基于組態(tài)軟件的供油船舶熱油監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈智琪 楊凱悅 王文標(biāo)

（1.海軍駐大連四二六廠軍事代表室，遼寧 大連116001；2.大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連116026）

0 引言

化石燃料油是船舶必需的動(dòng)力燃料，具有含瀝青質(zhì)和膠質(zhì)較多、黏度較大等特性，且在常溫下易于凝固，不利于在運(yùn)輸過(guò)程中存儲(chǔ)。因此提供燃油供應(yīng)的貨船需要對(duì)其存儲(chǔ)的貨油進(jìn)行加熱，而貨油的溫度關(guān)系到供油船舶油品供應(yīng)的及時(shí)性，所以對(duì)船舶熱油系統(tǒng)的監(jiān)控引起了航運(yùn)公司的重視。

本課題選用了亞控科技6.53版本組態(tài)王，其靈活多變的組態(tài)方式為系統(tǒng)提供了良好的人機(jī)界面，且支持微軟視窗操作系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)OPC通信兼容PLC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集以測(cè)遙控?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員可以通過(guò)計(jì)算機(jī)界面對(duì)系統(tǒng)行全程監(jiān)控。

本文依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)了供油船舶熱油監(jiān)控系統(tǒng)，滿足了現(xiàn)代化造船技術(shù)的發(fā)展需要，降低了操作人員的作業(yè)強(qiáng)度，能夠?yàn)橛脩籼峁┛焖贅?gòu)建人機(jī)交互界面的功能，實(shí)現(xiàn)了供油船舶加溫?zé)嵊蛯?shí)時(shí)在線監(jiān)控，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、歷史報(bào)表、歷史曲線以及統(tǒng)計(jì)分析等功能，能為企業(yè)提供信息化服務(wù)［1］，提高了供油船舶運(yùn)輸過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

1 船舶熱油系統(tǒng)工藝流程

1.1 燃料油的特性及運(yùn)輸條件

燃料油多用作船舶鍋爐及大部分生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)用鍋爐的燃料，它主要成分是石油經(jīng)過(guò)蒸餾直餾后的殘?jiān)?，是原油精煉過(guò)程中的最后產(chǎn)品［2］。按照加工的不同工藝可將燃料油分為減壓重油、常壓重油和混合重油，按照用途可分為爐用燃料油和內(nèi)燃機(jī)燃料油，具有黏度大、含有較多非烴化合物和膠質(zhì)等特性。當(dāng)溫度低于45℃時(shí)燃料油物理特性會(huì)發(fā)生較大變化，逐漸變成黏稠狀，流動(dòng)性變差，將影響供油船舶的卸貨作業(yè)，所以對(duì)凝點(diǎn)較高的燃料油在裝卸和運(yùn)輸過(guò)程中需進(jìn)行充分的加熱保溫，保持貨油溫度高于50℃，使其保持良好的流動(dòng)性。

船舶燃料油在遠(yuǎn)程運(yùn)輸過(guò)程中由于其傾點(diǎn)和凝固點(diǎn)較高，容易造成管路堵塞，延誤航期，一般都需要通過(guò)對(duì)其加溫來(lái)減小黏度、降低輸送阻力，同時(shí)保證燃料油溫度高于凝固點(diǎn)，但也要控制加溫過(guò)程，不能使油溫過(guò)高而造成蒸發(fā)過(guò)多有害含硫氣體，降低油品質(zhì)量。

1.2 導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)工作原理

供油船導(dǎo)熱油鍋爐熱源來(lái)自燃油加熱或利用柴油機(jī)廢氣，鍋爐運(yùn)行過(guò)程中利用導(dǎo)熱油代替水蒸氣作為中間傳熱介質(zhì)，從鍋爐爐膛或柴油機(jī)尾氣中吸收熱量、升高溫度，經(jīng)導(dǎo)熱油循環(huán)泵輸送到待加熱貨油處進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)船用燃油的加熱和保溫［3］。如圖1所示，機(jī)艙內(nèi)設(shè)置了2臺(tái)導(dǎo)熱油鍋爐，當(dāng)燃料油保溫時(shí)啟用1臺(tái)鍋爐，升溫時(shí)2臺(tái)同時(shí)啟用。熱油鍋爐的負(fù)荷為1 000kW，設(shè)置燃料油加熱回路和機(jī)艙加熱回路，且設(shè)置旁通閥用于平衡回路中的熱量不均勻問(wèn)題，進(jìn)出口熱油溫度為210℃和260℃，為增加傳熱面積加溫管呈蛇形排列，位于貨油艙底部。

圖1 熱油系統(tǒng)工藝流程圖

整個(gè)系統(tǒng)是一整套由導(dǎo)熱鍋爐、膨脹油柜、集油柜、熱油循環(huán)泵、油氣分離器、過(guò)濾器、用熱設(shè)備組合而成的封閉系統(tǒng)［3］，周而復(fù)始，實(shí)現(xiàn)熱量的連續(xù)傳遞，滿足設(shè)備的使用要求。導(dǎo)熱油系統(tǒng)相比蒸汽加熱具有工作壓力低、控制精確度高、設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

熱油監(jiān)控系統(tǒng)本著“分布采集、集中管理、分類(lèi)評(píng)價(jià)、指導(dǎo)改進(jìn)”的理念設(shè)計(jì)，采用三級(jí)架構(gòu)，包括船舶自動(dòng)化系統(tǒng)級(jí)、過(guò)程管理級(jí)和直接測(cè)控級(jí)。通過(guò)B／S的體系設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)服務(wù)器與下位機(jī)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信，監(jiān)控計(jì)算機(jī)作為PLC的操作層與PLC進(jìn)行有線通信和管理。通過(guò)以太網(wǎng)服務(wù)器與中轉(zhuǎn)站連接，將客戶機(jī)的變量采集存儲(chǔ)到應(yīng)用層服務(wù)器的SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中。將設(shè)備的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)匯集到中轉(zhuǎn)站，借助局域網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)上傳至實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集。再通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新、歷史數(shù)據(jù)查詢以及對(duì)數(shù)據(jù)的整理、統(tǒng)計(jì)和分析。

監(jiān)控平臺(tái)采用微軟公司的.net集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，服務(wù)器由主機(jī)和SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)組成，用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及統(tǒng)計(jì)，并采用面向?qū)ο蟮目梢暬幊碳夹g(shù)，平臺(tái)界面采用Java Script腳本語(yǔ)言及AJAX設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)和各類(lèi)應(yīng)用子模塊，并用Web發(fā)布水晶報(bào)表編輯器生成的報(bào)表。系統(tǒng)可根據(jù)不同角色權(quán)限實(shí)現(xiàn)多用戶切入和不同層面的人機(jī)交互。組態(tài)王通過(guò)OPC通信經(jīng)由PLC對(duì)油艙溫度、濕度信號(hào)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)通過(guò)OPC服務(wù)器軟件轉(zhuǎn)換協(xié)議后傳給服務(wù)器［4］。

3 上位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

組態(tài)王是亞控科技開(kāi)發(fā)的一款能夠?qū)崿F(xiàn)功能擴(kuò)展并提供標(biāo)準(zhǔn)化接口的組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，本課題選用亞控科技組態(tài)王6.53版本，能夠集成多款PLC硬件驅(qū)動(dòng)，多線程、多任務(wù)適應(yīng)Windows操作系統(tǒng)。由工程管理、畫(huà)面制作系統(tǒng)、報(bào)警和事件系統(tǒng)、報(bào)表系統(tǒng)以及OPC通信等組成，支持Windows標(biāo)準(zhǔn)的Active X控件，很大程度地方便了用戶調(diào)用已有控件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)。組態(tài)王6.53全面支持OPC標(biāo)準(zhǔn)，它本身也能作為OPC服務(wù)器向控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)［4］。支持遠(yuǎn)程撥號(hào)和使用DTU的GPRS設(shè)備通信，并增設(shè)分級(jí)分區(qū)雙重保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)用戶組和安全區(qū)的管理，并記錄操作過(guò)程。

3.1 熱油系統(tǒng)運(yùn)行流程

系統(tǒng)運(yùn)行前首先將導(dǎo)熱油注入主循環(huán)回路，隨后啟動(dòng)熱油系統(tǒng)內(nèi)的主循環(huán)泵，將熱油送入加熱爐內(nèi)加熱，加熱后的導(dǎo)熱油通過(guò)總管進(jìn)入燃料油加熱盤(pán)管以及船艙其余用熱單元進(jìn)行換熱，最終經(jīng)除氣柜過(guò)濾后返回到主循環(huán)泵，如圖2所示。需要注意的是，在給膨脹柜注油過(guò)程中需要給熱油受熱膨脹預(yù)留空間，且首次運(yùn)行前需要對(duì)導(dǎo)熱油進(jìn)行預(yù)加熱，以除去殘留的水分。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控界面

依據(jù)船級(jí)社規(guī)范，系統(tǒng)主循環(huán)回路必須配備2臺(tái)循環(huán)泵，一用一備，以防止循環(huán)泵出現(xiàn)故障時(shí)導(dǎo)熱油溫度迅速上升而變質(zhì)結(jié)焦，給系統(tǒng)帶來(lái)安全隱患。系統(tǒng)上電后首先檢查聯(lián)鎖停爐按鈕是否處于關(guān)閉狀態(tài)，按下啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)循環(huán)泵，監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)對(duì)應(yīng)指示燈亮，調(diào)節(jié)系統(tǒng)主循環(huán)泵管路閥門(mén)，使得導(dǎo)熱油流量大于200L／h，若出口處熱油流量低于該值系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警；熱油循環(huán)泵出口壓力不能低于0.5MPa，否則系統(tǒng)報(bào)警并啟動(dòng)備用循環(huán)泵；膨脹槽液位也不能低于規(guī)定值。檢查系統(tǒng)熱油鍋爐附屬設(shè)備情況：燃燒機(jī)鉸鏈?zhǔn)欠裉幱诤蠣顟B(tài)、燃燒機(jī)馬達(dá)未過(guò)載、排煙溫度不得高于450℃、熱油鍋爐出口溫度不得高于200℃［5］。系統(tǒng)采用濕度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)導(dǎo)熱油泄漏，啟動(dòng)前需對(duì)鍋爐進(jìn)行掃風(fēng)，在啟動(dòng)鍋爐風(fēng)機(jī)時(shí)為保護(hù)電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)允許短暫的低壓報(bào)警。以上是系統(tǒng)啟動(dòng)聯(lián)鎖的必要條件，在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障，系統(tǒng)自動(dòng)停爐并發(fā)出報(bào)警。在貨油艙內(nèi)溫度滿足卸油溫度時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)停止加溫程序和燃燒器運(yùn)行，此時(shí)需維持風(fēng)機(jī)延時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間以完成掃風(fēng)工作；管道內(nèi)導(dǎo)熱油溫度此時(shí)仍很高，循環(huán)泵需要延遲運(yùn)行一段時(shí)間，直到出口油溫低于80℃再停運(yùn)。

當(dāng)發(fā)生停電事故或雙循環(huán)泵故障時(shí)，即使手動(dòng)關(guān)閉燃燒器導(dǎo)熱油也會(huì)因余熱繼續(xù)升溫，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致熱油結(jié)焦而管道爆裂，因此系統(tǒng)需配置冷油置換管路，膨脹柜中的冷油依靠靜壓進(jìn)入油氣分離器和主循環(huán)泵中，實(shí)現(xiàn)熱油安全排入主儲(chǔ)油罐。

3.2 熱油系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)貨油艙溫度，在每個(gè)貨油艙加裝溫度傳感器，通過(guò)PLC采集溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)由OPC通信到組態(tài)王平臺(tái)，定義采集數(shù)據(jù)的變量，包括膨脹柜液位、導(dǎo)熱油流量、出口溫度、出口壓力以及排煙溫度，利用組態(tài)王自帶工具箱和圖庫(kù)模擬該供油船舶貨油艙。該公司供油船設(shè)有5個(gè)貨油艙，每個(gè)貨油艙分左右2個(gè)艙室，經(jīng)PLC采集溫度傳感器中模擬量，將艙內(nèi)溫度傳至組態(tài)王平臺(tái)。在氣溫較低的冬季進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)時(shí)，需掌握加溫時(shí)間，可根據(jù)導(dǎo)熱油溫度監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)選擇油溫較高、靠中間艙室優(yōu)先加熱，因?yàn)槠涫芡饨缫蛩赜绊懶。軌蚝芸旒訜岬叫队蜏囟?，再通過(guò)散熱作用對(duì)周?chē)撌疫M(jìn)行輻射。

系統(tǒng)流程監(jiān)控只能定性對(duì)各設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需要輔以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線，以便提早發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的異?，F(xiàn)象。組態(tài)王6.53提供內(nèi)嵌式報(bào)表系統(tǒng)，如圖3所示，并可實(shí)現(xiàn)日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、實(shí)時(shí)報(bào)表的組態(tài)。操作人員可以通過(guò)監(jiān)控界面中設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)與前一時(shí)刻數(shù)據(jù)作對(duì)比，并參考設(shè)備手冊(cè)，判斷工況是否正常。數(shù)據(jù)曲線能夠直觀表現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的走勢(shì)，并可調(diào)節(jié)時(shí)間范圍和數(shù)據(jù)類(lèi)別。

4 結(jié)語(yǔ)

供油船舶熱油監(jiān)控系統(tǒng)是船舶自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，然而國(guó)內(nèi)很多大型供油船舶大都停留在以繼電器為主的手動(dòng)控制階段，由于手動(dòng)操作不便，熱油溫度過(guò)高而導(dǎo)致的惡性事故頻頻發(fā)生，給供油船舶的運(yùn)輸安全帶來(lái)了嚴(yán)重隱患。本文以某公司新建供油船燃料油加熱系統(tǒng)為背景，采用導(dǎo)熱油鍋爐加熱保溫燃料油，通過(guò)組態(tài)王組態(tài)軟件的OPC接口與PLC采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通信，建立了一整套有效的供油船舶熱油監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的動(dòng)畫(huà)監(jiān)控、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)分析等功能，并用組態(tài)王提供的報(bào)表功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分時(shí)分段統(tǒng)計(jì)分析，降低了操作人員作業(yè)強(qiáng)度，減少了系統(tǒng)運(yùn)行的安全隱患，提高了供油船的裝卸效率，在船舶的日常管理、設(shè)備維護(hù)等方面發(fā)揮了巨大作用，加大了該船舶公司的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

圖3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)報(bào)表

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于組態(tài)軟件的供油船舶熱油監(jiān)控系統(tǒng)，并很好地運(yùn)用于實(shí)際船舶中。下一步研究的重點(diǎn)是系統(tǒng)的故障自診斷以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)自適應(yīng)控制，對(duì)熱油加熱過(guò)程進(jìn)行迭代優(yōu)化，并可結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)建立實(shí)時(shí)績(jī)效考評(píng)體系，反映系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀況，從而進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的安全可靠性。本系統(tǒng)也可廣泛應(yīng)用于供熱、電力、石油等其他行業(yè)。

［1］鄭偉勇，李艷瑋.節(jié)能型溫室大棚群集中供熱智能監(jiān)控管理系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（7）：2371－2373.

［2］韓超.論我國(guó)當(dāng)前進(jìn)口石油的運(yùn)輸能力［J］.價(jià)值工程，2011（18）：21.

［3］陳瑾，袁進(jìn).有機(jī)載熱體（導(dǎo)熱油）鍋爐房設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介［J］.能源研究與利用，1999（5）：6－8.

［4］蔡翔云，鄭小虎，姜麟，等.OPC規(guī)范及開(kāi)發(fā)應(yīng)用［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)：理工版，2002，27（3）：1－7.

［5］祁國(guó)常，羅貴送.液態(tài)硫磺運(yùn)輸船硫磺罐導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)的研究［J］.中國(guó)水運(yùn)，2010（6）：44－45.