船用壓力水柜控制系統的設計

林文城

(廈門海洋職業技術學院，福建廈門　361012)

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船用壓力水柜控制系統的設計

林文城

(廈門海洋職業技術學院，福建廈門361012)

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

關鍵詞壓力水柜；PLC；變頻技術

某輪設置有3套壓力水柜系統，分別為船員和設備提供淡水、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,向外供應淡水時，壓力水柜內的水位將下降，壓力隨之降低，當壓力值下降到設定值的下限0.25MPa時，利用壓力繼電器啟動給水泵，向壓力水柜內補水；而補水時水位上漲，水柜內空氣被壓縮造成壓力的增加，當壓力升高至設定值的上限0.4MPa時，壓力繼電器將切斷給水泵電機的電源，補水結束。另一方面，在壓力水柜正常工作過程中，上部空間內的空氣將不斷溶解在水里導致質量的下降，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，水柜內壓力迅速降低，導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。考慮到空氣量變化帶來的影響，值班輪機員要經常檢查壓力水柜內水位和空氣壓力，發現空氣量不足時，打開壓力水柜下部的泄放閥放掉柜內多余的水，水位也達到設計數值時關閉泄放閥，開啟充氣閥進行補氣，當水柜壓力達到上限值時關閉充氣閥，避免補氣量過多導致安全閥開啟和給水泵背壓過大耗能。所以傳統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長期穩定的工作。

2水位控制系統控制原理

基于以上分析，對壓力水柜水位控制可以考慮用變頻技術的連續控制代替現有的雙位控制。利用PLC技術，根據水位傳感器檢測壓力水柜中的水位，只要水位偏離給定值，系統就會產生控制作用，自動調節給水泵的轉速，力圖消除偏差的存在，所以其能將水位穩定在設定值上，同時也避免出現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水柜內壓力的基本穩定，因篇幅所限，本文就不多作闡述。

3壓力水柜控制系統的硬件組成

采用SIMATIC PLC s7—200作為壓力水柜控制系統的可編程控制器，實時的離散信號和模擬信號通過SIEMENS EM231模塊傳至CPU，系統將根據輸入的測量值、控制設定值及PID參數進行PID運算，運算得到數字信號經過SIEMENS EM232模塊后控制MM440變頻器，從而實現給水泵電機的無級調速控制，保證壓力水柜中的水位基本維持在設定的數值上。此外，選擇TP-177A觸摸屏借助通信電纜與PLC互連，在人機界面上設定和顯示壓力水柜的水位和壓力等狀態參數數值，調整數據監測間隔時間，并提供系統異常時的故障產生原因。

4水位控制系統的軟件設計

針對PLC控制內容的設計情況，采用STEP7-Micro/WIN編程軟件進行程序的編輯、監控和調試。針對船用壓力水柜系統的運行特點和技術要求，PLC控制系統由主控程序、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，輸入端的設備類型為限位開關、按鈕、壓力繼電器、繼電器觸點、選擇開關和光電開關等。當輸入為模擬量輸入時，輸入設備為壓力傳感器、水位傳感器、流量傳感器和電壓傳感器等。將PLC采集的信號數值依次放在狀態寄存器內。

4.2控制系統的保護和報警

壓力水柜的報警和保護性停車主要表現在水位偏離設定值、氣壓偏離設定值、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，控制系統使用PLC s7—200對壓力水柜水位實現PID計算。在采集運行參數中，壓力水柜水位是閉環控制的最重要參數。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管內上下移動，可以在外磁作用下將被測液位信號轉換成正比于液位變化的電阻信號，并將電子單元轉換成0～5V電壓標準信號輸出，該電流信號經過A/D模塊進行模數轉換成數字信號。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)，根據運算的結果PLC輸出相應數字信號。該數字信號數模轉換后，輸出0～5V電壓標準信號M(t)，控制變頻器從而調節電機的轉速和給水泵的流量，憑借對壓力水柜內水位的連續控制來實現水位維持在設定值附近。

圖2　閉環控制系統方框圖

PID控制器的輸入輸出的關系式為：

(1)

式中：e(t)=Sp(t)-Pv(t)為水位偏差；Sp(t)為水位設定值；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；TD為微分時間常數。本控制系統中的KC、T1和TD可以通過工程計算初步確定。若PLC設置采集運行參數數值周期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次數據采樣時調節器的輸出；KP為比例系數；T為數據采樣周期；n為數據采樣序號，n=0,1,2……；e(n)、e(n-1)為第n次和第(n-1)次數據采樣時的偏差值。

4.4變頻器的調速控制

變頻器常用調速的方法有鍵盤調速、多段調速、通信調速和外部模擬量調速等。其中模擬量調速使用簡單，而且還能實現無級調速，本文選擇該方法進行調速，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。將頻率的數值0～50對應的PLC數值0～32000存到VD106～VD306中，也就是把數值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　控制系統連線圖

將VW100存入頻率值，這個數值一般只能由PLC的上位機給定，PLC編程時只能給一個初始值(頻率的設定方法可以用觸摸屏或者組態軟件完成)。將這個給定數值乘以4，再加上VB106的首地址，這樣可以找到對應的PLC數值0～32000中的一個數值，再轉換成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中，根據對壓力水柜設定水位值和水位反饋值的PID計算結果，實時調節給水泵電機的轉速，完成對壓力水柜內水位的控制。

5結語

利用PLC控制變頻器實現給水泵電動機無級調速技術，確保壓力水柜的水位和壓力基本穩定在設定值上。與傳統半自動控制方法相比，該控制技術一方面降低值班輪機員的勞動強度，另一方面在技術上表現出明顯優勢：控制精度高，水位波動小，避免給水過量調節；減少給水泵電機頻繁啟停，節約耗能；減輕給水泵的氣穴現象，避免全速運轉下機械磨損、噪音和震動，延長設備和管路的使用壽命。

參考文獻

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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