基于云計(jì)算技術(shù)下的船舶冷卻泵變頻智能控制技術(shù)

舒奕楊，岳偉挺

(杭州電子科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 311305)

0 引 言

船舶航行過(guò)程中，主機(jī)通常在常用功率下以固定速度航行，船舶長(zhǎng)期在超出實(shí)際需求的功率下航行[1-3]。船舶總航行成本中，冷卻泵的航行成本比例占全部航行成本的1/3 左右，降低船舶的轉(zhuǎn)速、水泵流量、航行揚(yáng)程以及軸功率等參數(shù)，將提升船舶航行的節(jié)能性。云計(jì)算技術(shù)為用戶提供資源以及計(jì)算服務(wù)，實(shí)現(xiàn)資源的高效整合，為用戶提供多樣式的服務(wù)[4]。

目前針對(duì)設(shè)備變頻控制的研究較多，俞倩等[5]充分考慮中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的變頻運(yùn)行原理，利用分段溫差控制方法，實(shí)現(xiàn)中央空調(diào)制冷系統(tǒng)的冷卻控制。該方法雖然節(jié)能效果良好，但是存在控制過(guò)程過(guò)于復(fù)雜的缺陷，影響變頻控制的實(shí)時(shí)性；馬江濤等[6]利用齒輪泵整體能量損耗變換，完成齒輪泵的變頻控制，但是存在電壓超調(diào)的情況，變頻控制時(shí)長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)。針對(duì)以上方法在變頻控制中存在的問(wèn)題，研究云計(jì)算技術(shù)下的船舶冷卻泵變頻智能控制。利用變頻智能控制技術(shù)維持冷卻泵的熱平衡，實(shí)現(xiàn)冷卻泵的節(jié)能。選取冷卻泵進(jìn)水口與出水口的溫差，作為維持冷卻泵熱平衡所需交換熱量的依據(jù)。依據(jù)冷卻泵進(jìn)水口溫度與出水口溫度采集結(jié)果，實(shí)現(xiàn)船舶冷卻泵的熱平衡的海水泵運(yùn)行功率、運(yùn)行轉(zhuǎn)速以及運(yùn)行流量，令冷卻泵滿足熱平衡負(fù)荷的前提下，功耗降低，通過(guò)船舶冷卻泵變頻智能控制，滿足冷卻泵的節(jié)能目的。

1 船舶冷卻泵變頻智能控制技術(shù)

1.1 基于云計(jì)算技術(shù)的變頻智能控制云平臺(tái)

船舶冷卻泵變頻智能控制是船舶節(jié)能的重要途徑。選取PLC 控制芯片作為船舶冷卻泵變頻智能控制的核心控制硬件，構(gòu)建基于云計(jì)算技術(shù)的變頻智能控制云平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 變頻智能控制云平臺(tái)Fig.1 Frequency conversion intelligent control cloud platform

可以看出，基于云計(jì)算技術(shù)的變頻智能控制云平臺(tái)，利用溫度傳感器采集船舶冷卻泵的進(jìn)水口溫度與出水口溫度，將所采集的溫度數(shù)據(jù)傳送至云計(jì)算平臺(tái)的變頻控制模塊。變頻控制模塊利用PID 控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冷卻泵的變頻控制。變頻控制模塊依據(jù)傳感器所采集的溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合變頻控制方法，利用PLC 模擬量輸出功能，對(duì)冷卻泵進(jìn)行變頻控制。云平臺(tái)的人機(jī)交互模塊，利用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)冷卻泵智能變頻控制的人機(jī)交互。利用TCP 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算平臺(tái)與電腦、手機(jī)等用戶終端的通信與傳輸。該平臺(tái)將采集的船舶冷卻泵實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器。用戶通過(guò)云計(jì)算平臺(tái)的賬號(hào)，實(shí)時(shí)查詢船舶冷卻泵的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)運(yùn)行記錄，為船舶冷卻泵的數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2 基于資源分配的云計(jì)算平臺(tái)任務(wù)調(diào)度算法

變頻智能控制云平臺(tái)由用戶在云計(jì)算環(huán)境中動(dòng)態(tài)提交變頻控制任務(wù)。云端服務(wù)器利用資源調(diào)度程序即云虛擬機(jī)，為用戶提交的船舶冷卻泵變頻控制任務(wù)搜尋最佳資源。設(shè)云平臺(tái)調(diào)度船舶冷卻泵變頻智能控制任務(wù)過(guò)程中，控制任務(wù)T={T1,T2,···,Tn}的總數(shù)量為n，利用m個(gè)虛擬機(jī)X={X1,X2,···,Xm}，執(zhí)行以上任務(wù)。云平臺(tái)執(zhí)行控制任務(wù)的各虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)帶寬、任務(wù)長(zhǎng)度等資源參數(shù)均存在差異。用Cij表示虛擬機(jī)Xj執(zhí)行控制任務(wù)Ti的完成時(shí)間，其計(jì)算公式為：

式中，Yij與Wj分別表示虛擬機(jī)Xj完成執(zhí)行第i個(gè)控制任務(wù)的預(yù)期時(shí)間以及虛擬機(jī)Xj執(zhí)行任務(wù)j的總等待時(shí)間。

利用云平臺(tái)的全部虛擬機(jī)，調(diào)度全部控制任務(wù)的最大完成時(shí)間，表示全部冷卻泵智能控制任務(wù)的完工時(shí)間，其表達(dá)式為：

式中，k表示云計(jì)算平臺(tái)云端服務(wù)器分配至虛擬機(jī)Xj的任務(wù)量。

云端服務(wù)器的云調(diào)度程序，依據(jù)用戶需求以云計(jì)算資源總量，利用最低成本為用戶提供最小完工時(shí)間的最佳資源分配，構(gòu)建云計(jì)算平臺(tái)任務(wù)調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)O=min(Cmin)。利用遺傳算法求解O，搜尋所構(gòu)建任務(wù)調(diào)度目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算平臺(tái)智能控制任務(wù)的最優(yōu)調(diào)度。

1.3 基于PID 的船舶冷卻泵變頻智能控制方法

船舶的冷卻泵需要滿足船舶航行過(guò)程中，船舶機(jī)艙內(nèi)全部水冷設(shè)備的冷卻需求。船舶航行的環(huán)境溫度較低時(shí)，機(jī)艙內(nèi)的水冷設(shè)備無(wú)需滿負(fù)荷運(yùn)行，船舶冷卻泵的冷卻能力為過(guò)剩狀態(tài)。將變頻控制技術(shù)應(yīng)用于船舶冷卻泵的變頻智能調(diào)節(jié)中，變頻控制技術(shù)可以依據(jù)海水溫度，令冷卻泵的負(fù)荷滿足實(shí)際需求。

船舶冷卻泵變頻智能控制的總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 船舶冷卻泵變頻智能控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Frequency conversion intelligent control structure of marine cooling pump

采用變頻控制技術(shù)控制船舶冷卻泵，冷卻泵負(fù)荷降低時(shí)，冷卻泵流量同時(shí)降低。伴隨外界溫度以及冷卻泵負(fù)荷變化，通過(guò)變頻智能控制方式調(diào)節(jié)海水泵的流量，滿足冷卻泵的節(jié)能目標(biāo)。變頻控制模塊利用PID 控制器實(shí)現(xiàn)冷卻泵的變頻智能控制。利用PID 控制器作為船舶冷卻泵變頻智能控制方法，可以降低船舶冷卻泵變頻智能控制誤差，提升冷卻泵變頻智能控制精度。將溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)，輸入PID 控制器中，利用PID 控制器輸出頻率控制的模擬信號(hào)，作用于船舶冷卻泵，實(shí)現(xiàn)船舶冷卻泵的變頻智能控制。依據(jù)給定的冷卻泵輸入頻率r(t)與實(shí)際輸出頻率r′(t)間的差值，獲取船舶冷卻泵變頻智能控制的偏差表達(dá)式為：

利用PID 控制器對(duì)船舶冷卻泵進(jìn)行變頻控制的表達(dá)式為：

式中：Kp與Ti分別表示比例控制參數(shù)與積分時(shí)間參數(shù)，Td表示微分時(shí)間參數(shù)。

PID 控制器通過(guò)調(diào)節(jié)船舶冷卻泵變頻控制的偏差，令冷卻泵的輸入頻率與實(shí)際輸出頻率間的差值最低，提升船舶冷卻泵的變頻控制性能。

2 實(shí)驗(yàn)分析

選取15 艘船舶作為船舶冷卻泵變頻智能控制技術(shù)的測(cè)試對(duì)象。利用云計(jì)算平臺(tái)，作為船舶冷卻泵變頻智能控制平臺(tái)。每艘船舶設(shè)置3 臺(tái)電動(dòng)離心泵作為冷卻泵，采用兩用一備的方式，為船舶內(nèi)的設(shè)備提供冷卻功能。利用Maxim 公司的DS18B20 數(shù)字溫度傳感器作為船舶冷卻泵變頻智能控制的溫度傳感器，利用該傳感器采集海水溫度，將海水溫度采集結(jié)果傳送至變頻控制模塊。利用變頻控制模塊，實(shí)現(xiàn)冷卻泵的變頻控制。設(shè)置PID 控制器的比例參數(shù)為10%，積分時(shí)間參數(shù)和微分時(shí)間參數(shù)分別為100 s 以及50 s。

利用溫度傳感器，采集冷卻泵進(jìn)水口與出水口的實(shí)時(shí)溫度，將冷卻泵進(jìn)水口與出水口溫度變化，作為冷卻泵變頻控制的基礎(chǔ)。依據(jù)冷卻泵進(jìn)水口與出水口溫度變化，對(duì)冷卻泵進(jìn)行變頻智能控制。冷卻泵變頻控制前后，不同工況下的冷卻泵轉(zhuǎn)速變化如圖3 所示。

圖3 冷卻泵轉(zhuǎn)速變化Fig.3 Cooling pump speed change

可以看出，采用本文技術(shù)對(duì)冷卻泵進(jìn)行變頻控制，冷卻泵的轉(zhuǎn)速存在明顯的變化。冷卻泵運(yùn)行時(shí)，伴隨冷卻泵轉(zhuǎn)速的不斷降低，冷卻泵的運(yùn)行壓力隨之降低，通過(guò)冷卻泵的智能變頻控制，避免冷卻泵以過(guò)剩狀態(tài)運(yùn)行。

統(tǒng)計(jì)采用本文技術(shù)對(duì)冷卻泵進(jìn)行變頻智能控制，冷卻泵的電機(jī)頻率變化如圖4 所示。

圖4 冷卻泵電機(jī)頻率變化Fig.4 Variation of motor frequency of cooling pump

可以看出，采用本文技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)冷卻泵電機(jī)頻率的高效控制，冷卻泵的電機(jī)頻率依據(jù)冷卻泵進(jìn)水口與出水口的溫度變化，實(shí)現(xiàn)高速調(diào)節(jié)。冷卻泵轉(zhuǎn)速降低時(shí)，冷卻泵的流量有所降低，軸功率同樣有所降低，通過(guò)變頻調(diào)速控制技術(shù)滿足船舶冷卻泵的節(jié)能需求，具有很高的必要性。本文技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)冷卻泵的變頻調(diào)速控制，控制性能良好。

統(tǒng)計(jì)采用本文技術(shù)對(duì)冷卻泵進(jìn)行變頻智能控制，不同工況時(shí)，冷卻泵的熱負(fù)荷變化，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 冷卻泵熱負(fù)荷變化Tab.1 Variation of heat load of cooling pump

可以看出，采用本文技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)船舶冷卻泵的變頻智能控制。采用本文技術(shù)控制后，不同工況下冷卻泵的總熱負(fù)荷均存在明顯的降低，驗(yàn)證采用本文技術(shù)對(duì)船舶冷卻泵進(jìn)行變頻控制，可以獲取良好的節(jié)能效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該技術(shù)對(duì)船舶冷卻泵進(jìn)行變頻智能控制，控制成本較低，節(jié)能效果明顯，具有較高的變頻控制穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)速度較快，變頻控制效果理想。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)船舶冷卻泵實(shí)施變頻智能控制，降低船舶的運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)能源的高效節(jié)約。船舶冷卻泵變頻控制技術(shù)，快速感應(yīng)海水溫度以及熱負(fù)荷，降低冷卻泵的熱沖擊，使船舶維持可靠的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。將云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于船舶冷卻泵變頻智能控制，利用云計(jì)算技術(shù)具有的高運(yùn)算速度，提升船舶冷卻泵變頻智能控制的實(shí)時(shí)性與高效性。該技術(shù)充分考慮冷卻泵進(jìn)水口溫度與出水口溫度間的溫差，明確冷卻泵的變頻控制規(guī)律。采用該技術(shù)控制船舶冷卻泵，具有較高的節(jié)能效果。變頻控制技術(shù)已經(jīng)成為船舶控制領(lǐng)域中的重要技術(shù)，是推動(dòng)艦船控制領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的重要技術(shù)。