基于西门子S7-400H型PLC的船舶中央冷却系统控制装置

冒如权

（海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室 上海200011）

0 引 言

冷却系统是保证船舶动力装置安全可靠运行的辅助系统之一，其能带走柴油机组及各类辅助设备运行所产生的热量，确保其正常稳定地工作。近年来，船舶对海水系统防腐防漏设计要求越来越高，海水、淡水管路分开设计的中央冷却系统，接触海水管路少，总体防腐蚀能力强，在船舶设计中广泛使用。

某型综合电力推进船设前后机舱和左右推进电机舱各一个，需要冷却的设备有：柴油机、发电机、变频器、变压器及辅助系统中央空调冷水机组等，因此冷却系统较复杂且冷却量大。为减轻船员劳动强度，提高系统运行可靠性和节能效果，且实现控制自动化，有必要采用能随温度自动控制的中央冷却系统控制装置。

采用的中央冷却系统［1-2］应海水与淡水管路分开，淡水回路为闭式循环，海水回路为开式循环，有别于传统的中央冷却系统。中央冷却系统的设计为前、后机舱冗余的方式，海水泵、淡水泵、中央冷却器均采用冗余设计，任何时候，前、后机舱仅一个冷却分站正常工作，就满足全船冷却需求。

本系统的控制装置采用西门子S7-400H型PLC冗余控制系统，从冷却系统到控制装置均采用冗余设计，大大提高了整套系统的可靠性。 淡水系统温度主要通过PID调节淡水三通阀改变流过中央冷却器的淡水流量来实现；海水系统根据船舶热负荷变化对海水泵优化控制，目的是控制海水流量以保证中央冷却器满足冷却要求，达到节能目的，并根据船舶运行工况的变化和各海水泵运行时间的计算对海水泵运行寿命进行优化控制。中央冷却系统图见图 1［3］。

图1 中央冷却系统图

1 控制装置组成及工作原理

1.1 组 成

中央冷却系统控制装置主要由S7-400H型PLC 控制器［4］、ET200 分站、UPS 电源、温度传感器、三通调节阀、海水泵、淡水泵，中央冷却器等组成。系统前、后机舱各配置一套功能完全相同的控制台，包括触摸式操作界面（Proface）和模拟操作板，在前、后机舱均可对控制装置进行监控。控制装置从CPU、人机界面到通讯网络以及电源系统均采用冗余设计，安全可靠性大幅提高。

1.2 工作原理

1.2.1 前、后机舱中央冷却分站的使用选择

中央冷却系统在前、后机舱设计了2套冗余的冷却系统，即前、后机舱的中冷分站，其淡水供水和回水回路均有管路和阀门进行连接，海水回路独立。控制系统根据船舶的运行工况和冷却系统的故障情况来选择前、后机舱中冷分站的投用。以下是前、后机舱中冷分站投用的控制规则：

规则一 当船舶使用岸电，所有中压发电机组和停泊发电机组均停用时，称为岸电状态，此时投用后机舱的中冷分站：海水泵只需要使用小流量的停泊泵，淡水回路也使用后机舱的淡水泵。

规则二 当船舶使用停泊发电机，中压发电机组均停用时，称为停泊状态，此时投用后机舱的中冷分站：海水泵只需要使用小流量的停泊泵，淡水回路也使用后机舱的淡水泵。

规则三 当船舶只使用前机舱的发电机组时（1号或2号或1号、2号同时用），此时投用前机舱的中冷分站：海水泵使用前机舱的海水泵，淡水回路也使用前机舱的淡水泵。

规则四 当船舶只使用后机舱的发电机组时（3号或4号或3号、4号同时用），此时投用后机舱的中冷分站：海水泵使用后机舱的海水泵，淡水回路也使用后机舱的淡水泵。

规则五 当船舶既使用1号、2号中压发电机组，同时也使用3号、4号中压发电机组时，此时前、后机舱中冷分站均投入使用：海水回路前、后机舱的海水泵均投入使用，淡水回路只使用先投入运行发电机组的机舱淡水泵；也可以将供水、回水联通阀组打开，将其中一个回水阀关闭，只投用其中一侧的中冷分站；另一个中冷分站备用。

规则六 当按规则一至规则五需要切换前、后机舱中冷分站时，采用先启动需投用中冷分站，在成功投用后（包括淡水泵、海水泵以及相关阀门均准确动作到位），再停用另一中冷分站的原则。

当出现局部故障的时候，可以人工或自动切换海水回路和淡水回路，以保证冷却系统的正常使用。

1.2.2 海水回路控制原理

后机舱中冷分站配备1台小流量的停泊海水冷却泵和3台大流量海水冷却泵；前机舱中冷分站配备3台大流量海水冷却泵。海水回路的控制规则为：

规则一 海水泵的优化节能控制。根据船舶的热负荷（三通调节阀出口温度、海水温度和三通调节阀的开度）来控制需要投入运行的海水泵数量。当三通调节阀出口淡水温度极低时，可以停用所有海水泵；当淡水温度高于T1（可根据实际情况人工设定）并且三通阀的开度大于90%（说明现有海水冷却能力已全部发挥）时，投用2台海水泵；其他情况投用1台海水泵。为了防止海水泵数量频繁改变导致海水泵频繁启停，采取了温度设定回差处理，比如淡水温度高于T1时投用2台海水泵，则低于T2（略低于T1低一些）时才能恢复投用1台海水泵。

规则二 海水泵寿命管理。在任何需要投入海水泵运行的时候，首先投用的是运行时间最短的海水泵，在需要停用海水泵时，首先停用时运行时间最长的海水泵。另外，根据运行工况，设计了定时切换程序。海水泵寿命管理功能合理的安排了各海水泵的运行时间，最大限度的延长了海水泵的使用寿命。

规则三 海水泵的故障处理。在运行泵任一故障发生时，包括不能正常启动、运行中跳闸、泵出口压力过低等，均会自动启动备用泵。

1.2.3 淡水回路控制原理

前、后中冷分站为艏部设备和艉部设备分别配备1台淡水泵，同时各自另配备1台共同备用淡水泵。以下为淡水回路控制规则：

规则一 淡水温度控制。使用PID控制器［5］控制三通阀出口温度。

规则二 淡水泵控制。根据1.2.1节“中冷分站的投用规则”来启动对应的艏、艉淡水泵。

规则三 故障处理。运行淡水泵（艏淡水泵或艉淡水泵）故障时，启用备用淡水泵，控制对应的阀门开启。

规则四 淡水泵寿命管理。如果长时间运行岸电或前后机舱同时运行中压发电机时，每间隔一定的时间自动切换前、后中冷分站，包括淡水泵在内。

1.3 控制装置

控制装置设计了信息丰富的人机界面、完善的操作画面以及报警系统和完备的故障诊断功能。

2 构想与展望

笔者对于采用变频海水泵的新型中央冷却系统有如下设计构想：在三通阀调节淡水温度的基础上，增加海水泵变频控制。采用两种控制策略，策略一：海水泵定速恒压运行，通过三通阀的开度来调整经过冷却器的淡水流量，最终达到调节淡水温度的目的（与当前方案一致）；策略二：三通阀开至最大，淡水全经过冷却器，以海水泵变频调速来控制出口压力，进一步控制淡水出口温度。不过，两种策略的综合经济性比较还需要通过进一步试验来判断。

3 结 论

该中央冷却系统控制装置硬件采用冗余设计。投入运行后，系统运行可靠、控制策略先进，有效减轻船员劳动强度，提高了工作效率和经济效益；系统经历了低温和高温环境长时间航行考验，确保综合电力推进船舶能在各种工况下安全可靠运行，达到预期的设计目标。

［1］董威，刘富斌，田志定.电力推进舰船中央冷却系统优化设计可行性分析［J］.船舶，2004（5）：38-42.

［2］潘新祥.船舶中央冷却系统的优化设计［J］.中国航海，1993（1）：10-19.

［3］田志定，韩想安.电力推进舰船中央冷却系统及其控制技术综述［J］.船舶，2007（5）：32-35.

［4］崔向东.基于PLC的船舶中央冷却水控制系统及其基本功能实现［J］.青岛远洋船员学院学报，2006，27（2）：5-8.

［5］丁睿，唐建文，董威.电力推进船舶中央冷却系统动态特性建模及控制仿真［J］.制冷与空调，2006（5）：99-101.