1、本 科 毕 业 设 计船舶燃油净化系统的设计与研究所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要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
2、术的发展前沿，将先进仿真技术成功应用到实际科研项目中。本文对由新型 Alfa Laval 分油机组成的燃油净化系统进行概述，根据燃油净化系统特点及实际项目要求采用 AutoCAD 设计燃油净化系统。此外，还对燃油净化系统中的油柜、分油机、管系、阀件等进行设计与选型。燃油净化系统的设计与实现是进行系统仿真软件开发的重要基础。数学模型是开发燃油净化系统仿真软件的关键，燃油净化系统动态数学模型主要包括分油机分离模型、电机电流模型、供油泵模型、加热器模型、油柜模型、水箱模型等。本文对上述数学模型的原理和建立进行详细描述，对于复杂动态数学模型采用 Matlab/Simulink 工具，进行模型搭建、参数
3、修正和仿真结果分析，从而得到高仿真精度的模型。本文通过对分油机分离模型和控制器模型的设计和实现说明数学模型到源代码的实现过程。在.NET 开发环境下，以 Visual C#编程语言开发燃油净化系统仿真软件，包括燃油净化系统布置、分油机控制和操作仿真、报普显示、故障模拟、操作日志显示和日志文件保存、数据显示和导出、曲线绘制等功能.在仿真系统的实现过程中应用了 GDI+图像处理技术及 ADO. NET 数据库技术等，充分利用了 Visual C#语言的优势。通过对比各种设计方案的优缺点并综合考虑实际研究情况，研发基于以太网的远程数据采集及远程控制系统，以此作为下位机。同时在研究 UDP 协议的基础
4、上自主定义下位机与上位机燃油净化系统仿真软件的通讯命令，进一步优化通讯协议，实现了上位机燃油净化系统仿真软件与下位机的数据通讯，从而成功地研发出一套完整的燃油净化系统模拟器。关键词:烧油净化系统;设计;建模;仿真系统;UDPIIAbstractWith the rapid development of information technology and wide use of computer, the application of computer simulation in every field increasingly attracts attention of research w
5、orkers, and it is bound to magnetize more and more talents engaging their professional simulation research. In the modern marine fuel oil purifying system, Alfa Laval separators which are international famous equipment dominate the global market. Marine fuel oil purifying system is the basement for
6、keeping the marine power system in good condition. So it is of great importance to do research work on marine fuel oil purifying system composed with Alfa Laval separators. On the one hand, it clutches the application reality and prospect of marine equipment; on the other hand, grasps technology lat
7、est development, applying the advanced simulation technology into practical projects.This article introduces the fuel oil purifying system composed with new-typed Alfa Laval separators. The fuel oil purifying system is designed with AutoCAD according to its working characteristic and practical proje
8、ct requirement. Moreover, the oil tanks, separators, pipes and valves of fuel oil purring system are designed and type-selected. The design of fuel oil purifying system is a significant basis of the following simulation.The mathematical model is the key of fuel oil purifying system simulation soft w
9、are. Mathematical models of fuel oil purifying system are composed of the separating model of separator, motor current model, pump model, heater model, oil tank model, water tank model and so on. This paper describes the theory and modeling method of the above models in detail, and builds models and
10、 analyzes simulation results via Matlab/Simulink for the complicated dynamic mathematical models. This article illuminates how to convert models to codes by introducing the design and realization of the separating model and controller model. The simulation software of fuel oil purifying system is de
11、veloped with Visual C# programming language in the .NET environment. This software functions include layout of fuel oil purring system, simulation of automatic control and operation of separator, alarm display, malfunction simulation, operation log display and log file save, data display and export,
12、 curve drawing etc. The technologies of GDI and ADONET have been applied, and it also has made good use of other advantages of Visual C# programming language.Comparing the advantages and disadvantages of several design schemes and considering practical research situations, the author does research o
13、n tele data collection and remote control system based on Ethernet, which is applied as micro-controller. At the same time, on the basis of studying UDP, the creative definition of communication orders between personal computer and micro-controller is accomplished, and the communication protocol is
14、optimized greatly. So data communication between the personal computer simulation software of fuel oil purring system and micro-controller is realized, and the whole fuel oil purifying system simulator is developed successfully.Key Words: Fuel Oil Purifying System; Design; Modeling; Simulation Syste
15、m;III目 录第 1 章 绪论 .11.1 选题的背景及意义 .11.2 相关领域的研究动态 .11.2.1 船舶分油机控制系统的发展 .11.2.2 船舶自动化机舱的发展动态 .21.3 本文的研究工作 .3第 2 章 燃油净化系统概述 .52.1 燃油的品种及性质 .52.1.1 燃油的品种 .52.1.2 燃油的性质 .52.2 燃油净化系统的组成 .62.3 分油机的结构与工作原理 .7第 3 章 燃油净化系统的设计与选型 .93.1 净化系统原理图的设计 .93.1.1 系统设计开发工具 .93.1.2 系统原理图的实现 .93.2 净化系统中重要部件的设计 .103.2.1 油柜
16、的设计 .103.2.2 燃油管系的设计 .113.3 阀件的选型 .153.3.1 阀件性能及适用场合 .153.3.2 阀件型号的确定 .17第 4 章 燃油净化系统数学建模 .194.1 建模的方法 .194.2 分油机模型 .204.2.1 分油机分离模型 .204.2.3 分油机转速模型 .234.2.4 分油机电机电流模型 .24IV4.3 燃油系统模型 .274.3.1 供油泵模型 .274.3.2 加热器模型 .284.3.3 油柜数学模型 .304.3.4 管路及阀件模型 .314.4 水箱模型 .31第 5 章 燃油净化系统仿真的实现 .325.1 系统开发环境与设计思想
17、.325.1.1 开发环境及编程语言的选择 .325.1.2 面向对象的设计思想 .335.1.3 GDI+技术及其应用 .335.2 系统模型仿真实现 .345.2.1 仿真软件体系结构 .345.2.2 仿真软件故降模拟 .355.2.3 数据库的设计与实现 .365.2.4 仿真软件显示界面及其说明 .38总结 .45致谢 .46参考文献 .471第 1 章绪论1.1 选题的背景及意义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
18、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。基于上述原因，燃油净化系统在船舶上的作用与面临的挑战越来越大。而分油机主要是用来分离出燃油中的水分和机械杂质，以达到减少机器磨损和
19、故障、提高机械设备的使用效率并延长机器使用寿命的目的，是船舶燃油净化系统中必设的专用设备。船舶燃油净化系统的运行状况的好坏直接影响燃油进机的品质，进而影响船舶动力系统的运行工况，在某些特殊的情况下甚至会直接影响到船舶的航行安全。而远洋船舶运输成本中燃油部分比例的上升，以及原油冶炼技油在船舶中得到了越来越广泛的使用。这样，燃油净化系统长期处于恶劣的工作环境中，发生故障的可能性也就会大大地增加。因此，要求轮机管理人员熟知燃油净化系统的工作原理及其自动控制过程，熟练地对燃油净化系统进行管理与故障诊断，确保燃油净化系统安全有效地运行，尽量减少故障的发生，这就使得轮机管理人员和在校航海类学生进行相关培训
20、和教学变得重要起来。过去，我们国家在进行这方面的培训时大都采用书面的讲述或真实设备进行，由于书面讲述的抽象及设备资源的限制，用这些方式培训操作人员就存在着效果不理想、培训成本高等缺陷。近年来，随着计算机仿真技术的发展和国际海事组织机构对于仿真模拟器培训要求的提高，使用轮机模拟器对轮机管理人员和在校学生进行轮机重要设备的培训成为一种趋势，通过这种培训方式可以弥补传统培训方式中的不足，充分发挥资源无限性和多工况、各种难度系数的故障模拟的优势。因此，对船舶燃油净化系统进行系统设计及其仿真软件的开发有着重大的现实意义与实际价值。1.2 相关领域的研究动态1.2.1 船舶分油机控制系统的发展船舶分油机自
21、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2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、排渣、停车都是通过时序控制系统定时完成。二十世纪六十年代开始，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
22、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，
23、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。1.2.2 船舶自动化机舱的发展动态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
24、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。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
25、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，
26、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3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
27、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
28、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 Siemens AG 和 STEIN SOHN、荷兰的LYNGS_ MARINE AS、希腊的 Golden Marine Automation 以及日本的 NA
29、BACO 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。1.3 本文的研究工作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。
30、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序。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、
31、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(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应用到实际科研项目中。(5)研发基于以太网的远程数据采集及远程控制系统，以此作为下位机。研究 UDP 通讯协议，自主定义下位机与上位机燃油净化系统仿真软件的通讯命令，进一步优化通讯协议，实现了上位机燃油净化系统仿真软件与下位机的数据通讯。5第 2 章 燃油净化系统概述柴油机是一种热机，它是依靠燃油的燃烧产生膨胀做功而运动的。为了使燃油在柴油机中进行很好的喷射和燃烧
32、，必须供以足够数量和一定品质的燃油。对船用辅锅炉，一般也是依靠炉膛中燃油燃烧发出热量，使水变成蒸汽，因此也需要对其供应燃油。所以在船舶上为了满足燃油的供应，就必须设置燃油管系，对燃油进行贮存，驳运，净化和供给。为了满足柴油机对燃油质量的要求，在进机之前应除去燃油的杂质和水分，故必须对燃油进行清理和净化。因此，燃油净化系统是整个燃油系统中的重要组成部分。2.1 燃油的品种及性质2.1.1 燃油的品种柴油机所使用的燃油基本上可分为三种:轻柴油、重柴油和燃料油(又称重油)。它们大多是石油或岩页的蒸馏产物。从原油中最先蒸馏出来的是汽油，其次是煤油，再次是轻柴油和重柴油，而蒸馏的剩余物叫做渣油。燃料油就
33、是渣油和重柴油的混合物，其混合物的比例视所需粘度而定。对于中、高速柴油机大多使用轻柴油，目前中速柴油机已经开始采用重油。对于大型低速柴油机则普遍使用重油。重油质量比柴油低，但价格低廉，一般是轻柴油的 1/4-1/5，所以在目前资源紧缺，石油价格高昂的情况下，使用重油不仅可以降低运输成本，而且能节约大量优质柴油，可供国防、工业、农业等使用，能合理使用石油资源，对国民经济的发展具有重要的意义。2.1.2 燃油的性质燃油是许多不同结构形式的碳氢化合物(又称烃) 的混合物，其中除碳、氢两种主要元素之外，还含有少量氧、硫、氮、钠、矾等元素。燃油的性质可以用下列主要燃油的物理化学特性指标来表示，主要包括十
34、六烷值、密度、粘度、硫分、灰分、机械杂质和水分。1.十六烷值十六烷值是衡量燃油着火性能的指标。十六烷值是这样定义的:取一种纯烷属烃十六烷，它的着火性能最好，规定为 100，又取一种纯芳香烃 a 一甲基蔡，它的着火性能最差，规定为 0。将两种不同容积比相混合作为标准油，通过专门的试验设备，测定所用燃油与某一混合比例的标准油的着火性，若具有相同的滞嫩期，即取此标准油中十六烷所占的百分数为所用燃油的十六烷值。十六烷值越高，即表示嫩油的着火性能越好。高速柴油机由于燃烧过程所占时间极短，所以对燃油的嫌烧着火要求极高，所用的燃油十六烷值在 40-60 之间。对于大型低速柴油机，由于燃烧过程所占时间较长，若燃用燃料油，则燃料油的十六烷值较低，约在 25-35 之间。2.密度
