基于PLC技術的油船機艙多參數自動控制系統設計

鄒永冬， 朱發新， 吳厚毅， 孫 強， 劉 笑

(浙江海洋學院 港航學院， 浙江 舟山 316022)

基于PLC技術的油船機艙多參數自動控制系統設計

鄒永冬， 朱發新， 吳厚毅， 孫 強， 劉 笑

(浙江海洋學院 港航學院， 浙江 舟山 316022)

針對目前油船機艙存在的溫度、油氣濃度較高及濕度不能自動控制等缺點與不足，該文從油船機艙的多參數控制的必要性和自動化設計要求出發，在現有油船機艙通風系統的基礎上，運用PLC技術設計出油船機艙多參數自動控制系統，并介紹了該系統的組成及溫度、油氣濃度及濕度等參數的自動控制原理。最后從結構、技術、經濟等方面分析了該系統的可行性。

PLC技術 多參數 自動控制 通風系統 油船 機艙

1 引言

由于可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,簡稱PLC)具有體積小、能耗低、抗干擾能力強，自帶有硬件故障檢測功能，出現故障時可在幾微秒內發出警報信息等特點，在船舶設備自動化領域得到了廣泛的應用[1，2]。如船舶主機遙控技術、船舶動力裝置的監測報警技術、 船舶柴油機的工控監測與趨勢分析技術、 船舶故障預診斷技術等[2]。

機艙是船舶的動力中心，機艙內多參數的變化直接影響到機艙設備的工況和輪機人員的工作條件。為了解決目前油船機艙存在的溫度、油氣濃度較高及濕度不能自動控制等缺點，并提高機艙的自動化程度，本文從油船機艙自動化系統設計要求出發，設計了一套基于油船機艙通風系統的機艙內多參數自動控制系統。

2 油船機艙概述

2.1 油船機艙通風系統

油船機艙通風系統是指包括風機類型、通風管路、通風方式、回風井、進風井和其它有關器件在內的總稱。油船機艙通風系統根據通風動力的不同，可分為自然通風系統和機械通風系統[3]。機械通風是指由于機械運轉形成壓力差使外界空氣進入機艙內部的通風形式；而自然通風則是在機艙外風力形成的風壓和機艙內外空氣溫度差所造成的熱壓二者共同作用下，實現機艙內空氣交換的一種通風形式[4]。其中機械通風系統又有全新風系統、循環冷卻加新風系統和射流通風系統。

2.2 油船機艙多參數控制的必要性

(1) 溫度控制。研究數據表明，人體最佳的工作環境溫度為15～20℃。在油船機艙中，由于柴油機、鍋爐等設備持續向機艙內釋放熱量,加熱空氣，使機艙內溫度遠高于20℃[4]。在高溫環境中，人體通過蒸發來散發熱量，身體中的鹽分隨汗液流失會引起血壓下降，造成心臟負荷增大，從而增加了輪機人員的患病幾率，此外高溫還會影響到人體神經活動和運動協調等。因此，為保證輪機人員良好的工作環境，機艙內必須進行有效的溫度控制。

(2) 濕度控制。機艙內設備隨著濕度的變化，儀表的精度和靈敏度會有所不同，當環境濕度超過或低于儀表的設計工作溫度時，儀表就不能正常工作，甚至損壞[5]。

(3) 油氣濃度控制。由于機艙內夾板間存在裝載燃油、燃燒設備的燃燒和管路的滴漏等情況，不可避免的會揮發出油氣。當油氣濃度達到一定值時，可能會發生爆炸和火災，造成重大損失并直接威脅油船和船員生命財產安全。所以必須對機艙油氣濃度進行控制，避免爆炸和火災的發生。

3 油船機艙自動化系統設計要求分析

根據《鋼質海船入級規范》(2014)規定，機艙自動化系統主要設計要求如下。

(1) 傳感器。能以適當的精度和靈敏度長期穩定地正常工作；傳感器應能適應其工作環境；傳感器的安裝位置應能保證所測參數的準確性，且易拆裝。

(2) 控制系統?？刂葡到y應能有效、持續、可靠地運行；船舶自動化系統對工作環境的濕度要求是：溫度達到45℃時，相對濕度為92%～98%，溫度高于45℃時，相對濕度為67%～73%。

(3) 報警系統。能在控制室或設備所在的控制位置發出報警；報警系統應具有故障自我檢測功能；應能使運行過程中出現的故障相互獨立[6]。

4 基于PLC技術的油船機艙多參數自動控制系統設計

4.1 油船機艙溫度自動控制的工作原理

該系統主要是由溫度傳感器、A/D轉換器、PLC、D/A轉換器、報警器、風機、風管、風門等組成(見圖1)。溫度傳感器1～6實時監測機艙內溫度的變化，實時傳遞到A/D轉換器，經A/D轉換器進行轉換后傳遞到PLC與集控室，并在集控室儀表盤上顯示。PLC內部將接收到的數據與設定值一一進行比較，當2個或2個以下的溫度傳感器超出設定值時，發出該傳感器所對應的風門角增大指令；當2個以上的溫度傳感器超過設定值時，發出風機變頻以增大風機轉速的指令；當接收數據存在數據不全、大于最高設定值時，發出聲、光警報，同時不影響其他指令的執行。D/A轉換器將PLC發出的指令轉換成模擬信號，作用于風門或風機調節機艙內風量。

圖1 油船機艙多參數自動控制系統簡圖

4.2 艙室其他參數的自動控制原理

(1) 油氣濃度。機艙內油氣濃度的自動控制，只需將圖1中的溫度傳感器換成相應的油氣濃度傳感器即可，原理與溫度的自動控制完全一樣。利用油船機艙通風系統將油氣掃出艙外，達到自動控制機艙內油氣濃度的目的。

(2) 濕度。機艙內濕度的自動控制則相對復雜。由于外界空氣濕度的不確定性，需在機艙通風總管前加設超聲波加濕器和轉輪除濕器，以改變進入機艙內的空氣濕度。當濕度傳感器測得機艙內空氣濕度高于設定值時，PLC發出風機變頻和轉輪除濕器工作的指令。外界空氣在風機的機械作用下進入通風總管，再經轉輪除濕器的作用對空氣除濕后進入機艙，與機艙內空氣混合、換氣，達到降低機艙內空氣濕度的作用。當濕度傳感器測得機艙內空氣濕度低于設定值時，PLC發出風機變頻和超聲波加濕器工作的指令，空氣則經過超聲波加濕器作用后進入機艙，達到增加機艙內空氣濕度的作用。

4.3 主要部件

(1) PLC。 PLC采用計算機控制技術，通過編寫程序實現程序控制和保護功能，從而實現油船機艙多參數的自動控制[7]。PLC的程序設計與大多數軟件工程的設計方法一樣，其概要設計可用流程框圖表示。自動溫度控制的PLC程序流程框圖如圖2所示。

圖2 溫度自動控制的PLC程序流程框圖

(2) 超聲波加濕器?？紤]到加濕的工藝性和節能效果，該系統采用超聲波加濕器。具體的工作原理為：通過超聲波的高頻震蕩，在換能片作用下，將水霧化為1～5 μm的水霧粒子，與流動的空氣進行熱濕交換，達到加濕的目的[8]。

(3) 轉輪除濕器。轉輪除濕器的除濕原理為：由轉軸帶動的吸附轉盤低速轉動，一半在處理區吸收空氣中的水分子，另一半則在再生區對吸收的水分子進行高溫處理，這一過程周而復始，其優點是效率高，除濕量大。

5 可行性分析

5.1 結構可行性分析

目前，國內還沒有專家學者研究油船機艙內多參數的自動控制。所以，該系統具有很大的優越性，在結構方面有以下優點。

(1) 與現有油船機艙通風系統相比，該系統只增設了傳感器、A/D轉換器、PLC、D/A轉換器、報警器幾個主要器件，結構簡單。

(2) 為提高傳感器所測參數的準確性，將傳感器安裝在通風支管的風門正后方?？稍谛略煊痛习惭b，也可以安裝在現有油船機艙通風管系上。

(3) 考慮到傳感器損壞、誤測等情況的發生，該系統設有報警器，可以滿足油船機艙自動化的設計要求。

5.2 技術可行性分析

PLC技術已經成為了油船應用最成熟的自動化技術。為實現油船機艙多參數的自動控制，采用的技術方案為：將傳感器所測參數與設定值進行比較，經PLC運算后輸出執行指令，就能達到自動控制多參數的目的。該系統結構簡單，安裝方便，提高了油船機艙的自動化程度，減少了輪機人員的工作量。

5.3 經濟可行性分析

油船機艙自動化通風系統在設計上雖然所用傳感器及報警器較多，但整體價格低廉，與原有油船機艙通風系統的造價相比，差價不大。但其與PLC結合使用后，能在降低能源消耗和輪機人員勞動強度的同時，提高油船機艙的自動化程度與通風效率，初期投資小，符合經濟性要求。

6 結語

該系統的研究設計符合油船機艙系統的設計要求，能有效地降低輪機人員的工作量，提高油船機艙通風系統的效率，為進一步實現無人化機艙提供了一些參考。

本文的油船機艙多參數自動控制系統設計屬于前期研究，未能在專業模擬軟件上進行模擬仿真或在實船環境下檢測其運行的可靠性，也未考慮機艙內幾種參數相互影響的情況，因此后期的研究可以對本文的設計進行軟件模擬仿真、對機艙內幾種參數相互影響的具體過程進行分析等方面做進一步的研究。

[1] 范永勝, 王珉. 電氣控制與PLC應用(第二版)[M]. 北京：中國電力出版社，2007.

[2] 王金光, 涂興建, 李日發. 淺析船舶自動化技術現狀[J]. 科技資訊, 2014,12: 55.

[3] 梁彥超. 某船機艙通風系統模擬分析及優化設計[D]. 上海: 上海交通大學, 2011.

[4] 于學興, 孫培廷, 夏治發, 等. 船舶機艙的自然通風[J]. 大連海事大學學報: 自然科學版, 2004, 30(2): 23-25.

[5] 赫偉建. 船舶機艙通風速度場溫度場數值模擬[D]. 大連：大連海事大學, 2005.

[6] CCS. 鋼質海船入級規范[S]. 2014.

[7] 趙炎. 船舶機艙設備運行數據采集系統的研制[D]. 廈門：集美大學, 2013.

[8] 孫瑩, 孫艷秀. 空調用加濕器的介紹及選用分析[J]. 制冷空調與電力機械, 2010, 31(3): 69-73.

Design of Multi-parameters Automatic Control System in Engine Room in Oil Tanker Based on PLC Technology

ZOU Yong-dong, ZHU Fa xin, WU Hou-yi, SUN Qiang, LIU Xiao

(Shipping and Ports Architecture Engineering School of Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316022, China)

For the shortcomings and deficiencies exists in engine room in oil tanker, such as high temperature, high oil gas concentration and nonautomatic controlled humidity, this article considers from the necessity of multi-parameter control and requirement of automatic design in tanker cabin. Based on the existing ventilation system and PLC technology, the multi-parameters automatic control system in tanker is designed, the composition of the system and automatic control principle of parameters of temperature, humidity and oil gas concentration are introduced. Finally, the feasibility of the system is analyzed from the aspects of structure, technology and economic.

PLC technology Multi-parameter Automatic control Ventilation system Oil tanker Engine room

2014年浙江省自然科學基金青年基金項目，編號LQ14E090001；2013年浙江省重大科技專項，編號2013C03033。

鄒永冬(1992-)，男，本科。

U662

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