船用海水淡化裝置自動控制系統的研制

林文城

船用海水淡化裝置自動控制系統的研制

林文城

（廈門海洋職業技術學院，福建廈門 361012）

為了減輕Desalt JWP-26-C系列船用海水淡化裝置的運行管理壓力，開發出基于PLC的裝置自動控制系統。以控制裝置的產水量為例，在環境條件或結構性能變化時，該自動控制系統采集數據和PID運算后，產生PWM輸出信號，控制電液比例流量閥的動作，來調節加熱水流量，確保裝置的產水量維持在初始值上。該控制系統提升該系列裝置的響應速度和控制精度，可以考慮在其它船用海水淡化裝置上推廣應用。

船用海水淡化裝置 PLC PWM

0 引言

為了提高續航能力和經濟效益，遠洋船舶上必須配備海水淡化裝置。船用海水淡化裝置利用蒸餾法將海水淡化后，生產含鹽量合格的淡水，不僅提供動力設備冷卻水和鍋爐補給水等，還要滿足船員生活用水的需求。基于廢熱合理利用和控制蒸餾器水垢等綜合因素，船用海水淡化裝置一般采納高真空低沸點的設計思路，即在柴油機缸套冷卻水（以下簡稱加熱水）加熱下，海水在較低的溫度下汽化沸騰，再將產生的水蒸氣進行冷凝后獲得蒸餾水，整個裝置包含海水系統、抽真空系統、給水系統、加熱系統、冷凝系統、凝水系統和投藥系統等[1]。以Alfa Laval公司生產的Desalt JWP-26-C80為例，設計真空度為93%，蒸發溫度為40℃，加熱水的溫度為60～90℃，淡水產量為625 L/h，產水含鹽量要求低于2 mg/L。在裝置運行的過程中，發現系統最重要兩個輸出技術指標（所造淡水產量和含鹽量）一直在波動著，分析其中的原因，是系統工作條件發生變化或者出現異常狀況，但因裝置結構復雜，各技術參數值多且相互影響，技術人員無法實時做出準確的決斷和采取有效的措施，增加了裝置運行管理和故障排除的難度；另一個方面是裝置缺乏隨著外在因素變化而自動調節的能力，無法給船舶其它設備提供水質和水量均恒定的淡水資源。

基于以上存在的不足，開發一套適用于Desalt JWP-26-C80的自動控制系統，利用PLC計算精度高，響應速度快，抗干擾能力強和性能穩定可靠等的優點，來實時分析該船用海水淡化裝置的運行狀態，針對性調整工作參數，來適應外界條件的變化和其它設備的需求，同時適時發出故障報警信號，及時提示技術人員采取準確排除措施，減輕系統運行中維護管理的壓力。

圖1 船用海水淡化裝置自動控制系統硬件簡圖

1 自動控制系統的硬件組成

在裝置海水泵、噴射泵和凝水泵等動力設備正常工作的前提下，為了確保生產水質合格和產水量穩定的淡水，最重要的運行管理工作是合理控制裝置的海水給水量、加熱水流量、冷凝水流量和凝水流量等。如圖1所示，控制系統的下位機采用西門子S7系列控制器，通過傳感器、電開關和電磁閥等元件采集裝置運行過程中的技術參數數值，經過輸入接口的模數轉換，將數字信號傳送給PLC，PLC數據運算后，產生輸出信號控制各執行元件的動作，自動調整裝置技術參數的數值，從而實現系統輸出水質合格和水量恒定的淡水。另外，選擇TD200觸摸屏作為上位機，借助編程器來實現與下位機的連接，建立人機交互，實時監控和調節裝置技術參數，以便于裝置更好地服務于其它動力設備的運行和船員的生活。

2 自動控制系統的設計思路

依據裝置的性能特點以及動力設備的運行狀況，來設定船用海水淡化裝置的所造淡水的含鹽量和產水量等參數的初始值。通過采集海水溫度、海水流量和加熱水溫度等數值，經過PLC控制器的運算處理，輸出電信號控制電液比例閥等執行元件，來實時調節蒸餾器的給水量、冷凝水的流量和加熱水的流量，確保裝置平穩運行。因篇幅所限，下面就以控制裝置產水量這一技術參數數值為例，來闡述本控制系統的設計思路。影響產水量的因素很多，但裝置主要以控制加熱水的流量來調節產水量的，當產水量與設定的初始值存在偏差時，PLC輸出信號，控制電液比例閥動作來調節加熱水的流量，使裝置的產水量偏差為0，周期性啟動測試-計算-調節的工作循環，確保產水量數值的恒定；當因惡劣環境條件或裝置故障，導致產水量偏差無法消除的時候，控制系統將及時發出報警信號，提示技術人員重新設定初始值或者采取針對性措施排除故障。

3 自動控制系統的軟件設計

基于Desalt JWP-26-C80的結構組成以及外界的環境條件，自動控制系統的程序開發，選擇編程軟件STEP7和組態王，分別來完成下位機控制程序的設計思路和滿足上位機監控界面的總體要求。

3.1 下位機控制程序的設計

在裝置運行的過程中，給水溫度和流量、真空度（海水沸點）、加熱水溫度和流量、冷凝水溫度和流量、凝水流量、蒸餾器換熱能力和密封性能等因素，都將影響裝置產水量數值的變化。設定這些影響因素在合理變化區間，當控制系統檢測某些因素超出設定范圍，將提示環境條件惡化或裝置處于異常工作狀態。另一方面，裝置在正常工作狀態下，加熱水的熱值，是蒸餾器主要的能量來源，直接決定了裝置的蒸氣量（即產水量），故控制系統只要控制加熱水的流量，即可在設定的范圍內保證產水量的恒定。

利用傳感器等輸入元件采集裝置運行的各技術參數值，模數轉換結束，由控制系統確認裝置的工作條件和運行狀況處于正常狀態。如圖2所示，由流量傳感器測量裝置實際的產水量，計算與設定產水量初始值的偏差值e，PLC根據偏差值e的結果生成數字脈沖信號，該電信號輸出并作用在加熱水的電液比例閥上。電液比例閥閥芯的位移，取決于輸入電信號的大小，故應用PLC輸出電信號的大小，來實時調節加熱水的流量，同時借助反饋信號進一步修正，消除裝置產水量的偏差值。

圖2 船用海水淡化裝置自動控制系統流程圖

4.1.1數據采集

依據下位機的設計思路，在設定的周期內，監測裝置各個技術參數的數值和所有元件的開關量，比如海水溫度和流量、加熱水溫度和流量、凝水流量和含鹽量等，將這些模擬量經過轉換后，傳送給PLC控制器。另外，根據船舶所處的緯度、柴油機的工作負荷和裝置的運行狀況等，技術人員可以在上位機上及時調整相關參數的數值，提高下位機控制系統運行可靠性。

4.1.2安全保護

首先，蒸餾器內真空度過低時，換熱面結垢嚴重；而真空度過高時，所造淡水含鹽量超標不符合要求。其次，鹽度計報警設備失效，將導致所造淡水不合格，直接縮短輔鍋爐的使用壽命。另外，要確保裝置的密封性能，包含要防止海水倒灌進蒸餾器或漏入冷凝器。最后，檢測各水泵和噴射泵是否處于正常狀況。綜上所述，在裝置運行過程中，自動控制系統要設置蒸餾器壓力異常保護、所產淡水含鹽量超標保護、止回閥失效保護和泵吸排壓力差過低保護等。

4.1.3 PID運算

為了保證裝置產水量數值的基本恒定，采用PLC閉環控制系統，定期檢測實際產水量，進行PID運算調節，實現該技術參數的高精度同步跟蹤修正性能。如圖3所示。實時采集產水量數值C()，該信號轉換后輸出測量值Q()，PLC接收并完成PID運算，產生測量值Q()和設定值SQ()的偏差e()。為了消減測量值Q()的偏差，PLC輸出M()信號，該信號放大后作用在電液比例流量閥上，根據比例電磁鐵的位移與輸入電流信號的大小和方向成正比的性質，M(t)信號控制滑閥的閥芯連續運動，合理調節加熱水流量的大小，來獲得符合要求的產水量C(t)，經過不斷循環調整控制，確保裝置實際產水量維持在設定的數值上。

圖3 船用海水淡化裝置自動控制系統負反饋系統圖

輸出信號()與產水量偏差()的關系式為：

式(1)中：()-PID輸出值；K-比例控制增益；()-產水量偏差值；T-積分時間常數；T-微分時間常數；0-PID初始值。根據裝置的外在條件和性能特點，選擇模擬量和開關量等數據的采集周期，從而離散化PID輸入輸出關系公式，最終獲得系統采集第n次數據時的輸出公式為：

式(2)中：()-第n次采樣時PID輸出；-數據采集周期；-數據采集次數，=1，2，3……；e()-第次數據采集時的長水量偏差。

4.1.4 PWM輸出

在船用海水淡化裝置自動控制系統中，PIC控制器根據產水量的實際偏差值進行PID運算，輸出不同占空比的PWM控制信號。該PWM控制信號在完成放大并轉換之后，成為脈沖電流信號來控制電液比例流量閥閥芯的動作。脈沖電流信號的強弱，決定了閥芯相對于閥體的軸向位移（即閥口的軸向開度）的大小，也就控制了加熱水的流量變化。裝置產水量的實際數值不斷接近設定值，PWM控制信號的強度也隨著不斷衰減，加熱水的流量也就穩定在響應的某一數值上，這樣來達到產水量輸出穩定的要求，實現了控制系統的設計目的。

4.2 上位機控制程序的設計

TD200觸摸屏選擇組態王軟件進行編程，建立船用海水淡化裝置自動控制系統的人機交互界面。在上位機上，實時顯示裝置模擬量和開關量的數值，為技術人員的日常設備管理工作提供依據；同時根據環境條件的變化和其它設備的需求，及時提示技術人員調節相關技術參數的設定值。

5 小結

在船齡較大的部分遠洋商船上，還服役著Desalt JWP-26-C系列型號的海水淡化裝置，研制基于PLC的自動控制系統，為改善這些裝置的性能特點和維護管理很有裨益。裝置運行過程中，某些技術參數改變時，自動控制系統將發揮快速響應作用，自動采取合理措施，及時消除穩態偏差，并超前補償控制環節的滯后，保證裝置長時間處于安全穩定高效的運轉狀態。

[1] 陳海泉. 船舶輔機[M]. 大連: 大連海事大學出版社, 2016.

[2] 李哲. 船用海水淡化裝置設計實例與運行測試[J]. 工業水處理,2018(8):105-108.

[3] 蘇闖建, 田中軒, 熊云. 船用海水淡化裝置的產水水質特性及經濟性分析[J].化工進展, 2018(2):796-802.

[4] 陳旸. 基于高壓反滲透方式的船用海水淡化裝置研究[J].機電設備, 2015, (S1):49-51.

[5] 胡鈺, 魏林瑞, 張磊, 盧素敏. 10t/d船用板式蒸餾海水淡化裝置性能測試與模擬計算[J].工業用水與廢水, 2016(3):78-83.

Development of automatic control system for marine desalination plant

Lin Wencheng

（Xiamen Marine Vocational and Technical College, Xiamen 361012, China）

P747

A

1003-4862（2022）08-0039-04

2022-02-16

林文城（1975-），男，副教授。研究方向：船舶輔機自動控制和維護管理等。E-mail: jiayiyuanxinyueyuan@126.com