（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(dòng)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(duì)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(jì)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(jì)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(shí)也增加了設(shè)計(jì)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(jì)的船舶的國產(chǎn)化程度，我們對(duì)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(yàn)，根據(jù)流體動(dòng)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(dòng)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(jì)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(tái)除濕機(jī)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，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(dòng)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(dòng)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(dòng)或手動(dòng)控制，自動(dòng)控制時(shí)，系統(tǒng)通過比較貨艙相對(duì)濕度的測(cè)量值與期望值，自動(dòng)判斷啟動(dòng)或停止除濕機(jī)；也可根據(jù)需要手動(dòng)啟動(dòng)一個(gè)或兩個(gè)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(tái)遙控其啟動(dòng)或停止，并可調(diào)節(jié)其流量．
各艙氣動(dòng)風(fēng)門CHD1S～10S和CHD1E～10E：可自動(dòng)或手動(dòng)開關(guān)，自動(dòng)控制時(shí)，系統(tǒng)通過比較貨艙相對(duì)濕度的測(cè)量值與期望值，判斷應(yīng)該開或關(guān)艙門；也可在控制臺(tái)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(cè)量信號(hào)傳送到控制臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示．
2仿真軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)建立的貨艙通風(fēng)除濕系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，我們?cè)赪indows95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(duì)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(shì)，通過對(duì)系統(tǒng)和用戶消息的響應(yīng)來完成本系統(tǒng)的啟動(dòng)、仿真、打印、退出等功能．
2.1參數(shù)輸入設(shè)計(jì)
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(jì)了多個(gè)對(duì)話框，在整個(gè)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(cuò)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(jì)中對(duì)設(shè)備的選型，在軟件包中設(shè)計(jì)了除濕機(jī)和風(fēng)機(jī)特性對(duì)話框，用戶可以模擬各種不同型號(hào)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(jì)
畫面用于實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)工作流程和狀態(tài)，動(dòng)態(tài)更新仿真數(shù)據(jù)和參數(shù)變化趨勢(shì)．畫面包括系統(tǒng)總流程、除濕機(jī)流程、各單艙流程圖、趨勢(shì)畫面、以及總趨勢(shì)畫面．
總流程圖動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)工作模式、仿真時(shí)間、各艙實(shí)時(shí)參數(shù)(溫度、相對(duì)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(duì)濕度值，用戶可在畫面上利用鼠標(biāo)啟動(dòng)或關(guān)閉除濕機(jī)，或切換到溫度濕度歷史趨勢(shì)畫面．
單艙流程顯示該艙實(shí)時(shí)參數(shù)變化和運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)可隨時(shí)在畫面中直接修改或設(shè)置該艙的狀態(tài)和參數(shù)．
趨勢(shì)畫面以曲線的形式直觀地描述各艙的溫度和相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)，同時(shí)顯示各時(shí)刻的參數(shù)值，方便了除濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的分析．
2.3實(shí)船實(shí)驗(yàn)
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(duì)通風(fēng)除濕系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，了解系統(tǒng)的動(dòng)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(yàn)數(shù)據(jù)給出的溫度和濕度變化趨勢(shì)同時(shí)作為仿真調(diào)試的依據(jù)．
2.4貨艙參數(shù)計(jì)算
參數(shù)計(jì)算是整個(gè)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(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型［1］，編制了不同工作模式下的計(jì)算子程序，根據(jù)用戶選擇的工作模式，循環(huán)計(jì)算貨艙參數(shù)變化，并實(shí)時(shí)顯示．所有時(shí)刻的參數(shù)均以文件的形式存儲(chǔ)，以便設(shè)計(jì)人員分析．在循環(huán)計(jì)算過程中程序隨時(shí)檢測(cè)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(jì)貨艙通風(fēng)除濕控制系統(tǒng)的計(jì)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(chǎng)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(gè)貨艙通風(fēng)除濕控制系統(tǒng)的全套控制軟件，對(duì)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(shí)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制決策、輸出控制信號(hào)的單元，是整個(gè)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(gè)模擬量輸入信號(hào)，64個(gè)模擬量輸出信號(hào)，512個(gè)數(shù)字輸入/輸出信號(hào)；具有4個(gè)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(jiǎn)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(jí)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(bào)警顯示操作面板
報(bào)警操作面板置于駕駛臺(tái)，用于指明報(bào)警信號(hào)的地點(diǎn)和報(bào)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(hào)為SattconOP45，它把控制功能和人機(jī)界面結(jié)合在一起，應(yīng)用簡(jiǎn)便靈活，在本系統(tǒng)中只實(shí)現(xiàn)報(bào)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(gè)字符，用于指明報(bào)警信號(hào)的地點(diǎn)和報(bào)警性質(zhì)．面板上有22個(gè)鍵，用于執(zhí)行相應(yīng)的操作，如報(bào)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(shí)數(shù)據(jù)，啟動(dòng)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(duì)應(yīng)艙的趨勢(shì)畫面，設(shè)置艙門的開關(guān)和控制狀態(tài)及報(bào)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(dòng)或停止除濕機(jī)；
歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖：顯示各艙溫度、濕度等參數(shù)變化的趨勢(shì)；
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(duì)濕度期望值，并可切換到其它各個(gè)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(shí)間變化的歷史曲線，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，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(hào)由通風(fēng)除濕系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)確定，用于各種數(shù)據(jù)的測(cè)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(duì)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(gè)貨艙通風(fēng)除濕監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制決策、輸出控制信號(hào)等．控制器可采用可編程序控制器或STD工業(yè)控制機(jī)．
報(bào)警顯示操作面板置于駕駛臺(tái)，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(bào)警信號(hào)的地點(diǎn)和報(bào)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(jì)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(jì)算機(jī)組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，對(duì)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(duì)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(shù)變化的趨勢(shì)，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(jì)和設(shè)備選型提供理論依據(jù)，節(jié)省實(shí)驗(yàn)費(fèi)用、縮短設(shè)計(jì)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)
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