摘要院船用柴油机上配备排放后处理装置已成大势所趋，选择性催化还原(SCR)技术是机外净化技术，目前是最流行和成熟的，国内外很多国家和机构进行了 SCR 系统的研究，考虑到 SCR 系统优劣的判断极大依赖于本身的控制方案和监控制系统，针对 SCR 系统的工作模式，分析 SCR 的功能需求、控制模型，完成系统架构和功能设计，构建稳定、可靠的船用 SCR 监控系统。
关键词院船用柴油机;SCR 技术;监控系统
0 引言
SCR 控制系统通过控制尿素喷射量，在催化剂作用下实现柴油机尾气中氮氧化物的转化。传统的做法是通过 PID 闭环控制算法调节尿素喷射量使脱销率基本稳定在期望值，然而其控制精准度并不十分理想，如控制的超调量、稳定时间和响应时间等还有待提高。因此有必要建立一套 SCR 系统的模型，采用一种先进控制算法，提升 SCR 控制系统的性能。
本文在分析了船用柴油机 SCR 系统需求的基础上，对 SCR 控制系统模型进行了研究，采用高性能硬件模块，基于经典控制理论，设计开发出一套船用 SCR 监控系统，并通过试验验证系统软硬件功能及控制策略，满足 SCR 系统控制目标。
1 系统构建
船用 SCR 系统主要由尿素溶液供给单元、尿素溶液计量喷射单元、吹灰单元、SCR 反应器单元组成。SCR 系统组成如图 1 所示。
本系统采用西门子 PLC 作为 SCR 系统控制器，运用博图软件组态、编程。采用模块化分割方法对系统级模型进行分割，设计基于模块化的上层应用软件，可实现状态参数监测、功能故障诊断、MAP 图查询等功能。
2 控制模型
目前系统采用 PID 加前馈的闭环控制算法，采用自回归滑动平均模型。
自 回 归 滑 动 平 均 模 型 (Auto Regressive Moving Average，ARMA) 是时间序列模型中的一种典型模型。 ARMA 模型是一种常用的工程实用模型，它是最小二乘法的推广应用。该方法考虑了实际系统噪声的有色性、抗噪性较强，可对模型参数进行无偏估计。
ARMA 模型的辨识过程中，最重要的是各个变量样本数据的阶数确定，在阶数确定的同时，回归参数也可以跟着确定。因此，ARMA 模型的辨识，就是阶次的确定过程，伴随着各个参数的产生，从而得到完整的 ARMA 模型。
本文主要以拟合误差为订阶准则，在性能相差不大的情况下，优先选取低阶模型。
3 本系统模型结构
SCR 系统模型，主要指反应器模型，反应器模型是一个两输入一输出的模型，输入为处理前 NOX 排放质量流量和氨水溶液喷射体积流量，输出为处理后 NOX 排放质量流量(如图 2)。
4 系统软件实现
系统软件分为两部分：PLC 控制程序，机旁监控 HMI。软件总体设计采用模块化的程序设计思想。PLC 主要做信号采集与处理、逻辑控制、尿素溶液计量控制、泵阀的控制等。监控 HMI 主要进行数据显示、控制参数在线修改、报警信息处理、历史数据的保存和显示，以及手动开关泵阀等。
软件采取安全措施保证系统结构性参数、原始设计及一些重要参数的安全性，非授权人员不能修改这些参数，必要时可恢复原设计设定。
控制软件具有较全面的控制对象安全保护措施和限制功能，包括运行联锁限制;操作指令逻辑判断、错误提示;设定值修改密码、边界限制;容错纠错设计。
4.1 控制软件设计
软件设计由主流程和子流程组成，子流程主要有：系统自检、准备状态控制、给料状制、停机控制、吹扫控制。
4.1.1 系统自检
开机上电，检查是否有机旁紧停和遥控紧停，系统是否有综合故障停机报警，压缩空气入口压力、泵后压力、反应器出入口温度、流量计、NOX 传感器、等重要传感器是否断线，如有，系统无法启动。满足启动条件 HMI 上指示灯点亮。
4.1.2 准备状态控制
满足初始化和启动状态后，判断单个 SCR 遥控紧停是否报警，是否检测到柴油机的开机信号，检测到开机信号后，打开压缩空气给定阀，清洗阀和喷射阀，60s 后关闭清洗阀，检查离心泵后压力是否断线，如果断线切换至备用离心泵，如果未断线继续执行以下操作，离心泵启动，离心泵过载或 1min 后判断泵后压力，如果小于 0.2MPa，离心泵启动失败，切换至备用离心泵。备用离心泵过载或启动 1min 后判断泵后压力，如果小于 0.2MPa，备用离心泵启动失败，关闭压缩空气给定阀和喷射阀，系统停机。上述泵启动后，无故障，泵后压力大于 0.2MPa，允许进入给料状态。
4.1.3 给料控制
进入给料状态后，当 SCR 的反应器后温度大于 250益，开启尿素溶液出口阀，给 MAP 图调整比例调节阀允许信号，在这一过程中比较尿素流量设定值与实际值，比较值大于 1.5L 后，如果 300s 内持续保持大于这一值，报对应 SCR 喷嘴故障。MAP 图的设定以及 PID 的设定都在触摸屏上进行设定，并保持数据。
4.1.4 停机控制
主电源断电，系统故障，本地紧停，按下系统停止按钮，均导致系统停机。关闭离心泵，1s 之后关闭尿素溶液出口阀，同时给比例调节阀 50%开度，打开清洗阀，300s 之后关闭喷射阀、清洗阀和 0%开度关闭比例调节阀，关闭压缩空气给定阀。
4.1.5 吹扫控制
当反应器压差大于 1200Pa 或 4 小时内未执行吹扫， 3s 后开启反应器 1 号吹扫装置，5s 之后关闭，120s 之后开启反应器 2 号吹扫装置，5s 之后关闭，120s 反应器压差还是大于 1200Pa，重复上次吹扫动作，执行循环 3 次后反应器压差仍大于 1200Pa 报警，SCR 吹扫失效报警。
4.2 监测软件设计
监测软件为 SCR 监控系统提供人机界面，实现图形、报警列表、参数列表等显示功能以及数据的存储、调阅及打印等功能。本系统监测软件界面动态实时显示柴油机 SCR 重要设备的运行工况，以图形形式直观地显示系统单线图、参数显示图、系统网络通讯状态、实时曲线图等，以表格页分组显示监测数据。
现场采集实时数据和历史同步数据，对实时数据进行显示刷新，对历史数据进行存储。提供实时数据查询接口、历史数据查询接口、报警与事件查询接口、统计数据查询接口。本系统监测软件结构如图 3 所示。
数据处理：将大容量存储的数据库类型归成几类，制定相应的数据接口驱动协议。
数据检索：检索条件分析、检索功能调用、检索结果遍历、检索结果格式化以及检索结果输出。
访问控制：访问控制方法分前置和后置为两类，分类条件过滤及检索条件扩展属于前置，后置是在检索操作完成后进行的访问控制，对结果集中的数据逐条进行授权过滤。
软件在设计阶段应采用自顶至下，逐步细化成由许多功能模块组成的层次结构的软件系统。
5 成果及数据处理
5.1 数据显示
系统的所有参数都以参数表的形式显示。参数页显示测点的各项属性和实时的参数值/报警，包括测点号、测点名称、单位、量程、测量值、报警限值、测点位置等信息。表格页可显示选中测点的属性、实时曲线，也可对测点进行报警屏蔽。参数页可通过页面导航按钮进行页面切换。
监测软件分为主界面、趋势图、报警显示、启动条件、设备明细、手动操作、参数设置。点左侧任一按钮可进入相应界面。其中参数设置和手动操作需管理权限，输入密码方可登录。主界面明确了系统结构，可实时显示参数状态。主界面中也可手动选择两台泵的运行顺序。
趋势图中，可以对重要参数进行实时曲线显示，便于对系统状态进行分析。
启动条件中，满足条件的指示灯点亮，当所有条件都满足，所有指示灯都点亮 SCR 系统才允许启动。
报警显示分实时报警和历史报警。实时报警中显示正在发生的报警，历史报警中显示发生过已人为确认过，及发生过但已经恢复正常的报警。当发生报警时，发出报警声音，文字图标闪烁红色。
手动操作，可手动开启或关闭所有的泵、阀，也可手动设置比例阀的开度及目标流量值。
参数设置，可设置传感器的量程，模拟量的报警限值， PID 的 Kp、Ki、Kd 参数，根据 MAP 图柴油机转速和功率计算出目标流量值。
用户管理功能，具有用户登录、修改密码、重新登陆和权限管理功能，对登陆用户进行权限管理，只有具备相应操作权限的用户才能进行操作。
日志功能，对用户重要的操作进行记录、查询，包括用户管理操作、系统开关机时间、控制操作及参数属性修改等操作，记录每个操作的人员、事件、说明和时间。
数据存储功能，具有数据的实时收集、处理、存储和管理功能，可实时记录各发电机组的转速、滑油温度，滑油压力，冷却水温度及故障报警等参数，并支持数据和报警的查询和导出。
5.2 数据处理
软件设置基础数据库，存储系统配置和用户管理数据。系统配置包括故障数据和历史数据参数、用户管理数据存储用户的登记信息、权限分配，灵活切换不同的数据，不同的用户级别软件功能有安全性限值。
柴油机振动对传感器信号会产生杂波，同时信号经过长距离混合传输，也会产生衰减和受到干扰信号，因此在硬件滤波基础上，还需采取软件滤波手段。本项目使用了 2 种方法：去除极值法(去除脉冲尖峰)和数据平滑法(去除文波)(如图 4)。
6 总结
本监控系统设计、制定了合理的控制策略，实现了对尿素喷射过程的控制以及数据的监测、报警、数据存储等。对变频器的 PID 参数进行调整并标定，结果表明采用闭环前馈结合串级 MAP 图控制模式的脱销效果最合理。该系统可实现尿素喷射量的灵活控制，运行稳定，目前已应用于实船上。——论文作者：肖丹丹 XIAO Dan-dan曰王龙 WANG Long
参考文献院
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