基于西門子S7-400H型PLC的船舶中央冷卻系統控制裝置

冒如權

（海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室 上海200011）

0 引 言

冷卻系統是保證船舶動力裝置安全可靠運行的輔助系統之一，其能帶走柴油機組及各類輔助設備運行所產生的熱量，確保其正常穩定地工作。近年來，船舶對海水系統防腐防漏設計要求越來越高，海水、淡水管路分開設計的中央冷卻系統，接觸海水管路少，總體防腐蝕能力強，在船舶設計中廣泛使用。

某型綜合電力推進船設前后機艙和左右推進電機艙各一個，需要冷卻的設備有：柴油機、發電機、變頻器、變壓器及輔助系統中央空調冷水機組等，因此冷卻系統較復雜且冷卻量大。為減輕船員勞動強度，提高系統運行可靠性和節能效果，且實現控制自動化，有必要采用能隨溫度自動控制的中央冷卻系統控制裝置。

采用的中央冷卻系統［1-2］應海水與淡水管路分開，淡水回路為閉式循環，海水回路為開式循環，有別于傳統的中央冷卻系統。中央冷卻系統的設計為前、后機艙冗余的方式，海水泵、淡水泵、中央冷卻器均采用冗余設計，任何時候，前、后機艙僅一個冷卻分站正常工作，就滿足全船冷卻需求。

本系統的控制裝置采用西門子S7-400H型PLC冗余控制系統，從冷卻系統到控制裝置均采用冗余設計，大大提高了整套系統的可靠性。 淡水系統溫度主要通過PID調節淡水三通閥改變流過中央冷卻器的淡水流量來實現；海水系統根據船舶熱負荷變化對海水泵優化控制，目的是控制海水流量以保證中央冷卻器滿足冷卻要求，達到節能目的，并根據船舶運行工況的變化和各海水泵運行時間的計算對海水泵運行壽命進行優化控制。中央冷卻系統圖見圖 1［3］。

圖1 中央冷卻系統圖

1 控制裝置組成及工作原理

1.1 組 成

中央冷卻系統控制裝置主要由S7-400H型PLC 控制器［4］、ET200 分站、UPS 電源、溫度傳感器、三通調節閥、海水泵、淡水泵，中央冷卻器等組成。系統前、后機艙各配置一套功能完全相同的控制臺，包括觸摸式操作界面（Proface）和模擬操作板，在前、后機艙均可對控制裝置進行監控。控制裝置從CPU、人機界面到通訊網絡以及電源系統均采用冗余設計，安全可靠性大幅提高。

1.2 工作原理

1.2.1 前、后機艙中央冷卻分站的使用選擇

中央冷卻系統在前、后機艙設計了2套冗余的冷卻系統，即前、后機艙的中冷分站，其淡水供水和回水回路均有管路和閥門進行連接，海水回路獨立。控制系統根據船舶的運行工況和冷卻系統的故障情況來選擇前、后機艙中冷分站的投用。以下是前、后機艙中冷分站投用的控制規則：

規則一 當船舶使用岸電，所有中壓發電機組和停泊發電機組均停用時，稱為岸電狀態，此時投用后機艙的中冷分站：海水泵只需要使用小流量的停泊泵，淡水回路也使用后機艙的淡水泵。

規則二 當船舶使用停泊發電機，中壓發電機組均停用時，稱為停泊狀態，此時投用后機艙的中冷分站：海水泵只需要使用小流量的停泊泵，淡水回路也使用后機艙的淡水泵。

規則三 當船舶只使用前機艙的發電機組時（1號或2號或1號、2號同時用），此時投用前機艙的中冷分站：海水泵使用前機艙的海水泵，淡水回路也使用前機艙的淡水泵。

規則四 當船舶只使用后機艙的發電機組時（3號或4號或3號、4號同時用），此時投用后機艙的中冷分站：海水泵使用后機艙的海水泵，淡水回路也使用后機艙的淡水泵。

規則五 當船舶既使用1號、2號中壓發電機組，同時也使用3號、4號中壓發電機組時，此時前、后機艙中冷分站均投入使用：海水回路前、后機艙的海水泵均投入使用，淡水回路只使用先投入運行發電機組的機艙淡水泵；也可以將供水、回水聯通閥組打開，將其中一個回水閥關閉，只投用其中一側的中冷分站；另一個中冷分站備用。

規則六 當按規則一至規則五需要切換前、后機艙中冷分站時，采用先啟動需投用中冷分站，在成功投用后（包括淡水泵、海水泵以及相關閥門均準確動作到位），再停用另一中冷分站的原則。

當出現局部故障的時候，可以人工或自動切換海水回路和淡水回路，以保證冷卻系統的正常使用。

1.2.2 海水回路控制原理

后機艙中冷分站配備1臺小流量的停泊海水冷卻泵和3臺大流量海水冷卻泵；前機艙中冷分站配備3臺大流量海水冷卻泵。海水回路的控制規則為：

規則一 海水泵的優化節能控制。根據船舶的熱負荷（三通調節閥出口溫度、海水溫度和三通調節閥的開度）來控制需要投入運行的海水泵數量。當三通調節閥出口淡水溫度極低時，可以停用所有海水泵；當淡水溫度高于T1（可根據實際情況人工設定）并且三通閥的開度大于90%（說明現有海水冷卻能力已全部發揮）時，投用2臺海水泵；其他情況投用1臺海水泵。為了防止海水泵數量頻繁改變導致海水泵頻繁啟停，采取了溫度設定回差處理，比如淡水溫度高于T1時投用2臺海水泵，則低于T2（略低于T1低一些）時才能恢復投用1臺海水泵。

規則二 海水泵壽命管理。在任何需要投入海水泵運行的時候，首先投用的是運行時間最短的海水泵，在需要停用海水泵時，首先停用時運行時間最長的海水泵。另外，根據運行工況，設計了定時切換程序。海水泵壽命管理功能合理的安排了各海水泵的運行時間，最大限度的延長了海水泵的使用壽命。

規則三 海水泵的故障處理。在運行泵任一故障發生時，包括不能正常啟動、運行中跳閘、泵出口壓力過低等，均會自動啟動備用泵。

1.2.3 淡水回路控制原理

前、后中冷分站為艏部設備和艉部設備分別配備1臺淡水泵，同時各自另配備1臺共同備用淡水泵。以下為淡水回路控制規則：

規則一 淡水溫度控制。使用PID控制器［5］控制三通閥出口溫度。

規則二 淡水泵控制。根據1.2.1節“中冷分站的投用規則”來啟動對應的艏、艉淡水泵。

規則三 故障處理。運行淡水泵（艏淡水泵或艉淡水泵）故障時，啟用備用淡水泵，控制對應的閥門開啟。

規則四 淡水泵壽命管理。如果長時間運行岸電或前后機艙同時運行中壓發電機時，每間隔一定的時間自動切換前、后中冷分站，包括淡水泵在內。

1.3 控制裝置

控制裝置設計了信息豐富的人機界面、完善的操作畫面以及報警系統和完備的故障診斷功能。

2 構想與展望

筆者對于采用變頻海水泵的新型中央冷卻系統有如下設計構想：在三通閥調節淡水溫度的基礎上，增加海水泵變頻控制。采用兩種控制策略，策略一：海水泵定速恒壓運行，通過三通閥的開度來調整經過冷卻器的淡水流量，最終達到調節淡水溫度的目的（與當前方案一致）；策略二：三通閥開至最大，淡水全經過冷卻器，以海水泵變頻調速來控制出口壓力，進一步控制淡水出口溫度。不過，兩種策略的綜合經濟性比較還需要通過進一步試驗來判斷。

3 結 論

該中央冷卻系統控制裝置硬件采用冗余設計。投入運行后，系統運行可靠、控制策略先進，有效減輕船員勞動強度，提高了工作效率和經濟效益；系統經歷了低溫和高溫環境長時間航行考驗，確保綜合電力推進船舶能在各種工況下安全可靠運行，達到預期的設計目標。

［1］董威，劉富斌，田志定.電力推進艦船中央冷卻系統優化設計可行性分析［J］.船舶，2004（5）：38-42.

［2］潘新祥.船舶中央冷卻系統的優化設計［J］.中國航海，1993（1）：10-19.

［3］田志定，韓想安.電力推進艦船中央冷卻系統及其控制技術綜述［J］.船舶，2007（5）：32-35.

［4］崔向東.基于PLC的船舶中央冷卻水控制系統及其基本功能實現［J］.青島遠洋船員學院學報，2006，27（2）：5-8.

［5］丁睿，唐建文，董威.電力推進船舶中央冷卻系統動態特性建模及控制仿真［J］.制冷與空調，2006（5）：99-101.