CN108750064A - 一种船舶中央冷却水多段比值控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶中央冷却水多段比值控制系统及方法，包括船舶主机系统、淡水冷却泵、冷却器、三通阀控制器、PLC控制器和现场操作箱，所述船舶主机系统分别连接PLC控制器和淡水冷却泵，淡水冷却泵还连接冷却器和三通阀控制器，本发明的有益效果是：(1)根据阀门开度控制变频器频率进而控制海水变频泵转速，其中阀门开度与变频器频率之间的对应关系采用多段比值控制函数。(2)增加开关函数，采用smith滞环比较器，增强系统稳定性。(3)板式换热器出口海水温度达到安全界限49℃时，本设计系统的变频器自动切换到最高限制频率运行。(4)减少三通阀频繁动作。

Description

一种船舶中央冷却水多段比值控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种控制系统，具体是一种船舶中央冷却水多段比值控制系统及方法。

背景技术

目前船舶中央冷却水控制系统普遍采用工频泵全速运行，由三通阀温控器调节旁通量使低温淡水回路进口温度稳定在36℃。这种控制方法虽简单、投资少、稳定性良好，但海水泵长期在超出实际所需的功率下运行，能耗大、执行机构动作频繁、三通阀磨损大。

瑞典Alfa Laval公司开发的ENGARD型船舶中央冷却水系统，虽可根据中央冷却水系统热负荷变化对海水泵进行变极调速，并且海水泵采用不同组合实现流量分级变化，降低一定能耗和延长三通阀使用寿命，但仍存在改进空间。国内虽有学者已提出根据三通阀开度来改变海水变频泵转速的控制模式，可并未给出具体实现方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种船舶中央冷却水多段比值控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种船舶中央冷却水多段比值控制系统，包括船舶主机系统、淡水冷却泵、冷却器、三通阀控制器、PLC控制器和现场操作箱，所述船舶主机系统分别连接PLC控制器和淡水冷却泵，淡水冷却泵还连接冷却器和三通阀控制器，冷却器还连接海水泵、海水出口和PLC控制器，PLC控制器还分别连接人机操作界面、现场操作箱和三通阀控制器。

作为本发明的进一步技术方案：所述冷却器与海水泵之间接有压力传感器和温度传感器，所述冷却器与海水出口之间接有压力传感器和温度传感器，船舶主机系统和淡水冷却泵之间设有温度传感器，船舶主机系统和淡水冷却泵之间设有温度传感器，冷却器和PLC控制器之间设有温度传感器。

作为本发明的进一步技术方案：所述冷却器为板式冷却器。

作为本发明的进一步技术方案：所述现场操作箱与海水泵均设有多个，并且每一个现场操作箱和海水泵一一对应，现场操作箱和海水泵之间设有压力开关。

作为本发明的进一步技术方案：所述淡水冷却泵设有多个。

一种船舶中央冷却水多段比值控制方法，包含以下步骤：

步骤(1)：连结好各设备；

步骤(2)：三通阀控制器采用常规PID控制，三通阀阀门开度按以下公式设定对三通阀控制器的淡水阀门开度进行控制：输出4-20mA电流改变三通阀位置α(t)。输入传感器信号x(t)为PT100，r(t)为温度设定值，三通阀温控器输入信号是温度偏差信号e(t)＝r(t)-x(t)；控制器采用比例积分调节规律，设阀门初始位置为α₀，e(t)与控制器输出位置增量dα(t)关系满足下式：阀门开度输出位置为：α＝α₀+∫dα(t)；此位置信号α由PLC采集送入变频器，变频器根据此采集信号输出相应频率来改变海水变频泵转速，Ti为积分时间，Kp为比例值；

步骤(3)：设定PLC按以下设计函数对变频器频率进行控制：当α<60％，f＝25Hz；

当60％≤α<85％，f＝k₁(α－0.6)+25；当85％≤α<95％，f＝k₂(α－0.85)+40；当95％≤α，f＝50Hz。

作为本发明的进一步技术方案：所述设计函数分为四个区段；α为阀门开度占其全量程的百分比，取值范围为“0％”到“100％”；变频器频率变化范围为“25Hz”到“50Hz”；第一区段：船舶以低负荷状态运行时，进行热交换的淡水温度较低，即所需海水流量较少，变频器只需以最低频率25Hz运行即可满足需求，淡水回路中三通阀调节阀门开度保证出口温度稳定在36℃。经验表明三通阀开度变化范围为“0％”到“60％”，因此设计函数第一段区域为α<60％，函数f＝25Hz；第二、三区段：船舶以正常状态航行时，主机负载增多，进行热交换的淡水温度相对升高，所需海水流量增大，变频器需提高频率方可满足要求，为满足需求变频器频率和三通阀开度大小变化基本呈线性关系，此时阀门开度变化范围为“60％”到“95％”。因此函数设计为f＝k₁(α－0.6)+25。但是为了避免主机负载波动过大而海水流量不能满足需求造成盐析，因此考虑设计安全裕量保证系统更加安全可靠运行。设计阀门开度变化范围为“85％”到“95％”时，变频器输出更高的频率，此时函数设计为f＝k₂(α－0.85)+40，而且k₂>k₁>0；第四区段：当船舶高速航行时，此时淡水温度快速升高，应及时增大海水流量进行热交换，避免产生盐析，此时变频器以最高频率运行。经验表明三通阀开度变化范围为“95％”到“100％”，因此设计第四区段为95％≤α，f＝50Hz。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)根据阀门开度控制变频器频率进而控制海水变频泵转速，其中阀门开度与变频器频率之间的对应关系采用多段比值控制函数。(2)增加开关函数，采用smith滞环比较器，增强系统稳定性。(3)板式换热器出口海水温度达到安全界限49℃时，本设计系统的变频器自动切换到最高限制频率运行。(4)减少三通阀频繁动作。

附图说明

图1为中央冷却水控制系统结构图。

图2为三通阀控制结构图。

图3为变频器输出频率与阀门开度之间多段比值函数曲线图。

图4为开关函数示意图。

图5为变频器控制系统方框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，一种船舶中央冷却水多段比值控制系统，包括船舶主机系统、淡水冷却泵、冷却器、三通阀控制器、PLC控制器和现场操作箱，其通过中央冷却器先用海水冷却淡水，再用冷却后的淡水作为冷却介质去冷却船舶主机系统及其它需要冷却的设备。为了保障船舶航行的安全，海水泵配置为两用一备，即其中任意两台组合运行，另一台备用。三台泵之间按照工艺要求进行切换运行，以防止其中两台长期过度使用而磨损。

2.控制算法设计；

2.1低温淡水回路：

现实中若要使船舶设备能够正常运行，必须保证低温淡水回路入口温度控制在36℃左右。低温淡水回路中三通阀控制器根据阀门淡水出口温度与给定值产生的偏差信号进行PID运算，调整阀门开度的同时PLC读取阀门开度信号。当主机负荷增大时，阀门开度增大，即开大冷却水，关小旁通量；当变频器出现故障时，系统自动切换到工频状态运行。这两种情况下始终保持低温淡水回路入口温度稳定在36℃左右。

2.2变频回路；

2.2.1分段函数转化器：

系统节能效果如何取决于函数转换器设计的优劣。函数转换器的作用就是处理三通阀开度与变频器频率之间的关系，即将阀门的开度信号转换为变频器输入频率值。具体将阀门开度分为四个区段。根据船舶中央冷却系统工艺要求，维持海水循环的变频泵最低频率为25Hz，此时船舶主机处于最低负荷状态，需要冷却水最少；变频泵最高频率为50Hz，此时船舶主机处于最高负荷状态，需要冷却水最多。

2.2.2开关函数：

开关函数采用smith滞环比较器，主要是为了避免变频器在安全温度界限附近频繁切换频率对系统产生冲击，导致系统不稳定。

2.2.3变频节能控制系统：

当变频控制使海水流量减少时，海水温度会加大，板式换热器出口海水温度达到安全界限49℃时就会产生盐析，为了防止发生这种现象，需要将变频器切换到最高限制频率运行。

本发明的工作原理是：船舶运行过程中，船上各级设备需要被冷却，直接使用海水冷却易造成设备腐蚀损坏，因此利用淡水作为冷却介质，先用海水冷却淡水，再用冷却后的淡水冷却设备，海水和淡水的热量交换在板式冷却器中进行。由于系统需要淡水回路的进口温度稳定在36℃，为了满足要求，使用三通阀调节旁通量(旁通量是流经设备后的高温淡水)，当淡水回路进口温度过低，三通阀控制器调节三通阀阀门开度增大旁通量，从而使淡水回路进口温度稳定在36℃。当设备负载增多，此时淡水回路出口温度升高，需要抽进更多的海水进行热交换。因为抽的海水量越少，需要的海水泵转速越低，即变频器频率越低，消耗的电能也就越少。我们希望抽进来的海水量使淡水回路出口淡水经板式冷却器冷却后接近36℃，进而可以减少旁通量。因此，应该在满足系统需求的前提下，尽可能的

使海水泵转速刚好满足要求，因此需要设计更加优良的控制函数。

三通阀开度信号通过三通阀控制器输送到PLC，控制函数放在PLC控制器，PLC控制器根据控制函数，用阀门开度变频器调整频率进而控制海水泵转速。

图1中有两套控制系统。一套是三通阀出口温度控制系统，根据三通阀的出口温度TT2来调节三通阀冷热水的流量比，从而保证低温淡水回路入口温度稳定在36℃；另一套是串级控制系统，由控制系统换热器出口温度、海水出口压力构成。这两套系统协调切换控制，在实现中央冷却水系统节能变频控制的同时保证系统安全可靠运行。(VSD1-VSD3为三台变频器)。

图2所示，三通阀控制器采用常规PID控制，阀门执行器改变三通阀阀门开度，即改变淡水回路冷水/热水比例。三通阀阀门开度信号输出到变频控制回路。

图3所示为多段比值函数，其中α为阀门开度占其全量程的百分比，f为三台变频器VSD1-VSD3根据分段函数计算得出的输出频率。

α<60％时,f＝25Hz；

60％≤α<85％时，f＝k₁(α-0.6)+25；

85％≤α<95％时，f＝k₂(α-0.85)+40；

95％≤α时，f＝50Hz；

图4所示，当海水出口温度低于47℃时，开关函数输出0，变频器给定频率切换到PI控制器，构成频率闭环控制；当海水出口温度超过49℃时，开关函数输出1，变频器给定频率切换到最高频率设定值上，构成频率开环控制。故无论开关函数输出为0还是1，都能保证低温淡水回路独立控制三通阀淡水出口温度稳定在36℃。

图5所示为变频控制方案，三通阀阀门开度信号经过分段函数转换器转换为一定频率后，作为变频器输入频率，结合PI控制器频率给定值，经过比例积分运算得出变频器的输出频率，输出频率控制变频海水泵转速，为了实现节能控制，尽可能让海水变频泵速度下降，当速度降低到一定程度，会使板式换热器海水出口温度升高到安全界限，此时触发smith开关函数动作，变频器变为开环频率控制，变频器工作在最高频率设定值，海水变频泵全速运行，当海水出口温度低于47℃时，变频器恢复频率闭环控制运行。

三通阀温度控制：三通阀控制器是低温淡水回路的核心，选用OMRON公司E5AN-H高性能温度数字调节器，输出4-20mA电流改变三通阀位置α(t)。输入传感器信号x(t)为PT100，r(t)为温度设定值，三通阀温控器输入信号是温度偏差信号e(t)＝r(t)-x(t)；控制器采用比例积分调节规律，设阀门初始位置为α₀，e(t)与控制器输出位置增量dα(t)关系满足下式：

阀门开度输出位置为：

α＝α₀+∫dα(t)

此位置信号α由PLC采集送入变频器，变频器根据此采集信号输出相应频率来改变海水变频泵转速，实现节能控制。

变频节能控制：多段比值控制的船舶中央冷却水变频控制系统采用SIEMENS系列S7-1200PLC作为控制器。S7-1200PLC是紧凑型控制器，具有外围模块丰富、使用方便且性价比高的特点。系统的程序设计使用西门子TIA PORTAL软件平台，充分利用全集成自动化软件高效便捷的特点。具体编程采用模块化语言，特别适用于一般工程技术的使用。其串级控制回路中，主调节器、副调节器及滞环比较器在循环中断OB30实现；三通阀控制器比例积分在循环中断OB31实现；分段函数在主程序OB1实现；系统参数设置与操作采用HMI实现，PID控制算法在PLC程序中实现。

船舶运行过程中，船上各级设备需要被冷却，直接使用海水冷却易造成设备腐蚀损坏，因此利用淡水作为冷却介质，先用海水冷却淡水，再用冷却后的淡水冷却设备，海水和淡水的热量交换在板式冷却器中进行。由于系统需要淡水回路的进口温度稳定在36℃，为了满足要求，使用三通阀调节旁通量(旁通量是流经设备后的高温淡水)，当淡水回路进口温度过低，三通阀控制器调节三通阀阀门开度增大旁通量，从而使淡水回路进口温度稳定在36℃。当设备负载增多，此时淡水回路出口温度升高，需要抽进更多的海水进行热交换。因为抽的海水量越少，需要的海水泵转速越低，即变频器频率越低，消耗的电能也就越少。我们希望抽进来的海水量使淡水回路出口淡水经板式冷却器冷却后接近36℃，进而可以减少旁通量。因此，应该在满足系统需求的前提下，尽可能的使海水泵转速刚好满足要求，因此需要设计更加优良的控制函数。

三通阀开度信号通过三通阀控制器输送到PLC，控制函数放在PLC控制器，PLC控制器根据控制函数，用阀门开度变频器调整频率进而控制海水泵转速。

本多段比值控制系统设计，节能效果显著，减少三通阀磨损，系统更加稳定。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种船舶中央冷却水多段比值控制系统，包括船舶主机系统、淡水冷却泵、冷却器、三通阀控制器、PLC控制器和现场操作箱，其特征在于，所述船舶主机系统分别连接PLC控制器和淡水冷却泵，淡水冷却泵还连接冷却器和三通阀控制器，冷却器还连接海水泵、海水出口和PLC控制器，PLC控制器还分别连接人机操作界面、现场操作箱和三通阀控制器。

2.根据权利要求1所述的一种船舶中央冷却水多段比值控制系统，其特征在于，所述冷却器与海水泵之间接有压力传感器和温度传感器，所述冷却器与海水出口之间接有压力传感器和温度传感器，船舶主机系统和淡水冷却泵之间设有温度传感器，船舶主机系统和淡水冷却泵之间设有温度传感器，冷却器和PLC控制器之间设有温度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种船舶中央冷却水多段比值控制系统，其特征在于，所述冷却器为板式冷却器。

4.根据权利要求1所述的一种船舶中央冷却水多段比值控制系统，其特征在于，所述现场操作箱与海水泵均设有多个，并且每一个现场操作箱和海水泵一一对应，现场操作箱和海水泵之间设有压力开关。

5.根据权利要求1所述的一种船舶中央冷却水多段比值控制系统，其特征在于，所述淡水冷却泵设有多个。

6.根据权利要求1所述的一种船舶中央冷却水多段比值控制系统，其特征在于，所述的三通阀控制器是采用常规PID控制的控制器，同时三通阀阀门开度按以下公式设定对三通阀控制器的淡水阀门开度进行控制设定的控制器：输出4-20mA电流改变三通阀位置α(t)，输入传感器信号x(t)为PT100，r(t)为温度设定值，三通阀温控器输入信号是温度偏差信号e(t)＝r(t)-x(t)；控制器采用比例积分调节规律，设阀门初始位置为α₀，e(t)与控制器输出位置增量dα(t)关系满足下式：阀门开度输出位置为：α＝α₀+∫dα(t)；此位置信号α由PLC采集送入变频器，变频器根据此采集信号输出相应频率来改变海水变频泵转速，Ti为积分时间，Kp为比例值。

7.根据权利要求6所述的一种船舶中央冷却水多段比值控制系统，其特征在于，所述设定PLC控制器按以下设计函数进行设定的控制器：当α<60％，f＝25Hz；

当60％≤α<85％，f＝k₁(α－0.6)+25；当85％≤α<95％，f＝k₂(α－0.85)+40；当95％≤α，f＝50Hz。

8.根据权利要求7所述的一种船舶中央冷却水多段比值控制方法，其特征在于，所述设计函数分为四个区段；α为阀门开度占其全量程的百分比，取值范围为“0％”到“100％”；变频器频率变化范围为“25Hz”到“50Hz”；第一区段：船舶以低负荷状态运行时，进行热交换的淡水温度较低，即所需海水流量较少，变频器只需以最低频率25Hz运行即可满足需求，淡水回路中三通阀调节阀门开度保证出口温度稳定在36℃，经验表明三通阀开度变化范围为“0％”到“60％”，因此设计函数第一段区域为α<60％，函数f＝25Hz；第二、三区段：船舶以正常状态航行时，主机负载增多，进行热交换的淡水温度相对升高，所需海水流量增大，变频器需提高频率方可满足要求，为满足需求变频器频率和三通阀开度大小变化基本呈线性关系，此时阀门开度变化范围为“60％”到“95％”，因此函数设计为f＝k₁(α－0.6)+25，但是为了避免主机负载波动过大而海水流量不能满足需求造成盐析，因此考虑设计安全裕量保证系统更加安全可靠运行，设计阀门开度变化范围为“85％”到“95％”时，变频器输出更高的频率，此时函数设计为f＝k₂(α－0.85)+40，而且k₂>k₁>0；第四区段：当船舶高速航行时，此时淡水温度快速升高，应及时增大海水流量进行热交换，避免产生盐析，此时变频器以最高频率运行，经验表明三通阀开度变化范围为“95％”到“100％”，因此设计第四区段为95％≤α，f＝50Hz。

9.根据权利要求1至8任一所述的一种船舶中央冷却水多段比值控制方法：其特征在于，包含以下步骤：

步骤(1)：连结好各设备；

步骤(2)：三通阀控制器采用常规PID控制，三通阀阀门开度按以下公式设定对三通阀控制器的淡水阀门开度进行控制：输出4-20mA电流改变三通阀位置α(t)，输入传感器信号x(t)为PT100，r(t)为温度设定值，三通阀温控器输入信号是温度偏差信号e(t)＝r(t)-x(t)；控制器采用比例积分调节规律，设阀门初始位置为α₀，e(t)与控制器输出位置增量dα(t)关系满足下式：阀门开度输出位置为：α＝α₀+∫dα(t)；此位置信号α由PLC采集送入变频器，变频器根据此采集信号输出相应频率来改变海水变频泵转速，Ti为积分时间，Kp为比例值；

步骤(3)：设定PLC按以下设计函数对变频器频率进行控制：当α<60％，f＝25Hz；当60％≤α<85％，f＝k₁(α－0.6)+25；当85％≤α<95％，f＝k₂(α－0.85)+40，当95％≤α，f＝50Hz。

10.根据权利要求9所述的一种船舶中央冷却水多段比值控制方法，其特征在于，所述设计函数分为四个区段；α为阀门开度占其全量程的百分比，取值范围为“0％”到“100％”；变频器频率变化范围为“25Hz”到“50Hz”；第一区段：船舶以低负荷状态运行时，进行热交换的淡水温度较低，即所需海水流量较少，变频器只需以最低频率25Hz运行即可满足需求，淡水回路中三通阀调节阀门开度保证出口温度稳定在36℃，经验表明三通阀开度变化范围为“0％”到“60％”，因此设计函数第一段区域为α<60％，函数f＝25Hz；第二、三区段：船舶以正常状态航行时，主机负载增多，进行热交换的淡水温度相对升高，所需海水流量增大，变频器需提高频率方可满足要求，为满足需求变频器频率和三通阀开度大小变化基本呈线性关系，此时阀门开度变化范围为“60％”到“95％”，因此函数设计为f＝k₁(α－0.6)+25，但是为了避免主机负载波动过大而海水流量不能满足需求造成盐析，因此考虑设计安全裕量保证系统更加安全可靠运行，设计阀门开度变化范围为“85％”到“95％”时，变频器输出更高的频率，此时函数设计为f＝k₂(α－0.85)+40，而且k₂>k₁>0；第四区段：当船舶高速航行时，此时淡水温度快速升高，应及时增大海水流量进行热交换，避免产生盐析，此时变频器以最高频率运行，经验表明三通阀开度变化范围为“95％”到“100％”，因此设计第四区段为95％≤α，f＝50Hz。