貨艙通風除濕系統仿真和國產化研究
摘要：根據貨艙通風除濕系統的動態數學模型，開發了仿真軟件包，可模擬系統在各種工作模式下的溫度、壓強、相對濕度等參數的響應過程；在此基礎上提出了通風除濕控制系統的設計方案．
關鍵詞:貨艙；通風除濕系統；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
通風除濕系統在船舶貨運中起著重要作用，目前我國設計制造的出口貨船基本上都成套引進通風除濕設備和控制裝置，既增加了制造成本，同時也增加了設計中各種設備選型的困難．為了促進國外引進設備和技術的消化吸收，提高我國自行設計的船舶的國產化程度，我們對大連造船新廠引進的貨船貨艙通風除濕系統進行了深入研究和實船試驗，根據流體動力學和熱力學建立了系統在各種工作模式下貨艙溫度、濕度、壓力等參數變化的動態數學模型［1］，研制開發了仿真軟件包，在此基礎上提出了貨船貨艙通風除濕系統監控部分的國產化方案，包括系統硬件設備組成、控制系統工作原理等．該仿真軟件已在大連造船新廠獲得成功的應用，為通風除濕系統的設計和設備選型提供了依據．
1通風除濕系統流程及設備配置
1.1系統流程
如圖1，在機艙安裝兩臺除濕機DHU1和DHU2；貨船共有10個貨艙，CHD1S～10S和CHD1E～10E分別為各艙右舷和左舷氣動風門，它們與貨艙左右舷的通風管道連接．在通風管道入口有軸流式可調螺距風機CS1和CSE1；大氣由進風口OAG1經氣動風門OAD1與風機CS1入口相連，機艙空氣經入口PFD1與CS1相連．MAD1～6為手動調風門，它們連接CSE1和除濕機間的管道；H1和H2分別為除濕機排風罩和貨艙進排風罩．
1.2系統主要設備
除濕機DHU1和DHU2：吸收入口濕空氣中的水分排向大氣；除濕后的干空氣進入貨艙除濕．除濕機可自動或手動控制，自動控制時，系統通過比較貨艙相對濕度的測量值與期望值，自動判斷啟動或停止除濕機；也可根據需要手動啟動一個或兩個除濕機除濕．
風機CS1和CSE1：作為貨艙通風除濕的供風和排風機．風機可在控制臺遙控其啟動或停止，并可調節其流量．
各艙氣動風門CHD1S～10S和CHD1E～10E：可自動或手動開關，自動控制時，系統通過比較貨艙相對濕度的測量值與期望值，判斷應該開或關艙門；也可在控制臺遙控其開關．
溫度和濕度傳感器：置于各貨艙底部和頂部、以及風機、除濕機等處，將測量信號傳送到控制臺進行數據處理和顯示．
2仿真軟件設計
根據建立的貨艙通風除濕系統的動態數學模型，我們在Windows95環境下采用VisualC++［2,3］編制了仿真軟件，以下拉菜單為框架，以對話框實現人機交互和初始參數輸入，以流程圖顯示除濕機和各貨艙的工作狀態和參數變化，以曲線的形式描述各艙溫度和濕度的變化趨勢，通過對系統和用戶消息的響應來完成本系統的啟動、仿真、打印、退出等功能．
2.1參數輸入設計
實現通風除濕系統仿真需要的初始參數包括大氣和各貨艙的溫度、濕度、壓強，各艙艙門控制狀態、系統工作模式、風機參數等．為了使用戶輸入參數方便快速，設計了多個對話框，在整個運行過程中，用戶可通過鍵盤和鼠標輸入或修改參數，各參數被存入到相應的數據結構中．為了防止用戶誤操作，程序還設置了檢錯功能．
通風除濕系統涉及的主要設備是除濕機和風機，為了方便實際設計中對設備的選型，在軟件包中設計了除濕機和風機特性對話框，用戶可以模擬各種不同型號的除濕機和風機的除濕效果，進行設備選型．
2.2畫面設計
畫面用于實時顯示系統工作流程和狀態，動態更新仿真數據和參數變化趨勢．畫面包括系統總流程、除濕機流程、各單艙流程圖、趨勢畫面、以及總趨勢畫面．
總流程圖動態顯示系統工作模式、仿真時間、各艙實時參數(溫度、相對濕度、流入流出氣體的質量流量)．
除濕機流程顯示除濕機的工作狀態、風機入口和出口的溫度和相對濕度值，用戶可在畫面上利用鼠標啟動或關閉除濕機，或切換到溫度濕度歷史趨勢畫面．
單艙流程顯示該艙實時參數變化和運行狀態，運行時可隨時在畫面中直接修改或設置該艙的狀態和參數．
趨勢畫面以曲線的形式直觀地描述各艙的溫度和相對濕度的變化趨勢，同時顯示各時刻的參數值，方便了除濕系統設計人員的分析．
2.3實船實驗
為了提高仿真結果的準確性和A性，使理論分析與實踐緊密結合，我們分別在自然通風和除濕機除濕兩種工作模式下，對通風除濕系統進行了實驗，了解系統的動態變化過程、除濕機和風機的工作情況；獲取了建模需要的各關鍵位置上的壓強、流速、溫度、濕度等數據，這些實驗數據給出的溫度和濕度變化趨勢同時作為仿真調試的依據．
2.4貨艙參數計算
參數計算是整個仿真系統的核心，根據建立的貨艙通風除濕系統的動態數學模型［1］，編制了不同工作模式下的計算子程序，根據用戶選擇的工作模式，循環計算貨艙參數變化，并實時顯示．所有時刻的參數均以文件的形式存儲，以便設計人員分析．在循環計算過程中程序隨時檢測用戶消息，進行參數修改、曲線打印等．
3貨艙通風除濕監控系統組成方案
根據系統流程和控制要求，設計貨艙通風除濕控制系統的計算機監控部分，系統關鍵硬件設備如除濕機等仍采用進口設備，以增加運行可靠性，其它硬件設備在國內市場上購置，以降低成本，并加快開發速度．國產化的初期工作主要是開發整個貨艙通風除濕控制系統的全套控制軟件，對硬件系統進行組裝、調試，實現交船運行．
3.1控制器
控制器是監控系統進行實時數據采集、監視、控制決策、輸出控制信號的單元，是整個貨艙通風除濕監控系統的核心．控制器可采用可編程序控制器(PLC)或STD工業控制機．
可編程序控制器采用瑞典SattControll公司的Sattcon15x型PLC，它具有強大的數據輸入輸出及過程監控能力：配套接口有A/D轉換器、模擬量輸入輸出轉換器、數字量輸入輸出轉換器，可處理128個模擬量輸入信號，64個模擬量輸出信號，512個數字輸入/輸出信號；具有4個串行口，可進行8路PID控制，并可通過編程進行各種順序控制和邏輯控制．該PLC編程方便，特別是借助DOX05軟件包，可直接通過PC機利用類似于宏匯編的程序語言編程來簡化軟件的開發過程．
STD工業控制機采用或CPU，其操作系統和軟件環境與一般的PC機完全兼容，使得監視控制軟件完全可以用高級程序語言(如C語言)編程，從而大大減少軟件的開發周期，提高軟件的可擴展性和可維護性．
3.2報警顯示操作面板
報警操作面板置于駕駛臺，用于指明報警信號的地點和報警性質．
操作面板可采用PLC，其規模略小于監控器Sattcon15x，型號為SattconOP45，它把控制功能和人機界面結合在一起，應用簡便靈活，在本系統中只實現報警顯示和人機界面功能．SattconOP45和控制器單元Sattcon15x通過RS232/RS485接口進行數據通信，該面板有帶背光的液晶顯示器，一共4行，每行40個字符，用于指明報警信號的地點和報警性質．面板上有22個鍵，用于執行相應的操作，如報警消音，選擇某些點進行在線參數監視等．
操作面板也可采用與SattconOP45具有類似功能的產品，或采用PC104配以液晶顯示器與鼠標構成微型監控器實現同樣的功能．
3.3人機界面
人機界面可用一般的PC機或工控機實現，它與控制器通過RS232接口進行數據通信．人機界面由菜單和畫面構成，用于進行各路數據的顯示(流程和曲線)、各種操作、各種參數設置等．主要的畫面和菜單有：
總流程圖：顯示各艙實時數據，啟動或關閉風機，設置風機流量；
單艙流程圖：監視、顯示該艙室的溫度和濕度等參數，切換到對應艙的趨勢畫面，設置艙門的開關和控制狀態及報警參數等；
除濕機流程圖：顯示除濕機入口出口參數，啟動或停止除濕機；
歷史數據趨勢圖：顯示各艙溫度、濕度等參數變化的趨勢；
菜單：選擇通風除濕系統的工作模式及相互間切換，設置貨艙相對濕度期望值，并可切換到其它各個畫面．
3.4多路數據記錄儀
用于記錄系統參數隨時間變化的歷史曲線，可選擇HoneywellDPR3000，該記錄儀可同時在紙上記錄32路時間歷史曲線，具有較高的可靠性；或采用高檔彩色打印機完成同樣的功能．
3.5各類傳感器
溫度和濕度傳感器及閥位傳感器等型號由通風除濕系統總體設計確定，用于各種數據的測量和變送．
4仿真軟件在貨艙通風除濕控制系統國產化研究中的應用
通過對引進系統的分析研究和建模仿真，我們提出了實現貨艙通風除濕監控系統國產化的方案.
除濕監控系統
主控制器是整個貨艙通風除濕監控系統的核心，負責實時數據采集、監視、控制決策、輸出控制信號等．控制器可采用可編程序控制器或STD工業控制機．
報警顯示操作面板置于駕駛臺，它和控制器通過串行接口進行數據通信，用于指明報警信號的地點和報警性質．
人機界面與控制器通過串行接口進行數據通信，它由菜單和畫面構成，用于進行各種數據的顯示(流程和曲線)、操作、參數設置及曲線打印等．
在實際貨艙通風除濕控制系統的設計階段，可利用貨艙通風除濕仿真軟件包模擬實際系統，與監控計算機組成一個閉環系統，對監控系統的軟件和硬件進行聯機調試，以加快系統開發，提高效率，保證安全，節約成本．
5結束語
本文給出的仿真軟件包在給定外部邊界條件后，可模擬通風除濕系統在溫度范圍-10～40℃、相對濕度0～100%時不同工作模式下溫度、濕度、壓力及氣體流量等參數變化的趨勢，反映實際系統的工作機理和特點，為實際系統的分析、設計和設備選型提供理論依據，節省實驗費用、縮短設計周期，為實現通風除濕系統的國產化打下良好的基礎；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展性；貨艙通風除濕控制系統國產化方案實際可行．
作者單位：胡耀華賈欣樂大連海事大學信息工程學院，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集團，遼寧大連)
參考文獻
［1］賈欣樂,胡耀華等.貨艙通風除濕系統數學模型和仿真研究［J］.船舶工程,1998,114(3):42～45
［2］DavidJK著,王國印譯.VisualC++技術內幕［M］.北京:清華大學出版社,1995.
［3］NamirCS著,王國印,張赤紅譯.VisualC++使用指南［M］.北京:清華大學出版社,1995.
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