基于PLC技术的油船机舱多参数自动控制系统设计

邹永冬， 朱发新， 吴厚毅， 孙 强， 刘 笑

(浙江海洋学院 港航学院， 浙江 舟山 316022)

基于PLC技术的油船机舱多参数自动控制系统设计

邹永冬， 朱发新， 吴厚毅， 孙 强， 刘 笑

(浙江海洋学院 港航学院， 浙江 舟山 316022)

针对目前油船机舱存在的温度、油气浓度较高及湿度不能自动控制等缺点与不足，该文从油船机舱的多参数控制的必要性和自动化设计要求出发，在现有油船机舱通风系统的基础上，运用PLC技术设计出油船机舱多参数自动控制系统，并介绍了该系统的组成及温度、油气浓度及湿度等参数的自动控制原理。最后从结构、技术、经济等方面分析了该系统的可行性。

PLC技术 多参数 自动控制 通风系统 油船 机舱

1 引言

由于可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,简称PLC)具有体积小、能耗低、抗干扰能力强，自带有硬件故障检测功能，出现故障时可在几微秒内发出警报信息等特点，在船舶设备自动化领域得到了广泛的应用[1，2]。如船舶主机遥控技术、船舶动力装置的监测报警技术、 船舶柴油机的工控监测与趋势分析技术、 船舶故障预诊断技术等[2]。

机舱是船舶的动力中心，机舱内多参数的变化直接影响到机舱设备的工况和轮机人员的工作条件。为了解决目前油船机舱存在的温度、油气浓度较高及湿度不能自动控制等缺点，并提高机舱的自动化程度，本文从油船机舱自动化系统设计要求出发，设计了一套基于油船机舱通风系统的机舱内多参数自动控制系统。

2 油船机舱概述

2.1 油船机舱通风系统

油船机舱通风系统是指包括风机类型、通风管路、通风方式、回风井、进风井和其它有关器件在内的总称。油船机舱通风系统根据通风动力的不同，可分为自然通风系统和机械通风系统[3]。机械通风是指由于机械运转形成压力差使外界空气进入机舱内部的通风形式；而自然通风则是在机舱外风力形成的风压和机舱内外空气温度差所造成的热压二者共同作用下，实现机舱内空气交换的一种通风形式[4]。其中机械通风系统又有全新风系统、循环冷却加新风系统和射流通风系统。

2.2 油船机舱多参数控制的必要性

(1) 温度控制。研究数据表明，人体最佳的工作环境温度为15～20℃。在油船机舱中，由于柴油机、锅炉等设备持续向机舱内释放热量,加热空气，使机舱内温度远高于20℃[4]。在高温环境中，人体通过蒸发来散发热量，身体中的盐分随汗液流失会引起血压下降，造成心脏负荷增大，从而增加了轮机人员的患病几率，此外高温还会影响到人体神经活动和运动协调等。因此，为保证轮机人员良好的工作环境，机舱内必须进行有效的温度控制。

(2) 湿度控制。机舱内设备随着湿度的变化，仪表的精度和灵敏度会有所不同，当环境湿度超过或低于仪表的设计工作温度时，仪表就不能正常工作，甚至损坏[5]。

(3) 油气浓度控制。由于机舱内夹板间存在装载燃油、燃烧设备的燃烧和管路的滴漏等情况，不可避免的会挥发出油气。当油气浓度达到一定值时，可能会发生爆炸和火灾，造成重大损失并直接威胁油船和船员生命财产安全。所以必须对机舱油气浓度进行控制，避免爆炸和火灾的发生。

3 油船机舱自动化系统设计要求分析

根据《钢质海船入级规范》(2014)规定，机舱自动化系统主要设计要求如下。

(1) 传感器。能以适当的精度和灵敏度长期稳定地正常工作；传感器应能适应其工作环境；传感器的安装位置应能保证所测参数的准确性，且易拆装。

(2) 控制系统。控制系统应能有效、持续、可靠地运行；船舶自动化系统对工作环境的湿度要求是：温度达到45℃时，相对湿度为92%～98%，温度高于45℃时，相对湿度为67%～73%。

(3) 报警系统。能在控制室或设备所在的控制位置发出报警；报警系统应具有故障自我检测功能；应能使运行过程中出现的故障相互独立[6]。

4 基于PLC技术的油船机舱多参数自动控制系统设计

4.1 油船机舱温度自动控制的工作原理

该系统主要是由温度传感器、A/D转换器、PLC、D/A转换器、报警器、风机、风管、风门等组成(见图1)。温度传感器1～6实时监测机舱内温度的变化，实时传递到A/D转换器，经A/D转换器进行转换后传递到PLC与集控室，并在集控室仪表盘上显示。PLC内部将接收到的数据与设定值一一进行比较，当2个或2个以下的温度传感器超出设定值时，发出该传感器所对应的风门角增大指令；当2个以上的温度传感器超过设定值时，发出风机变频以增大风机转速的指令；当接收数据存在数据不全、大于最高设定值时，发出声、光警报，同时不影响其他指令的执行。D/A转换器将PLC发出的指令转换成模拟信号，作用于风门或风机调节机舱内风量。

图1 油船机舱多参数自动控制系统简图

4.2 舱室其他参数的自动控制原理

(1) 油气浓度。机舱内油气浓度的自动控制，只需将图1中的温度传感器换成相应的油气浓度传感器即可，原理与温度的自动控制完全一样。利用油船机舱通风系统将油气扫出舱外，达到自动控制机舱内油气浓度的目的。

(2) 湿度。机舱内湿度的自动控制则相对复杂。由于外界空气湿度的不确定性，需在机舱通风总管前加设超声波加湿器和转轮除湿器，以改变进入机舱内的空气湿度。当湿度传感器测得机舱内空气湿度高于设定值时，PLC发出风机变频和转轮除湿器工作的指令。外界空气在风机的机械作用下进入通风总管，再经转轮除湿器的作用对空气除湿后进入机舱，与机舱内空气混合、换气，达到降低机舱内空气湿度的作用。当湿度传感器测得机舱内空气湿度低于设定值时，PLC发出风机变频和超声波加湿器工作的指令，空气则经过超声波加湿器作用后进入机舱，达到增加机舱内空气湿度的作用。

4.3 主要部件

(1) PLC。 PLC采用计算机控制技术，通过编写程序实现程序控制和保护功能，从而实现油船机舱多参数的自动控制[7]。PLC的程序设计与大多数软件工程的设计方法一样，其概要设计可用流程框图表示。自动温度控制的PLC程序流程框图如图2所示。

图2 温度自动控制的PLC程序流程框图

(2) 超声波加湿器。考虑到加湿的工艺性和节能效果，该系统采用超声波加湿器。具体的工作原理为：通过超声波的高频震荡，在换能片作用下，将水雾化为1～5 μm的水雾粒子，与流动的空气进行热湿交换，达到加湿的目的[8]。

(3) 转轮除湿器。转轮除湿器的除湿原理为：由转轴带动的吸附转盘低速转动，一半在处理区吸收空气中的水分子，另一半则在再生区对吸收的水分子进行高温处理，这一过程周而复始，其优点是效率高，除湿量大。

5 可行性分析

5.1 结构可行性分析

目前，国内还没有专家学者研究油船机舱内多参数的自动控制。所以，该系统具有很大的优越性，在结构方面有以下优点。

(1) 与现有油船机舱通风系统相比，该系统只增设了传感器、A/D转换器、PLC、D/A转换器、报警器几个主要器件，结构简单。

(2) 为提高传感器所测参数的准确性，将传感器安装在通风支管的风门正后方。可在新造油船上安装，也可以安装在现有油船机舱通风管系上。

(3) 考虑到传感器损坏、误测等情况的发生，该系统设有报警器，可以满足油船机舱自动化的设计要求。

5.2 技术可行性分析

PLC技术已经成为了油船应用最成熟的自动化技术。为实现油船机舱多参数的自动控制，采用的技术方案为：将传感器所测参数与设定值进行比较，经PLC运算后输出执行指令，就能达到自动控制多参数的目的。该系统结构简单，安装方便，提高了油船机舱的自动化程度，减少了轮机人员的工作量。

5.3 经济可行性分析

油船机舱自动化通风系统在设计上虽然所用传感器及报警器较多，但整体价格低廉，与原有油船机舱通风系统的造价相比，差价不大。但其与PLC结合使用后，能在降低能源消耗和轮机人员劳动强度的同时，提高油船机舱的自动化程度与通风效率，初期投资小，符合经济性要求。

6 结语

该系统的研究设计符合油船机舱系统的设计要求，能有效地降低轮机人员的工作量，提高油船机舱通风系统的效率，为进一步实现无人化机舱提供了一些参考。

本文的油船机舱多参数自动控制系统设计属于前期研究，未能在专业模拟软件上进行模拟仿真或在实船环境下检测其运行的可靠性，也未考虑机舱内几种参数相互影响的情况，因此后期的研究可以对本文的设计进行软件模拟仿真、对机舱内几种参数相互影响的具体过程进行分析等方面做进一步的研究。

[1] 范永胜, 王珉. 电气控制与PLC应用(第二版)[M]. 北京：中国电力出版社，2007.

[2] 王金光, 涂兴建, 李日发. 浅析船舶自动化技术现状[J]. 科技资讯, 2014,12: 55.

[3] 梁彦超. 某船机舱通风系统模拟分析及优化设计[D]. 上海: 上海交通大学, 2011.

[4] 于学兴, 孙培廷, 夏治发, 等. 船舶机舱的自然通风[J]. 大连海事大学学报: 自然科学版, 2004, 30(2): 23-25.

[5] 赫伟建. 船舶机舱通风速度场温度场数值模拟[D]. 大连：大连海事大学, 2005.

[6] CCS. 钢质海船入级规范[S]. 2014.

[7] 赵炎. 船舶机舱设备运行数据采集系统的研制[D]. 厦门：集美大学, 2013.

[8] 孙莹, 孙艳秀. 空调用加湿器的介绍及选用分析[J]. 制冷空调与电力机械, 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年浙江省自然科学基金青年基金项目，编号LQ14E090001；2013年浙江省重大科技专项，编号2013C03033。

邹永冬(1992-)，男，本科。

U662

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