甲醇供给安保控制系统设计

甲醇供给安保控制系统设计

顾辰辰1[1],2

1.中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海 200090； 2.船舶与海洋工程动力系统国家工程实验室，上海 201108

Design of methanol supply security control system

Gu chenchen1,2

1.Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute, Shanghai200090; 2. National Engineering Research Center for Special Equipment and Power System of Ship and Marine Engineering, Shanghai201108

中国分类号：TK   文献标识码

1研究背景及意义

现船舶航海法规中，对发动机运行过程中产生的排放要求日益严苛。国际海事组织（IMO）及诸多国际大量减少温室效应气体排放及降低海面大气污染的法规。甲醇燃料不含硫，因而可满足国际海事组织对硫排放的限值。同时，甲醇燃料也只含有极少的颗粒，因此也满足国际海事组织对颗粒的排放要求。甲醇的氮氧化物排放量也少于传统船用柴油，因此甲醇的确为一类清洁的燃油，并于近年来获得了世界范围内航运界的关注。

船用甲醇柴油机更倾向于采用双燃料系统，只需对原有的柴油机进行小幅改进即可，技术相对成熟，成本也较为低廉。从总体经济性来看，如果甲醇-柴油双燃料发动机能够在船舶运输全程中使用，则经济性更为显著，可以为航运节省更多的运输费用。

考虑到我国现有煤及石油资源的储备情况，甲醇此类替代燃料必然会成为中国能源多元化的一项重要组成部分，尤其是在煤资源较为丰富而石油资源相对贫瘠的地区。甲醇燃料为我国的能源工业提供了一大有效发展机遇，可在一定程度上减少对石油资源的依赖，同时也对环保大有神益。同时与之相对的甲醇柴油机等设备都会在该多元化的时代有着更为宽广的发展空间。

甲醇对人体有毒性，而且甲醇是与水融合的，当甲醇暴露在空气中时就会吸收空气中的水，而含有水的甲醇具有更大的腐蚀性。故本文从甲醇燃料的使用着手，设计了甲醇燃料供给安保系统，保证甲醇燃料供给性能要求的同时，注重供给的安全性。

2设计说明

2.1系统组成

甲醇燃料供给系统用于为甲醇发动机供给低压液态甲醇燃料，该系统包括甲醇加注系统、甲醇储存及供给单元、甲醇回收单元、氮气吹扫系统及监控安保系统等。其中，甲醇加注系统、甲醇供给单元和甲醇回收单元集成在甲醇储罐连接处所，结构紧凑；监控安保系统实时监控储罐压力、温度和液位等同时具有监测甲醇的泄漏和通风能力，安全性高。

2.2系统原理图

图 3.1：系统原理图

图 3.1左侧线框为甲醇储罐及其连接处所，安装在室外通风处，内部集成甲醇加注系统、甲醇储罐及供给单元、甲醇回收单元及相应的阀和传感器等，并具有气源阀组箱和防爆接线箱。图中右侧大框代表发动机室，内部小框为燃料阀组单元，立式安装在发动机旁。

3控制系统总体设计

甲醇供给安保控制系统总框图如图 4.1所示，系统主要构成包括

PLC控制器、模拟量模块、传感器和执行单元。其中，传感器与模拟量模块相连传输传感器采集的现场数据信息，传感器包括：温度、压力及流量传感器；PLC控制器与模拟量相连对现场数据信息进行处理，I/O模块与执行单元相连传输控制信息和处理后的数据信息。执行单元包括：阀组、风机、泵等。

图 4.1：甲醇供给安保控制系统图

3.1控制系统需求

1)具备甲醇充装及供给功能；

2)具备对甲醇燃料管路进行惰性气体吹扫功能；

3)甲醇燃料罐具有高液位报警和高高液位自动关闭相应系统功能，并设有燃料罐压力、温度指示装置和附连的报警装置；

4)发动机维护与燃料阀组单元维护时能切断燃料供给，对燃料管路氮气吹扫，确保安全；

5)能自动进行双壁管夹层通风、监测甲醇燃料泄漏并报警；

6)与发动机控制系统进行信息交互、协同工作；

7)配有独立的HMI面板，HMI面板显示燃料阀组系统中相关信息；

8)具有“燃料阀组系统未准备好”或“系统异常”等使发动机无法起动的互锁功能；

4硬件设计

主要功能介绍：

1负责甲醇供液及回液控制，控制管路阀件及泵动作；

2监控压力、温度及流量等传感器信号，并且与供液及回液连锁，当管路温度或压力偏离设定值时，系统需要紧急停止；

3远程控制双壁管通风风机，撬装风机，满足密闭环围通风负压要求；

4.1系统硬件配置

4.1.1PLC模块：

主控单元是甲醇供给安保控制系统的核心控制单元，它主要是通过扩展的数字、模拟通道响应发动机控制系统命令。采集系统所配备的各种传感器，将其转换成数字信号，进行逻辑分析和判断，发出控制指令，并将采集到的模拟、数字信号通过总线系统发送到显示单元。主控单元自带以太网接口，可以将CPU信息实时显示传送到其他控制模块。

模拟量输入输出模块，选用CP1W-MAD42,其包括4个模拟量输入点，2个模拟量输出点。分辨率均为12,000。此模块可以检测多种输入信号，在本系统中我们采用4-20mA传感器信号输入，4～20mA的电流输入对应于十六进制数0000～1770(0000～6000)。完整的数据输出范围是FED4～189C(-300～6300)。输入电流在3.2到4mA之间时使用补码来表示转换数据。如果输入的电流小于3.2mA时，断线检测功能将被激活并且转换的数据为8000。当输入范围被设定在4～20mA并且电流跌落到3.2mA以下时，断线检测功能被开启。当断线检测功能被激活后，转换的数据将被设定为8000。在数据转换过程中断线检测功能是可以清除的。如果模拟量输入重新回到转换范围内，断线检测功能将自动清除。当作为电流输入时将VIN1和I IN1，VIN2和I IN2，VIN3和I IN3 ，VIN4和I IN4短接，如图 5.4

本系统中主要包括：温度、压力、流量传感器等传感器的输入检测，如图 5.4所示。已下图为例：

1)燃料供应管理的压力检测，可以监控燃料供给的工作过程，便于整个供给系统进行燃料的调压，同时燃料供给压力超过系统设定值时，可以紧急切断燃料供应确保系统的安全性；

2)冷却水的流量可以监控冷却水的运行状态，确保冷却水始终在对回液管路中甲醇做降温的工作过程；而冷却水温度传感器可以检测冷却水的温度，保证冷却水在设定温度范围，当超过设定值时，说明冷却水已无法对甲醇起到冷却降温作用，需要紧急切断燃料供给；

3)甲醇储罐接头处所通风负压传感器可以检测储罐的负压情况，判断储罐通风风机运行状况。根据CCS《船舶应用甲醇/乙醇燃料指南》说明，“应通过布置和系统设计（如通风、探测和安全措施）将甲醇/乙醇燃料相关的危险所发生的概率和后果限制在最低水平”。通过负压传感器的检测，确保风机通风风量满足系统设计风量，能够在甲醇泄漏时，起到通风效果，降低危险发生。当负压超过系统设计值时，系统需要紧急切断燃料供给。

甲醇供给系统中，供给泵和回液泵控制原理图和风机类似，本文中就不过多赘述，值得指出的是供给泵和回液泵为离心泵，离心泵没有自吸能力，离心泵使用的时候需要引罐液体，否则会造成泵体发热、震动，出水量减少，对泵造成损坏，也就是我们常说的“气蚀”。故在泵的控制原理图设计中，避免了本地控制的设计，防止工作人员在液体未进入泵时操作泵，造成泵损坏。舍去了泵的本地启动，采用远程连锁控制，通过液位、和压力传感器监测泵中进入了液体，才允许远程控制泵启动。

4.1.2电源模块

本系统由两路DC24V直流电源供电，两路电源通过整流桥互为备份，在任何一路失电情况下另外一路可以为控制系统继续供电，并设有电源故障指示，在电源故障情况下可以在显示单元显示故障电路。同时设置DCDC隔离电源模块，提高了系统绝缘等级，起到电源隔离的作用。

4.1.3安全栅

本系统中不管是甲醇管路中的传感器还是安装与管路阀件上的限位开关，都是位于危险区域的，而本系统中选用的传感器及限位开关都是本质安全型防爆的，故在搭建控制系统时需要加入本安型安全栅，对传感器及限位开关这类仪器仪表起到安全隔离的作用，对于防爆系统和防爆型电气设备来说，本安型安全栅应用在本安防爆系统中，它是安装于安全场所并含有本安电路和非本安电路的装置，电路中通过限流和限压电路限制了送往现场本安回路的能量，从而防止非本安电路的危险能量串入本安电路，它在本安防爆系统中称为关联设备，是本安系统的重要组成部分。本系统中安全栅分为两种：数字隔离和模拟信号隔离，通过隔离模块消除了外界干扰和噪声信号，保证主控单元稳定工作，同时，还保证在危险区的电子系统本身安全。

5软件设计

5.1软件工作流程

当前采用的CPU是CP1L-EM40，编程方式采用比较常用的LAD（梯形图)方式，梯形图比较易被工作人员看懂，容易理解，而且和电路图很相似，采用的一些常用符号类似于在电气设计中所用到的符号，如触点、线圈等，这种编程的方式很适合对控制电路（接触器）比较熟悉的技术人员。

程序包括氮气吹扫、供液准备、开始供液、停止供液、紧急停止供液等。程序流程图如图 6.1。

图 6.1：程序总流程图

5.2通讯架构设计

两个控制箱采用独立欧姆龙CPU控制，根据CP1H系列可编程控制器的特点，数据交换是建立在通讯的基础上的，两个OMRON PLC实现数据交换的协议是1:1PC LINK 只需要将需要通信的两个PLC用制作好的通讯线通过RS232-C连接起来，再将两个PLC的设置里面的通讯都设置为PC LINK选着一个为主站另一个为从站，将两个PLC的校验方式和波特率设为一致， 在指定的区域（例如：主站CIO3100~3109，从站CIO3110~3119之间）就可以实现数据交换了。

系统整体通讯构架如图图 6.2

图 6.2：通讯构架图

每台PLC的数据链接区是PLC依据参数设定自动分配的。如图

图 6.3：PLC数据连接区

醇撬装供给安保系统和甲醇阀控单元分别与上位机监控系统通过主从应答的模式通讯，采用Modbus-RTU协议，进行RS485通讯。上位机监控系统设置为主站，甲醇撬装供给安保系统设置为1#从站、甲醇阀控单元设置为2#从站。硬件采用欧姆龙CP1L扩展CP1W-CIF12通信插件，软件采用CX-programmer通过无协议编程实现Modbus RTU Slave功能块，功能块如图所示

图 6.6：Modbus RTU Slave功能块

功能块的输入输出参数及相关能能，见下表：

1)输入参数表

2)输出参数表

3)Modbus地址和元件分配表：

5.3HMI触摸屏设计

触摸屏HMI的设计包括三个选项卡：系统结构图、模拟量及报警历史记录。如

图 6.9：HMI界面

6结论

甲醇供给系统包含甲醇储罐充装、氮气吹扫、甲醇供给、甲醇调压、紧急切断、监控安保等功能，能很好的为主机提供燃料。

收稿日期：2023-06-26；修回日期：

作者简介：顾辰辰(1988-)，男，工程师，E-mail:doublechengu711@163.com；