員的勞動強度和心理負擔，而且無法保證該系統(tǒng)長期穩(wěn)定的工作。

2水位控制系統(tǒng)控制原理

基于以上分析，對壓力水柜水位控制可以考慮用變頻技術(shù)的連續(xù)控制代替現(xiàn)有的雙位控制。利用PLC技術(shù)，根據(jù)水位傳感器檢測壓力水柜中的水位，只要水位偏離給定值，系統(tǒng)就會產(chǎn)生控制作用，自動調(diào)節(jié)給水泵的轉(zhuǎn)速，力圖消除偏差的存在，所以其能將水位穩(wěn)定在設(shè)定值上，同時也避免出現(xiàn)水泵給水量過多的問題，保持供水與用水之間的平衡。同時壓力水柜內(nèi)壓力采用雙位控制，因水位波動小，故用壓力繼電器控制充氣閥的通斷就可以實現(xiàn)水柜內(nèi)壓力的基本穩(wěn)定，因篇幅所限，本文就不多作闡述。

3壓力水柜控制系統(tǒng)的硬件組成

采用SIMATIC PLC s7—200作為壓力水柜控制系統(tǒng)的可編程控制器，實時的離散信號和模擬信號通過SIEMENS EM231模塊傳至CPU，系統(tǒng)將根據(jù)輸入的測量值、控制設(shè)定值及PID參數(shù)進行PID運算，運算得到數(shù)字信號經(jīng)過SIEMENS EM232模塊后控制MM440變頻器，從而實現(xiàn)給水泵電機的無級調(diào)速控制，保證壓力水柜中的水位基本維持在設(shè)定的數(shù)值上。此外，選擇TP-177A觸摸屏借助通信電纜與PLC互連，在人機界面上設(shè)定和顯示壓力水柜的水位和壓力等狀態(tài)參數(shù)數(shù)值，調(diào)整數(shù)據(jù)監(jiān)測間隔時間，并提供系統(tǒng)異常時的故障產(chǎn)生原因。

4水位控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

針對PLC控制內(nèi)容的設(shè)計情況，采用STEP7-Micro/WIN編程軟件進行程序的編輯、監(jiān)控和調(diào)試。針對船用壓力水柜系統(tǒng)的運行特點和技術(shù)要求，PLC控制系統(tǒng)由主控程序、信號采集、工藝流程和輸出控制等4個模塊組成，其中主控程序流程圖如圖1所示。

圖1　主控程序流程圖

4.1信號采集

輸入信號包含離散信號和模擬信號。當輸入端是離散信號時，輸入端的設(shè)備類型為限位開關(guān)、按鈕、壓力繼電器、繼電器觸點、選擇開關(guān)和光電開關(guān)等。當輸入為模擬量輸入時，輸入設(shè)備為壓力傳感器、水位傳感器、流量傳感器和電壓傳感器等。將PLC采集的信號數(shù)值依次放在狀態(tài)寄存器內(nèi)。

4.2控制系統(tǒng)的保護和報警

壓力水柜的報警和保護性停車主要表現(xiàn)在水位偏離設(shè)定值、氣壓偏離設(shè)定值、補氣壓力過低和給水泵排壓過高等方面。

4.3PID運算

如圖2所示，控制系統(tǒng)使用PLC s7—200對壓力水柜水位實現(xiàn)PID計算。在采集運行參數(shù)中，壓力水柜水位是閉環(huán)控制的最重要參數(shù)。利用浮球式液位變送器作為水位傳感器，依靠磁性浮球漂于液面之上并沿裝有測量元件的導(dǎo)管內(nèi)上下移動，可以在外磁作用下將被測液位信號轉(zhuǎn)換成正比于液位變化的電阻信號，并將電子單元轉(zhuǎn)換成0～5V電壓標準信號輸出，該電流信號經(jīng)過A/D模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。運用PID程序計算該反饋值Pv(t)與給定值Sp(t)兩者的偏差e(t)，根據(jù)運算的結(jié)果PLC輸出相應(yīng)數(shù)字信號。該數(shù)字信號數(shù)模轉(zhuǎn)換后，輸出0～5V電壓標準信號M(t)，控制變頻器從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和給水泵的流量，憑借對壓力水柜內(nèi)水位的連續(xù)控制來實現(xiàn)水位維持在設(shè)定值附近。

圖2　閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

PID控制器的輸入輸出的關(guān)系式為：

(1)

式中：e(t)=Sp(t)-Pv(t)為水位偏差；Sp(t)為水位設(shè)定值；Pv(t)為水位反饋值；M0為回路輸出的初始量，M(t)為控制器的輸出量；c(t)為壓力水柜水位量；KC為PID回路增益；T1為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。本控制系統(tǒng)中的KC、T1和TD可以通過工程計算初步確定。若PLC設(shè)置采集運行參數(shù)數(shù)值周期T，可以將式(1)離散化，得到離散化的PID控制算法表達式，即第n次采樣時的控制器輸出算法表達式為：

(2)

其中M(n)為第n次數(shù)據(jù)采樣時調(diào)節(jié)器的輸出；KP為比例系數(shù)；T為數(shù)據(jù)采樣周期；n為數(shù)據(jù)采樣序號，n=0,1,2……；e(n)、e(n-1)為第n次和第(n-1)次數(shù)據(jù)采樣時的偏差值。

4.4變頻器的調(diào)速控制

變頻器常用調(diào)速的方法有鍵盤調(diào)速、多段調(diào)速、通信調(diào)速和外部模擬量調(diào)速等。其中模擬量調(diào)速使用簡單，而且還能實現(xiàn)無級調(diào)速，本文選擇該方法進行調(diào)速，PLC、EM232、變頻器和電動機的連接如圖3所示。該輪的工頻為50Hz，EM232模擬量模塊的數(shù)字量輸入范圍為0～32000，其模擬量輸出范圍是0～5V電壓。將頻率的數(shù)值0～50對應(yīng)的PLC數(shù)值0～32000存到VD106～VD306中，也就是把數(shù)值0～32000等分為50份，每份640，分別存入VD106～VD306中。這個程序段是初始化程序段。

圖3　控制系統(tǒng)連線圖

將VW100存入頻率值，這個數(shù)值一般只能由PLC的上位機給定，PLC編程時只能給一個初始值(頻率的設(shè)定方法可以用觸摸屏或者組態(tài)軟件完成)。將這個給定數(shù)值乘以4，再加上VB106的首地址，這樣可以找到對應(yīng)的PLC數(shù)值0～32000中的一個數(shù)值，再轉(zhuǎn)換成0～5V電壓信號，由AQW0輸出，控制變頻器0～50Hz輸出。

在本文水位控制系統(tǒng)中，根據(jù)對壓力水柜設(shè)定水位值和水位反饋值的PID計算結(jié)果，實時調(diào)節(jié)給水泵電機的轉(zhuǎn)速，完成對壓力水柜內(nèi)水位的控制。

5結(jié)語

利用PLC控制變頻器實現(xiàn)給水泵電動機無級調(diào)速技術(shù)，確保壓力水柜的水位和壓力基本穩(wěn)定在設(shè)定值上。與傳統(tǒng)半自動控制方法相比，該控制技術(shù)一方面降低值班輪機員的勞動強度，另一方面在技術(shù)上表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢：控制精度高，水位波動小，避免給水過量調(diào)節(jié)；減少給水泵電機頻繁啟停，節(jié)約耗能；減輕給水泵的氣穴現(xiàn)象，避免全速運轉(zhuǎn)下機械磨損、噪音和震動，延長設(shè)備和管路的使用壽命。

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(責任編輯：譚銀元)

The Designing of the Control System of Marine Pressure Tank

LIN Wen-cheng

(Xiamen Ocean Vocational College, Xiamen 361012, China)

Abstract:According to problems existing in the traditional marine tank pressure control system, with a fresh water pressure tank as an example, this essay develops an automatic control system based on PLC frequency conversion technology, which can reduce the labor intensity of turbine technical personnel, and meanwhile improve the stability of the pressure tank operation, energy conservation, emissions reduction and reliability, etc.

Key words:pressure tank; PLC; frequency conversion technology

中圖分類號U664.8

文獻標志碼A

文章編號1671-8100(2016)01-0017-03

作者簡介：林文城，男，副教授，碩士，研究方向：船舶輔機自動控制和維護管理。

收稿日期：2015-11-02