林文城

(厦门海洋职业技术学院，福建 厦门 361012)

某公司生产的Desalt JWP-26-C80船用造水机，采用高真空低沸点的蒸馏方法来实现海水淡化，为船舶其他动力设备和船员生活提供淡水。该造水机结构系统完善，海水依靠水泵加压后，历经抽真空、向蒸馏器补给海水和投放药剂、用柴油机缸套冷却水加热、分离气液、冷凝水蒸气、向淡水柜排送蒸馏水、检测蒸馏水含盐量和排放多余盐水等诸多环节，才能生产出含盐量合格的淡水[1]。为保证装置的正常运行，控制蒸馏器的高真空(即低压力)是最重要的工作。如果蒸馏器内的真空度无法建立或者一直波动，那么造水机就不可能正常稳定工作，真空度太低，沸点过高，导致蒸发器表面结硬垢，甚至无法生产淡水；而真空度太高，所造淡水含盐量超标，水质不符合要求。而蒸馏器内真空度波动的原因，可能是装置自身结构性能的改变，也可能受制于工作环境的变化，技术参数值多且相互牵制，增加了装置运行管理和故障排除的难度。

基于造水机真空度控制的困境，创建1套基于Desalt JWP-26-C80的真空度自动控制系统，发挥可编程逻辑控制器(PLC)强大的运算功能、快速调节能力和可靠稳定控制等优势，周期性地监控该船用造水机的运行成效，实时调试工作状态，以应对外界环境的改变。当装置出现异常状况，自动控制系统立即报警并提供针对性的故障排除建议，设法减轻该造水机维护管理的压力。

1 控制系统的硬件组成

船用造水机真空度控制系统硬件示意图如图1所示，选择TD200触摸屏作为上位机，借助编程器来实现与下位机的连接，建立人机交互，实时监控装置运行状况和设定技术参数初始值，以便于装置更好应对工作环境和外部需求的变化。下位机采用西门子S7系列控制器，模拟量输入模块选择西门子EM235，通过传感器、电开关和电磁阀等元件采集装置运行过程中的技术参数数值，经过输入接口的模数转换，将数字信号传送给PLC进行数据运算，生成电信号控制各执行元件的动作情况，自动调整装置的运行状态，从而不断修正目标参数的数值偏差。

图1 船用造水机真空度控制系统硬件示意图

2 控制系统的设计思路

船用造水机真空度的建立分为2个阶段：①在装置启动期间，真空泵(水射抽气器)抽除蒸馏器内的空气，直至设定的真空度，所以启动阶段装置的真空度由真空泵来建立。装置的真空度，取决于装置的密封性、真空泵的性能、海水的温度和流量。②在装置运行期间，产生大量的水蒸气，真空度的建立，必须由真空泵和冷凝器共同承担。

除了以上的影响因素之外，装置的真空度还受制于蒸发量和冷凝量的动态平衡。所以，在装置密封性能符合要求、泵部设备运转正常和管路阀件正确启闭的前提下，由于海水温度和主柴油机缸套冷却水温度等参数受制于外部条件，为了获得蒸馏器内稳定真空度数值，所采取的措施只能是调节装置的真空泵工作水、海水给水、主柴油机缸套冷却水、冷凝水和冷凝器冷却水等的流量值。考虑造水机本身的结构性能特点，在装置启动期间，借助调节真空泵的工作水流量控制装置的真空度；而在装置运行期间，通过调节冷凝器冷却水的流量控制装置的真空度。

依据装置的系统组成以及泵部的运行状况，将所有影响真空度的技术参数，设置允许浮动的数值范围。当这些技术参数的数值都在允许范围内变动时，监测实际真空度与初始值的偏差，PLC输出信号调节真空泵工作水的流量或者冷凝器冷却水的流量，这样周期性启动测试→计算→调节的工作循环，确保真空度数值的恒定。当参数值超出允许范围或开关量不符合设定等时，控制系统将发出警报信号，提示技术人员调整数据或者排除故障。

3 控制系统的软件设计

基于Desalt JWP-26-C80的结构组成以及外界的环境条件，真空度控制系统的程序开发，选择监控系统软件“组态王”和西门子编程软件“STEP7”，分别来呈现上位机监控界面的总体诉求和完成下位机控制程序的设计思路。

3.1 下位机控制程序的设计

装置启动时，控制系统先关闭真空破坏阀等电磁阀，确保密封性能，启动海水泵加压海水到设计压力后，自动调节真空泵工作水的流量，进行抽真空操作，当检测造水机内真空度升至设定值时，启动过程终止，自动转入装置的正常运行阶段。开启装置的给水阀、加热水水阀，冷凝器冷却水阀和凝水出口阀，自动控制冷凝器冷却水水阀，调节冷却水的流量，控制造水机的真空度维持在设定值。船用造水机真空度控制系统流程图如图2所示，控制系统利用开关元件和传感器等自动化元件采集造水机的各输入模拟信号，转换为数字信号后，PLC进行比例、积分、微分(以下简称PID)运算，输出信号控制各开关量和调节各技术参数。其中，最重要的工作环节是判断造水机的运行状况，根据装置真空度的实际数值，分别控制真空泵工作水和冷凝器冷却水的电液比例流量控制阀的动作，实现维持装置真空度恒定的目的。

图2 船用造水机真空度控制系统流程图

1)数据采集。遵循下位机控制程序的设计思路，在设定的扫描周期内，监测装置电子元件的开关量和技术参数的数值，将这些模拟量转换后，发送给PLC控制器。此外，根据船舶航行的海域位置、主柴油机的运行负载和装置的结构状况等，技术人员合理调整上位机相关参数的设定值，提升下位机控制系统的适应能力。

2)安全保护。首先，蒸馏器内真空度超出设定范围，直接影响装置的正常运转。其次，在建立真空度阶段可以选择对装置的密封性能进行自检，密封性能不合格需要停机检修。最后，监测海水泵和真空泵的运转是否正常。综上所述，在造水机运行过程中，真空度控制系统需要设定蒸馏器压力异常保护、密封性能失效保护和泵部吸排压力差过低保护等。

3)PID运算。为获取装置稳定真空度，真空度控制系统采用PLC闭环反馈控制，周期性采集装置真空度的瞬间值，运用PID运算进行调节，同步跟踪、快速修正该参数的数值。船用造水机真空度控制系统负反馈系统原理图如图3所示，实时采集真空度数值C(t)，该信号转换后输出测量值p(t)，PLC接收并完成PID运算，获取测量值p(t)和设定值sp(t)的偏差e(t)。为了消除测量值p(t)的偏差，PLC向执行机构输出控制信号M(t)，该信号放大后作用在电液比例流量阀上，根据比例电磁铁的位移与输入电流信号的大小和方向成正比的性质，M(t)控制滑阀的阀芯连续运动，合理调节真空泵工作水或冷凝器冷却水流量的大小，来获得满足装置要求的真空度C(t)，通过程序性循环调整控制，确保装置实际真空度维持在设定的数值。

图3 船用造水机真空度控制系统负反馈系统原理图

M(t)与e(t)的关系式为：

M(t)=

(1)

式中，Kp为比例控制增益；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数；M0为PID初始值。

根据装置的外在条件和性能特点，选择模拟量和开关量等数据的采集周期，从而离散化PID输入输出关系公式，最终获得系统采集第n次数据时的输出公式为：

M(n)=

(2)

式中，M(n)为第n次采样时PID输出；T为数据采集周期；n为数据采集次数，n=1，2，3……；e(n)为第n次数据采集时的真空度偏差。

4)脉冲宽度调制(PWM)输出。在船用造水机真空度控制系统中，PLC控制器对真空度实际的偏差值执行PID运算，输出不同占空比的PWM控制信号。该PWM控制信号在功率驱动放大电路中转换后，成为电流信号来控制电液比例流量阀阀芯的动作。通过改变PWM控制信号的占空比来改变比例电磁阀线圈通电时间，即控制阀芯相对于阀体的轴向位移(即阀口的轴向开度)的大小，调整真空泵工作水或冷凝器冷却水的平均流量，促使装置真空度的实际数值重返设定值，实现了控制系统的设计目的。

3.2 上位机控制程序的设计

TD200触摸屏选择“组态王”软件进行编程，建立船用造水机真空度控制系统的人机交互界面。在触摸屏上，动态展示装置运行过程中技术参数和开关量的实际数值，为日常管理工作提供数据支撑；同时根据外界环境条件的改变和自身结构特点的老化，提示技术人员进行技术参数设定值的调节。