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摘 要： 摘要院船用柴油機上配備排放后處理裝置已成大勢所趨，選擇性催化還原(SCR)技術是機外凈化技術，目前是最流行和成熟的，國內外很多國家和機構進行了 SCR 系統的研究，考慮到 SCR 系統優劣的判斷極大依賴于本身的控制方案和監控制系統，針對 SCR 系統的工作模式，分析 SC
摘要院船用柴油機上配備排放后處理裝置已成大勢所趨，選擇性催化還原(SCR)技術是機外凈化技術，目前是最流行和成熟的，國內外很多國家和機構進行了 SCR 系統的研究，考慮到 SCR 系統優劣的判斷極大依賴于本身的控制方案和監控制系統，針對 SCR 系統的工作模式，分析 SCR 的功能需求、控制模型，完成系統架構和功能設計，構建穩定、可靠的船用 SCR 監控系統。
關鍵詞院船用柴油機;SCR 技術;監控系統
0 引言
SCR 控制系統通過控制尿素噴射量，在催化劑作用下實現柴油機尾氣中氮氧化物的轉化。傳統的做法是通過 PID 閉環控制算法調節尿素噴射量使脫銷率基本穩定在期望值，然而其控制精準度并不十分理想，如控制的超調量、穩定時間和響應時間等還有待提高。因此有必要建立一套 SCR 系統的模型，采用一種先進控制算法，提升 SCR 控制系統的性能。
本文在分析了船用柴油機 SCR 系統需求的基礎上，對 SCR 控制系統模型進行了研究，采用高性能硬件模塊，基于經典控制理論，設計開發出一套船用 SCR 監控系統，并通過試驗驗證系統軟硬件功能及控制策略，滿足 SCR 系統控制目標。
1 系統構建
船用 SCR 系統主要由尿素溶液供給單元、尿素溶液計量噴射單元、吹灰單元、SCR 反應器單元組成。SCR 系統組成如圖 1 所示。
本系統采用西門子 PLC 作為 SCR 系統控制器，運用博圖軟件組態、編程。采用模塊化分割方法對系統級模型進行分割，設計基于模塊化的上層應用軟件，可實現狀態參數監測、功能故障診斷、MAP 圖查詢等功能。
2 控制模型
目前系統采用 PID 加前饋的閉環控制算法，采用自回歸滑動平均模型。
自 回 歸 滑 動 平 均 模 型 (Auto Regressive Moving Average，ARMA) 是時間序列模型中的一種典型模型。 ARMA 模型是一種常用的工程實用模型，它是最小二乘法的推廣應用。該方法考慮了實際系統噪聲的有色性、抗噪性較強，可對模型參數進行無偏估計。
ARMA 模型的辨識過程中，最重要的是各個變量樣本數據的階數確定，在階數確定的同時，回歸參數也可以跟著確定。因此，ARMA 模型的辨識，就是階次的確定過程，伴隨著各個參數的產生，從而得到完整的 ARMA 模型。
本文主要以擬合誤差為訂階準則，在性能相差不大的情況下，優先選取低階模型。
3 本系統模型結構
SCR 系統模型，主要指反應器模型，反應器模型是一個兩輸入一輸出的模型，輸入為處理前 NOX 排放質量流量和氨水溶液噴射體積流量，輸出為處理后 NOX 排放質量流量(如圖 2)。
4 系統軟件實現
系統軟件分為兩部分：PLC 控制程序，機旁監控 HMI。軟件總體設計采用模塊化的程序設計思想。PLC 主要做信號采集與處理、邏輯控制、尿素溶液計量控制、泵閥的控制等。監控 HMI 主要進行數據顯示、控制參數在線修改、報警信息處理、歷史數據的保存和顯示，以及手動開關泵閥等。
軟件采取安全措施保證系統結構性參數、原始設計及一些重要參數的安全性，非授權人員不能修改這些參數，必要時可恢復原設計設定。
控制軟件具有較全面的控制對象安全保護措施和限制功能，包括運行聯鎖限制;操作指令邏輯判斷、錯誤提示;設定值修改密碼、邊界限制;容錯糾錯設計。
4.1 控制軟件設計
軟件設計由主流程和子流程組成，子流程主要有：系統自檢、準備狀態控制、給料狀制、停機控制、吹掃控制。
4.1.1 系統自檢
開機上電，檢查是否有機旁緊停和遙控緊停，系統是否有綜合故障停機報警，壓縮空氣入口壓力、泵后壓力、反應器出入口溫度、流量計、NOX 傳感器、等重要傳感器是否斷線，如有，系統無法啟動。滿足啟動條件 HMI 上指示燈點亮。
4.1.2 準備狀態控制
滿足初始化和啟動狀態后，判斷單個 SCR 遙控緊停是否報警，是否檢測到柴油機的開機信號，檢測到開機信號后，打開壓縮空氣給定閥，清洗閥和噴射閥，60s 后關閉清洗閥，檢查離心泵后壓力是否斷線，如果斷線切換至備用離心泵，如果未斷線繼續執行以下操作，離心泵啟動，離心泵過載或 1min 后判斷泵后壓力，如果小于 0.2MPa，離心泵啟動失敗，切換至備用離心泵。備用離心泵過載或啟動 1min 后判斷泵后壓力，如果小于 0.2MPa，備用離心泵啟動失敗，關閉壓縮空氣給定閥和噴射閥，系統停機。上述泵啟動后，無故障，泵后壓力大于 0.2MPa，允許進入給料狀態。
4.1.3 給料控制
進入給料狀態后，當 SCR 的反應器后溫度大于 250益，開啟尿素溶液出口閥，給 MAP 圖調整比例調節閥允許信號，在這一過程中比較尿素流量設定值與實際值，比較值大于 1.5L 后，如果 300s 內持續保持大于這一值，報對應 SCR 噴嘴故障。MAP 圖的設定以及 PID 的設定都在觸摸屏上進行設定，并保持數據。
4.1.4 停機控制
主電源斷電，系統故障，本地緊停，按下系統停止按鈕，均導致系統停機。關閉離心泵，1s 之后關閉尿素溶液出口閥，同時給比例調節閥 50%開度，打開清洗閥，300s 之后關閉噴射閥、清洗閥和 0%開度關閉比例調節閥，關閉壓縮空氣給定閥。
4.1.5 吹掃控制
當反應器壓差大于 1200Pa 或 4 小時內未執行吹掃， 3s 后開啟反應器 1 號吹掃裝置，5s 之后關閉，120s 之后開啟反應器 2 號吹掃裝置，5s 之后關閉，120s 反應器壓差還是大于 1200Pa，重復上次吹掃動作，執行循環 3 次后反應器壓差仍大于 1200Pa 報警，SCR 吹掃失效報警。
4.2 監測軟件設計
監測軟件為 SCR 監控系統提供人機界面，實現圖形、報警列表、參數列表等顯示功能以及數據的存儲、調閱及打印等功能。本系統監測軟件界面動態實時顯示柴油機 SCR 重要設備的運行工況，以圖形形式直觀地顯示系統單線圖、參數顯示圖、系統網絡通訊狀態、實時曲線圖等，以表格頁分組顯示監測數據。
現場采集實時數據和歷史同步數據，對實時數據進行顯示刷新，對歷史數據進行存儲。提供實時數據查詢接口、歷史數據查詢接口、報警與事件查詢接口、統計數據查詢接口。本系統監測軟件結構如圖 3 所示。
數據處理：將大容量存儲的數據庫類型歸成幾類，制定相應的數據接口驅動協議。
數據檢索：檢索條件分析、檢索功能調用、檢索結果遍歷、檢索結果格式化以及檢索結果輸出。
訪問控制：訪問控制方法分前置和后置為兩類，分類條件過濾及檢索條件擴展屬于前置，后置是在檢索操作完成后進行的訪問控制，對結果集中的數據逐條進行授權過濾。
軟件在設計階段應采用自頂至下，逐步細化成由許多功能模塊組成的層次結構的軟件系統。
5 成果及數據處理
5.1 數據顯示
系統的所有參數都以參數表的形式顯示。參數頁顯示測點的各項屬性和實時的參數值/報警，包括測點號、測點名稱、單位、量程、測量值、報警限值、測點位置等信息。表格頁可顯示選中測點的屬性、實時曲線，也可對測點進行報警屏蔽。參數頁可通過頁面導航按鈕進行頁面切換。
監測軟件分為主界面、趨勢圖、報警顯示、啟動條件、設備明細、手動操作、參數設置。點左側任一按鈕可進入相應界面。其中參數設置和手動操作需管理權限，輸入密碼方可登錄。主界面明確了系統結構，可實時顯示參數狀態。主界面中也可手動選擇兩臺泵的運行順序。
趨勢圖中，可以對重要參數進行實時曲線顯示，便于對系統狀態進行分析。
啟動條件中，滿足條件的指示燈點亮，當所有條件都滿足，所有指示燈都點亮 SCR 系統才允許啟動。
報警顯示分實時報警和歷史報警。實時報警中顯示正在發生的報警，歷史報警中顯示發生過已人為確認過，及發生過但已經恢復正常的報警。當發生報警時，發出報警聲音，文字圖標閃爍紅色。
手動操作，可手動開啟或關閉所有的泵、閥，也可手動設置比例閥的開度及目標流量值。
參數設置，可設置傳感器的量程，模擬量的報警限值， PID 的 Kp、Ki、Kd 參數，根據 MAP 圖柴油機轉速和功率計算出目標流量值。
用戶管理功能，具有用戶登錄、修改密碼、重新登陸和權限管理功能，對登陸用戶進行權限管理，只有具備相應操作權限的用戶才能進行操作。
日志功能，對用戶重要的操作進行記錄、查詢，包括用戶管理操作、系統開關機時間、控制操作及參數屬性修改等操作，記錄每個操作的人員、事件、說明和時間。
數據存儲功能，具有數據的實時收集、處理、存儲和管理功能，可實時記錄各發電機組的轉速、滑油溫度，滑油壓力，冷卻水溫度及故障報警等參數，并支持數據和報警的查詢和導出。
5.2 數據處理
軟件設置基礎數據庫，存儲系統配置和用戶管理數據。系統配置包括故障數據和歷史數據參數、用戶管理數據存儲用戶的登記信息、權限分配，靈活切換不同的數據，不同的用戶級別軟件功能有安全性限值。
柴油機振動對傳感器信號會產生雜波，同時信號經過長距離混合傳輸，也會產生衰減和受到干擾信號，因此在硬件濾波基礎上，還需采取軟件濾波手段。本項目使用了 2 種方法：去除極值法(去除脈沖尖峰)和數據平滑法(去除文波)(如圖 4)。
6 總結
本監控系統設計、制定了合理的控制策略，實現了對尿素噴射過程的控制以及數據的監測、報警、數據存儲等。對變頻器的 PID 參數進行調整并標定，結果表明采用閉環前饋結合串級 MAP 圖控制模式的脫銷效果最合理。該系統可實現尿素噴射量的靈活控制，運行穩定，目前已應用于實船上。——論文作者：肖丹丹 XIAO Dan-dan曰王龍 WANG Long
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