CN106086900B - 船舶外加电流阴极防腐系统及其智能控制方法 - Google Patents

船舶外加电流阴极防腐系统及其智能控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明所设计的船舶外加电流阴极防腐系统，它的电源用于向模糊PID控制器供电，模糊PID控制器的第一供电支路电源输出端连接牺牲阳极的一端，牺牲阳极的另一端能通过海水与参比电极的一端连接，参比电极的另一端连接模糊PID控制器的第一供电支路反馈信号输入端；模糊PID控制器的第二供电支路电源输出端连接艉轴接地系统的电流输入端，艉轴接地系统的电流输出端连接舵柱接地系统的电流输入端，舵柱接地系统的电流输出端连接模糊PID控制器的第二供电支路反馈信号输入端；海水温度传感器的信号输出端连接模糊PID控制器。本发明能根据船舶航行状态、以及实际海洋环境等因素实现对船体保护电流的控制，自动设置出最佳保护电压。

Description

船舶外加电流阴极防腐系统及其智能控制方法
技术领域
本发明涉及船舶ICCP(Impressed Current Cathodic Protection，外加电流阴极保护装置)技术技术领域，具体地指一种船舶外加电流阴极防腐系统及其智能控制方法。
技术背景
海水是一种很强的腐蚀性介质，对钢质船体有很强的腐蚀性。钢板遭到海水腐蚀生成铁锈，铁锈质地松脆，无法阻止钢板进一步的腐蚀。且腐蚀使船体外表面粗糙，易附着一些海生物，增加船体的阻力。腐蚀是金属和周围环境发生化学或电化学反应而导致的一种破坏性侵蚀。根据各国的腐蚀损伤调查报告统计显示，全世界每年因腐蚀造成的经济损失达6000亿至12000亿美元，占各国国民生产总值之和的2％～4％，比综合自然灾害(即地震、台风、水灾等)损失总和的6倍还多。英国每年由腐蚀而造成的损失约为1300亿英镑，占国民经济总产值的3.5％，美国每年因腐蚀造成的直接经济损失约为2760亿，占GDP的3.1％，人均达到1100美元。按照国际惯例最低标准，腐蚀损失占GDP的3％计算，我国在2009年的GDP为33.5万亿，腐蚀损失将超过10000亿，为自然灾害损失的4倍，其破坏力之大令人震惊。
目前在船体防腐蚀方面，除增加涂层外，一般还有牺牲阳极和外加电流两种阴极保护形式。牺牲阳极方法由于简单、经济，被广泛采用，但是，由于该方法不能够根据实际情况对保护电流的大小进行调节，且牺牲阳极需要定期更换，消耗大影响了船体防腐蚀效果，另外，焊在船体外表面的锌块也会增加船体阻力。
随着船东对船体结构保护越来越重视，以前仅在集装箱船舶中少量应用的外加电流阴极保护系统现在越来越多地被采用.甚至很多散货船也开始大量使用。提供外加电流阴极保护系统的厂家也较多.但各厂家阴极保护系统的基本原理均基于以上机理，实现手段 也大同小异，仅在阳极材料的选用和型式上有所差别。
随着我国船舶工业的迅速发展，船舶与海洋结构物日渐趋于大型化和复杂化，这对阴极保护系统的防护有效性也提出了更高的要求。船舶与海洋结构物在海水中极易发生腐蚀反应，通常情况下，防腐蚀工程师采用施加防腐涂层和阴极保护的方法来降低它们在海水中的腐蚀速率。但由于船舶与海洋结构物的结构形式复杂，所处的海洋环境恶劣多变，阴极保护系统的保护电位经常达不到或超过保护电位区间，导致保护不足或过保护而发生腐蚀破坏，影响系统正常运转，缩短结构寿命，甚至威胁人员财产和生命的安全。因而寻求实用有效的船舶与海洋结构物阴极保护电位预报与优化设计方法对船舶与海洋工程的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种船舶外加电流阴极防腐系统及其智能控制方法，该系统和方法能根据船舶航行状态、以及实际海洋环境等因素实现对船体保护电流的控制，自动设置出最佳保护电压，从而降低海水以及附着海生物对船体结构的破坏。
为实现此目的，本发明所设计的船舶外加电流阴极防腐系统，它包括恒电位仪、牺牲阳极、参比电极、艉轴接地系统和舵柱接地系统，其特征在于：它还包括安装在船体外侧的海水温度传感器，其中，恒电位仪包括电源和模糊PID控制器(Proportion IntegrationDifferentiation.比例-积分-微分控制器)，电源用于向模糊PID控制器供电，模糊PID控制器的第一供电支路电源输出端连接牺牲阳极的一端，牺牲阳极的另一端能通过海水与参比电极的一端连接，参比电极的另一端连接模糊PID控制器的第一供电支路反馈信号输入端；
模糊PID控制器的第二供电支路电源输出端连接艉轴接地系统的电流输入端，艉轴接地系统的电流输出端连接舵柱接地系统的电流输入端，舵柱接地系统的电流输出端连接模糊PID控制器的第二供电支路反馈信号输入端；
所述海水温度传感器的信号输出端连接模糊PID控制器的温度 信号输入端。
一种上述船舶外加电流阴极防腐系统的智能控制方法，它包括如下步骤：
步骤1：电源1.1给模糊PID控制器供电；
步骤2：模糊PID控制器输出船体保护电流，该船体保护电流经由牺牲阳极流入海水，船体保护电流通过海水流入参比电极，船体保护电流通过参比电极反馈给模糊PID控制器；
同时，模糊PID控制器输出轴及舵保护电流，该轴及舵保护电流通过艉轴接地系统接入艉轴，并由艉轴接地系统将轴及舵保护电流输出给舵柱接地系统，舵柱接地系统将轴及舵保护电流输入舵，舵柱接地系统还将轴及舵保护电流反馈给模糊PID控制器；
步骤3：模糊PID控制器实时接收海水温度传感器输送的海水实时温度数据，还接收海水流速传感器输送的海水相对船体的实时流速数据；
步骤4：所述模糊PID控制器根据海水实时温度数据和海水相对船体的实时流速数据，并结合第一供电支路反馈信号和第二供电支路反馈信号对船体保护电位、轴及舵的保护电位的变化趋势进行预测，并对船体保护电位、轴及舵的保护电位进行实时调整，使船体保护电位稳定在-0.75V～0.95V，同时，使轴及舵的保护电位温度在预设稳定在0mV～100mV。
本发明利用模糊PID控制器进行船舶外加电流阴极防腐控制，模糊PID控制器具有良好的校正性能，改善了二次调节加载系统的动态响应，提高了控制效果，对船舶外加电流阴极防腐系统的控制更加精确，也能更好得适应不同海况下船舶对保护电位的需求。
本发明添加了海水温度传感器及海水流速传感器，使得模糊PID控制器对当前海况有更全面的分析数据。加上模糊PID控制器的校正性能，使得模糊PID控制器能够更好地对ICCP进行调节。
附图说明
图1为发明的结构示意图；
图中，1—恒电位仪、1.1—电源、1.2—模糊PID控制器、2—牺牲阳极、3—参比电极、4—艉轴接地系统、5—舵柱接地系统、6—海水温度传感器、7—海水流速传感器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
一种船舶外加电流阴极防腐系统，如图1所示，它包括恒电位仪1、牺牲阳极2、参比电极3、艉轴接地系统4和舵柱接地系统5，它还包括安装在船体外侧的海水温度传感器6，其中，恒电位仪1包括电源1.1和模糊PID控制器1.2，电源1.1用于向模糊PID控制器1.2供电，模糊PID控制器1.2的第一供电支路电源输出端连接牺牲阳极2的一端，牺牲阳极2的另一端能通过海水与参比电极3的一端连接，参比电极3的另一端连接模糊PID控制器1.2的第一供电支路反馈信号输入端；
模糊PID控制器1.2的第二供电支路电源输出端连接艉轴接地系统4的电流输入端，艉轴接地系统4的电流输出端连接舵柱接地系统5的电流输入端，舵柱接地系统5的电流输出端连接模糊PID控制器1.2的第二供电支路反馈信号输入端；
所述海水温度传感器6的信号输出端连接模糊PID控制器1.2的温度信号输入端。
本发明通过恒电位仪1对输出电压大小的控制，实现对船体的保护，同时进一步降低了海生物在船体的附着。
上述技术方案中，模糊PID控制器1.2结合了模糊控制器以及PID控制器的优点，具有良好的校正性能，改善了二次调节加载系统的动态响应，提高了控制效果。对船舶外加电流阴极防腐系统的控制更加精确。并且模糊PID控制器1.2的抗干扰能力强，增加了船舶外加电流阴极防腐系统控制的稳定性。
船舶外加电流阴极防腐系统还包括海水流速传感器7，所述海水 流速传感器7的信号输出端连接模糊PID控制器1.2的流速信号输入端。
上述技术方案中，所述模糊PID控制器1.2用于根据海水温度信号和海水相对船体流速信号，并结合第一供电支路反馈信号和第二供电支路反馈信号对船体保护电位、轴及舵的保护电位的变化趋势进行预测，并对船体保护电位、轴及舵的保护电位进行实时调整，使船体保护电位、轴及舵的保护电位温度在预设稳定区间。模糊PID控制器1.2的调节能够有效的根据船舶航行状态、以及实际海洋环境等因素实现对直流电源输出电流大小的控制，自动设置出最佳保护电压，从而尽可能的降低海水以及附着的海生物对船体结构的破坏。
上述技术方案中，舵柱接地系统5使用电缆将舵杆与船体结构进行连接，从而使舵叶与船体在电气上成为一体.这样可以使舵叶也受到保护。艉轴接地系统4在螺旋桨轴上安装有滑环及碳刷，通过碳刷及滑环的低电阻.使流向螺旋桨桨叶的电流经轴系返回到船体，这样不仅可以保护裸露的螺旋桨和轴系.还可以防止轴系和轴承间产生电弧而损坏油膜。
上述技术方案中，所述船体保护电位的预设稳定区间为-0.75V～0.95V。所述轴及舵的保护电位的预设稳定区间为0mV～100mV。
一种上述船舶外加电流阴极防腐系统的智能控制方法，它包括如下步骤：
步骤1：电源1.1给模糊PID控制器1.2供电；
步骤2：模糊PID控制器1.2输出船体保护电流，该船体保护电流经由牺牲阳极2流入海水，船体保护电流通过海水流入参比电极3，船体保护电流通过参比电极3反馈给模糊PID控制器1.2；
同时，模糊PID控制器1.2输出轴及舵保护电流，该轴及舵保护电流通过艉轴接地系统4接入艉轴，并由艉轴接地系统4将轴及舵保护电流输出给舵柱接地系统5，舵柱接地系统5将轴及舵保护电流输入舵，舵柱接地系统5还将轴及舵保护电流反馈给模糊PID控制 器1.2；
步骤3：模糊PID控制器1.2实时接收海水温度传感器6输送的海水实时温度数据，还接收海水流速传感器7输送的海水相对船体的实时流速数据；
步骤4：所述模糊PID控制器1.2根据海水实时温度数据和海水相对船体的实时流速数据，并结合第一供电支路反馈信号和第二供电支路反馈信号对船体保护电位、轴及舵的保护电位的变化趋势进行预测，并对船体保护电位、轴及舵的保护电位进行实时调整，使船体保护电位稳定在-0.75V～0.95V，同时，使轴及舵的保护电位温度在预设稳定在0mV～100mV。
本发明采用模糊PID控制，控制保护电流的输出，从而能够根据船舶航行状态、以及实际海洋环境等因素实现对直流电源输出电流大小的控制，自动设置出最佳保护电压，从而尽可能的降低海水以及附着海生物对船体结构的破坏。
本发明通过海水温度传感器6和海水流速传感器7来测量当前海域海水的温度和流速，并将测得的数值传送模糊PID控制系统，该系统会根据电压值、速度值和温度值进行最佳保护电流值计算，从而实时控制直流电源大小的输出。
本发明将艉轴接地系统4和舵柱接地系统5接入船舶外加电流阴极防腐系统中，从而更好地保护了舵柱和艉轴不被海水腐蚀，延长了使用寿命并且提高了船舶使用的安全性。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种船舶外加电流阴极防腐系统，它包括恒电位仪(1)、牺牲阳极(2)、参比电极(3)、艉轴接地系统(4)和舵柱接地系统(5)，其特征在于：它还包括安装在船体外侧的海水温度传感器(6)，其中，恒电位仪(1)包括电源(1.1)和模糊PID控制器(1.2)，电源(1.1)用于向模糊PID控制器(1.2)供电，模糊PID控制器(1.2)的第一供电支路电源输出端连接牺牲阳极(2)的一端，牺牲阳极(2)的另一端能通过海水与参比电极(3)的一端连接，参比电极(3)的另一端连接模糊PID控制器(1.2)的第一供电支路反馈信号输入端；
模糊PID控制器(1.2)的第二供电支路电源输出端连接艉轴接地系统(4)的电流输入端，艉轴接地系统(4)的电流输出端连接舵柱接地系统(5)的电流输入端，舵柱接地系统(5)的电流输出端连接模糊PID控制器(1.2)的第二供电支路反馈信号输入端；
所述海水温度传感器(6)的信号输出端连接模糊PID控制器(1.2)的温度信号输入端；
它还包括海水流速传感器(7)，所述海水流速传感器(7)的信号输出端连接模糊PID控制器(1.2)的流速信号输入端；
所述模糊PID控制器(1.2)用于根据海水温度信号和海水相对船体流速信号，并结合第一供电支路反馈信号和第二供电支路反馈信号对船体保护电位、轴及舵的保护电位的变化趋势进行预测，并对船体保护电位、轴及舵的保护电位进行实时调整，使船体保护电位、轴及舵的保护电位温度在预设稳定区间。
2.根据权利要求1所述的船舶外加电流阴极防腐系统，其特征在于：所述船体保护电位的预设稳定区间为-0.75V～0.95V。
3.根据权利要求1所述的船舶外加电流阴极防腐系统，其特征在于：所述轴及舵的保护电位的预设稳定区间为0mV～100mV。
4.一种权利要求1所述船舶外加电流阴极防腐系统的智能控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：电源(1.1)给模糊PID控制器(1.2)供电；
步骤2：模糊PID控制器(1.2)输出船体保护电流，该船体保护电流经由牺牲阳极(2)流入海水，船体保护电流通过海水流入参比电极(3)，船体保护电流通过参比电极(3)反馈给模糊PID控制器(1.2)；
同时，模糊PID控制器(1.2)输出轴及舵保护电流，该轴及舵保护电流通过艉轴接地系统(4)接入艉轴，并由艉轴接地系统(4)将轴及舵保护电流输出给舵柱接地系统(5)，舵柱接地系统(5)将轴及舵保护电流输入舵，舵柱接地系统(5)还将轴及舵保护电流反馈给模糊PID控制器(1.2)；
步骤3：模糊PID控制器(1.2)实时接收海水温度传感器(6)输送的海水实时温度数据，还接收海水流速传感器(7)输送的海水相对船体的实时流速数据；
步骤4：所述模糊PID控制器(1.2)根据海水实时温度数据和海水相对船体的实时流速数据，并结合第一供电支路反馈信号和第二供电支路反馈信号对船体保护电位、轴及舵的保护电位的变化趋势进行预测，并对船体保护电位、轴及舵的保护电位进行实时调整，使船体保护电位稳定在-0.75V～0.95V，同时，使轴及舵的保护电位温度在预设稳定在0mV～100mV。
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