林文城

(廈門(mén)海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門(mén) 361012)

某公司生產(chǎn)的Desalt JWP-26-C80船用造水機(jī)，采用高真空低沸點(diǎn)的蒸餾方法來(lái)實(shí)現(xiàn)海水淡化，為船舶其他動(dòng)力設(shè)備和船員生活提供淡水。該造水機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)完善，海水依靠水泵加壓后，歷經(jīng)抽真空、向蒸餾器補(bǔ)給海水和投放藥劑、用柴油機(jī)缸套冷卻水加熱、分離氣液、冷凝水蒸氣、向淡水柜排送蒸餾水、檢測(cè)蒸餾水含鹽量和排放多余鹽水等諸多環(huán)節(jié)，才能生產(chǎn)出含鹽量合格的淡水[1]。為保證裝置的正常運(yùn)行，控制蒸餾器的高真空(即低壓力)是最重要的工作。如果蒸餾器內(nèi)的真空度無(wú)法建立或者一直波動(dòng)，那么造水機(jī)就不可能正常穩(wěn)定工作，真空度太低，沸點(diǎn)過(guò)高，導(dǎo)致蒸發(fā)器表面結(jié)硬垢，甚至無(wú)法生產(chǎn)淡水；而真空度太高，所造淡水含鹽量超標(biāo)，水質(zhì)不符合要求。而蒸餾器內(nèi)真空度波動(dòng)的原因，可能是裝置自身結(jié)構(gòu)性能的改變，也可能受制于工作環(huán)境的變化，技術(shù)參數(shù)值多且相互牽制，增加了裝置運(yùn)行管理和故障排除的難度。

基于造水機(jī)真空度控制的困境，創(chuàng)建1套基于Desalt JWP-26-C80的真空度自動(dòng)控制系統(tǒng)，發(fā)揮可編程邏輯控制器(PLC)強(qiáng)大的運(yùn)算功能、快速調(diào)節(jié)能力和可靠穩(wěn)定控制等優(yōu)勢(shì)，周期性地監(jiān)控該船用造水機(jī)的運(yùn)行成效，實(shí)時(shí)調(diào)試工作狀態(tài)，以應(yīng)對(duì)外界環(huán)境的改變。當(dāng)裝置出現(xiàn)異常狀況，自動(dòng)控制系統(tǒng)立即報(bào)警并提供針對(duì)性的故障排除建議，設(shè)法減輕該造水機(jī)維護(hù)管理的壓力。

1 控制系統(tǒng)的硬件組成

船用造水機(jī)真空度控制系統(tǒng)硬件示意圖如圖1所示，選擇TD200觸摸屏作為上位機(jī)，借助編程器來(lái)實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的連接，建立人機(jī)交互，實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置運(yùn)行狀況和設(shè)定技術(shù)參數(shù)初始值，以便于裝置更好應(yīng)對(duì)工作環(huán)境和外部需求的變化。下位機(jī)采用西門(mén)子S7系列控制器，模擬量輸入模塊選擇西門(mén)子EM235，通過(guò)傳感器、電開(kāi)關(guān)和電磁閥等元件采集裝置運(yùn)行過(guò)程中的技術(shù)參數(shù)數(shù)值，經(jīng)過(guò)輸入接口的模數(shù)轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號(hào)傳送給PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，生成電信號(hào)控制各執(zhí)行元件的動(dòng)作情況，自動(dòng)調(diào)整裝置的運(yùn)行狀態(tài)，從而不斷修正目標(biāo)參數(shù)的數(shù)值偏差。

圖1 船用造水機(jī)真空度控制系統(tǒng)硬件示意圖

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

船用造水機(jī)真空度的建立分為2個(gè)階段：①在裝置啟動(dòng)期間，真空泵(水射抽氣器)抽除蒸餾器內(nèi)的空氣，直至設(shè)定的真空度，所以啟動(dòng)階段裝置的真空度由真空泵來(lái)建立。裝置的真空度，取決于裝置的密封性、真空泵的性能、海水的溫度和流量。②在裝置運(yùn)行期間，產(chǎn)生大量的水蒸氣，真空度的建立，必須由真空泵和冷凝器共同承擔(dān)。

除了以上的影響因素之外，裝置的真空度還受制于蒸發(fā)量和冷凝量的動(dòng)態(tài)平衡。所以，在裝置密封性能符合要求、泵部設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常和管路閥件正確啟閉的前提下，由于海水溫度和主柴油機(jī)缸套冷卻水溫度等參數(shù)受制于外部條件，為了獲得蒸餾器內(nèi)穩(wěn)定真空度數(shù)值，所采取的措施只能是調(diào)節(jié)裝置的真空泵工作水、海水給水、主柴油機(jī)缸套冷卻水、冷凝水和冷凝器冷卻水等的流量值?？紤]造水機(jī)本身的結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)，在裝置啟動(dòng)期間，借助調(diào)節(jié)真空泵的工作水流量控制裝置的真空度；而在裝置運(yùn)行期間，通過(guò)調(diào)節(jié)冷凝器冷卻水的流量控制裝置的真空度。

依據(jù)裝置的系統(tǒng)組成以及泵部的運(yùn)行狀況，將所有影響真空度的技術(shù)參數(shù)，設(shè)置允許浮動(dòng)的數(shù)值范圍。當(dāng)這些技術(shù)參數(shù)的數(shù)值都在允許范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，監(jiān)測(cè)實(shí)際真空度與初始值的偏差，PLC輸出信號(hào)調(diào)節(jié)真空泵工作水的流量或者冷凝器冷卻水的流量，這樣周期性啟動(dòng)測(cè)試→計(jì)算→調(diào)節(jié)的工作循環(huán)，確保真空度數(shù)值的恒定。當(dāng)參數(shù)值超出允許范圍或開(kāi)關(guān)量不符合設(shè)定等時(shí)，控制系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)信號(hào)，提示技術(shù)人員調(diào)整數(shù)據(jù)或者排除故障。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于Desalt JWP-26-C80的結(jié)構(gòu)組成以及外界的環(huán)境條件，真空度控制系統(tǒng)的程序開(kāi)發(fā)，選擇監(jiān)控系統(tǒng)軟件“組態(tài)王”和西門(mén)子編程軟件“STEP7”，分別來(lái)呈現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控界面的總體訴求和完成下位機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)思路。

3.1 下位機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)

裝置啟動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)先關(guān)閉真空破壞閥等電磁閥，確保密封性能，啟動(dòng)海水泵加壓海水到設(shè)計(jì)壓力后，自動(dòng)調(diào)節(jié)真空泵工作水的流量，進(jìn)行抽真空操作，當(dāng)檢測(cè)造水機(jī)內(nèi)真空度升至設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)過(guò)程終止，自動(dòng)轉(zhuǎn)入裝置的正常運(yùn)行階段。開(kāi)啟裝置的給水閥、加熱水水閥，冷凝器冷卻水閥和凝水出口閥，自動(dòng)控制冷凝器冷卻水水閥，調(diào)節(jié)冷卻水的流量，控制造水機(jī)的真空度維持在設(shè)定值。船用造水機(jī)真空度控制系統(tǒng)流程圖如圖2所示，控制系統(tǒng)利用開(kāi)關(guān)元件和傳感器等自動(dòng)化元件采集造水機(jī)的各輸入模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，PLC進(jìn)行比例、積分、微分(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PID)運(yùn)算，輸出信號(hào)控制各開(kāi)關(guān)量和調(diào)節(jié)各技術(shù)參數(shù)。其中，最重要的工作環(huán)節(jié)是判斷造水機(jī)的運(yùn)行狀況，根據(jù)裝置真空度的實(shí)際數(shù)值，分別控制真空泵工作水和冷凝器冷卻水的電液比例流量控制閥的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)維持裝置真空度恒定的目的。

圖2 船用造水機(jī)真空度控制系統(tǒng)流程圖

1)數(shù)據(jù)采集。遵循下位機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)思路，在設(shè)定的掃描周期內(nèi)，監(jiān)測(cè)裝置電子元件的開(kāi)關(guān)量和技術(shù)參數(shù)的數(shù)值，將這些模擬量轉(zhuǎn)換后，發(fā)送給PLC控制器。此外，根據(jù)船舶航行的海域位置、主柴油機(jī)的運(yùn)行負(fù)載和裝置的結(jié)構(gòu)狀況等，技術(shù)人員合理調(diào)整上位機(jī)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定值，提升下位機(jī)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力。

2)安全保護(hù)。首先，蒸餾器內(nèi)真空度超出設(shè)定范圍，直接影響裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。其次，在建立真空度階段可以選擇對(duì)裝置的密封性能進(jìn)行自檢，密封性能不合格需要停機(jī)檢修。最后，監(jiān)測(cè)海水泵和真空泵的運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常。綜上所述，在造水機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，真空度控制系統(tǒng)需要設(shè)定蒸餾器壓力異常保護(hù)、密封性能失效保護(hù)和泵部吸排壓力差過(guò)低保護(hù)等。

3)PID運(yùn)算。為獲取裝置穩(wěn)定真空度，真空度控制系統(tǒng)采用PLC閉環(huán)反饋控制，周期性采集裝置真空度的瞬間值，運(yùn)用PID運(yùn)算進(jìn)行調(diào)節(jié)，同步跟蹤、快速修正該參數(shù)的數(shù)值。船用造水機(jī)真空度控制系統(tǒng)負(fù)反饋系統(tǒng)原理圖如圖3所示，實(shí)時(shí)采集真空度數(shù)值C(t)，該信號(hào)轉(zhuǎn)換后輸出測(cè)量值p(t)，PLC接收并完成PID運(yùn)算，獲取測(cè)量值p(t)和設(shè)定值sp(t)的偏差e(t)。為了消除測(cè)量值p(t)的偏差，PLC向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出控制信號(hào)M(t)，該信號(hào)放大后作用在電液比例流量閥上，根據(jù)比例電磁鐵的位移與輸入電流信號(hào)的大小和方向成正比的性質(zhì)，M(t)控制滑閥的閥芯連續(xù)運(yùn)動(dòng)，合理調(diào)節(jié)真空泵工作水或冷凝器冷卻水流量的大小，來(lái)獲得滿(mǎn)足裝置要求的真空度C(t)，通過(guò)程序性循環(huán)調(diào)整控制，確保裝置實(shí)際真空度維持在設(shè)定的數(shù)值。

圖3 船用造水機(jī)真空度控制系統(tǒng)負(fù)反饋系統(tǒng)原理圖

M(t)與e(t)的關(guān)系式為：

M(t)=

(1)

式中，Kp為比例控制增益；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；M0為PID初始值。

根據(jù)裝置的外在條件和性能特點(diǎn)，選擇模擬量和開(kāi)關(guān)量等數(shù)據(jù)的采集周期，從而離散化PID輸入輸出關(guān)系公式，最終獲得系統(tǒng)采集第n次數(shù)據(jù)時(shí)的輸出公式為：

M(n)=

(2)

式中，M(n)為第n次采樣時(shí)PID輸出；T為數(shù)據(jù)采集周期；n為數(shù)據(jù)采集次數(shù)，n=1，2，3……；e(n)為第n次數(shù)據(jù)采集時(shí)的真空度偏差。

4)脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出。在船用造水機(jī)真空度控制系統(tǒng)中，PLC控制器對(duì)真空度實(shí)際的偏差值執(zhí)行PID運(yùn)算，輸出不同占空比的PWM控制信號(hào)。該P(yáng)WM控制信號(hào)在功率驅(qū)動(dòng)放大電路中轉(zhuǎn)換后，成為電流信號(hào)來(lái)控制電液比例流量閥閥芯的動(dòng)作。通過(guò)改變PWM控制信號(hào)的占空比來(lái)改變比例電磁閥線(xiàn)圈通電時(shí)間，即控制閥芯相對(duì)于閥體的軸向位移(即閥口的軸向開(kāi)度)的大小，調(diào)整真空泵工作水或冷凝器冷卻水的平均流量，促使裝置真空度的實(shí)際數(shù)值重返設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的。

3.2 上位機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)

TD200觸摸屏選擇“組態(tài)王”軟件進(jìn)行編程，建立船用造水機(jī)真空度控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。在觸摸屏上，動(dòng)態(tài)展示裝置運(yùn)行過(guò)程中技術(shù)參數(shù)和開(kāi)關(guān)量的實(shí)際數(shù)值，為日常管理工作提供數(shù)據(jù)支撐；同時(shí)根據(jù)外界環(huán)境條件的改變和自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的老化，提示技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)參數(shù)設(shè)定值的調(diào)節(jié)。