貨艙通風(fēng)除濕系統(tǒng)仿真和國產(chǎn)化研究
摘要：根據(jù)貨艙通風(fēng)除濕系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，開發(fā)了仿真軟件包，可模擬系統(tǒng)在各種工作模式下的溫度、壓強(qiáng)、相對濕度等參數(shù)的響應(yīng)過程；在此基礎(chǔ)上提出了通風(fēng)除濕控制系統(tǒng)的設(shè)計方案．
關(guān)鍵詞:貨艙；通風(fēng)除濕系統(tǒng)；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(tǒng)在船舶貨運(yùn)中起著重要作用，目前我國設(shè)計制造的出口貨船基本上都成套引進(jìn)通風(fēng)除濕設(shè)備和控制裝置，既增加了制造成本，同時也增加了設(shè)計中各種設(shè)備選型的困難．為了促進(jìn)國外引進(jìn)設(shè)備和技術(shù)的消化吸收，提高我國自行設(shè)計的船舶的國產(chǎn)化程度，我們對大連造船新廠引進(jìn)的貨船貨艙通風(fēng)除濕系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究和實(shí)船試驗，根據(jù)流體動力學(xué)和熱力學(xué)建立了系統(tǒng)在各種工作模式下貨艙溫度、濕度、壓力等參數(shù)變化的動態(tài)數(shù)學(xué)模型［1］，研制開發(fā)了仿真軟件包，在此基礎(chǔ)上提出了貨船貨艙通風(fēng)除濕系統(tǒng)監(jiān)控部分的國產(chǎn)化方案，包括系統(tǒng)硬件設(shè)備組成、控制系統(tǒng)工作原理等．該仿真軟件已在大連造船新廠獲得成功的應(yīng)用，為通風(fēng)除濕系統(tǒng)的設(shè)計和設(shè)備選型提供了依據(jù)．
1通風(fēng)除濕系統(tǒng)流程及設(shè)備配置
1.1系統(tǒng)流程
如圖1，在機(jī)艙安裝兩臺除濕機(jī)DHU1和DHU2；貨船共有10個貨艙，CHD1S～10S和CHD1E～10E分別為各艙右舷和左舷氣動風(fēng)門，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(diào)螺距風(fēng)機(jī)CS1和CSE1；大氣由進(jìn)風(fēng)口OAG1經(jīng)氣動風(fēng)門OAD1與風(fēng)機(jī)CS1入口相連，機(jī)艙空氣經(jīng)入口PFD1與CS1相連．MAD1～6為手動調(diào)風(fēng)門，它們連接CSE1和除濕機(jī)間的管道；H1和H2分別為除濕機(jī)排風(fēng)罩和貨艙進(jìn)排風(fēng)罩．
1.2系統(tǒng)主要設(shè)備
除濕機(jī)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(jī)可自動或手動控制，自動控制時，系統(tǒng)通過比較貨艙相對濕度的測量值與期望值，自動判斷啟動或停止除濕機(jī)；也可根據(jù)需要手動啟動一個或兩個除濕機(jī)除濕．
風(fēng)機(jī)CS1和CSE1：作為貨艙通風(fēng)除濕的供風(fēng)和排風(fēng)機(jī)．風(fēng)機(jī)可在控制臺遙控其啟動或停止，并可調(diào)節(jié)其流量．
各艙氣動風(fēng)門CHD1S～10S和CHD1E～10E：可自動或手動開關(guān)，自動控制時，系統(tǒng)通過比較貨艙相對濕度的測量值與期望值，判斷應(yīng)該開或關(guān)艙門；也可在控制臺遙控其開關(guān)．
溫度和濕度傳感器：置于各貨艙底部和頂部、以及風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)等處，將測量信號傳送到控制臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示．
2仿真軟件設(shè)計
根據(jù)建立的貨艙通風(fēng)除濕系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)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，以對話框?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互和初始參數(shù)輸入，以流程圖顯示除濕機(jī)和各貨艙的工作狀態(tài)和參數(shù)變化，以曲線的形式描述各艙溫度和濕度的變化趨勢，通過對系統(tǒng)和用戶消息的響應(yīng)來完成本系統(tǒng)的啟動、仿真、打印、退出等功能．
2.1參數(shù)輸入設(shè)計
實(shí)現(xiàn)通風(fēng)除濕系統(tǒng)仿真需要的初始參數(shù)包括大氣和各貨艙的溫度、濕度、壓強(qiáng)，各艙艙門控制狀態(tài)、系統(tǒng)工作模式、風(fēng)機(jī)參數(shù)等．為了使用戶輸入?yún)?shù)方便快速，設(shè)計了多個對話框，在整個運(yùn)行過程中，用戶可通過鍵盤和鼠標(biāo)輸入或修改參數(shù)，各參數(shù)被存入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中．為了防止用戶誤操作，程序還設(shè)置了檢錯功能．
通風(fēng)除濕系統(tǒng)涉及的主要設(shè)備是除濕機(jī)和風(fēng)機(jī)，為了方便實(shí)際設(shè)計中對設(shè)備的選型，在軟件包中設(shè)計了除濕機(jī)和風(fēng)機(jī)特性對話框，用戶可以模擬各種不同型號的除濕機(jī)和風(fēng)機(jī)的除濕效果，進(jìn)行設(shè)備選型．
2.2畫面設(shè)計
畫面用于實(shí)時顯示系統(tǒng)工作流程和狀態(tài)，動態(tài)更新仿真數(shù)據(jù)和參數(shù)變化趨勢．畫面包括系統(tǒng)總流程、除濕機(jī)流程、各單艙流程圖、趨勢畫面、以及總趨勢畫面．
總流程圖動態(tài)顯示系統(tǒng)工作模式、仿真時間、各艙實(shí)時參數(shù)(溫度、相對濕度、流入流出氣體的質(zhì)量流量)．
除濕機(jī)流程顯示除濕機(jī)的工作狀態(tài)、風(fēng)機(jī)入口和出口的溫度和相對濕度值，用戶可在畫面上利用鼠標(biāo)啟動或關(guān)閉除濕機(jī)，或切換到溫度濕度歷史趨勢畫面．
單艙流程顯示該艙實(shí)時參數(shù)變化和運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行時可隨時在畫面中直接修改或設(shè)置該艙的狀態(tài)和參數(shù)．
趨勢畫面以曲線的形式直觀地描述各艙的溫度和相對濕度的變化趨勢，同時顯示各時刻的參數(shù)值，方便了除濕系統(tǒng)設(shè)計人員的分析．
2.3實(shí)船實(shí)驗
為了提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和A性，使理論分析與實(shí)踐緊密結(jié)合，我們分別在自然通風(fēng)和除濕機(jī)除濕兩種工作模式下，對通風(fēng)除濕系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗，了解系統(tǒng)的動態(tài)變化過程、除濕機(jī)和風(fēng)機(jī)的工作情況；獲取了建模需要的各關(guān)鍵位置上的壓強(qiáng)、流速、溫度、濕度等數(shù)據(jù)，這些實(shí)驗數(shù)據(jù)給出的溫度和濕度變化趨勢同時作為仿真調(diào)試的依據(jù)．
2.4貨艙參數(shù)計算
參數(shù)計算是整個仿真系統(tǒng)的核心，根據(jù)建立的貨艙通風(fēng)除濕系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型［1］，編制了不同工作模式下的計算子程序，根據(jù)用戶選擇的工作模式，循環(huán)計算貨艙參數(shù)變化，并實(shí)時顯示．所有時刻的參數(shù)均以文件的形式存儲，以便設(shè)計人員分析．在循環(huán)計算過程中程序隨時檢測用戶消息，進(jìn)行參數(shù)修改、曲線打印等．
3貨艙通風(fēng)除濕監(jiān)控系統(tǒng)組成方案
根據(jù)系統(tǒng)流程和控制要求，設(shè)計貨艙通風(fēng)除濕控制系統(tǒng)的計算機(jī)監(jiān)控部分，系統(tǒng)關(guān)鍵硬件設(shè)備如除濕機(jī)等仍采用進(jìn)口設(shè)備，以增加運(yùn)行可靠性，其它硬件設(shè)備在國內(nèi)市場上購置，以降低成本，并加快開發(fā)速度．國產(chǎn)化的初期工作主要是開發(fā)整個貨艙通風(fēng)除濕控制系統(tǒng)的全套控制軟件，對硬件系統(tǒng)進(jìn)行組裝、調(diào)試，實(shí)現(xiàn)交船運(yùn)行．
3.1控制器
控制器是監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制決策、輸出控制信號的單元，是整個貨艙通風(fēng)除濕監(jiān)控系統(tǒng)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(jī)．
可編程序控制器采用瑞典SattControll公司的Sattcon15x型PLC，它具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)輸入輸出及過程監(jiān)控能力：配套接口有A/D轉(zhuǎn)換器、模擬量輸入輸出轉(zhuǎn)換器、數(shù)字量輸入輸出轉(zhuǎn)換器，可處理128個模擬量輸入信號，64個模擬量輸出信號，512個數(shù)字輸入/輸出信號；具有4個串行口，可進(jìn)行8路PID控制，并可通過編程進(jìn)行各種順序控制和邏輯控制．該P(yáng)LC編程方便，特別是借助DOX05軟件包，可直接通過PC機(jī)利用類似于宏匯編的程序語言編程來簡化軟件的開發(fā)過程．
STD工業(yè)控制機(jī)采用或CPU，其操作系統(tǒng)和軟件環(huán)境與一般的PC機(jī)完全兼容，使得監(jiān)視控制軟件完全可以用高級程序語言(如C語言)編程，從而大大減少軟件的開發(fā)周期，提高軟件的可擴(kuò)展性和可維護(hù)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(guī)模略小于監(jiān)控器Sattcon15x，型號為SattconOP45，它把控制功能和人機(jī)界面結(jié)合在一起，應(yīng)用簡便靈活，在本系統(tǒng)中只實(shí)現(xiàn)報警顯示和人機(jī)界面功能．SattconOP45和控制器單元Sattcon15x通過RS232/RS485接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，該面板有帶背光的液晶顯示器，一共4行，每行40個字符，用于指明報警信號的地點(diǎn)和報警性質(zhì)．面板上有22個鍵，用于執(zhí)行相應(yīng)的操作，如報警消音，選擇某些點(diǎn)進(jìn)行在線參數(shù)監(jiān)視等．
操作面板也可采用與SattconOP45具有類似功能的產(chǎn)品，或采用PC104配以液晶顯示器與鼠標(biāo)構(gòu)成微型監(jiān)控器實(shí)現(xiàn)同樣的功能．
3.3人機(jī)界面
人機(jī)界面可用一般的PC機(jī)或工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，它與控制器通過RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信．人機(jī)界面由菜單和畫面構(gòu)成，用于進(jìn)行各路數(shù)據(jù)的顯示(流程和曲線)、各種操作、各種參數(shù)設(shè)置等．主要的畫面和菜單有：
總流程圖：顯示各艙實(shí)時數(shù)據(jù)，啟動或關(guān)閉風(fēng)機(jī)，設(shè)置風(fēng)機(jī)流量；
單艙流程圖：監(jiān)視、顯示該艙室的溫度和濕度等參數(shù)，切換到對應(yīng)艙的趨勢畫面，設(shè)置艙門的開關(guān)和控制狀態(tài)及報警參數(shù)等；
除濕機(jī)流程圖：顯示除濕機(jī)入口出口參數(shù)，啟動或停止除濕機(jī)；
歷史數(shù)據(jù)趨勢圖：顯示各艙溫度、濕度等參數(shù)變化的趨勢；
菜單：選擇通風(fēng)除濕系統(tǒng)的工作模式及相互間切換，設(shè)置貨艙相對濕度期望值，并可切換到其它各個畫面．
3.4多路數(shù)據(jù)記錄儀
用于記錄系統(tǒng)參數(shù)隨時間變化的歷史曲線，可選擇HoneywellDPR3000，該記錄儀可同時在紙上記錄32路時間歷史曲線，具有較高的可靠性；或采用高檔彩色打印機(jī)完成同樣的功能．
3.5各類傳感器
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(tǒng)總體設(shè)計確定，用于各種數(shù)據(jù)的測量和變送．
4仿真軟件在貨艙通風(fēng)除濕控制系統(tǒng)國產(chǎn)化研究中的應(yīng)用
通過對引進(jìn)系統(tǒng)的分析研究和建模仿真，我們提出了實(shí)現(xiàn)貨艙通風(fēng)除濕監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化的方案.
除濕監(jiān)控系統(tǒng)
主控制器是整個貨艙通風(fēng)除濕監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)實(shí)時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)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(jī)．
報警顯示操作面板置于駕駛臺，它和控制器通過串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，用于指明報警信號的地點(diǎn)和報警性質(zhì)．
人機(jī)界面與控制器通過串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，它由菜單和畫面構(gòu)成，用于進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的顯示(流程和曲線)、操作、參數(shù)設(shè)置及曲線打印等．
在實(shí)際貨艙通風(fēng)除濕控制系統(tǒng)的設(shè)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(tǒng)，與監(jiān)控計算機(jī)組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，對監(jiān)控系統(tǒng)的軟件和硬件進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，以加快系統(tǒng)開發(fā)，提高效率，保證安全，節(jié)約成本．
5結(jié)束語
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(tǒng)在溫度范圍-10～40℃、相對濕度0～100%時不同工作模式下溫度、濕度、壓力及氣體流量等參數(shù)變化的趨勢，反映實(shí)際系統(tǒng)的工作機(jī)理和特點(diǎn)，為實(shí)際系統(tǒng)的分析、設(shè)計和設(shè)備選型提供理論依據(jù)，節(jié)省實(shí)驗費(fèi)用、縮短設(shè)計周期，為實(shí)現(xiàn)通風(fēng)除濕系統(tǒng)的國產(chǎn)化打下良好的基礎(chǔ)；畫面清晰易懂，操作方便，便于用戶使用；仿真軟件具有良好的可移植性和可擴(kuò)展性；貨艙通風(fēng)除濕控制系統(tǒng)國產(chǎn)化方案實(shí)際可行．
作者單位：胡耀華賈欣樂大連海事大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧大連；
李延明季寶軍大連造船新廠，遼寧大連；
于長生謝建敏大連萬達(dá)集團(tuán)，遼寧大連)
參考文獻(xiàn)
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