本實(shí)用新型涉及船舶冷卻水控制技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于變結(jié)構(gòu)控制的船舶中央冷卻水裝置。

背景技術(shù)：

船舶冷卻水系統(tǒng)是保證船舶動(dòng)力裝置安全可靠運(yùn)行的動(dòng)力系統(tǒng)之一，其作用是向需要冷卻的設(shè)備提供足量的冷卻水，以帶走設(shè)備散發(fā)出的熱量，使設(shè)備能夠在一定的溫度范圍內(nèi)正?？煽康墓ぷ?。

為了保證船舶全球航行的需要，傳統(tǒng)中央冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況為船舶在熱帶32℃水域全速航行。但實(shí)際情況是，一方面船舶大部分時(shí)間是在低于32℃的海域中航行，另一方面船舶又大多處于主機(jī)常用功率點(diǎn)下的經(jīng)濟(jì)航速。沒(méi)有采用變頻調(diào)速時(shí)，主海水泵長(zhǎng)期在超出實(shí)際需要的功率下運(yùn)行，造成大量能源浪費(fèi)。因此設(shè)計(jì)出根據(jù)船舶的工況變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)海水泵流量，保證船舶冷卻水出口溫度相對(duì)穩(wěn)定，從而大大減少海水泵能量消耗。通過(guò)以上分析船舶中央冷卻系統(tǒng)海水泵變頻節(jié)能控制勢(shì)在必行。

目前船舶中央冷卻水系統(tǒng)控制系統(tǒng)主要有兩種：1、船舶中央冷卻水出口溫度三通閥控制，保證冷卻水出口溫度穩(wěn)定在36℃，海水泵處于額定功率全速運(yùn)行，造成大量能量浪費(fèi)；2、針對(duì)船舶中央冷卻水系統(tǒng)海水回路存在的節(jié)能的潛力，瑞典Alfa Laval公司生產(chǎn)的ENGARD控制系統(tǒng)，根據(jù)中央冷卻器的熱負(fù)荷控制海水回路中的三臺(tái)海水泵(其中兩臺(tái)為雙速泵，第三臺(tái)為單速泵)，排量均為50％的設(shè)計(jì)流量)的啟、停、變極調(diào)速，從而優(yōu)化調(diào)節(jié)海水流量，以達(dá)到部分節(jié)能的效果。其最大不足之處在于系統(tǒng)工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，無(wú)法進(jìn)行連續(xù)調(diào)速。

目前船舶冷卻系統(tǒng)中中普遍采用中央冷卻系統(tǒng)，傳統(tǒng)的中央冷卻系統(tǒng)多為PID控制，PID控制最為明顯的缺陷就是大慣性、易超調(diào)。但是對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)而言，實(shí)時(shí)性越高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，為了改善船舶傳統(tǒng)中央冷卻系統(tǒng)的PID控制所造成的大慣性、易超調(diào)的特性，本實(shí)用新型采用基于串級(jí)PID為核心的變結(jié)構(gòu)控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于變結(jié)構(gòu)控制的船舶中央冷卻水裝置，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案：一種基于變結(jié)構(gòu)控制的船舶中央冷卻水裝置,包括船舶主機(jī)系統(tǒng)、淡水冷卻泵、板式冷卻器、海水泵以及控制器，所述船舶主機(jī)系統(tǒng)通過(guò)淡水冷卻泵連接板式冷卻器，所述板式冷卻器連接旁通開(kāi)關(guān)，所述旁通開(kāi)關(guān)分別連接船舶主機(jī)系統(tǒng)和三通閥控制器，所述三通閥控制器連接PID控制器，所述PID控制器連接人機(jī)操作界面，所述板式冷卻器連接海水泵，所述海水泵與海水箱連接，所述海水泵分別通過(guò)第一壓力開(kāi)關(guān)、第二壓力開(kāi)關(guān)、第三壓力開(kāi)關(guān)連接第一現(xiàn)場(chǎng)控制器、第二現(xiàn)場(chǎng)控制器、第三現(xiàn)場(chǎng)控制器，所述第一現(xiàn)場(chǎng)控制器、第二現(xiàn)場(chǎng)控制器、第三現(xiàn)場(chǎng)控制器分別連接PID控制器。

優(yōu)選的，還包括第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器、第四溫度傳感器、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器，所述第一溫度傳感器設(shè)置在船舶主機(jī)系統(tǒng)與淡水冷卻泵之間，且所述第一溫度傳感器連接PID控制器，所述第二溫度傳感器設(shè)置在旁通開(kāi)關(guān)一側(cè)，且所述第二溫度傳感器連接PID控制器，所述第三溫度傳感器、第一壓力傳感器分別設(shè)置在板式冷卻器一側(cè)，且所述第三溫度傳感器、第一壓力傳感器分別連接PID控制器，所述第四溫度傳感器、第二壓力傳感器分別設(shè)置在板式冷卻器和海水泵之間，且所述第四溫度傳感器、第二壓力傳感器分別連接PID控制器。

優(yōu)選的，所述PID控制器內(nèi)設(shè)有變結(jié)構(gòu)控制器，所述變結(jié)構(gòu)控制器包括第一主控制器、副調(diào)節(jié)器、變頻器、換熱器、流量變送器、第一溫度變送器和分段端發(fā)生器，所述第一主控制器輸入端連接第一溫度變送器輸出端，所述第一主控制器輸出端分別連接副調(diào)節(jié)器輸入端和流量變送器輸出端，所述副調(diào)節(jié)器輸出端分別連接變頻器輸入端和分段端發(fā)生器輸出端，所述變頻器輸出端分別連接換熱器輸入端和流量變送器輸入端，所述換熱器輸出端連接第一溫度變送器輸入端。

優(yōu)選的，所述三通閥控制器包括第二主控制器、淡水出口溫度傳感器以及第二溫度變送器，所述第二主控制器輸入端連接第二溫度變送器輸出端，所述第二主控制器輸出端連接旁通開(kāi)關(guān)，所述旁通開(kāi)關(guān)連接淡水出口溫度傳感器，所述淡水出口溫度傳感器連接第二溫度變送器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：

(1)本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，能夠有效的避免冷卻水出口溫度過(guò)調(diào)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(2)本實(shí)用新型采用兩套PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即三通閥出口溫度PID控制和基于PID為核心的變結(jié)構(gòu)海水泵控制，兩套控制系統(tǒng)各自獨(dú)立工作又相互關(guān)聯(lián)，任何一套出現(xiàn)故障時(shí)，另一套可以獨(dú)立工作，保證船舶航行安全，其關(guān)聯(lián)在于基于PID為核心的變結(jié)構(gòu)控制算法采集三通閥的反饋的位置信號(hào)，根據(jù)位置信號(hào)的范圍采用分段控制，強(qiáng)制三通閥旁路關(guān)小，讓大量熱水通過(guò)板式換熱器來(lái)增大換熱面積，提高換熱效率，從而大大降低變頻海水泵速度實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，當(dāng)三通閥開(kāi)度達(dá)到95％時(shí)，變頻器投入到自動(dòng)運(yùn)行模式，根據(jù)板式冷卻器出口溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型的PID控制器控制原理框圖；

圖3為本實(shí)用新型的三通閥控制器控制原理框圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1-3，本實(shí)用新型提供一種技術(shù)方案：一種基于變結(jié)構(gòu)控制的船舶中央冷卻水裝置,包括船舶主機(jī)系統(tǒng)1、淡水冷卻泵2、板式冷卻器3、海水泵4以及PID控制器5，所述船舶主機(jī)系統(tǒng)1通過(guò)淡水冷卻泵2連接板式冷卻器3，所述板式冷卻器3連接旁通開(kāi)關(guān)6，所述旁通開(kāi)關(guān)6分別連接船舶主機(jī)系統(tǒng)1和三通閥控制器7，所述三通閥控制器7連接PID控制器5，所述PID控制器5連接人機(jī)操作界面8，所述板式冷卻器3連接海水泵4，所述海水泵4與海水箱9連接，所述海水泵4分別通過(guò)第一壓力開(kāi)關(guān)10、第二壓力開(kāi)關(guān)11、第三壓力開(kāi)關(guān)12連接第一現(xiàn)場(chǎng)控制器13、第二現(xiàn)場(chǎng)控制器14、第三現(xiàn)場(chǎng)控制器15，所述第一現(xiàn)場(chǎng)控制器13、第二現(xiàn)場(chǎng)控制器14、第三現(xiàn)場(chǎng)控制器15分別連接PID控制器5。

本實(shí)施例中，還包括第一溫度傳感器16、第二溫度傳感器17、第三溫度傳感器18、第四溫度傳感器19、第一壓力傳感器20、第二壓力傳感器21，所述第一溫度傳感器16設(shè)置在船舶主機(jī)系統(tǒng)1與淡水冷卻泵2之間，且所述第一溫度傳感器16連接PID控制器5，所述第二溫度傳感器17設(shè)置在旁通開(kāi)關(guān)6一側(cè)，且所述第二溫度傳感器17連接PID控制器5，所述第三溫度傳感器18、第一壓力傳感器20分別設(shè)置在板式冷卻器3一側(cè)，且所述第三溫度傳感器18、第一壓力傳感器20分別連接PID控制器5，所述第四溫度傳感器19、第二壓力傳感器21分別設(shè)置在板式冷卻器3和海水泵4之間，且所述第四溫度傳感器19、第二壓力傳感器21分別連接PID控制器5。

本實(shí)施例中，PID控制器5內(nèi)設(shè)有變結(jié)構(gòu)控制器，所述變結(jié)構(gòu)控制器包括第一主控制器22、副調(diào)節(jié)器23、變頻器24、換熱器25、流量變送器26、第一溫度變送器27和分段端發(fā)生器28，所述第一主控制器22輸入端連接第一溫度變送器27輸出端，所述第一主控制器22輸出端分別連接副調(diào)節(jié)器23輸入端和流量變送器26輸出端，所述副調(diào)節(jié)器23輸出端分別連接變頻器24輸入端和分段端發(fā)生器28輸出端，所述變頻器24輸出端分別連接換熱器25輸入端和流量變送器26輸入端，所述換熱器25輸出端連接第一溫度變送器27輸入端。

另外，本實(shí)施例中，三通閥控制器7包括第二主控制器29、淡水出口溫度傳感器30以及第二溫度變送器31，所述第二主控制器29輸入端連接第二溫度變送器31輸出端，所述第二主控制器29輸出端連接旁通開(kāi)關(guān)6，所述旁通開(kāi)關(guān)6連接淡水出口溫度傳感器30，所述淡水出口溫度傳感器30連接第二溫度變送器31。

本實(shí)用新型采用串級(jí)控制，根據(jù)串級(jí)控制的特點(diǎn)，選擇滯后性較小的海水流量作為副被控變量，構(gòu)成副回路；以淡水出口溫度作為主被控量，構(gòu)成主回路。本實(shí)用新型以PID為控制器控制3個(gè)海水泵運(yùn)行來(lái)控制海水流量，海水通過(guò)換熱器將需冷卻的淡水冷卻。為了保證設(shè)備的安全，低溫淡水的溫度不能夠過(guò)低以防被冷卻設(shè)備與冷卻的低溫淡水溫差過(guò)大而導(dǎo)致設(shè)備損壞，但是海水泵的運(yùn)行頻率不可能無(wú)限降低，同時(shí)為了保證海水出口溫度不超出安全值(45℃)防止海水鹽析而降低換熱器換熱效率或是造成換熱器堵塞。當(dāng)海水泵運(yùn)行在下限頻率(30Hz)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法再改變海水泵運(yùn)行頻率，即無(wú)法改變海水流量，此時(shí)如果低溫淡水通過(guò)換熱器后淡水出口溫度過(guò)低，此時(shí)只能依靠溫控三通閥自身的PID控制來(lái)調(diào)節(jié)溫度，增大熱水的流量使淡水出口溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值。當(dāng)熱水開(kāi)度為5％時(shí)，為了保證淡水出口溫度的穩(wěn)定，系統(tǒng)切換為由PID控制海水泵的運(yùn)行。為了避免系統(tǒng)頻繁切換，在設(shè)計(jì)中留有2％的回差，即當(dāng)熱水開(kāi)度由7％降到3％時(shí)，海水泵提高運(yùn)行頻率同時(shí)加入PID控制，當(dāng)只有單臺(tái)熱水泵運(yùn)行并熱水開(kāi)度由3％升到7％時(shí)，海水泵以40Hz頻率運(yùn)行并退出PID控制由溫控三通閥自身PID控制。

本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，能夠有效的避免冷卻水出口溫度過(guò)調(diào)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；本實(shí)用新型采用兩套PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即三通閥出口溫度PID控制和基于PID為核心的變結(jié)構(gòu)海水泵控制，兩套控制系統(tǒng)各自獨(dú)立工作又相互關(guān)聯(lián)，任何一套出現(xiàn)故障時(shí)，另一套可以獨(dú)立工作，保證船舶航行安全，其關(guān)聯(lián)在于基于PID為核心的變結(jié)構(gòu)控制算法采集三通閥的反饋的位置信號(hào)，根據(jù)位置信號(hào)的范圍采用分段控制，強(qiáng)制三通閥旁路關(guān)小，讓大量熱水通過(guò)板式換熱器來(lái)增大換熱面積，提高換熱效率，從而大大降低變頻海水泵速度實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，當(dāng)三通閥開(kāi)度達(dá)到95％時(shí)，變頻器投入到自動(dòng)運(yùn)行模式，根據(jù)板式冷卻器出口溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

盡管已經(jīng)示出和描述了本實(shí)用新型的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本實(shí)用新型的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本實(shí)用新型的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。