货舱通风除湿系统仿真和国产化研究

The simulation and design of ventilation
and dehumidification system in cargo hold

HU Yaohua　JIA Xinle
Information Engineering College，DMU,Dalian 116026，China;

LI Yanming　JI Baojun
Dalia n New Shipyard,Dalian 116021,China;

YU Changsheng　XIE Jianmin
Dalian Wanda Group,Dalian 116011,China)

Abstract：A simulating software based on the dynamic mathematical model of cargo hold ventilation and dehumidification system is presented. It can emulate the r esponding process of system's temperature, pressure, related humidity under all kinds of operating modes. The design idea of the ventilation & dehumidification control system is introduced.
Key words: cargohold; ventilation & dehumidification system;simulating software

　　通风除湿系统在船舶货运中起着重要作用，目前我国设计制造的出口货船基本上都成套引进通风除湿设备和控制装置，既增加了制造成本，同时也增加了设计中各种设备选型的困难．为了促进国外引进设备和技术的消化吸收，提高我国自行设计的船舶的国产化程度，我们对大连造船新厂引进的货船货舱通风除湿系统进行了深入研究和实船试验，根据流体动力学和热力学建立了系统在各种工作模式下货舱温度、湿度、压力等参数变化的动态数学模型［1］，研制开发了仿真软件包，在此基础上提出了货船货舱通风除湿系统监控部分的国产化方案，包括系统硬件设备组成、控制系统工作原理等．该仿真软件已在大连造船新厂获得成功的应用，为通风除湿系统的设计和设备选型提供了依据．

1　通风除湿系统流程及设备配置

1.1　系统流程
　　如图1，在机舱安装两台除湿机DHU1和DHU2；货船共有10个货舱，CHD1S～10S和CHD1E～10E分别为各舱右舷和左舷气动风门，它们与货舱左右舷的通风管道连接．在通风管道入口有轴流式可调螺距风机CS1和CSE1；大气由进风口OAG1经气动风门OAD1与风机CS1入口相连，机舱空气经入口PFD1与CS1相连．MAD1～6为手动调风门，它们连接CSE1和除湿机间的管道；H1和H2分别为除湿机排风罩和货舱进排风罩．

1.2　系统主要设备
　　除湿机DHU1和DHU2：吸收入口湿空气中的水分排向大气；除湿后的干空气进入货舱除湿．除湿机可自动或手动控制，自动控制时，系统通过比较货舱相对湿度的测量值与期望值，自动判断启动或停止除湿机；也可根据需要手动启动一个或两个除湿机除湿．
　　风机CS1和CSE1：作为货舱通风除湿的供风和排风机．风机可在控制台遥控其启动或停止，并可调节其流量．
　　各舱气动风门CHD1S～10S和CHD1E～10E：可自动或手动开关，自动控制时，系统通过比较货舱相对湿度的测量值与期望值，判断应该开或关舱门；也可在控制台遥控其开关．
　　温度和湿度传感器：置于各货舱底部和顶部、以及风机、除湿机等处，将测量信号传送到控制台进行数据处理和显示．

2　仿真软件设计

　　根据建立的货舱通风除湿系统的动态数学模型，我们在Windows95环境下采用VisualC++［2,3］编制了仿真软件，以下拉菜单为框架，以对话框实现人机交互和初始参数输入，以流程图显示除湿机和各货舱的工作状态和参数变化，以曲线的形式描述各舱温度和湿度的变化趋势，通过对系统和用户消息的响应来完成本系统的启动、仿真、打印、退出等功能．
2.1　参数输入设计
　　实现通风除湿系统仿真需要的初始参数包括大气和各货舱的温度、湿度、压强，各舱舱门控制状态、系统工作模式、风机参数等．为了使用户输入参数方便快速，设计了多个对话框，在整个运行过程中，用户可通过键盘和鼠标输入或修改参数，各参数被存入到相应的数据结构中．为了防止用户误操作，程序还设置了检错功能．
　　通风除湿系统涉及的主要设备是除湿机和风机，为了方便实际设计中对设备的选型，在软件包中设计了除湿机和风机特性对话框，用户可以模拟各种不同型号的除湿机和风机的除湿效果，进行设备选型．
2.2　画面设计
　　画面用于实时显示系统工作流程和状态，动态更新仿真数据和参数变化趋势．画面包括系统总流程、除湿机流程、各单舱流程图、趋势画面、以及总趋势画面．
　　总流程图动态显示系统工作模式、仿真时间、各舱实时参数(温度、相对湿度、流入流出气体的质量流量)．
　　除湿机流程显示除湿机的工作状态、风机入口和出口的温度和相对湿度值，用户可在画面上利用鼠标启动或关闭除湿机，或切换到温度湿度历史趋势画面．
　　单舱流程显示该舱实时参数变化和运行状态，运行时可随时在画面中直接修改或设置该舱的状态和参数．
　　趋势画面以曲线的形式直观地描述各舱的温度和相对湿度的变化趋势，同时显示各时刻的参数值，方便了除湿系统设计人员的分析．
2.3　实船实验
　　为了提高仿真结果的准确性和A性，使理论分析与实践紧密结合，我们分别在自然通风和除湿机除湿两种工作模式下，对通风除湿系统进行了实验，了解系统的动态变化过程、除湿机和风机的工作情况；获取了建模需要的各关键位置上的压强、流速、温度、湿度等数据，这些实验数据给出的温度和湿度变化趋势同时作为仿真调试的依据．
2.4　货舱参数计算
　　参数计算是整个仿真系统的核心，根据建立的货舱通风除湿系统的动态数学模型［1］，编制了不同工作模式下的计算子程序，根据用户选择的工作模式，循环计算货舱参数变化，并实时显示．所有时刻的参数均以文件的形式存储，以便设计人员分析．在循环计算过程中程序随时检测用户消息，进行参数修改、曲线打印等．

3　货舱通风除湿监控系统组成方案

　　根据系统流程和控制要求，设计货舱通风除湿控制系统的计算机监控部分，系统关键硬件设备如除湿机等仍采用进口设备，以增加运行可靠性，其它硬件设备在国内市场上购置，以降低成本，并加快开发速度．国产化的初期工作主要是开发整个货舱通风除湿控制系统的全套控制软件，对硬件系统进行组装、调试，实现交船运行．

3.1　控制器
　　控制器是监控系统进行实时数据采集、监视、控制决策、输出控制信号的单元，是整个货舱通风除湿监控系统的核心．控制器可采用可编程序控制器(PLC)或STD工业控制机．
　　可编程序控制器采用瑞典SattControll公司的Sattcon15x型PLC，它具有强大的数据输入输出及过程监控能力：配套接口有A/D转换器、模拟量输入输出转换器、数字量输入输出转换器，可处理128个模拟量输入信号，64个模拟量输出信号，512个数字输入/输出信号；具有4个串行口，可进行8路PID控制，并可通过编程进行各种顺序控制和逻辑控制．该PLC编程方便，特别是借助DOX05软件包，可直接通过PC机利用类似于宏汇编的程序语言编程来简化软件的开发过程．
　　STD工业控制机采用80386或80486CPU，其操作系统和软件环境与一般的PC机完全兼容，使得监视控制软件完全可以用高级程序语言(如C语言)编程，从而大大减少软件的开发周期，提高软件的可扩展性和可维护性．
3.2　报警显示操作面板
　　报警操作面板置于驾驶台，用于指明报警信号的地点和报警性质．
　　操作面板可采用PLC，其规模略小于监控器Sattcon 15x，型号为Sattcon OP45，它把控制功能和人机界面结合在一起，应用简便灵活，在本系统中只实现报警显示和人机界面功能．Sattcon OP45和控制器单元Sattcon 15x通过RS232/RS485接口进行数据通信，该面板有带背光的液晶显示器，一共4行，每行40个字符，用于指明报警信号的地点和报警性质．面板上有22个键，用于执行相应的操作，如报警消音，选择某些点进行在线参数监视等．
　　操作面板也可采用与SattconOP45具有类似功能的产品，或采用PC104配以液晶显示器与鼠标构成微型监控器实现同样的功能．
3.3　人机界面
　　人机界面可用一般的PC机或工控机实现，它与控制器通过RS232接口进行数据通信．人机界面由菜单和画面构成，用于进行各路数据的显示(流程和曲线)、各种操作、各种参数设置等．主要的画面和菜单有：
　　总流程图：显示各舱实时数据，启动或关闭风机，设置风机流量；
　　单舱流程图：监视、显示该舱室的温度和湿度等参数，切换到对应舱的趋势画面，设置舱门的开关和控制状态及报警参数等；
　　除湿机流程图：显示除湿机入口出口参数，启动或停止除湿机；
　　历史数据趋势图：显示各舱温度、湿度等参数变化的趋势；
　　菜单：选择通风除湿系统的工作模式及相互间切换，设置货舱相对湿度期望值，并可切换到其它各个画面．
3.4　多路数据记录仪
　　用于记录系统参数随时间变化的历史曲线，可选择Honeywell DPR 3000，该记录仪可同时在纸上记录32路时间历史曲线，具有较高的可靠性；或采用高档彩色打印机完成同样的功能．
3.5　各类传感器
　　温度和湿度传感器及阀位传感器等型号由通风除湿系统总体设计确定，用于各种数据的测量和变送．

4　仿真软件在货舱通风除湿控制系统国产化研究中的应用

　　通过对引进系统的分析研究和建模仿真，我们提出了实现货舱通风除湿监控系统国产化的方案.

除湿监控系统

　　主控制器是整个货舱通风除湿监控系统的核心，负责实时数据采集、监视、控制决策、输出控制信号等．控制器可采用可编程序控制器或STD工业控制机．
　　报警显示操作面板置于驾驶台，它和控制器通过串行接口进行数据通信，用于指明报警信号的地点和报警性质．
　　人机界面与控制器通过串行接口进行数据通信，它由菜单和画面构成，用于进行各种数据的显示(流程和曲线)、操作、参数设置及曲线打印等．
　　在实际货舱通风除湿控制系统的设计阶段，可利用货舱通风除湿仿真软件包模拟实际系统，与监控计算机组成一个闭环系统，对监控系统的软件和硬件进行联机调试，以加快系统开发，提高效率，保证安全，节约成本．

5　结束语

　　本文给出的仿真软件包在给定外部边界条件后，可模拟通风除湿系统在温度范围-10～40℃、相对湿度0～100%时不同工作模式下温度、湿度、压力及气体流量等参数变化的趋势，反映实际系统的工作机理和特点，为实际系统的分析、设计和设备选型提供理论依据，节省实验费用、缩短设计周期，为实现通风除湿系统的国产化打下良好的基础；画面清晰易懂，操作方便，便于用户使用；仿真软件具有良好的可移植性和可扩展性；货舱通风除湿控制系统国产化方案实际可行．

作者单位：胡耀华　贾欣乐　大连海事大学信息工程学院，辽宁大连　116026；
　　　　　李延明　季宝军　大连造船新厂，辽宁大连　116021；
　　　　　于长生　谢建敏　大连万达集团，辽宁大连　116011)

参考文献

［1］　贾欣乐,胡耀华等.货舱通风除湿系统数学模型和仿真研究［J］.船舶工程,1998,114(3):42～45
［2］　DavidJK著,王国印译.VisualC++技术内幕［M］.北京:清华大学出版社,1995.
［3］　NamirCS著,王国印,张赤红译.VisualC++使用指南［M］.北京:清华大学出版社,1995.