一种船用柴油机SCR控制系统的制作方法

本发明涉及大功率柴油机增压器后SCR系统的控制，具体涉及一种船用柴油机SCR控制系统，属于柴油机技术领域。

背景技术：

船用柴油机SCR控制系统主要完成对SCR系统中尿素喷射系统的控制。

PLC(可编程逻辑控制器)广泛应用于自动控制系统，主要领域有：开关量逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理、联网通信等。

西门子(siemens)PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选择，用户能灵活的进行系统配置，组成不同功能、不同规模的自动化系统，有较强的带负载能力，可以直接驱动电磁阀和接触器。

西门子PLC功能强、性价比高、可靠性高、抗干扰能力强、维修方便、开发周期短。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种船用柴油机SCR控制系统，采用西门子S7-300PLC作为控制器，自动控制尿素喷射系统，根据主机不同的工况，调整尿素喷射量，使柴油机尾气中NOx含量满足TIER III要求。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种船用柴油机SCR控制系统，包括有：

初始化功能模块，存放系统启动前所要求系统初始化的参数，在系统上电时执行一次，将其中存放的参数值设置为指定值；

主循环功能模块，包括机旁控制模块、集控室控制模块、报警故障处理模块和停机处理模块，其中：

所述机旁控制模块在机旁实现手动控制废气进口阀和旁通阀，手动控制尿素的喷射量，包括手动控制子模块，该手动控制子模块包括阀控制模块和尿素喷射量控制模块，所述阀控制模块控制废气进口阀和旁通阀达到相应的开度，所述尿素喷射量控制模块控制计量泵喷射相应的尿素量；

所述集控室控制模块在集控室实现手动与自动控制的切换，控制尿素的喷射，包括手动控制模块和自动控制模块，所述手动控制模块处理人机界面发送来的打开/关闭指令和阀开度指令，并通过所述阀控制模块控制废气进口阀和旁通阀达到指定的开度，所述自动控制模块包括TierII模块、准备TierIII模块和TierIII模块，所述TierII模块处理来自人机界面的请求指令，使显示设备达到TierII要求的状态，并通过所述阀控制模块控制废气进口阀和旁通阀达到指定的开度，所述准备TierIII模块处理来自人机界面的请求指令，使相关设备达到准备TierIII要求的状态，并通过所述阀控制模块控制废气进口阀和旁通阀达到指定的开度，所述TierIII模块处理来自人机界面的请求指令，使相关设备达到TierIII要求的状态，并读取尿素喷射量信号；

所述报警故障处理模块把超过报警限的数值设置为相应的上限和下限的标志位，对高出上限或低于下限的模拟量进行报警；

所述停机处理模块在模拟量超出报警限后执行停机指令，使所述废气进口阀和旁通阀达到安全位置并停止尿素喷射；

循环中断功能模块，包括模拟量处理模块和上位计算机监控画面动态化模块，其中：

所述模拟量处理模块将通过数字滤波得到的采样值变换为原量纲的工程值，并储存变换后的数据；

所述上位计算机监控画面动态化模块实现不同模式下监控画面的动态显示。

进一步地，所述的手动控制子模块处理来自触摸屏的操作指令，并且将阀开度指令发送给所述阀控制模块，将尿素喷射量指令发送给所述尿素喷射量控制模块。

进一步地，所述的TierIII模块包括尿素开环喷射量子模块和尿素喷射量子模块，所述尿素喷射量子模块根据当前主机负荷读取负荷-尿素喷射量曲线并确定当前所需要的尿素量，所述尿素开环喷射量子模块计算出尿素喷射量信号。

进一步地，所述的报警故障处理模块采用声光报警模式，当产生故障时报警灯闪烁，蜂鸣器鸣响；当按下报警响应按钮后，报警灯常亮，蜂鸣器关闭；故障消除后报警灯熄灭。

进一步地，所述的SCR控制系统采用西门子S7-300PLC作为控制器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、所述SCR控制系统采用了模块化的程序结构，将程序分解成为若干子功能模块，这不仅便于程序的理解和编程，而且便于实现程序的功能扩展及故障的查找排除。

2、采用西门子S7-300PLC作为控制器，具有功能强、性价比高、可靠性高、抗干扰能力强、维修方便、开发周期短等优点。

3、实现了随着主机负荷的变化自动改变尿素的喷射量，从而减少了废气中NOx含量，满足了Tier III排放法规的要求。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

具体实施方式

本发明针对于大功率低速柴油机增压器后SCR系统进行设计，其控制SCR系统的起动和停止、模式选择、尿素手动/自动喷射、废气进口阀和旁通阀的自动/手动打开和关闭、报警及故障诊断等功能。

所述船用柴油机SCR控制系统采用西门子S7-300系列PLC和万可(Wago)PLC，触摸屏采用西门子TP1200精智面板，上位计算机采用西门子工控机，控制器和触摸屏采用Portal V12软件编程，上位机监控采用Wincc V7.0组态软件；体现了西门子全集成自动化的理念。

S7-300系列PLC可以实现SCR系统主要的控制功能，万可PLC用于NOx传感器的CAN总线通信。

下面结合附图和具体的实施例来对本发明作进一步的详细说明，但不能因此而限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图示船用柴油机SCR控制系统采用西门子S7-300PLC作为控制器，包括有初始化功能模块OB100、主循环功能模块OB1和循环中断功能模块OB35。分别说明如下：

1、初始化功能模块OB100

初始化功能模块OB100存放系统启动前所要求系统初始化的参数，在系统上电时执行一次，将其中存放的参数值设置为指定值。

2、主循环功能模块OB1

主循环功能模块0B1中存放主要的控制功能，包括四个功能模块：集控室控制功能模块、机旁控制功能模块、报警故障处理模块FC10和停机处理模块功能模块FC11。

集控室控制模块分为手动控制模块FC3和自动控制模块FC2。集控室控制模块的功能为在集控室手动或自动控制废气进口阀、旁通阀，实现手动/自动控制的切换，控制尿素的喷射。

手动控制模块FC3包括阀控制模块，手动控制模块FC3处理人机界面发送来的打开/关闭指令和阀开度指令，并发送给阀控制模块，阀控制模块控制废气进口阀、旁通阀使其达到指定的开度。

自动控制模块FC2包括TierII模块FC7、准备TierIII模块FC8、TierIII模块FC9三个功能模块。TierII模块FC7处理来自人机界面的请求指令，使显示设备达到TierII要求的状态，并发送信号给阀控制模块，阀控制模块控制废气进口阀、旁通阀使其达到指定的开度；准备TierIII模块FC8处理来自人机界面的请求指令，使相关设备达到准备TierIII要求的状态，并发送信号给阀控制模块，阀控制模块控制废气进口阀、旁通阀使其达到指定的开度；TierIII模块FC9处理来自人机界面的请求指令，使相关设备达到TierIII要求的状态，包括尿素开环喷射量子模块FC5和尿素喷射量子模块FC6，TierIII模块FC9读取尿素开环喷射量子模块FC5所计算出的尿素喷射量信号，尿素喷射量子模块FC6根据当前主机负荷读取负荷-尿素喷射量曲线，确定当前所需要的尿素量。

机旁控制模块的功能为在机旁手动控制废气进口阀、旁通阀，手动控制尿素喷射量，包括手动控制子模块FC4。手动控制子模块FC4包括阀控制模块和尿素喷射量控制模块，手动控制子模块FC4处理来自触摸屏的操作指令，并将阀开度指令发送给阀控制模块，将尿素喷射量指令发送给尿素喷射量控制模块。阀控制模块控制废气进口阀、旁通阀使其达到相应的开度，尿素喷射量控制模块控制计量泵喷射相应的尿素量。

报警故障处理模块FC10对标度变换后高出上限或低于下限的模拟量进行上下限报警。把超过报警限的数值设置为相应的标志位。报警处理程序采用声光报警控制，有故障产生时，报警灯闪烁，蜂鸣器鸣响。当报警响应按钮按下后，报警灯常亮，同时报警蜂鸣器关闭。故障消除后报警灯灭。

停机处理功能模块FC11，当标度变换后的模拟量数值超出安全范围后，停机处理功能模块FC11会执行停机指令，使相应阀门达到安全位置，并停止尿素喷射。

3、循环中断功能模块OB35

循环中断功能模块OB35中存放实时性要求高且有一定执行频率要求的功能模块，包括模拟量处理模块FC1和上位计算机监控画面动态化模块。

模拟量处理模块FC1包括标度变换模块FC105和标度变换模块FC106。通过数字滤波得到的有效采样值，往往不能直接使用，必须把它转换为原量纲的工程值后才能运算、显示、报警等。模拟量处理模块FC1调用标度变换模块FC105及标度变换模块FC106进行标度变换，并将标度变换后的数据存入标度变换数据块内。

上位计算机监控画面动态化模块，SCR系统在不同的工作模式下，上位监控计算机动态化的系统状态显示是不同的，该上位计算机监控画面动态化模块实现不同模式下监控画面的动态显示。

所述SCR控制系统的各模块间的信号输出和传递关系如下：

初始化功能模块OB100：开关指示灯状态位，阀门位置模拟量初始值。

主循环功能模块OB1：控制位置、工作模式状态位，尿素喷射量，报警、停机信号。

集控室控制模块：自动/手动控制状态位、模式状态位、尿素喷射量。

手动控制模块FC3：手动控制状态位、阀位置信号。

阀控制模块：阀位置和反馈信号。

自动控制模块FC2：自动控制状态位、模式状态位、尿素喷射量。

TierII模块FC7：TierII工作模式状态位、阀位置信号。

阀控制模块：阀位置设定点和反馈信号。

准备TierIII模块FC8：准备TierIII工作模式状态位、阀位置信号。

阀控制模块：阀位置设定点和反馈信号。

TierIII模块FC9：TierIII工作模式状态位、尿素喷射量。

尿素开环喷射量子模块FC5：尿素喷射量。

尿素喷射量子模块FC6：MAP。

机旁控制模块：手动控制状态位、阀门设定点、尿素喷射量。

手动控制子模块FC4：阀门设定点、尿素喷射量。

阀控制模块：阀位置设定点和反馈信号。

尿素喷射量控制模块：尿素喷射量。

报警故障处理模块FC10：报警信号。

停机处理模块FC11：停机信号。

循环中断功能模块OB35：废气温度，压力等模拟量信号，上位计算机控制状态位。

模拟量处理模块FC1：废气温度，压力等模拟量信号。

标度变换模块FC105：传感器采集的实际测量值。

标度变换模块FC106：给执行器的设定值。

上位计算机监控画面动态化模块：上位计算机控制状态位。

所述船用柴油机SCR控制系统需要与主机控制系统进行通信，采集主机负荷信号，同时与尿素计量喷射系统进行通信，根据主机负荷的不同，自动调整尿素喷射量，使主机尾气中NOx含量满足TIER III要求。

该系统控制位置可以在机旁和上位机之间进行转换。在上位机控制界面中，当选择TIER II模式时，控制系统控制反应器旁通阀打开，入口阀和出口阀关闭。当选择准备TIER III时，入口阀和出口阀慢慢打开，待两个阀都完全打开后，旁通阀慢慢关闭，此时给催化剂加热，当催化剂温度达到要求后，如果选择TIER III模式，尿素开始喷射。如果再次选择TIER II模式，旁通阀慢慢打开，待完全打开后，入口阀和出口阀慢慢关闭。当阀在手动模式下，可以手动输入阀门开度，使阀门达到指定位置。同样在机旁控制时，也可以完成上述控制功能。

在人机界面中可以实时监测系统状态，如主机负荷、尿素喷射系统状态、SCR系统当前模式、阀门开度、NOX浓度、NOx转换效率等。可以对硬件的各个通道状态进行监测。

系统具有报警和安保功能。当关键参数达到报警限值时，触发报警，机旁有指示灯显示，同时上位机出现报警信息。当关键参数达到安保限值时，自动切换到TIER II模式。

系统具有一定的故障诊断功能，当出现故障时可以简单分析出现故障的原因，并显示分析结果。

采用本发明所述的船用柴油机SCR控制系统实现的尿素溶液喷射量的开环控制过程如下：

1)在手动模式下，根据发动机的负荷信号不断地手动调整尿素喷射量的值，直至SCR反应器出口氮氧化物浓度达到要求，分别确定0％，25％，50％，75％，100％，110％负荷所需的尿素量。

2)将每个负荷点所需的尿素量输入到PLC控制器事先编好的MAP中。

3)在TierIII模式下，PLC读取发动机负荷信号，根据负荷-尿素量MAP曲线，将尿素喷射量转换为4-20mA信号输出给尿素计量单元，控制尿素计量泵转速使其输出相应的尿素量。

以上为本发明的较佳实施例，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的等同或等效改动，都应当被认为包含在本发明权利要求的保护范围之内。