基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统

技术领域

本发明涉及尾气处理技术领域，具体涉及一种基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统。

背景技术

氮氧化物是大气环境中的一种主要污染物，船舶柴油机运行时排放的氮氧化物对地球环境形成严重的危害。因此，许多国家和地区以及国际组织都针对船舶氮氧化物的排放出台了严格的限制措施。其中，安装船舶柴油机尾气脱硝装置是其中一项重要举措，同时亦是许多国家和地区以及国际组织对船舶柴油机尾气达标排放的要求。

船舶柴油机尾气脱硝装置运行过程中，柴油机排放尾气的流量、压力、颗粒物含量以及氮氧化物含量都会随着柴油机的工况和运行时间的变化而波动。若未提供相应的控制系统以对船舶柴油机尾气脱硝装置全程实时自动控制和调节，极容易造成柴油机尾气氮氧化物排放超标，甚至使柴油机无法正常工作，给全船带来重大安全隐患。

有鉴于此，如何能够使船舶柴油机尾气脱硝装置能够平稳安全运行并且尾气达到排放标准成为相关技术人员的研究课题。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统，用于对与柴油机流体连接的尾气脱硝装置进行自动控制，该控制系统能够实现船舶尾气达标排放以及尾气脱硝装置的平稳安全运行。其中，所述的尾气脱硝装置包括：反应器、计量泵、管路、液罐和阀门。

具体地，本发明所述的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统包括：柴油机工况信号单元、反应器监测单元、可编程逻辑控制单元、泵组计量单元、阀组控制单元，其中：柴油机工况信号单元用于获取柴油机的工况信息，以生成并发送工况信号；反应器监测单元用于监测反应器，以生成并发送监测信号；可编程逻辑控制单元用于根据接收的工况信号生成并发送还原剂需求量信号，并且，还用于根据接收的工况信号及监测信号生成并发送阀组控制信号；泵组计量单元用于根据接收的还原剂需求量信号，控制计量泵向反应器内部供给还原剂；以及，阀组控制单元用于根据接收的阀组控制信号控制阀门的开启或关闭。

可选地，本发明所述的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统还包括气液监测单元。该气液监测单元包括压力传感器和液位传感器中的至少一种，其中压力传感器用于监测管路的压力，以生成并发送压力信号至可编程逻辑控制单元；液位传感器用于监测液罐的液位，以生成并发送液位信号至可编程逻辑控制单元。所述可编程逻辑控制单元以接收到的压力信号和液位信号为依据，判断是否需要发出警报控制信号。

可选地，本发明所述的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统还包括人机交互单元。人机交互单元与可编程逻辑控制单元连接，用于显示基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统的运行状态信息；以及用于接收外部指令，并发送所述外部指令至可编程逻辑控制单元。

可选地，本发明所述的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统还包括供电单元。供电单元与可编程逻辑控制单元连接，用于对控制系统中的各个单元进行供电。

可选地，本发明所述的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统还包括交换机单元。交换机单元与可编程逻辑控制单元连接，用于使外部系统与基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统通讯。

可选地，本发明所述的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统可以通过所述交换机单元与一外部警报系统通讯连接，用于接收可编程逻辑控制单元发出的警报控制信号，并根据该警报控制信号发出相应的警报提示信息。

可选地，本发明所述的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统还包括数据无线传输单元。数据无线传输单元与可编程逻辑控制单元连接，用于将基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统运行的实时数据和历史数据无线发送至外部设备。

本发明的优点在于：本发明提供了一种基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统，用于对与柴油机流体连接的尾气脱硝装置进行自动控制。该尾气脱硝控制系统能够在保证尾气达标排放以及尾气脱硝装置平稳运行的同时，提高了船舶的安全性。其中，可编程逻辑控制单元根据柴油机工况信号单元反馈的工况信号计算还原剂需求量，以生成并发送还原剂需求量信号至至泵组计量单元，泵组计量单元根据该信号控制计量泵向反应器内部输送所需要的还原剂，以此保证反应器内部的尾气脱硝反应能够顺利进行，使排放的尾气达到排放标准。同时，可编程逻辑控制单元以反应器监测单元反馈的监测信号为依据，实时判断反应器的工作状态，当判断出反应器工作异常，例如尾气入口和尾气出口的压力差超出预设安全范围时，可编程逻辑控制单元能够及时向阀组控制单元发送阀组控制信号，阀组控制单元根据该信号控制气动球阀开启，使吹扫管路能够对反应器内部的催化剂进行吹扫，来降低反应器内部阻力，以此保证柴油机能够正常运转以及船舶的安全运行。可编程逻辑控制单元还可以根据气液监测单元对尾气脱硝装置中各个管路和液罐的监测来判断其各自的压力或液位是否正常，并能够在出现异常情况时，可编程逻辑控制单元能够及时发出相应的警报控制信号，人机交互单元或外部警报系统可以根据该警报控制信号发出相应的警报提示信息，以提示相关技术人员及时发现、处理相应的问题，进一步地保证了尾气脱硝装置的平稳顺利运行。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本发明实施例提供的一种基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明的说明书和权利要求书以及附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解，这样描述的对象在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排它的包含。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”

“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，可编程逻辑控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字量式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

请参阅图1，为本发明实施例提供的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统的结构示意图。所述的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统10用于用于对与柴油机流体连接的尾气脱硝装置进行自动控制，所述尾气脱硝装置包括：反应器、计量泵、管路、液罐和阀门。

本发明实施例所述的基于可编程逻辑器的尾气脱硝控制系统10包括：可编程逻辑控制单元100、柴油机工况信号单元110、泵组计量单元120、反应器监测单元130和阀组控制单元140。

具体地，柴油机工况信号单元110用于获取柴油机的工况信息，以生成并发送工况信号；反应器监测单元130用于监测所述反应器，以生成并发送监测信号；可编程逻辑控制单元100用于根据接收的工况信号生成并发送还原剂需求量信号，并且，还用于根据接收的工况信号及监测信号生成并发送阀组控制信号；泵组计量单元120用于根据接收的还原剂需求量信号，控制计量泵向反应器内部供给还原剂；以及，阀组控制单元140用于根据接收的阀组控制信号控制相关阀门的开启或关闭。

具体地，阀组控制单元140可以包括电磁阀控制器141，其用于控制还原剂电磁阀和雾化电磁阀得开启或关闭；以及气动阀控制器142，其用于控制气动球阀的开启或关闭。

进一步地，柴油机工况信号单元110获取的柴油机的工况信息中包括柴油机的负荷信息和运转信息，因此，发送至可编程逻辑控制单元100的工况信号可以反映出柴油机的负荷及运转状态。可编程逻辑控制单元100于根据接收到的工况信号，获取所述柴油机的万有特性曲线，并结合图像插值法自动计算还原剂需求量，以生成并发送还原剂需求量控制信号至泵组计量单元120。其中，发动机的万有特性曲线图，也可称作MAP图是发动机的一种工况图。与一般的工况图相比，其更能直观地反映出发动机的油耗情况。具体地，工况信号中所携带的柴油机的负荷信息和运转信息利用MAP图插值法计算计算还原剂需求量的依据。MAP图插值计算方法是将柴油机运行的工况划分为几个连续不重叠的区间，例如0％、25％、50％、75％、100％，这些节点被称为考核点，每个考核点都有标定好的尿素喷射量，建立表格称之为MAP图。插值计算是构建任意相邻两个考核点之间的线性函数关系，通过函数关系可以计算出柴油机任意工况点的尿素喷射量。MAP图插值计算法的优点在于将柴油机运行工况细分为若干区间，分别建立不同的线性函数关系，可以使计算出的还原剂喷射量动态变化更加贴近柴油机工况的变化，更能保证尾气达标排放。可编程逻辑控制单元100将计算出的还原剂需求量以还原剂需求量信号的形式发送至泵组计量单元120，并同时发送包括开启还原剂电磁阀和雾化电磁阀的阀组控制信号至阀组控制单元140。

进一步地，泵组计量单元120根据接收的还原剂需求量信号控制计量泵向反应器内部供给还原剂，在计量泵启动运行的同时，阀组控制单元140中的电磁阀控制器141已经根据接收到的阀组控制信号控制还原剂电磁阀和雾化电磁阀开启，以保证还原剂能够正常供给。具体地，泵组计量单元120以接收到的还原剂需求量信号为依据，控制计量泵从还原剂存储液罐中获取与需求相应的还原剂，还原剂经由还原剂供给管路与压缩空气雾化管路中的气体进行混合雾化后喷射进入反应器内部参与脱硝反应，其中，本领域技术人员应当了解，还原剂的雾化喷射可以在一定程度上缓解催化剂表面堵塞、催化剂活性等问题，因此，还原剂的及时供给、计量控制和雾化喷射是脱硝过程中的关键步骤。

进一步地，泵组计量单元120包括流量传感器121，流量传感器121用于监测还原剂供给管路中还原剂的流量，以生成还原剂流量信号，并将还原剂流量信号发送至可编程逻辑控制单元100。可编程逻辑控制单元100以接收到的还原剂流量信号为依据，进一步通过泵组计量单元120控制还原剂供给管路中还原剂的流量。

反应器监测单元130用于监测反应器，以生成并发送监测信号至可编程逻辑控制单元100。可以理解的是，在脱硝装置运行的过程中，需要对反应器的尾气入口和尾气出口的温度、压力以及氮氧化物浓度进行监测，以判断反应器内的脱硝反应进行得是否顺利以及排放的尾气是否达到排放标准。具体地，柴油机产生的尾气经由反应器的尾气入口进入反应器内部参与脱硝反应，经脱硝处理后的清洁尾气由反应器的尾气出口排出。在这个过程中，反应器监测单元130对反应器进行监测，并将监测信号反馈至可编程逻辑控制单元100，可编程逻辑控制单元100以接收到的信号为依据判断反应器的运行是否顺利。

具体地，反应器监测单元130可以包括温度传感器131。

温度传感器131用于监测反应器尾气入口和尾气出口的温度，以生成并发送温度信号至可编程逻辑控制单元100。本领域技术人员应当理解，尾气脱硝方法包括非选择性催化还原法和选择性催化还原法，其中，选择性催化还原法通过在反应中引入催化剂来提高尾气的处理效率，并在一定程度上降低整体反应温度。然而，催化剂活性反应需要在合适的温度范围内进行，温度过低或过高均有可能造成催化剂失活。因此，在本发明实施例的尾气脱硝反应中，以引入催化剂的方式来提高脱硝反应的反应效率。所述的温度传感器131对反应器尾气入口和尾气出口温度的监测，有助于可编程逻辑控制单元100以接收到的温度信号为依据，判断反应器内部的反应温度是否符合催化剂的最佳反应温度，并根据对温度的判断结果进一步生成温度控制信号来调节反应器内部的温度，以保证反应器内部的温度为催化剂的最佳反应温度。

具体地，反应器监测单元130可以包括压差传感器132。

压差传感器132用于监测反应器尾气入口和尾气出口的压力差，以生成并发送压力差信号至可编程逻辑控制单元100。可编程逻辑控制单元100以接收到的压力差信号为依据进行判断：反应器尾气入口和尾气出口的压力差是否在预设的安全范围内。当判断出反应器尾气入口和尾气出口的压力差已经超出预设的安全范围，可编程逻辑控制单元100则发送包括开启气动球阀的阀组控制信号至阀组控制单元140。阀组控制单元140中的气动阀控制器142根据接收到的阀组控制信号控制气动球阀开启，使吹扫管路能够对反应器内部的催化剂进行吹扫，以降低反应器的内部阻力，避免因反应器内部阻力过大造成柴油机运行异常，甚至进一步影响船舶的安全运行。

具体地，反应器监测单元130可以包括氮氧化物传感器133。

氮氧化物传感器133用于监测尾气入口和尾气出口的氮氧化物的浓度，以生成并发送氮氧化物浓度信号至可编程逻辑控制单元100。可编程逻辑控制单元100以接收到的氮氧化物浓度信号为依据进行判断：反应器内部的尾气脱硝反应进行得是否充分以及排放的尾气是否达到排放标准。可以理解的是，柴油发动机产生的尾气中含有的一氧化氮、氧化氮等氮氧化合物会造成大气污染，尾气脱硝处理的目的正是通过化学反应去除其中的氮氧化合物，使经过处理的尾气以氮气和水汽的形式排除，以此削弱排放的尾气对大气的污染。

进一步地，本发明实施例提供的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统10还包括气液监测单元150，其具体可以包括压力传感器151和液位传感器152。

其中，压力传感器151用于监测尾气脱硝装置中管路(如还原剂供给管路、压缩空气雾化管路和吹扫管路等)的压力，以分别生成相应的压力信号，并将相关的压力信号发送至可编程逻辑控制单元100。可编程逻辑控制单元100以接收到的压力信号为依据判断相应管路的压力是否处于预设的安全范围，当判断出管路压力已经超出预设的安全范围，则发出警报控制信号。

液位传感器152用于监测尾气脱硝装置中液罐(如还原剂存储液罐和清洗剂存储液罐)的液位，以分别生成相应的液位信号，并将相关的液位信号发送至可编程逻辑控制单元100。可编程逻辑控制单元100以接收到的液位信号为依据判断还原剂存储液罐和清洗剂存储液罐内液体的液位是否处于各自预设安全范围，当判断出液罐内的液位已经超出预设安全范围，则发出警报控制信号。其中，清洗剂存储液罐中清洗剂的用途是在脱硝过程结束后，对管路进行冲洗。因为受温度变化影响，残留在尾气脱硝装置的管路内的还原剂会产生结晶，若每次脱硝过程结束后没有及时清理管路，还原剂的结晶产物可能会在管路内逐渐积累，长此以往有堵塞管路的风险。因此，为了保证脱硝过程的顺利进行，需要对清洗剂存储液罐内部的液位进行监控，以在其内部清洗剂不足时及时提醒相关技术人员进行补给。

进一步地，本发明实施例提供的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统10还可以包括人机交互单元160，其进一步包括显示面板161。人机交互单元160与可编程逻辑控制单元连接，其可以通过显示面板161对基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统的运行状态进行实时显示。例如，人机交互单元160可以接收可编程逻辑控制单元100发出的警报控制信号，并根据警报控制信号将相应的警报提示信息通过显示面板161进行显示，以提示相关技术人员及时处理。例如，当可编程逻辑控制单元100根据接收到的液位信号判断出还原剂存储液罐内的还原剂不足时，单元100会发出包括还原剂不足的警报控制信号，人机交互单元160根据接收到的警报控制信号将关于液罐内还原剂不足的警报提示信息通过显示面板161进行显示，以提示相关技术人员及时补给还原剂，保证尾气脱硝过程中还原剂能够及时、顺利地供应。进一步地，用户也可以通过该人机交互单元160向可编程逻辑控制单元100发送指令，以保障基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统10能够正常运行。具体地，显示面板161的类型可以为液晶显示面板、有机发光二极管显示面板等；显示面板161的分辨率为高清级别，具体的分别率需要根据显示面板161的实际尺寸以及像素密度确定。

进一步地，本发明实施例提供的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统10还可以包括供电单元170，该供电单元170与可编程逻辑控制单元100连接，用于对基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统10中的各个单元进行供电。在本发明实施例中，供电单元170选用AC220V-50/60Hz交流电为一次回路供电，同时配备开关电源为二次回路供电。

进一步地，本发明实施例提供的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统10还可以包括交换机单元180，该交换机单元180与可编程逻辑控制单元100连接，用于使外部系统(图中未示出)与本发明实施例提供的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统10通讯。具体地，交换机单元180具有以太网通信接口，可以使船舶总控制系统或其他控制系统通过双绞线及以太网通信接口与所述控制系统10建立通信连接，实现对所述控制系统10的远程操作。当然，在其他部分实施例中，交换机单元180也可以具有其他通信接口(例如光纤接口)，以使船舶总控制系统或其他控制系统通过这些其他通信接口与所述控制系统10建立连接。

进一步地，本发明所述的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统10可以通过所述交换机单元180与一外部警报系统(图中未示出)通讯连接。外部警报系统接收可编程逻辑控制单元100发出的警报控制信号，并根据该警报控制信号发出相应的警报提示信息，以帮助相关技术人员及时发现并解决问题。具体地，外部警报系统可以通过语音播报、灯光闪烁等其他声、光或声光结合的方式发出相关的警报提示信息，此处不作具体限制。进一步地，本发明实施例提供的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统10还可以包括数据无线传输单元190，该数据无线传输单元190与可编程逻辑控制单元100连接，用于将本发明实施例提供的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统10运行中生成的实时数据和历史数据无线发送至外部设备，或者上传至互联网，以实现离岸数据收集与离岸远程维护。

进一步地，可编程逻辑控制单元100包括：处理器模块101、数字量模块102和模拟量模块103。其中，处理器模块101用于运行本发明实施例提供的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统10的程序，并生成相应的控制信号。数字量模块102用于基于处理器模块101生成的控制信号，将数字量信号发送至控制系统10中的各个单元。模拟量模块103用于接收控制系统10中各个单元发送的信号，并将各个信号转化为数字量信号发送至处理器模块101。本领域技术人员应当理解，基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统10运行过程中，各个单元发送至可编程逻辑控制单元100的信号多为连续的模拟量信号，然而可编程逻辑控制单元100中的处理器模块101能够接收的是数字量信号，因此，需要模拟量模块103将接收到的连续的模拟量信号转化为数字量信号发送至处理器模块101，处理器模块101再根据接收到的数字量信号进行判断及处理。具体地，在本发明实施例中，可编程逻辑控制单元100为西门子S7-1200系列的产品，其中，处理器模块101为西门子S7-1200系列中型号为1214C的产品；数字量模块102为西门子S7-1200系列中型号为SM1222的产品；模拟量模块103为西门子S7-1200系列中型号为SM1231的产品，其接收来自各个监测单元的信号，并通过本模块将标准电流信号(4-20mA)转化为数字信号传输至处理器模块101，处理器模块101以此为依据进行判断。西门子S7-1200系列的可编程逻辑控制器能够充分满足船舶柴油机尾气脱硝控制系统的需求，并且能够达到处理器模块、控制系统的各个模块、人机交互界面及软件之间的无缝整合和高效协调的要求。

本发明实施例提供的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统，用于对与柴油机流体连接的尾气脱硝装置进行自动控制。该尾气脱硝控制系统能够在保证尾气达标排放以及尾气脱硝装置平稳运行的同时，提高了船舶的安全性。其中，可编程逻辑控制单元根据柴油机工况信号单元反馈的工况信号计算还原剂需求量，以生成并发送还原剂需求量信号至至泵组计量单元，泵组计量单元根据该信号控制计量泵向反应器内部输送所需要的还原剂，以此保证反应器内部的尾气脱硝反应能够顺利进行，使排放的尾气达到排放标准。同时，可编程逻辑控制单元以反应器监测单元反馈的监测信号为依据，实时判断反应器的工作状态，当判断出反应器工作异常，例如尾气入口和尾气出口的压力差超出预设安全范围时，可编程逻辑控制单元能够及时向阀组控制单元发送阀组控制信号，阀组控制单元根据该信号控制气动球阀开启，使吹扫管路能够对反应器内部的催化剂进行吹扫，来降低反应器内部阻力，以此保证柴油机能够正常运转以及船舶的安全运行。可编程逻辑控制单元还可以根据气液监测单元对尾气脱硝装置中各个管路和液罐的监测来判断其各自的压力或液位是否正常，并能够在出现异常情况时，可编程逻辑控制单元能够及时发出相应的警报控制信号，人机交互单元或外部警报系统可以根据该警报控制信号发出相应的警报提示信息，以提示相关技术人员及时发现、处理相应的问题，进一步地保证了尾气脱硝装置的平稳顺利运行。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本发明实施例所提供的基于可编程逻辑控制器的尾气脱硝控制系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案的范围。