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

　　通風除濕系統(tǒng)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(chǎn)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(tǒng)進行了深入研究和實船試驗，根據(jù)流體動力學和熱力學建立了系統(tǒng)在各種工作模式下貨艙溫度、濕度、壓力等參數(shù)變化的動態(tài)數(shù)學模型［1］，研制開發(fā)了仿真軟件包，在此基礎上提出了貨船貨艙通風除濕系統(tǒng)監(jiān)控部分的國產(chǎn)化方案，包括系統(tǒng)硬件設備組成、控制系統(tǒng)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(tǒng)的設計和設備選型提供了依據(jù)．

1　通風除濕系統(tǒng)流程及設備配置

1.1　系統(tǒng)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(jīng)氣動風門OAD1與風機CS1入口相連，機艙空氣經(jīng)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(tǒng)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(tǒng)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(jù)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(jié)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(tǒng)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(shù)據(jù)處理和顯示．

2　仿真軟件設計

　　根據(jù)建立的貨艙通風除濕系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型，我們在Windows95環(huán)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(xiàn)人機交互和初始參數(shù)輸入，以流程圖顯示除濕機和各貨艙的工作狀態(tài)和參數(shù)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(tǒng)和用戶消息的響應來完成本系統(tǒng)的啟動、仿真、打印、退出等功能．
2.1　參數(shù)輸入設計
　　實現(xiàn)通風除濕系統(tǒng)仿真需要的初始參數(shù)包括大氣和各貨艙的溫度、濕度、壓強，各艙艙門控制狀態(tài)、系統(tǒng)工作模式、風機參數(shù)等．為了使用戶輸入?yún)?shù)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(shù)，各參數(shù)被存入到相應的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)工作流程和狀態(tài)，動態(tài)更新仿真數(shù)據(jù)和參數(shù)變化趨勢．畫面包括系統(tǒng)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(tài)顯示系統(tǒng)工作模式、仿真時間、各艙實時參數(shù)(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(tài)、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(shù)變化和運行狀態(tài)，運行時可隨時在畫面中直接修改或設置該艙的狀態(tài)和參數(shù)．
　　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(shù)值，方便了除濕系統(tǒng)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全面性，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(tǒng)進行了實驗，了解系統(tǒng)的動態(tài)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(shù)據(jù)，這些實驗數(shù)據(jù)給出的溫度和濕度變化趨勢同時作為仿真調試的依據(jù)．
2.4　貨艙參數(shù)計算
　　參數(shù)計算是整個仿真系統(tǒng)的核心，根據(jù)建立的貨艙通風除濕系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型［1］，編制了不同工作模式下的計算子程序，根據(jù)用戶選擇的工作模式，循環(huán)計算貨艙參數(shù)變化，并實時顯示．所有時刻的參數(shù)均以文件的形式存儲，以便設計人員分析．在循環(huán)計算過程中程序隨時檢測用戶消息，進行參數(shù)修改、曲線打印等．

3　貨艙通風除濕監(jiān)控系統(tǒng)組成方案

　　根據(jù)系統(tǒng)流程和控制要求，設計貨艙通風除濕控制系統(tǒng)的計算機監(jiān)控部分，系統(tǒng)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(fā)速度．國產(chǎn)化的初期工作主要是開發(fā)整個貨艙通風除濕控制系統(tǒng)的全套控制軟件，對硬件系統(tǒng)進行組裝、調試，實現(xiàn)交船運行．

3.1　控制器
　　控制器是監(jiān)控系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制決策、輸出控制信號的單元，是整個貨艙通風除濕監(jiān)控系統(tǒng)的核心．控制器可采用可編程序控制器(PLC)或STD工業(yè)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(shù)據(jù)輸入輸出及過程監(jiān)控能力：配套接口有A/D轉換器、模擬量輸入輸出轉換器、數(shù)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(shù)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(fā)過程．
　　STD工業(yè)控制機采用80386或80486CPU，其操作系統(tǒng)和軟件環(huán)境與一般的PC機完全兼容，使得監(jiān)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(fā)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(guī)模略小于監(jiān)控器Sattcon 15x，型號為Sattcon OP45，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(tǒng)中只實現(xiàn)報警顯示和人機界面功能．Sattcon OP45和控制器單元Sattcon 15x通過RS232/RS485接口進行數(shù)據(jù)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(zhí)行相應的操作，如報警消音，選擇某些點進行在線參數(shù)監(jiān)視等．
　　操作面板也可采用與SattconOP45具有類似功能的產(chǎn)品，或采用PC104配以液晶顯示器與鼠標構成微型監(jiān)控器實現(xiàn)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(xiàn)，它與控制器通過RS232接口進行數(shù)據(jù)通信．人機界面由菜單和畫面構成，用于進行各路數(shù)據(jù)的顯示(流程和曲線)、各種操作、各種參數(shù)設置等．主要的畫面和菜單有：
　　總流程圖：顯示各艙實時數(shù)據(jù)，啟動或關閉風機，設置風機流量；
　　單艙流程圖：監(jiān)視、顯示該艙室的溫度和濕度等參數(shù)，切換到對應艙的趨勢畫面，設置艙門的開關和控制狀態(tài)及報警參數(shù)等；
　　除濕機流程圖：顯示除濕機入口出口參數(shù)，啟動或停止除濕機；
　　歷史數(shù)據(jù)趨勢圖：顯示各艙溫度、濕度等參數(shù)變化的趨勢；
　　菜單：選擇通風除濕系統(tǒng)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(shù)據(jù)記錄儀
　　用于記錄系統(tǒng)參數(shù)隨時間變化的歷史曲線，可選擇Honeywell DPR 3000，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(tǒng)總體設計確定，用于各種數(shù)據(jù)的測量和變送．

4　仿真軟件在貨艙通風除濕控制系統(tǒng)國產(chǎn)化研究中的應用

　　通過對引進系統(tǒng)的分析研究和建模仿真，我們提出了實現(xiàn)貨艙通風除濕監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化的方案.
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??? 除濕監(jiān)控系統(tǒng)

　　主控制器是整個貨艙通風除濕監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負責實時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)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(yè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信，它由菜單和畫面構成，用于進行各種數(shù)據(jù)的顯示(流程和曲線)、操作、參數(shù)設置及曲線打印等．
　　在實際貨艙通風除濕控制系統(tǒng)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(tǒng)，與監(jiān)控計算機組成一個閉環(huán)系統(tǒng)，對監(jiān)控系統(tǒng)的軟件和硬件進行聯(lián)機調試，以加快系統(tǒng)開發(fā)，提高效率，保證安全，節(jié)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(tǒng)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(shù)變化的趨勢，反映實際系統(tǒng)的工作機理和特點，為實際系統(tǒng)的分析、設計和設備選型提供理論依據(jù)，節(jié)省實驗費用、縮短設計周期，為實現(xiàn)通風除濕系統(tǒng)的國產(chǎn)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(tǒng)國產(chǎn)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　116026；
　　　　　李延明　季寶軍　大連造船新廠，遼寧大連　116021；
　　　　　于長生　謝建敏　大連萬達集團，遼寧大連　116011)

參考文獻

［1］　賈欣樂,胡耀華等.貨艙通風除濕系統(tǒng)數(shù)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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