基于云計算技術下的船舶冷卻泵變頻智能控制技術

舒奕楊，岳偉挺

(杭州電子科技大學 信息工程學院，浙江 杭州 311305)

0 引 言

船舶航行過程中，主機通常在常用功率下以固定速度航行，船舶長期在超出實際需求的功率下航行[1-3]。船舶總航行成本中，冷卻泵的航行成本比例占全部航行成本的1/3 左右，降低船舶的轉速、水泵流量、航行揚程以及軸功率等參數，將提升船舶航行的節能性。云計算技術為用戶提供資源以及計算服務，實現資源的高效整合，為用戶提供多樣式的服務[4]。

目前針對設備變頻控制的研究較多，俞倩等[5]充分考慮中央空調制冷系統的變頻運行原理，利用分段溫差控制方法，實現中央空調制冷系統的冷卻控制。該方法雖然節能效果良好，但是存在控制過程過于復雜的缺陷，影響變頻控制的實時性；馬江濤等[6]利用齒輪泵整體能量損耗變換，完成齒輪泵的變頻控制，但是存在電壓超調的情況，變頻控制時長過長。針對以上方法在變頻控制中存在的問題，研究云計算技術下的船舶冷卻泵變頻智能控制。利用變頻智能控制技術維持冷卻泵的熱平衡，實現冷卻泵的節能。選取冷卻泵進水口與出水口的溫差，作為維持冷卻泵熱平衡所需交換熱量的依據。依據冷卻泵進水口溫度與出水口溫度采集結果，實現船舶冷卻泵的熱平衡的海水泵運行功率、運行轉速以及運行流量，令冷卻泵滿足熱平衡負荷的前提下，功耗降低，通過船舶冷卻泵變頻智能控制，滿足冷卻泵的節能目的。

1 船舶冷卻泵變頻智能控制技術

1.1 基于云計算技術的變頻智能控制云平臺

船舶冷卻泵變頻智能控制是船舶節能的重要途徑。選取PLC 控制芯片作為船舶冷卻泵變頻智能控制的核心控制硬件，構建基于云計算技術的變頻智能控制云平臺的總體結構，如圖1 所示。

圖1 變頻智能控制云平臺Fig.1 Frequency conversion intelligent control cloud platform

可以看出，基于云計算技術的變頻智能控制云平臺，利用溫度傳感器采集船舶冷卻泵的進水口溫度與出水口溫度，將所采集的溫度數據傳送至云計算平臺的變頻控制模塊。變頻控制模塊利用PID 控制技術，實現冷卻泵的變頻控制。變頻控制模塊依據傳感器所采集的溫度數據，結合變頻控制方法，利用PLC 模擬量輸出功能，對冷卻泵進行變頻控制。云平臺的人機交互模塊，利用組態軟件實現冷卻泵智能變頻控制的人機交互。利用TCP 協議，實現云計算平臺與電腦、手機等用戶終端的通信與傳輸。該平臺將采集的船舶冷卻泵實時運行數據上傳至云端服務器。用戶通過云計算平臺的賬號，實時查詢船舶冷卻泵的歷史運行數據與實時運行記錄，為船舶冷卻泵的數據分析與數據挖掘提供數據基礎。

1.2 基于資源分配的云計算平臺任務調度算法

變頻智能控制云平臺由用戶在云計算環境中動態提交變頻控制任務。云端服務器利用資源調度程序即云虛擬機，為用戶提交的船舶冷卻泵變頻控制任務搜尋最佳資源。設云平臺調度船舶冷卻泵變頻智能控制任務過程中，控制任務T={T1,T2,···,Tn}的總數量為n，利用m個虛擬機X={X1,X2,···,Xm}，執行以上任務。云平臺執行控制任務的各虛擬機的網絡帶寬、任務長度等資源參數均存在差異。用Cij表示虛擬機Xj執行控制任務Ti的完成時間，其計算公式為：

式中，Yij與Wj分別表示虛擬機Xj完成執行第i個控制任務的預期時間以及虛擬機Xj執行任務j的總等待時間。

利用云平臺的全部虛擬機，調度全部控制任務的最大完成時間，表示全部冷卻泵智能控制任務的完工時間，其表達式為：

式中，k表示云計算平臺云端服務器分配至虛擬機Xj的任務量。

云端服務器的云調度程序，依據用戶需求以云計算資源總量，利用最低成本為用戶提供最小完工時間的最佳資源分配，構建云計算平臺任務調度的目標函數O=min(Cmin)。利用遺傳算法求解O，搜尋所構建任務調度目標函數的最優解，實現云計算平臺智能控制任務的最優調度。

1.3 基于PID 的船舶冷卻泵變頻智能控制方法

船舶的冷卻泵需要滿足船舶航行過程中，船舶機艙內全部水冷設備的冷卻需求。船舶航行的環境溫度較低時，機艙內的水冷設備無需滿負荷運行，船舶冷卻泵的冷卻能力為過剩狀態。將變頻控制技術應用于船舶冷卻泵的變頻智能調節中，變頻控制技術可以依據海水溫度，令冷卻泵的負荷滿足實際需求。

船舶冷卻泵變頻智能控制的總體結構如圖2 所示。

圖2 船舶冷卻泵變頻智能控制結構圖Fig.2 Frequency conversion intelligent control structure of marine cooling pump

采用變頻控制技術控制船舶冷卻泵，冷卻泵負荷降低時，冷卻泵流量同時降低。伴隨外界溫度以及冷卻泵負荷變化，通過變頻智能控制方式調節海水泵的流量，滿足冷卻泵的節能目標。變頻控制模塊利用PID 控制器實現冷卻泵的變頻智能控制。利用PID 控制器作為船舶冷卻泵變頻智能控制方法，可以降低船舶冷卻泵變頻智能控制誤差，提升冷卻泵變頻智能控制精度。將溫度傳感器采集的溫度數據，輸入PID 控制器中，利用PID 控制器輸出頻率控制的模擬信號，作用于船舶冷卻泵，實現船舶冷卻泵的變頻智能控制。依據給定的冷卻泵輸入頻率r(t)與實際輸出頻率r′(t)間的差值，獲取船舶冷卻泵變頻智能控制的偏差表達式為：

利用PID 控制器對船舶冷卻泵進行變頻控制的表達式為：

式中：Kp與Ti分別表示比例控制參數與積分時間參數，Td表示微分時間參數。

PID 控制器通過調節船舶冷卻泵變頻控制的偏差，令冷卻泵的輸入頻率與實際輸出頻率間的差值最低，提升船舶冷卻泵的變頻控制性能。

2 實驗分析

選取15 艘船舶作為船舶冷卻泵變頻智能控制技術的測試對象。利用云計算平臺，作為船舶冷卻泵變頻智能控制平臺。每艘船舶設置3 臺電動離心泵作為冷卻泵，采用兩用一備的方式，為船舶內的設備提供冷卻功能。利用Maxim 公司的DS18B20 數字溫度傳感器作為船舶冷卻泵變頻智能控制的溫度傳感器，利用該傳感器采集海水溫度，將海水溫度采集結果傳送至變頻控制模塊。利用變頻控制模塊，實現冷卻泵的變頻控制。設置PID 控制器的比例參數為10%，積分時間參數和微分時間參數分別為100 s 以及50 s。

利用溫度傳感器，采集冷卻泵進水口與出水口的實時溫度，將冷卻泵進水口與出水口溫度變化，作為冷卻泵變頻控制的基礎。依據冷卻泵進水口與出水口溫度變化，對冷卻泵進行變頻智能控制。冷卻泵變頻控制前后，不同工況下的冷卻泵轉速變化如圖3 所示。

圖3 冷卻泵轉速變化Fig.3 Cooling pump speed change

可以看出，采用本文技術對冷卻泵進行變頻控制，冷卻泵的轉速存在明顯的變化。冷卻泵運行時，伴隨冷卻泵轉速的不斷降低，冷卻泵的運行壓力隨之降低，通過冷卻泵的智能變頻控制，避免冷卻泵以過剩狀態運行。

統計采用本文技術對冷卻泵進行變頻智能控制，冷卻泵的電機頻率變化如圖4 所示。

圖4 冷卻泵電機頻率變化Fig.4 Variation of motor frequency of cooling pump

可以看出，采用本文技術可以實現冷卻泵電機頻率的高效控制，冷卻泵的電機頻率依據冷卻泵進水口與出水口的溫度變化，實現高速調節。冷卻泵轉速降低時，冷卻泵的流量有所降低，軸功率同樣有所降低，通過變頻調速控制技術滿足船舶冷卻泵的節能需求，具有很高的必要性。本文技術可以實現冷卻泵的變頻調速控制，控制性能良好。

統計采用本文技術對冷卻泵進行變頻智能控制，不同工況時，冷卻泵的熱負荷變化，統計結果如表1 所示。

表1 冷卻泵熱負荷變化Tab.1 Variation of heat load of cooling pump

可以看出，采用本文技術可以實現船舶冷卻泵的變頻智能控制。采用本文技術控制后，不同工況下冷卻泵的總熱負荷均存在明顯的降低，驗證采用本文技術對船舶冷卻泵進行變頻控制，可以獲取良好的節能效果。實驗結果表明，采用該技術對船舶冷卻泵進行變頻智能控制，控制成本較低，節能效果明顯，具有較高的變頻控制穩定性，調節速度較快，變頻控制效果理想。

3 結 語

通過對船舶冷卻泵實施變頻智能控制，降低船舶的運營成本，實現能源的高效節約。船舶冷卻泵變頻控制技術，快速感應海水溫度以及熱負荷，降低冷卻泵的熱沖擊，使船舶維持可靠的運營狀態。將云計算技術應用于船舶冷卻泵變頻智能控制，利用云計算技術具有的高運算速度，提升船舶冷卻泵變頻智能控制的實時性與高效性。該技術充分考慮冷卻泵進水口溫度與出水口溫度間的溫差，明確冷卻泵的變頻控制規律。采用該技術控制船舶冷卻泵，具有較高的節能效果。變頻控制技術已經成為船舶控制領域中的重要技術，是推動艦船控制領域進一步發展的重要技術。