一种基于变结构控制的船舶中央冷却水装置的制作方法

本实用新型涉及船舶冷却水控制技术领域，具体为一种基于变结构控制的船舶中央冷却水装置。

背景技术：

船舶冷却水系统是保证船舶动力装置安全可靠运行的动力系统之一，其作用是向需要冷却的设备提供足量的冷却水，以带走设备散发出的热量，使设备能够在一定的温度范围内正常可靠的工作。

为了保证船舶全球航行的需要，传统中央冷却系统的设计工况为船舶在热带32℃水域全速航行。但实际情况是，一方面船舶大部分时间是在低于32℃的海域中航行，另一方面船舶又大多处于主机常用功率点下的经济航速。没有采用变频调速时，主海水泵长期在超出实际需要的功率下运行，造成大量能源浪费。因此设计出根据船舶的工况变化实时调节海水泵流量，保证船舶冷却水出口温度相对稳定，从而大大减少海水泵能量消耗。通过以上分析船舶中央冷却系统海水泵变频节能控制势在必行。

目前船舶中央冷却水系统控制系统主要有两种：1、船舶中央冷却水出口温度三通阀控制，保证冷却水出口温度稳定在36℃，海水泵处于额定功率全速运行，造成大量能量浪费；2、针对船舶中央冷却水系统海水回路存在的节能的潜力，瑞典Alfa Laval公司生产的ENGARD控制系统，根据中央冷却器的热负荷控制海水回路中的三台海水泵(其中两台为双速泵，第三台为单速泵)，排量均为50％的设计流量)的启、停、变极调速，从而优化调节海水流量，以达到部分节能的效果。其最大不足之处在于系统工作在开关状态，无法进行连续调速。

目前船舶冷却系统中中普遍采用中央冷却系统，传统的中央冷却系统多为PID控制，PID控制最为明显的缺陷就是大惯性、易超调。但是对于一个控制系统而言，实时性越高系统的调节精度越高，为了改善船舶传统中央冷却系统的PID控制所造成的大惯性、易超调的特性，本实用新型采用基于串级PID为核心的变结构控制。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于变结构控制的船舶中央冷却水装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于变结构控制的船舶中央冷却水装置,包括船舶主机系统、淡水冷却泵、板式冷却器、海水泵以及控制器，所述船舶主机系统通过淡水冷却泵连接板式冷却器，所述板式冷却器连接旁通开关，所述旁通开关分别连接船舶主机系统和三通阀控制器，所述三通阀控制器连接PID控制器，所述PID控制器连接人机操作界面，所述板式冷却器连接海水泵，所述海水泵与海水箱连接，所述海水泵分别通过第一压力开关、第二压力开关、第三压力开关连接第一现场控制器、第二现场控制器、第三现场控制器，所述第一现场控制器、第二现场控制器、第三现场控制器分别连接PID控制器。

优选的，还包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器，所述第一温度传感器设置在船舶主机系统与淡水冷却泵之间，且所述第一温度传感器连接PID控制器，所述第二温度传感器设置在旁通开关一侧，且所述第二温度传感器连接PID控制器，所述第三温度传感器、第一压力传感器分别设置在板式冷却器一侧，且所述第三温度传感器、第一压力传感器分别连接PID控制器，所述第四温度传感器、第二压力传感器分别设置在板式冷却器和海水泵之间，且所述第四温度传感器、第二压力传感器分别连接PID控制器。

优选的，所述PID控制器内设有变结构控制器，所述变结构控制器包括第一主控制器、副调节器、变频器、换热器、流量变送器、第一温度变送器和分段端发生器，所述第一主控制器输入端连接第一温度变送器输出端，所述第一主控制器输出端分别连接副调节器输入端和流量变送器输出端，所述副调节器输出端分别连接变频器输入端和分段端发生器输出端，所述变频器输出端分别连接换热器输入端和流量变送器输入端，所述换热器输出端连接第一温度变送器输入端。

优选的，所述三通阀控制器包括第二主控制器、淡水出口温度传感器以及第二温度变送器，所述第二主控制器输入端连接第二温度变送器输出端，所述第二主控制器输出端连接旁通开关，所述旁通开关连接淡水出口温度传感器，所述淡水出口温度传感器连接第二温度变送器。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型结构设计新颖，能够有效的避免冷却水出口温度过调，增强系统的稳定性。

(2)本实用新型采用两套PID调节系统，即三通阀出口温度PID控制和基于PID为核心的变结构海水泵控制，两套控制系统各自独立工作又相互关联，任何一套出现故障时，另一套可以独立工作，保证船舶航行安全，其关联在于基于PID为核心的变结构控制算法采集三通阀的反馈的位置信号，根据位置信号的范围采用分段控制，强制三通阀旁路关小，让大量热水通过板式换热器来增大换热面积，提高换热效率，从而大大降低变频海水泵速度实现节能控制，当三通阀开度达到95％时，变频器投入到自动运行模式，根据板式冷却器出口温度进行实时调节。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型的PID控制器控制原理框图；

图3为本实用新型的三通阀控制器控制原理框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-3，本实用新型提供一种技术方案：一种基于变结构控制的船舶中央冷却水装置,包括船舶主机系统1、淡水冷却泵2、板式冷却器3、海水泵4以及PID控制器5，所述船舶主机系统1通过淡水冷却泵2连接板式冷却器3，所述板式冷却器3连接旁通开关6，所述旁通开关6分别连接船舶主机系统1和三通阀控制器7，所述三通阀控制器7连接PID控制器5，所述PID控制器5连接人机操作界面8，所述板式冷却器3连接海水泵4，所述海水泵4与海水箱9连接，所述海水泵4分别通过第一压力开关10、第二压力开关11、第三压力开关12连接第一现场控制器13、第二现场控制器14、第三现场控制器15，所述第一现场控制器13、第二现场控制器14、第三现场控制器15分别连接PID控制器5。

本实施例中，还包括第一温度传感器16、第二温度传感器17、第三温度传感器18、第四温度传感器19、第一压力传感器20、第二压力传感器21，所述第一温度传感器16设置在船舶主机系统1与淡水冷却泵2之间，且所述第一温度传感器16连接PID控制器5，所述第二温度传感器17设置在旁通开关6一侧，且所述第二温度传感器17连接PID控制器5，所述第三温度传感器18、第一压力传感器20分别设置在板式冷却器3一侧，且所述第三温度传感器18、第一压力传感器20分别连接PID控制器5，所述第四温度传感器19、第二压力传感器21分别设置在板式冷却器3和海水泵4之间，且所述第四温度传感器19、第二压力传感器21分别连接PID控制器5。

本实施例中，PID控制器5内设有变结构控制器，所述变结构控制器包括第一主控制器22、副调节器23、变频器24、换热器25、流量变送器26、第一温度变送器27和分段端发生器28，所述第一主控制器22输入端连接第一温度变送器27输出端，所述第一主控制器22输出端分别连接副调节器23输入端和流量变送器26输出端，所述副调节器23输出端分别连接变频器24输入端和分段端发生器28输出端，所述变频器24输出端分别连接换热器25输入端和流量变送器26输入端，所述换热器25输出端连接第一温度变送器27输入端。

另外，本实施例中，三通阀控制器7包括第二主控制器29、淡水出口温度传感器30以及第二温度变送器31，所述第二主控制器29输入端连接第二温度变送器31输出端，所述第二主控制器29输出端连接旁通开关6，所述旁通开关6连接淡水出口温度传感器30，所述淡水出口温度传感器30连接第二温度变送器31。

本实用新型采用串级控制，根据串级控制的特点，选择滞后性较小的海水流量作为副被控变量，构成副回路；以淡水出口温度作为主被控量，构成主回路。本实用新型以PID为控制器控制3个海水泵运行来控制海水流量，海水通过换热器将需冷却的淡水冷却。为了保证设备的安全，低温淡水的温度不能够过低以防被冷却设备与冷却的低温淡水温差过大而导致设备损坏，但是海水泵的运行频率不可能无限降低，同时为了保证海水出口温度不超出安全值(45℃)防止海水盐析而降低换热器换热效率或是造成换热器堵塞。当海水泵运行在下限频率(30Hz)运行时，系统无法再改变海水泵运行频率，即无法改变海水流量，此时如果低温淡水通过换热器后淡水出口温度过低，此时只能依靠温控三通阀自身的PID控制来调节温度，增大热水的流量使淡水出口温度达到预设值。当热水开度为5％时，为了保证淡水出口温度的稳定，系统切换为由PID控制海水泵的运行。为了避免系统频繁切换，在设计中留有2％的回差，即当热水开度由7％降到3％时，海水泵提高运行频率同时加入PID控制，当只有单台热水泵运行并热水开度由3％升到7％时，海水泵以40Hz频率运行并退出PID控制由温控三通阀自身PID控制。

本实用新型结构设计新颖，能够有效的避免冷却水出口温度过调，增强系统的稳定性；本实用新型采用两套PID调节系统，即三通阀出口温度PID控制和基于PID为核心的变结构海水泵控制，两套控制系统各自独立工作又相互关联，任何一套出现故障时，另一套可以独立工作，保证船舶航行安全，其关联在于基于PID为核心的变结构控制算法采集三通阀的反馈的位置信号，根据位置信号的范围采用分段控制，强制三通阀旁路关小，让大量热水通过板式换热器来增大换热面积，提高换热效率，从而大大降低变频海水泵速度实现节能控制，当三通阀开度达到95％时，变频器投入到自动运行模式，根据板式冷却器出口温度进行实时调节。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。