基于单片机的船用海水淡化装置故障诊断系统的设计研究

· 12· 造船技术 2009年第2期(总第288期) 基于单片机的船用海水淡化装置故障诊断系统 的设计研究 林文城，董亮 (厦门海洋职业技术学院，福建厦门361012) 提 要 因现有的船用海水淡化装置故障诊断系 统可靠性欠佳，在理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和实验的基础上研究了系 统工作参数的影响因素，分析了系统常见故障对参数 的影响，建立了基于8个技术参数的故障诊断逻辑。 以此为基础设计了装置故障诊断系统，提高了诊断的 可靠性。 关键词 船用海水淡化装置 盐度 故障诊断 单片机 中图分类号 U661 文献标识码 A 1 引言 随着国际贸易的繁荣和世界航运业的发展，远 洋船舶的吨位越来越大。航行的海域半径越来越大， 这就要求船舶淡水供应量越来越大，冈此对海水淡 化装置的运行管理和故障排除提出较高的要求。 目前，船舶上使用蒸馏式海水淡化装置的技术 不断在改进，但自动控制和故障诊断方面还存在不 足。主要表现在，系统工作原理虽简单，但系统组成 复杂，各设备和仪表多，轮机人员管理的劳动强度 大，与船舶无人机舱的自动化发展趋势相悖；没有保 存海水淡化装置产生故障时系统的运行参数，不利 于维修人员在分析故障时快速准确做出判断。 以ZsF一15型号真空沸腾式海水淡化装置系统 为例，研究开发一种直接嵌入系统，功能较为完善的 故障实时检测与诊断系统，对于提高船用海水淡化 装置的可靠性与维修性，方便日常保养与准确获得 故障原因具有相当实用的价值和意义。 2海水淡化装置故障特性分析 ZSF一15型号真空沸腾式海水淡化装置系统如 图l所示，利用海水泵3向真空泵7提供工作水，让 真空泵7抽吸蒸馏器J中的空气，将装置内的真空 度降至一适当数值，由海水泵3供给海水经过减压 阀4进入竖管蒸发器(即蒸馏器1)后，竖管外壁充 作者简介：林文城(1975一)，男，讲师。 满温度较高的船舶主机冷却水，可以把海水加热到 35℃～45℃，当海水达到沸点后即开始汽化，产生的 水蒸汽流出竖管蒸发器后，绕过横置的蒸馏器上方 的管壳式冷凝器两侧的汽水分离器，从冷凝器壳体 上部开口进入。冷却用的海水在冷凝器管内流过， 管外的蒸汽被冷凝为淡水，凝水聚集在冷凝器底部， 由凝水泵J4抽出送往淡水柜。同时，由海水泵3 向排盐真空泵6提供工作水，使排盐真空泵开始工 作，把蒸发后剩下的高盐度海水(俗称盐水)排出一 部分，可以选择适当的排量保证在蒸馏器中海水的 盐度，同时也保持海水淡化装置内部海水液位的 平衡‘1|。 真空沸腾式海水淡化装置的工作参数包括蒸馏 器内盐水的真空度P，、蒸馏器内盐水的蒸发温度￡， 、蒸发器的水位高度H。蒸馏器内盐水进口的压力 P小加热水进口的温度￡i。和进出口的温差△丁．、冷 凝海水进口的温度f。。和进出口的温差△T。、凝水泵 的排出压力P。、所产淡水的盐度Sr和所产淡水的 流量Qf共n个[2]。各种丁作参数都与海水淡化装 置的丁作状况紧密相关，当实际运行条件与设计条 件不同或出现各种故障时，必然会影响到工作参数。 海水淡化装置常见的故障有，冷凝器和蒸发器的换 热面结垢；加热水流量过多或过少；冷凝海水流量过 多或过少；减压阀4的开度不准；离心泵3排压不 足；排盐真空泵6的排盐水量下降；真空泵7抽气 能力下降；蒸馏装置的气密性不良等L3J。 本研究设计的故障诊断系统需要在各种条件下 对海水淡化装置的运行情况进行分析诊断，当外界 条件变化或出现故障时，根据传热学和流体力学等 理论知识，结合实际的测量数据，得到海水淡化装置 的各参数的变化规律如表l所示。 3 海水淡化装置故障诊断系统建立 在对海水淡化装置故障进行分析判断时，通常 是由装置系统的故障现象来进行综合判断。 系统可能出现故障的部位与故障表现见表2。 万方数据 林文城，等： 基于单片机的船用海水淡化装置故障诊断系统的设计研究 · 13· 图l ZSF—15型号真空沸腾式海水淡化装置系统原理图 j一蒸馏器；2一冷凝器；3一海水泵；4一减压阍；5一流量传感器；6一排盐真空泵；7～真空泵8一止回阀；9一放气旋塞i 】O一冷凝海水调节阀；jj一加热水调节阀；12一盐度计；】3一盐廑传感器；j《一凝水泵；j5一回流电磁阕；j6一冷凝海水泵i J7一主机空气冷却器；』8一主机滑油冷却器；j9一主机缸套水冷却器；2D船舶主机；2』一主机缸套水泵； 22一真空破坏阀}23一冷凝器水位计；倒一蒸发器水位计 表l 外界条件变化和各种故障对海水淡化装置工作参数的影响 蒸 蒸 冷 蒸 馏 蒸 馏 加 冷 凝 冷 所 所馏 器 发 器 加 热 凝 海 凝 产 产器 内 器 内 热 水 海 力( 器 淡 淡内 盐 盐 水 进 水 进 的 水 水盐 水 的 水 进 出 进 m 水 的 的 故障类别 水 进 口 口 口 口 位 盐 流 水 的 位 口 的 的 的 的 高 的 蒸 高 温 温 温 度 量压 发 度 的 度 温 度 力 温 压 差 度 差 (H。) (St)(Qf) (P。) 度 (H。) 力 (￡．1)(△T：)(f。1) (△T。)(f。) (Pyl) 加热水温度过高 偏高 偏高 偏高 偏高 偏低 偏高 偏高 偏高 偏高 加热水温度过低 偏低 偏低 偏低 偏低 偏高 偏低 偏低 偏低 偏低 海水温度过高 偏高 偏高 偏高 偏低 偏高 偏高 偏低 偏低 偏低 海水温度过低 偏低 偏低 偏低 偏高 偏低 偏低 偏高 偏高 偏高 蒸发器换执面结垢 偏低 偏低 偏低 偏低 偏低 偏低 偏低 冷凝器换执而结垢 偏高 偏高 偏低 偏低 偏低 偏低 偏低 加热水流量过多 偏高 偏高 偏高 偏低 偏高 偏高 偏高 偏高 加热水流量过少 偏低 偏低 偏低 偏高 偏低 偏低 偏低 偏低 冷凝海水流量过多 偏低 偏低 偏高 偏低 偏高 偏高 偏高 冷凝海水流量过少 偏高 偏高 偏低 偏高 偏低 偏低 偏低 减压阀4的升度过大 偏低 偏低 偏低 偏高 偏高 偏低 偏低 偏低 偏低 减压阀4的开度过小 偏高 偏高 偏高 偏低 偏低 偏高 偏高 偏高 偏高 离心泵t?排压不足 偏高 偏高 偏低 偏低 偏低 偏低 偏高 偏高 偏高 排盐真空泵6排盐水屠卜．降 偏离 偏高 偏高 偏低 偏高 偏高 偏高 偏高 真窄泵7抽气能力下降 偏高 偏高 偏低 偏低 偏低 偏低 偏低 偏低 蒸馏装置的气密性不良 偏高 偏高 偏低 偏低 偏低 偏低 偏低 偏低 万方数据 造船技术 2009年第2期(总第288期) 表2海水淡化装置故障部位和表现 故障部化(如图1所示) 故障表现 蒸发器j 换热面结垢 冷凝器2 换热面结垢 海水泵3、凝水泵】4、 冷凝海水泵j6和 其中一台或多台泵不T作 主机缸套水泵2j 减压阀4 开度不准 排盐真李泉6 排盐水茸F降 真率泵7 抽气能力下降 冷凝海水调节阀JD 开度不准 加热水测节阀jj 开度小准 系统外界条件出现变化，影响系统正常工作，具 体见表3。 加热水进出口的温差和冷凝海水进出口的温差 两个工作参数的数值计算，可以通过计算各自进口 表3海水淡化装置外界条件变化 外界条件 变化情况 加热水温度 升高或降低 海水温度 升高或降低 温度和出口温度的差值来获得。根据表1的分析结 果，海水淡化装置故障的诊断逻辑中蒸馏器内盐水 的压力和蒸发温度两个参数的变化规律趋势相同， 所以只取蒸馏器内盐水的蒸发温度作为诊断逻辑的 判断依据；同时冷凝器的水位高度、所产淡水的盐度 和所产淡水的流量三个工作参数的变化规律也相 同，所以只取所产淡水的盐度作为诊断逻辑的判断 依据，即选择8个技术参数就可以完整准确反映出 系统异常工作时的故障原因。海水淡化装置故障的 诊断逻辑见表4，凶篇幅所限，无法显示全部故障，仅 列入典型故障。 表4海水淡化装置故障的诊断逻辑 蒸馏器内抽水的蒸发温度， TYsignO 1 —1 1 —1 蒸馏器内盐水进口的压力， PYJsignO O O O O 加热水进rl的温度， TJlsign O 1 —1 O O 加热水进出{J的温差， DTNsignO l —l 一1 1 冷凝海水进口的温度， TNlsign O O O O O 冷凝海水进出【l的温差， NTNsignO 1 —1 1 —1 冷凝器的水位高度， HNsign O 1 1 1 1 所产淡水的盐度， SFsjgn O 1 一l 1 —1 状态， situation O 1 2 3 4 诊断 正常 加热水温度偏高 加热水温度偏高 加热水流量偏大 加热水流量偏小 检查士机冷却 检查主机冷却 系统，同时开 系统，同时关 开大加热水调 关小加热水调 显示 运行正常 大加热水调 小加热水调 节阀 节阀 节阀 节阀 海水淡化装置除了真空泵7和排盐真空泵6 两台喷射泵外，还需要海水泵3、凝水泵j4、冷凝海 水泵16和主机缸套水泵2】四台离心泵(见图1)。 要使海水淡化装置正常工作，必须保证这四台离心 泵正常运行。这四台离心泵中的一台或几台出现故 障，把这一故障设定为s“uation一16，显示器显示 诊断为该台或几台离心泵故障和提醒值班管理人员 排除该故障。 故障判断的 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 。第一步判断四台离心泵是否 正常工作；第二步采集五个温度参数和一个盐度，同 时把六个模拟量转换为数字量；第三步判断蒸发器 的水位高度和蒸馏器内盐水进口的压力是否正常； 第四步以situationX显示测量结果，并循环到第 一步。 4故障诊断系统硬件设计 为了实现海水淡化装置故障的实时检测与诊断 功能，研究设计以AT89C52为核心的电路系统(见 图2)。除了基本电路外，包括信号测量与处理电路、 功能切换电路、海水淡化装置动作电路和显示电路。 主要介绍各部分电路的设计和相应软件的编制 要点。 (1)基本电路是单片机的时钟和复位电路； (2)信号测量与处理电路是以AI)C0809为核 心，用来获取T作参数的电路，并将所有的数字量和 信号进行处理分析[43； (3)海水淡化装置动作电路是系统检测海水淡 化装置四个主要泵开关动作的实现电路，获取泵是 否正常T作的信号； (4)设置测温电路和盐度测量电路，采集系统中 的五个温度参数与一个盐度参数，同时将这六个参 数转换为数字量_3； 万方数据 林文城，等：基于单片机的船用海水淡化装置故障诊断系统的设计研究 · 15· 图2 ADC0809控制电路 (5)蒸发器的水位高度和蒸馏器内盐水进口的 压力等开关量电路，获取两参数是否正常信号[63； (6)功能切换电路是便于轮机管理人员检查记 录和观察装置动态工作情况的实现电路； (7)显示电路是系统对故障诊断和装置运行状 态等各项内容显示的电路，并把单片机处理结果在 显示屏上表现出来。 5故障诊断系统程序设计 根据系统采集的温度和盐度数字量、离心泵动 作信号、蒸发器水位信号和蒸馏器内盐水进口压力 信号，设计系统故障诊断系统程序；创建系统功能切 换和中断程序；编写显示系统程序；设计软件抗干扰 程序。在上述程序模块的基础上，编写了海水淡化 装置故障诊断系统的整个程序。 6故障诊断系统调试 为了验证系统的可靠性，制作模拟电路并采取 以下方式进行调试和实验如下。 (1)采用单触点按键开关FSl、FS2、FS3、FS4， 模拟海水淡化装置的四台离心泵开关的动作信号， 并引入AT89C52相应中断口。 (2)采用单触点按键开关FS5、FS6、FS7、FS8， 模拟电极式水位系统和两个压力继电器，将信号传 递给AT89C52，来判断海水淡化装置蒸发器水位高 度和蒸馏器内盐水进口的压力是否满足要求。 (3)采H{五个可调电阻R1、R2、R3、R4、R5来模 拟测温热敏电阻，通过调节不同的阻值来模拟蒸馏 器内盐水的加热温度、加热水进出口温度和冷凝水 进出口温度的变化。同时采用R6来模拟盐度传感 器，模拟所产淡水盐度的变化。[21 为检测本系统的可靠性，改变可调电阻和调节 单触点按键开关FS5、FS6、FS7、FS8通断，模拟海 水淡化装置的实际工作过程，调节动作开关对系统 进行故障判断实验；按动功能按键对系统的数据保 存及动态显示功能进行实验。 当系统出现故障后，显示对海水淡化装置故障 的诊断结果，并提醒值班人员应该采取的排除故障 措施，结果可靠。 当按动MON／CHK键后，显示器显示系统异 万方数据 ·16． 造船技术 2009年第2期(总第288期) I上接第2页] 为了减少可变量，假设我们在各液舱的外面分 别加上50mm厚且与液货舱同类的隔热材料，在内 外层之间留出10mm空隙让低温氮气通过，以做到 蒸气绝热。然后把上述参数代入上述公式，分别对 5个液货舱按图2所示从No．5舱进行逐一求解，其 中氮气到了No．3液货舱的出口时已经达到o℃以 上，与环境温差已经很小了，故不必对No．2和No．1 液货舱进行蒸气隔热了，此时假设这两舱的外表温 度为环境温度，其计算结果见表l。 图2液货舱蒸气绝热系统流动示意 表l 各液货舱蒸发率及比较 BoR平均值 文献数值 液货舱 降低百分比 ％ ％ ％ No．5O．0194 No．4O．0438 No．3O．0721O．0597 O．1l 45．8 No．2O．0913 No．1 O．0913 通过表1比较可以看出，采用对No．3、No．4、 No．5液货舱采用蒸气绝热后，其整船的平均蒸发率 仅为O．0597(取各液舱舱容大小相等)，比该工况参 考文献(无蒸气绝热)的值降低了45．8％，大大减少 了货损，提高了运输量。可见蒸气绝热应用有很好 的发展潜力。 根据该工况的实例计算和分析故可以对蒸气绝 热系统进行优化设计，并标注必要的参数，见图2。 其中，No．1和No．2液货舱不必采用蒸气隔热。 5 结论 通过蒸气绝热技术的介绍和实际应用方案的仿 真计算比较，发现蒸气绝热技术对I。NG船液货舱的 隔热性能有很大的提高，极大地降低了液货舱货物 的蒸发率。同时。还可提高蒸发气温度，无须对蒸发 气进行升温处理，蒸发气可通过货物压缩机压缩后 直接进入锅炉燃烧。因此，通过蒸气绝热技术可以 减少货损，简化蒸发气的处理，从而提高LNG船的 经济性。 6 参考文献 1李品友．液化气体海运技术．大连：大连海事大学出版社， 2003：121 2[日]惠美洋彦．黄胜，译．液化气运输船实用手册．哈尔 滨：哈尔滨船舶 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院出版社，1992：126～152，272 ～284． 3 李雨康．I。NG船储罐保冷技术概述．上海造船，2002， (2)：45． 4姚蕴芳．新型船舶．北京：人民交通H{版社，1994：39～50 5滕晓青，顾永宁．双壳型船体结构稳态温度场和温度应 力．中国造船，2000，41(2)：58 6李博洋，李迪阳．I。NG船液货舱预冷过程．天然气丁业， 2008．28(5)：103 万方数据 基于单片机的船用海水淡化装置故障诊断系统的设计研究 作者： 林文城， 董亮 作者单位： 厦门海洋职业技术学院,福建,厦门,361012 刊名： 造船技术 英文刊名： MARINE TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2009，(2) 引用次数： 0次 参考文献(6条) 1.费千 船舶辅机 2005 2.林文城 基于单片机的船用海水淡化装置故障诊断系统的设计研究 2007 3.毕权军 船用造水机的日常维护保养与故障检修[期刊 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ]-航海技术 2001(6) 4.张志勇.何东健.肖军利.王顺 单片机在胶订机智能控制系统中的应用[期刊论文]-包装工程 2005(4) 5.孙传友.张晓斌.张一 感测技术与系统设计 2004 6.孙宝元.杨宝清 传感器及其应用手册 2004 相似文献(4条) 1.期刊论文 林文城.翁石光 船用海水淡化装置监控系统的模块化设计 -机电产品开发与创新2009,22(5) 根据船用真空蒸馏式海水淡化装置的运行特点,开发出一套可视化监控系统,可以对整个装置的状态及工作参数进行动态实时监测.尤其采用了独特的 前馈反馈控制方式,对该系统的产水量控制单元进行了重点模块化分析.只要把采集和分析的数据经扩充和修改,就可以将所开发的监控系统应用在其它类 型海水淡化装置上. 2.学位论文 林文城 基于单片机的船用海水淡化装置故障诊断系统的设计研究 2007 因现有的船用海水淡化装置故障诊断系统可靠性欠佳，本文在理论分析和实验的基础上研究了系统工作参数的影响因素，并分析了系统常见故障对 参数的影响，建立了基于蒸馏器内盐水的蒸发温度、加热水进口的温度、加热水进出口的温差、冷凝海水进口的温度、冷凝海水进出口的温差、所产淡 水的盐度、蒸发器的水位高度和蒸馏器内盐水进口的压力等8个技术参数的故障诊断逻辑。以此为基础设计了装置故障诊断系统，提高了诊断的可靠性。 完成了以下主要工作： 1、获得了系统故障特性与故障诊断逻辑本文参考相关的装置故障表，通过实验人为设置各种故障，改变故障的深度，获得 工作温度的变化曲线，从而作为分析判断的依据。 在此基础上，再利用对实测参数分析的结果与正常值进行比较，从而建立故障诊断的逻辑关系 。为建立故障诊断系统提供理论依据。 2、完成了装置故障实时检测与诊断系统的设计研究开发了一种以AT89C52单片机为核心的装置故障实时检 测与故障诊断系统，系统设计由硬件和软件两部分组成。 对蒸馏器内盐水的蒸发温度、加热水进口的温度、加热水进出口的温差、冷凝海水进口 的温度、冷凝海水进出口的温差、所产淡水的盐度等6个技术参数的采集通过测温电路和测盐电路将信号转换为电压信号，单片机采用查表方式直接读取 这些参数。对蒸发器的水位高度和蒸馏器内盐水进口的压力等2个技术参数分别采用电极式水位系统和压力继电器获取信号直接传递给单片机系统通过 4个水流开关分别感应4台离心泵的运行状况，将这些泵的动作信号送入单片机的中断口，由单片机判断这些泵所处的状态。 采用串行控制的 VICMl28*64显示器，由AT89C52单片机串行控制显示相应的内容。 系统硬件电路将维修人员操作的按键与AT89C52的中断系统紧密相连，并编制了 软件。系统能够方便地按操作要求显示相关内容。 3.期刊论文 林文城.董亮.Lin Wencheng.Dong Liang 基于单片机的船用海水淡化装置故障诊断系统的硬件设计 - 船电技术2009,29(2) 现有的船用海水淡化装置故障诊断系统可靠性欠佳.在理论分析和实验的基础上,本文分析了系统常见故障对参数的影响,建立了基于8个技术参数的 故障诊断逻辑.以此为基础设计以AT89C52为核心的电路系统,为完成整个装置故障诊断系统提供硬件支持.从而提高了对船用海水淡化装置故障诊断的可 靠性和准确性. 4.期刊论文 林文城 基于PLC的水盐度信号测量与处理系统的设计 -船电技术2009,29(9) 根据水中电极的导电性受水盐度和温度影响特点,实验测量获得一组在水盐度和温度变化情况下电极对应的电阻值,同时设计基于单片机的硬件电路 和编写相应软件程序,研制出工作可靠的盐度信号测量系统,供船用海水淡化装置和船用锅炉等自动监控设计者参考. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zcjs200902005.aspx 下载时间：2010年1月1日