1、毕业设计开题报告 电气工程及其自动化 船舶燃油净化系统的设计与研究 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 随着信息技术的飞速发展及计算机技术的广泛应用，计算机仿真技术在各个领域的应用越来越引起科研人员的关注，而且也必将吸引更多的人才从事各专业的仿真研究 .在现代船舶燃油净化系统中，国际知名设备 Alfa Laval 分油机占据着主导地位，而船舶燃油净化系统是保证船舶动力装置正常工作的前提条件，因此对由 Alfa Laval 分油机组成的船舶燃油净化系统展开系统设计和仿真等一系列研究工作具有重要的 意义，一方面紧扣船舶设备的应用现实与前景，另方面又准确把握科学技术的发展前沿，将先进
2、仿真技术成功应用到实际科研项目中。 船用低速大功率柴油机使用重油己有三十多年的历史。近几年来，由于世界发生了能源危机，石油的价格不断攀涨。于是，低速大功率柴油机、中速柴油机及燃气轮机越来越广泛地使用廉价的重油。一方面，重油中的水分和杂质来自油的提炼和运输装卸过程 ;另一方面，重油本身所含的杂质与水分的比重一样随油的粘度增大而增加。 柴油机使用重油时，含有过多杂质和水分的重油对柴油机的寿命和效率是十分不利的。一方面，杂质会使柴油 机的缸套容易磨损过多 ;另一方面，水分使柴油机的效率下降，并引起一定程度的腐蚀。特别是燃气轮机对重油的要求更高，除了要去除水分与杂质外，还要去除油中存在的金属钠、钾、钒
3、离子，以免叶片受到腐蚀。用离心分离机来去除重油中的水分和杂质是一种已经证明的行之有效的方法，并且人们己积累了一定的经验。 船舶分油机自动控制系统的发展与现代机电设备控制技术的发展是密切相关的。船舶分油机依据排渣方式经历人工排渣、手控自动排渣及全自动排渣的发展过程。人工排渣是在分油机每运行一段时间后，都需要定期的停机拆卸分离盘，人为清除聚集在分离筒内的固渣，工作效率低，船员劳动强度大。手控自动排渣主要是在分油机上安装了一个手动控制阀，分油机的每一步过程都需要人为地操纵控制阀，控制分离筒的密封和开启，从而实现分油过程和排渣过程的程序。自动排渣是在分油机上装有一套时序控制系统，分油机的启动、工作、排
4、渣、停车都是通过时序控制系统定时完成。二十世纪六十1 年代开始，自动控制技术飞速发展，船舶分油机自动控制也得到了高速发展，船舶分油机控制系统是以凸轮时序控制开关、电磁阀等构成的分油机控制系统。由于船舶机舱工作环境恶劣，温度高、湿度大、机械设备振动大，经过一段时间 的使用，这种控制系统大多会出现绝缘性能不好、可靠性变差等现象 ;其次就是电器设备的触点开关，在恶劣的环船舶分油机控制的仿真系统设计与实现境下反复使用，触点易磨损、氧化，甚至发生严重的机械变形，导电性能及接触可靠性下降，经常会造成继电器误动作，影响分油机的正常工作，甚至烧毁电器设备，造成机损事故。 进入八十年代，随着计算机和电子技术的迅
5、速发展，单片机和可编程控制器 (PLC)得到飞速发展，在船舶机械设备自动控制方面得到了广泛应用。可编程控制器 (PLC)作为分油机时序控制单元，它具有很高的可靠性和较强的抗干扰能力 ，并且操作简单、维护方便，在逻辑控制方面具有较大优势。因此，用可编程控制器 (PLC)在船舶分油机的时序控制器控制系统中得到了广泛的应用 。 船舶机舱自动化是伴随着陆用自动化技术不断取得进步而逐渐发展起来的。到 20世纪 50 年代末，反馈控制理论在船上己经得到了广泛的应用，使得机舱里的所有运行参数均能实现自动控制，借助当时的电子技术发展水平在此基础上出现了机舱集中监视和参数越限报替系统。直至 20 世纪 60 年
6、代中期，开始出现 “ 无人机舱 ” 。 60 年代末期，计算机应用技术逐步在船上得到推广，促使船舶机舱自动化进入了飞速发展的 新时期。此后的每一个发展阶段都是以计算机技术的革新作为标志的，大体上可以分为三个阶段。 第一阶段是全船采用单台计算机进行集中控制和管理，计算机软件的应用使控制系统的硬件设备大大简化，并且使得控制和管理功能更加丰富。其应用范围实际上己超出了机舱自动化的范畴，在导航货、物装卸和通信方面都由计算机进行控制和管理。集中型计算机监控系统在 70 年代具有一定的先进性，但该类系统造价昂贵而且可靠性差，一旦计算机发生故障，就会导致系统完全瘫痪。 第二阶段是以微机技术为代表的分散控制。
7、由于单台计算机过于集中的控制方式存在上述缺 点，因此从 70 年代中后期开始，船舶机舱监控系统逐渐由集中型转向分散型，即采用多台计算机分别对机舱乃至船舶的各个局部系统进行监控。当时，微机技术的普及应用和后来单片机技术的推广也在客观上为这一转变提供了技术支持。分散型系统简单易行、造价低，且具有较好的可靠性安全性和可维修性。这就使得在 70 至 80 年代中期，这一较长的时期内船舶机舱均以分散控制为主。例如，采用微机控制的分油机自动2 控制、燃油粘度控制、主机遥控和集中监视系统等。 第三阶段是以网络技术的应用为特征的网络控制阶段。分散型系统虽然克服了集中型系统的致命缺点 ，但由于各个系统之间是分散
8、独立的，系统之间不能进行信息通信，因此不便于集中管理和控制。尽管在集控室还设有集中监视系统，但监视系统与各个分散系统之间并不存在数据通信关系，它只是简单地接收各个分散系统送来的报警信号，只起到监视报警的作用，缺乏管理和控制功能。随着计算机通信技术的发展， 80 年代末90 年代初开始新造船舶开始采用网络型微机监控系统。这种系统采用多微机分布式控制的方法，不同的设备和系统仍然采用独立的微机控制，但微机之间可以进行数据通信，各个分散系统通过网络连成一体，便于实现集中管理和控制。网络监控方式继 承了集中型和分散型控制系统的优点，成为当今船舶机舱自动化的发展方向，目前国际上各主要生产厂商制造的船用控制
9、系统均为网络型控制系统。 如上所述，网络型控制系统是船舶机舱自动化的发展方向，也是目前新造船舶所采用的主流产品，因此现代船舶机舱自动化的特点就是建立在计算机通信技术基础之上的网络化，以及由此带来的数字化、标准化和智能化。根据网络形式 DCS)和现场总线型控制系统 (简称 FCS)。机舱集散型控制系统是计算机技术、通信技术、 CRT 技术和控制技术综合发展并在船上应用的产物。它以局域网作为纽带，按照过程控制级、控制 管理级和高层管理级等分层多级的结构形式，将机舱中乃至全船的计算机联系在一起，使得过程控制分散显示管理和操作却相对集中。集散型控制系统代表着 80 年代末至 90 年代中期的最高技术水
10、平。现场总线型控制系统 (FCS )是建立在基于嵌入式电子技术的数字化传感器和数字化执行机构基础上的比集散型控制系统更为新型的控制系统。它采用一种叫做现场总线 Fieldbus 的串行数字通信总线将所有数字化、智能化和模块化的传感器、执行机构、显示设备、操作器和计算机等挂在一条四芯总线上形成一个全分散大数字化网络。网络中的各个单元模块均可独立 工作，模块与模块之间按照符合国际标准的现场总线通信协议进行串行通信。 目前国际市场上从事船用自动控制系统生产的厂商较多，例如欧洲挪威的Kongsberg Norcontrol AS 和 Hitec Marine Automation AS、德国的 Sie
11、mens AG 和 STEIN SOHN、荷兰的 LYNGS_ MARINE AS、希腊的 Golden Marine Automation 以及日本的 NABACO等这些公司推出的最新产品都是基于计算机和网络技术的新型系统都反映了现代船舶机舱自动化的特点和发展趋势。 将来的 船舶机舱自动化将在越来越大的程度上依赖于计算机及其网络技术。在现场3 控制设备高度模块化和通用化的基础上，船舶自动化行业的竞争将会逐渐集中到有关的软件开发上来，这将促使船舶机舱甚至是整个船舶朝着智能化的方向发展。为此我国的航运企业和航海教育机构应及时做好这方面的准备工作以适应这一发展趋势。 在集装箱堆场排队系统中，要研究
12、的主要内容是 :集卡排队的系统模型、集卡排队系统概率规律及最优化问题。在集卡到、离堆场装卸服务这一系统中，要进行分析研究，首先要判断该系统符合哪种数学模型，根据模型进一步研究其概率的稳态规律性及系 统性运行指标，如集卡排队队长分布、等待时间分布、堆场装卸服务“忙期”分布，最终能得出静态最优化问题的求解，即合理的堆场能力的确定，堆场机械设备的合理配备和合理的调度方式的确定等问题。 由于排队网络模型能够考虑系统中的各种随机因素，并能较为细致地描述系统内部的各种复杂关系。通过排队网络模型，也易于从概率和统计的角度分析和优化 DEDS的过程性能。因此，将排队网络理论应用于集装箱堆场排队系统中，并对集装
13、箱堆场排队系统的稳态性能进行分析，是一个十分可行的方案。 二、 研究的基本内容，拟解决的主要问题： 本文研究的 目标是主要以 某实习船 燃油净化系统为研究对象并结合参考其他船舶的燃油净化系统。 该 轮船体总长 116 米，型宽 18 米，设计吃水 5.40 米，总吨位 6000吨。本文首先利用 AutoCAD 设计燃油净化系统原理图，在此基础之上进行分油机、油柜、管系及阀件等设备的计算与选型。接着以 Matlab/Simulink 为模型搭建和验证平台，调整和确定燃油净化系统模型的准确参数，通过 C#编程语言实现船舶燃油净化系统的计算机实时仿真软件，然后设计并研发上位机仿真软件与下位机的通讯程
14、序。 三、研究步骤、方法及措施： 主要工作内容如下 : (1)结合实际设计出整个燃油净化系统原理图，并根据提供的主机、辅锅炉及发电柴油机等参数，对燃油净化系统的油柜、分油机、管系等进行设计与选型。 (2)建立燃油净化系统的动态数学模型，包括嫩油系统的分油机分离模型、加热器模型、油柜模型、供油泵模型、管路及阀件模型、分油机电机模型、分油机转速模型以及水箱模型等。 (3)以 Visual Studio 为开发环境，采用 Visual C#高级编程语言开发燃油净化系统仿真软件。 (4)结合实际项目情况，将所设计的燃油净化系统和开发的燃油净化系统仿真软件4 应用到实 际科研项目中。 图书馆查找相关的书
15、籍、期刊、杂志等，通过上网寻找相关的一些资料，查看当代对该技术的研究成果和最新的动态。然后通过对这些资料的学习和研究进一步的熟悉和理解设计所需的相关知识。在设计过程中及时与指导老师探讨，对不了解的问题及时向老师请教。 四、 参考文献 1 Yamamoto Tetsuya, Watanabe Natsuko, Fukui Kunihiro. Effect of inner structureof centrifugal separator on particle classification performanceJ. Powder TechnologyJ, 2009, 192 (3) :268
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