貨艙通風(fēng)除濕系統仿真和國產(chǎn)化研究

貨艙通風(fēng)除濕系統仿真和國產(chǎn)化研究

　　摘要：根據貨艙通風(fēng)除濕系統的動(dòng)態(tài)數學(xué)模型，開(kāi)發(fā)了仿真軟件包，可模擬系統在各種工作模式下的溫度、壓強、相對濕度等參數的響應過(guò)程；在此基礎上提出了通風(fēng)除濕控制系統的設計方案．

　　關(guān)鍵詞:貨艙；通風(fēng)除濕系統；仿真軟件包

　　Thesimulationanddesignofventilation

　　anddehumidificationsystemincargohold

　　HUYaohuaJIAXinle

　　InformationEngineeringCollege，DMU,Dalian，China;

　　LIYanmingJIBaojun

　　DalianNewShipyard,Dalian,China;

　　YUChangshengXIEJianmin

　　DalianWandaGroup,Dalian,China)

　　Abstract：Asimulatingsoftwarebasedonthedynamicmathematicalmodelofcargoholdventilationanddehumidificationsystemispresented.Itcanemulatetherespondingprocessofsystem'stemperature,pressure,relatedhumidityunderallkindsofoperatingmodes.Thedesignideaoftheventilation&dehumidificationcontrolsystemisintroduced.

　　Keywords:cargohold;ventilation&dehumidificationsystem;simulatingsoftware

　　通風(fēng)除濕系統在船舶貨運中起著(zhù)重要作用，目前我國設計制造的出口貨船基本上都成套引進(jìn)通風(fēng)除濕設備和控制裝置，既增加了制造成本，同時(shí)也增加了設計中各種設備選型的困難．為了促進(jìn)國外引進(jìn)設備和技術(shù)的消化吸收，提高我國自行設計的船舶的國產(chǎn)化程度，我們對大連造船新廠(chǎng)引進(jìn)的貨船貨艙通風(fēng)除濕系統進(jìn)行了深入研究和實(shí)船試驗，根據流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)建立了系統在各種工作模式下貨艙溫度、濕度、壓力等參數變化的動(dòng)態(tài)數學(xué)模型［1］，研制開(kāi)發(fā)了仿真軟件包，在此基礎上提出了貨船貨艙通風(fēng)除濕系統監控部分的國產(chǎn)化方案，包括系統硬件設備組成、控制系統工作原理等．該仿真軟件已在大連造船新廠(chǎng)獲得成功的應用，為通風(fēng)除濕系統的設計和設備選型提供了依據．

　　1通風(fēng)除濕系統流程及設備配置

　　1.1系統流程

　　如圖1，在機艙安裝兩臺除濕機DHU1和DHU2；貨船共有10個(gè)貨艙，CHD1S～10S和CHD1E～10E分別為各艙右舷和左舷氣動(dòng)風(fēng)門(mén)，它們與貨艙左右舷的通風(fēng)管道連接．在通風(fēng)管道入口有軸流式可調螺距風(fēng)機CS1和CSE1；大氣由進(jìn)風(fēng)口OAG1經(jīng)氣動(dòng)風(fēng)門(mén)OAD1與風(fēng)機CS1入口相連，機艙空氣經(jīng)入口PFD1與CS1相連．MAD1～6為手動(dòng)調風(fēng)門(mén)，它們連接CSE1和除濕機間的管道；H1和H2分別為除濕機排風(fēng)罩和貨艙進(jìn)排風(fēng)罩．

　　1.2系統主要設備

　　除濕機DHU1和DHU2：吸收入口濕空氣中的水分排向大氣；除濕后的干空氣進(jìn)入貨艙除濕．除濕機可自動(dòng)或手動(dòng)控制，自動(dòng)控制時(shí)，系統通過(guò)比較貨艙相對濕度的測量值與期望值，自動(dòng)判斷啟動(dòng)或停止除濕機；也可根據需要手動(dòng)啟動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)除濕機除濕．

　　風(fēng)機CS1和CSE1：作為貨艙通風(fēng)除濕的供風(fēng)和排風(fēng)機．風(fēng)機可在控制臺遙控其啟動(dòng)或停止，并可調節其流量．

　　各艙氣動(dòng)風(fēng)門(mén)CHD1S～10S和CHD1E～10E：可自動(dòng)或手動(dòng)開(kāi)關(guān)，自動(dòng)控制時(shí)，系統通過(guò)比較貨艙相對濕度的測量值與期望值，判斷應該開(kāi)或關(guān)艙門(mén)；也可在控制臺遙控其開(kāi)關(guān)．

　　溫度和濕度傳感器：置于各貨艙底部和頂部、以及風(fēng)機、除濕機等處，將測量信號傳送到控制臺進(jìn)行數據處理和顯示．

　　2仿真軟件設計

　　根據建立的貨艙通風(fēng)除濕系統的動(dòng)態(tài)數學(xué)模型，我們在Windows95環(huán)境下采用VisualC++［2,3］編制了仿真軟件，以下拉菜單為框架，以對話(huà)框實(shí)現人機交互和初始參數輸入，以流程圖顯示除濕機和各貨艙的工作狀態(tài)和參數變化，以曲線(xiàn)的形式描述各艙溫度和濕度的變化趨勢，通過(guò)對系統和用戶(hù)消息的響應來(lái)完成本系統的啟動(dòng)、仿真、打印、退出等功能．

　　2.1參數輸入設計

　　實(shí)現通風(fēng)除濕系統仿真需要的初始參數包括大氣和各貨艙的溫度、濕度、壓強，各艙艙門(mén)控制狀態(tài)、系統工作模式、風(fēng)機參數等．為了使用戶(hù)輸入參數方便快速，設計了多個(gè)對話(huà)框，在整個(gè)運行過(guò)程中，用戶(hù)可通過(guò)鍵盤(pán)和鼠標輸入或修改參數，各參數被存入到相應的數據結構中．為了防止用戶(hù)誤操作，程序還設置了檢錯功能．

　　通風(fēng)除濕系統涉及的主要設備是除濕機和風(fēng)機，為了方便實(shí)際設計中對設備的選型，在軟件包中設計了除濕機和風(fēng)機特性對話(huà)框，用戶(hù)可以模擬各種不同型號的除濕機和風(fēng)機的除濕效果，進(jìn)行設備選型．

　　2.2畫(huà)面設計

　　畫(huà)面用于實(shí)時(shí)顯示系統工作流程和狀態(tài)，動(dòng)態(tài)更新仿真數據和參數變化趨勢．畫(huà)面包括系統總流程、除濕機流程、各單艙流程圖、趨勢畫(huà)面、以及總趨勢畫(huà)面．

　　總流程圖動(dòng)態(tài)顯示系統工作模式、仿真時(shí)間、各艙實(shí)時(shí)參數(溫度、相對濕度、流入流出氣體的質(zhì)量流量)．

　　除濕機流程顯示除濕機的工作狀態(tài)、風(fēng)機入口和出口的溫度和相對濕度值，用戶(hù)可在畫(huà)面上利用鼠標啟動(dòng)或關(guān)閉除濕機，或切換到溫度濕度歷史趨勢畫(huà)面．

　　單艙流程顯示該艙實(shí)時(shí)參數變化和運行狀態(tài)，運行時(shí)可隨時(shí)在畫(huà)面中直接修改或設置該艙的狀態(tài)和參數．

　　趨勢畫(huà)面以曲線(xiàn)的形式直觀(guān)地描述各艙的溫度和相對濕度的變化趨勢，同時(shí)顯示各時(shí)刻的參數值，方便了除濕系統設計人員的分析．

　　2.3實(shí)船實(shí)驗

　　為了提高仿真結果的準確性和A性，使理論分析與實(shí)踐緊密結合，我們分別在自然通風(fēng)和除濕機除濕兩種工作模式下，對通風(fēng)除濕系統進(jìn)行了實(shí)驗，了解系統的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程、除濕機和風(fēng)機的工作情況；獲取了建模需要的各關(guān)鍵位置上的壓強、流速、溫度、濕度等數據，這些實(shí)驗數據給出的溫度和濕度變化趨勢同時(shí)作為仿真調試的依據．

　　2.4貨艙參數計算

　　參數計算是整個(gè)仿真系統的核心，根據建立的貨艙通風(fēng)除濕系統的動(dòng)態(tài)數學(xué)模型［1］，編制了不同工作模式下的計算子程序，根據用戶(hù)選擇的工作模式，循環(huán)計算貨艙參數變化，并實(shí)時(shí)顯示．所有時(shí)刻的參數均以文件的形式存儲，以便設計人員分析．在循環(huán)計算過(guò)程中程序隨時(shí)檢測用戶(hù)消息，進(jìn)行參數修改、曲線(xiàn)打印等．

　　3貨艙通風(fēng)除濕監控系統組成方案

　　根據系統流程和控制要求，設計貨艙通風(fēng)除濕控制系統的計算機監控部分，系統關(guān)鍵硬件設備如除濕機等仍采用進(jìn)口設備，以增加運行可靠性，其它硬件設備在國內市場(chǎng)上購置，以降低成本，并加快開(kāi)發(fā)速度．國產(chǎn)化的初期工作主要是開(kāi)發(fā)整個(gè)貨艙通風(fēng)除濕控制系統的全套控制軟件，對硬件系統進(jìn)行組裝、調試，實(shí)現交船運行．

　　3.1控制器

　　控制器是監控系統進(jìn)行實(shí)時(shí)數據采集、監視、控制決策、輸出控制信號的單元，是整個(gè)貨艙通風(fēng)除濕監控系統的核心．控制器可采用可編程序控制器(PLC)或STD工業(yè)控制機．

　　可編程序控制器采用瑞典SattControll公司的Sattcon15x型PLC，它具有強大的數據輸入輸出及過(guò)程監控能力：配套接口有A/D轉換器、模擬量輸入輸出轉換器、數字量輸入輸出轉換器，可處理128個(gè)模擬量輸入信號，64個(gè)模擬量輸出信號，512個(gè)數字輸入/輸出信號；具有4個(gè)串行口，可進(jìn)行8路PID控制，并可通過(guò)編程進(jìn)行各種順序控制和邏輯控制．該PLC編程方便，特別是借助DOX05軟件包，可直接通過(guò)PC機利用類(lèi)似于宏匯編的程序語(yǔ)言編程來(lái)簡(jiǎn)化軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程．

　　STD工業(yè)控制機采用或CPU，其操作系統和軟件環(huán)境與一般的PC機完全兼容，使得監視控制軟件完全可以用高級程序語(yǔ)言(如C語(yǔ)言)編程，從而大大減少軟件的開(kāi)發(fā)周期，提高軟件的可擴展性和可維護性．

　　3.2報警顯示操作面板

　　報警操作面板置于駕駛臺，用于指明報警信號的地點(diǎn)和報警性質(zhì)．

　　操作面板可采用PLC，其規模略小于監控器Sattcon15x，型號為SattconOP45，它把控制功能和人機界面結合在一起，應用簡(jiǎn)便靈活，在本系統中只實(shí)現報警顯示和人機界面功能．SattconOP45和控制器單元Sattcon15x通過(guò)RS232/RS485接口進(jìn)行數據通信，該面板有帶背光的液晶顯示器，一共4行，每行40個(gè)字符，用于指明報警信號的地點(diǎn)和報警性質(zhì)．面板上有22個(gè)鍵，用于執行相應的操作，如報警消音，選擇某些點(diǎn)進(jìn)行在線(xiàn)參數監視等．

　　操作面板也可采用與SattconOP45具有類(lèi)似功能的產(chǎn)品，或采用PC104配以液晶顯示器與鼠標構成微型監控器實(shí)現同樣的功能．

　　3.3人機界面

　　人機界面可用一般的PC機或工控機實(shí)現，它與控制器通過(guò)RS232接口進(jìn)行數據通信．人機界面由菜單和畫(huà)面構成，用于進(jìn)行各路數據的顯示(流程和曲線(xiàn))、各種操作、各種參數設置等．主要的畫(huà)面和菜單有：

　　總流程圖：顯示各艙實(shí)時(shí)數據，啟動(dòng)或關(guān)閉風(fēng)機，設置風(fēng)機流量；

　　單艙流程圖：監視、顯示該艙室的溫度和濕度等參數，切換到對應艙的趨勢畫(huà)面，設置艙門(mén)的開(kāi)關(guān)和控制狀態(tài)及報警參數等；

　　除濕機流程圖：顯示除濕機入口出口參數，啟動(dòng)或停止除濕機；

　　歷史數據趨勢圖：顯示各艙溫度、濕度等參數變化的趨勢；

　　菜單：選擇通風(fēng)除濕系統的工作模式及相互間切換，設置貨艙相對濕度期望值，并可切換到其它各個(gè)畫(huà)面．

　　3.4多路數據記錄儀

　　用于記錄系統參數隨時(shí)間變化的歷史曲線(xiàn)，可選擇HoneywellDPR3000，該記錄儀可同時(shí)在紙上記錄32路時(shí)間歷史曲線(xiàn)，具有較高的可靠性；或采用高檔彩色打印機完成同樣的功能．

　　3.5各類(lèi)傳感器

　　溫度和濕度傳感器及閥位傳感器等型號由通風(fēng)除濕系統總體設計確定，用于各種數據的測量和變送．

　　4仿真軟件在貨艙通風(fēng)除濕控制系統國產(chǎn)化研究中的應用

　　通過(guò)對引進(jìn)系統的分析研究和建模仿真，我們提出了實(shí)現貨艙通風(fēng)除濕監控系統國產(chǎn)化的方案.

　　除濕監控系統

　　主控制器是整個(gè)貨艙通風(fēng)除濕監控系統的核心，負責實(shí)時(shí)數據采集、監視、控制決策、輸出控制信號等．控制器可采用可編程序控制器或STD工業(yè)控制機．

　　報警顯示操作面板置于駕駛臺，它和控制器通過(guò)串行接口進(jìn)行數據通信，用于指明報警信號的地點(diǎn)和報警性質(zhì)．

　　人機界面與控制器通過(guò)串行接口進(jìn)行數據通信，它由菜單和畫(huà)面構成，用于進(jìn)行各種數據的顯示(流程和曲線(xiàn))、操作、參數設置及曲線(xiàn)打印等．

　　在實(shí)際貨艙通風(fēng)除濕控制系統的設計階段，可利用貨艙通風(fēng)除濕仿真軟件包模擬實(shí)際系統，與監控計算機組成一個(gè)閉環(huán)系統，對監控系統的軟件和硬件進(jìn)行聯(lián)機調試，以加快系統開(kāi)發(fā)，提高效率，保證安全，節約成本．

　　5結束語(yǔ)

　　本文給出的仿真軟件包在給定外部邊界條件后，可模擬通風(fēng)除濕系統在溫度范圍-10～40℃、相對濕度0～100%時(shí)不同工作模式下溫度、濕度、壓力及氣體流量等參數變化的趨勢，反映實(shí)際系統的工作機理和特點(diǎn)，為實(shí)際系統的分析、設計和設備選型提供理論依據，節省實(shí)驗費用、縮短設計周期，為實(shí)現通風(fēng)除濕系統的國產(chǎn)化打下良好的基礎；畫(huà)面清晰易懂，操作方便，便于用戶(hù)使用；仿真軟件具有良好的可移植性和可擴展性；貨艙通風(fēng)除濕控制系統國產(chǎn)化方案實(shí)際可行．

　　作者單位：胡耀華賈欣樂(lè )大連海事大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧大連；

　　李延明季寶軍大連造船新廠(chǎng)，遼寧大連；

　　于長(cháng)生謝建敏大連萬(wàn)達集團，遼寧大連)

　　參考文獻

　?。?］賈欣樂(lè ),胡耀華等.貨艙通風(fēng)除濕系統數學(xué)模型和仿真研究［J］.船舶工程,1998,114(3):42～45

　?。?］DavidJK著(zhù),王國印譯.VisualC++技術(shù)內幕［M］.北京:清華大學(xué)出版社,1995.

　?。?］NamirCS著(zhù),王國印,張赤紅譯.VisualC++使用指南［M］.北京:清華大學(xué)出版社,1995.