基于云计算技术下的船舶冷却泵变频智能控制技术

舒奕杨，岳伟挺

(杭州电子科技大学 信息工程学院，浙江 杭州 311305)

0 引 言

船舶航行过程中，主机通常在常用功率下以固定速度航行，船舶长期在超出实际需求的功率下航行[1-3]。船舶总航行成本中，冷却泵的航行成本比例占全部航行成本的1/3 左右，降低船舶的转速、水泵流量、航行扬程以及轴功率等参数，将提升船舶航行的节能性。云计算技术为用户提供资源以及计算服务，实现资源的高效整合，为用户提供多样式的服务[4]。

目前针对设备变频控制的研究较多，俞倩等[5]充分考虑中央空调制冷系统的变频运行原理，利用分段温差控制方法，实现中央空调制冷系统的冷却控制。该方法虽然节能效果良好，但是存在控制过程过于复杂的缺陷，影响变频控制的实时性；马江涛等[6]利用齿轮泵整体能量损耗变换，完成齿轮泵的变频控制，但是存在电压超调的情况，变频控制时长过长。针对以上方法在变频控制中存在的问题，研究云计算技术下的船舶冷却泵变频智能控制。利用变频智能控制技术维持冷却泵的热平衡，实现冷却泵的节能。选取冷却泵进水口与出水口的温差，作为维持冷却泵热平衡所需交换热量的依据。依据冷却泵进水口温度与出水口温度采集结果，实现船舶冷却泵的热平衡的海水泵运行功率、运行转速以及运行流量，令冷却泵满足热平衡负荷的前提下，功耗降低，通过船舶冷却泵变频智能控制，满足冷却泵的节能目的。

1 船舶冷却泵变频智能控制技术

1.1 基于云计算技术的变频智能控制云平台

船舶冷却泵变频智能控制是船舶节能的重要途径。选取PLC 控制芯片作为船舶冷却泵变频智能控制的核心控制硬件，构建基于云计算技术的变频智能控制云平台的总体结构，如图1 所示。

图1 变频智能控制云平台Fig.1 Frequency conversion intelligent control cloud platform

可以看出，基于云计算技术的变频智能控制云平台，利用温度传感器采集船舶冷却泵的进水口温度与出水口温度，将所采集的温度数据传送至云计算平台的变频控制模块。变频控制模块利用PID 控制技术，实现冷却泵的变频控制。变频控制模块依据传感器所采集的温度数据，结合变频控制方法，利用PLC 模拟量输出功能，对冷却泵进行变频控制。云平台的人机交互模块，利用组态软件实现冷却泵智能变频控制的人机交互。利用TCP 协议，实现云计算平台与电脑、手机等用户终端的通信与传输。该平台将采集的船舶冷却泵实时运行数据上传至云端服务器。用户通过云计算平台的账号，实时查询船舶冷却泵的历史运行数据与实时运行记录，为船舶冷却泵的数据分析与数据挖掘提供数据基础。

1.2 基于资源分配的云计算平台任务调度算法

变频智能控制云平台由用户在云计算环境中动态提交变频控制任务。云端服务器利用资源调度程序即云虚拟机，为用户提交的船舶冷却泵变频控制任务搜寻最佳资源。设云平台调度船舶冷却泵变频智能控制任务过程中，控制任务T={T1,T2,···,Tn}的总数量为n，利用m个虚拟机X={X1,X2,···,Xm}，执行以上任务。云平台执行控制任务的各虚拟机的网络带宽、任务长度等资源参数均存在差异。用Cij表示虚拟机Xj执行控制任务Ti的完成时间，其计算公式为：

式中，Yij与Wj分别表示虚拟机Xj完成执行第i个控制任务的预期时间以及虚拟机Xj执行任务j的总等待时间。

利用云平台的全部虚拟机，调度全部控制任务的最大完成时间，表示全部冷却泵智能控制任务的完工时间，其表达式为：

式中，k表示云计算平台云端服务器分配至虚拟机Xj的任务量。

云端服务器的云调度程序，依据用户需求以云计算资源总量，利用最低成本为用户提供最小完工时间的最佳资源分配，构建云计算平台任务调度的目标函数O=min(Cmin)。利用遗传算法求解O，搜寻所构建任务调度目标函数的最优解，实现云计算平台智能控制任务的最优调度。

1.3 基于PID 的船舶冷却泵变频智能控制方法

船舶的冷却泵需要满足船舶航行过程中，船舶机舱内全部水冷设备的冷却需求。船舶航行的环境温度较低时，机舱内的水冷设备无需满负荷运行，船舶冷却泵的冷却能力为过剩状态。将变频控制技术应用于船舶冷却泵的变频智能调节中，变频控制技术可以依据海水温度，令冷却泵的负荷满足实际需求。

船舶冷却泵变频智能控制的总体结构如图2 所示。

图2 船舶冷却泵变频智能控制结构图Fig.2 Frequency conversion intelligent control structure of marine cooling pump

采用变频控制技术控制船舶冷却泵，冷却泵负荷降低时，冷却泵流量同时降低。伴随外界温度以及冷却泵负荷变化，通过变频智能控制方式调节海水泵的流量，满足冷却泵的节能目标。变频控制模块利用PID 控制器实现冷却泵的变频智能控制。利用PID 控制器作为船舶冷却泵变频智能控制方法，可以降低船舶冷却泵变频智能控制误差，提升冷却泵变频智能控制精度。将温度传感器采集的温度数据，输入PID 控制器中，利用PID 控制器输出频率控制的模拟信号，作用于船舶冷却泵，实现船舶冷却泵的变频智能控制。依据给定的冷却泵输入频率r(t)与实际输出频率r′(t)间的差值，获取船舶冷却泵变频智能控制的偏差表达式为：

利用PID 控制器对船舶冷却泵进行变频控制的表达式为：

式中：Kp与Ti分别表示比例控制参数与积分时间参数，Td表示微分时间参数。

PID 控制器通过调节船舶冷却泵变频控制的偏差，令冷却泵的输入频率与实际输出频率间的差值最低，提升船舶冷却泵的变频控制性能。

2 实验分析

选取15 艘船舶作为船舶冷却泵变频智能控制技术的测试对象。利用云计算平台，作为船舶冷却泵变频智能控制平台。每艘船舶设置3 台电动离心泵作为冷却泵，采用两用一备的方式，为船舶内的设备提供冷却功能。利用Maxim 公司的DS18B20 数字温度传感器作为船舶冷却泵变频智能控制的温度传感器，利用该传感器采集海水温度，将海水温度采集结果传送至变频控制模块。利用变频控制模块，实现冷却泵的变频控制。设置PID 控制器的比例参数为10%，积分时间参数和微分时间参数分别为100 s 以及50 s。

利用温度传感器，采集冷却泵进水口与出水口的实时温度，将冷却泵进水口与出水口温度变化，作为冷却泵变频控制的基础。依据冷却泵进水口与出水口温度变化，对冷却泵进行变频智能控制。冷却泵变频控制前后，不同工况下的冷却泵转速变化如图3 所示。

图3 冷却泵转速变化Fig.3 Cooling pump speed change

可以看出，采用本文技术对冷却泵进行变频控制，冷却泵的转速存在明显的变化。冷却泵运行时，伴随冷却泵转速的不断降低，冷却泵的运行压力随之降低，通过冷却泵的智能变频控制，避免冷却泵以过剩状态运行。

统计采用本文技术对冷却泵进行变频智能控制，冷却泵的电机频率变化如图4 所示。

图4 冷却泵电机频率变化Fig.4 Variation of motor frequency of cooling pump

可以看出，采用本文技术可以实现冷却泵电机频率的高效控制，冷却泵的电机频率依据冷却泵进水口与出水口的温度变化，实现高速调节。冷却泵转速降低时，冷却泵的流量有所降低，轴功率同样有所降低，通过变频调速控制技术满足船舶冷却泵的节能需求，具有很高的必要性。本文技术可以实现冷却泵的变频调速控制，控制性能良好。

统计采用本文技术对冷却泵进行变频智能控制，不同工况时，冷却泵的热负荷变化，统计结果如表1 所示。

表1 冷却泵热负荷变化Tab.1 Variation of heat load of cooling pump

可以看出，采用本文技术可以实现船舶冷却泵的变频智能控制。采用本文技术控制后，不同工况下冷却泵的总热负荷均存在明显的降低，验证采用本文技术对船舶冷却泵进行变频控制，可以获取良好的节能效果。实验结果表明，采用该技术对船舶冷却泵进行变频智能控制，控制成本较低，节能效果明显，具有较高的变频控制稳定性，调节速度较快，变频控制效果理想。

3 结 语

通过对船舶冷却泵实施变频智能控制，降低船舶的运营成本，实现能源的高效节约。船舶冷却泵变频控制技术，快速感应海水温度以及热负荷，降低冷却泵的热冲击，使船舶维持可靠的运营状态。将云计算技术应用于船舶冷却泵变频智能控制，利用云计算技术具有的高运算速度，提升船舶冷却泵变频智能控制的实时性与高效性。该技术充分考虑冷却泵进水口温度与出水口温度间的温差，明确冷却泵的变频控制规律。采用该技术控制船舶冷却泵，具有较高的节能效果。变频控制技术已经成为船舶控制领域中的重要技术，是推动舰船控制领域进一步发展的重要技术。