基于組態(tài)軟件的供油船舶熱油監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

賈智琪 楊凱悅 王文標

（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。現(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”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)功能擴展并提供標準化接口的組態(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標準的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標準，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，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)熱油通過總管進入燃料油加熱盤管以及船艙其余用熱單元進行換熱，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：燃燒機鉸鏈是否處于合狀態(tài)、燃燒機馬達未過載、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，啟動前需對鍋爐進行掃風(fēng)，在啟動鍋爐風(fēng)機時為保護電機低速運轉(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)備運行過程中的異常現(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)當前運行狀況，從而進一步提高該系統(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)。

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