船舶滑油温度控制系统的设计与研究

于海洋 张佰顺

（中国人民解放军海军潜艇学院 山东省青岛市 266199）

船舶润滑系统具有机械传动部件的润滑、冷却、减振降噪等功能，在延长机械设备使用寿命，保障船舶安全航行方面发挥着重要作用，而润滑剂温度的高低往往决定着润滑效果的好坏。目前，大部分船舶依旧采用传统的固定流量的冷却方式，这无法满足船舶全球航行时对润滑剂温度的调节需求，严重影响机械设备的使用寿命和航行安全。

如图1 传统船舶滑油冷却系统所示，目前船舶滑油冷却的主流方法是通过淡水冷却器由海水对淡水冷却，而后由淡水对高温滑油进行冷却，最终实现海水对滑油的间接冷却。该过程中滑油、淡水、海水的流量都是人为设定和控制，尚未形成滑油温度自动控制体系，人为因素影响明显。此外，目前尚不存在特殊工况下对滑油加热控制的装置，无法满足船舶紧急出港时所需的滑油温度加热调节。

图1： 传统船舶滑油冷却系统

随着自动控制技术的快速发展，PLC 控制成为解决该问题的有效方法。本文所设计的船舶滑油温度控制系统能有效实现对不同环境温度、工况条件下滑油温度的稳定控制，保证船舶机械设备在最适滑油温度下工作，延长其使用寿命。

1 系统功能过程

润滑剂被称为现代工业的血液。在船舶机械中，主推轴承、柴油机、发电机等设备的有效工作都依赖于性能优良的润滑剂。为保障润滑效果，本文针对影响滑油性能的主要因素——温度，研究并设计了船舶滑油温度控制系统。该系统的作用是，综合考虑船舶工况条件、水域环境等因素，实时调节加热功率和冷却水流量，将滑油温度维持在最适工作区间。

如图2 船舶滑油温度控制系统所示，本系统在现有滑油冷却系统的基础上，在滑油油箱中增加了滑油加热器，以实现对滑油的加热功能。同时，在滑油、淡水、海水三条管路上设置了温度及流量传感器以实时获取管路中的温度、流量数据。在该数据支撑下，结合传热学理论，系统以PLC 控制器为中心可计算出为保证滑油温度所需的加热功率或三条管路上的流量数据。进而，向执行器发出相应的控制指令，实现加热功率及管路流量调节，达到滑油温度精确控制的目的。

图2： 船舶滑油温度控制系统

2 系统组成

本系统主要由三部分组成：

（1）用以获取管路流量和温度的传感器，主要包括Pt100 传感器、LUGB 涡街流量传感器以及模拟量输入输出模块等。

（2）处理信号和发出指令的PLC 综合控制单元，本文选用西门子S7-1200 1215C 型PLC。

（3）执行温度调节指令的执行器，主要包括SINAMICS V90PN 伺服驱动器、伺服电机、滑油加热器以及功率放大器等。此外，还包括KTP700 Basic PN 触摸屏等辅助组件。本系统的结构组成框图如图3 所示。

图3： 基于PLC 的船舶滑油温度控制系统框图

3 系统硬件设计

3.1 PLC硬件组态

根据对滑油温度控制系统PLC 功能分析，PLC 控制单元、传感器输入单元、伺服执行机构和人机界面触摸屏等组成了控制系统；PLC 控制流程如图4 所示。在本系统控制单元中CPU 选用的是西门子S7-1200 1215C，电源模块是PM1207；2 个数字量输入模块SM1221 DI16，2 个数字量输出模块SM1222 DQ16，模拟量输入输出模块各一个，同时还有一个RS485/422 通讯模块CM 1241 (RS422/485)；PLC控制单元硬件组态完成后，结合该系统传感器输入单元中的温度传感器及流量传感器等以及伺服驱动器、功率放大器的控制信号等数字量输出信号的数量，系统数字输入输出点进行配置。

图4： PLC 控制流程

在船舶滑油温度智能控制系统中，HMI 人机界面选用的是西门子触摸屏KTP700，与S7-1200PLC 通过Profinet 总线实现通信，同时控制系统还配备起动、停止、紧急停止按钮以及报警三色灯；触摸屏作为人机交互的窗口实现对系统的控制和监控功能，PLC 与触摸屏硬件组态界面如图5 所示。

图5： PLC 与触摸屏硬件组态

3.2 系统组件选型

3.2.1 温度传感器

根据实际设计要求，选择温度变送器型号为EL2271 系列，如图6 实验室滑油温度控制系统模拟装置所示。感应探测头采用Pt100 传感器，具备高稳定性、耐磨损和高温潮湿的优点，满足系统测试流体温度检测要求。Pt100 温度传感器是一款重工况温度传感器，多用于测量海上应用得柴油发动机、涡轮以及压缩机排出的尾气、船舶滑油、燃油、冷却水等的温度信号。其量程为-25～85℃，响应时间小于10s。

图6： 实验室滑油温度控制系统模拟装置

3.2.2 流量传感器

管路流量检测选用LUGB 涡街流量传感器，如图6 实验室滑油温度控制系统模拟装置所示。该流量传感器是根据卡门涡街原理生产制造而成，主要用于测量流体的体积流量，其主要应用于工业管道介质流体的流量测量。其主要优点为精度高、可靠性高、压力损失小、维护量小，同时还具有测量范围广的特点，几乎不受流体温度、密度、粘度、压力等参数的影响。涡街流量计采用压电应力式传感器，可靠性高，可在-20℃～350℃的工作温度范围内工作。有模拟标准4-20MA 信号，也有数字脉冲信号输出，容易与计算机等数字系统配套使用，适用于本系统中滑油、海水及淡水管路流量的测量。

3.2.3 V90 伺服系统

SINAMICS V90PN 伺服驱动通过Profinet 电缆可与PLC的RJ45 接口相连接，电机侧的电源动力线和编码器电缆与驱动器侧的对应接口连接；SINAMICS V90 是一款小型、高效便捷的伺服系统。SINAMICS V90 驱动器与SIMOTICS S-1FL6 电机组成的伺服系统覆盖0.05kW～7kW 功率范围，SINAMICS V90 PN 支持SIMATIC PLC 的工艺对象(TO)，可通过TO 实现位置及速度的控制。在本系统中V90 伺服电机带动流量泵通过速度调节对滑油、海水和淡水管路流量进行控制。

4 系统软件设计

控制系统分为上位机和下位机，下位机主要由PLC程序、流量数据采集、温度数据采集等程序组成，上位机主要由控制柜触摸屏组成，触摸屏软件是基于西门子博图组态软件开发的可视化操作界面，其可实现近远程的健康和数据管理。选择通过先组态，再生成程序的方法进行控制。此部分主要介绍温度控制算法和PLC 程序设计流程。

4.1 温度控制算法

4.1.1 加热控制算法

为满足特殊工况下舰船紧急出港时滑油加热的需求,本系统设计了相应的滑油加热控制模块。滑油的快速加热主要依靠滑油加热器的高功率产热。因此，根据滑油实时温度和目标温度差可确定热交换量为：

式中，c表示滑油的比热容，m 为滑油总质量，T 和T分别表示目标滑油温度和实时滑油温度。进而，可确定滑油加热器的加热功率为：

式中，β 表示过量系数，通常取值为1.2；T为实时滑油温度，通过其管路上的温度变送器实时获得；t为船舶离港时间，其值可在PLC 编程过程中根据实际情况需求人为设定；对于某型船用滑油，其比热容c、最适温度T 以及所用滑油质量m 为固定值。因此，PLC 控制中心可通过式（2）依据实时滑油温度和流量确定滑油加热器为满足出港时间需求所需加热功率，并发出相应指令实现对船舶滑油的加热控制。

4.1.2 冷却控制算法

对机械设备的冷却是滑油系统的基本功能之一。当船舶动力突增或大水域范围航行时，热负荷急剧变化，而冷却系统未及时的随之调整，将导致滑油温度过高，影响机械设备使用寿命和航行安全。因此，维持滑油温度的关键在于及时调整海、淡水流量，保证对滑油的冷却效率。根据滑油实时温度和目标温度差可确定滑油所需热交换量为：

式中，q 表示滑油管路实时流量，q和q分别表示淡水管路和海水管路所需要设定的流量；T和T分别表示淡水管路中的实时高、低温水温，T和T分别表示海水管路中的实时高、低温水温；c和c分别表示淡水和海水的比热容，通常情况下其值为定值。因此，PLC 控制中心可通过式（6）依据实时滑油温度和流量确定三台泵机满足滑油冷却需求所需转速，并发出相应指令实现对船舶滑油的冷却控制。

4.2 PLC程序设计

船舶滑油温度智能控制系统的工作原理为：首先使能系统开始信号，调用系统初始化程序，进行船舶滑油、淡水及海水管路温度、流量检测，若检测到润滑温度小于最适工作温度，则调节功率放大器控制滑油加热频率。若检测到润滑温度大于最适工作温度，则调节伺服电机控制淡水及海水管路流量，进而控制滑油冷却效果。系统整体流程见图7。

图7： 船舶滑油温度智能控制系统软件流程

5 结语

本文介绍了船舶主机滑油温度控制系统的工作原理及滑油温度控制系统的设计方案。从硬件层面主要介绍了滑油温度控制系统的硬件组成，西门子S7-1200 1215C 控制器与温度传感器EL2271、LUGB 涡街流量计进行通信获取滑油、淡水及海水的实时温度数据信息，并计算获得满足滑油温度控制的输出条件，最终由PLC 控制滑油加热器、滑油管路泵机等执行机构完成对船舶滑油温度的控制；从软件层面介绍了滑油温度控制系统的PLC程序流程以及温度控制算法。船舶滑油温度控制系统能有效实现对不同环境温度、工况条件下滑油温度的稳定控制，对于延长机械设备使用寿命，保障船舶安全航行方面具有一定意义和参考价值。