船舶排油監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

毛攀峰 張海玲

(浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶工程學(xué)院，浙江 舟山 316021)

隨著世界的貿(mào)易往來(lái)不斷增大，海運(yùn)業(yè)也持續(xù)繁榮，因此船舶的數(shù)量不斷增加，由此也帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題——船舶的含有污水排放。國(guó)際海事組織為此也出臺(tái)了多種法律、法規(guī)來(lái)規(guī)范船舶含油污水的排放。但是因?yàn)楸O(jiān)管措施和監(jiān)控設(shè)備的的不完善，仍然存在船舶將含油污水肆意排入大海的情況。因此設(shè)計(jì)出一套既符合國(guó)際公約，又能實(shí)際防止船舶含油污水的不規(guī)范排油的監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的意義。

1 排油監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求

本文設(shè)計(jì)的排油監(jiān)控系統(tǒng)，符合《73/78國(guó)際防止船舶造成污染公約》(經(jīng)MEPC.117(52)號(hào)決議通過(guò)的附則Ⅰ修正案)中關(guān)于排油監(jiān)控系統(tǒng)的新的設(shè)計(jì)要求。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集和分析處理單元將傳感器傳送過(guò)來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由核心處理器—STM32進(jìn)行分析計(jì)算，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)進(jìn)行比較來(lái)決定是否打開排放閥進(jìn)行污水排放，并且給出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。本系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)功能模塊。

(1)A/D轉(zhuǎn)換模塊

在本系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換模塊主要采集速度傳感器、流量計(jì)和油分濃度計(jì)傳送過(guò)來(lái)的4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。將這些信號(hào)送入STM32，進(jìn)行計(jì)算分析。STM32自帶有12位精度的A/D轉(zhuǎn)換口，因此大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。

(2)CPU模塊

本文采用的CPU模塊是32位處理器—STM32，其功能主要是對(duì)采集到的數(shù)

據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)進(jìn)行比較做出相應(yīng)處理。根據(jù)《73/78國(guó)際防止船舶造成污染公約》規(guī)定，排放的含油污水的油分濃度必須小于15ppm，油的瞬間排放率小于30L/n mile，排油總量不得超過(guò)上次載油量的1/30000。如此苛刻的要求需要高性能的處理器。

(3)人機(jī)交互模塊

本設(shè)計(jì)中通過(guò)采用北京文迪科技的觸摸屏實(shí)現(xiàn)公約所要求的相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示和相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，此模塊可與CPU模塊通過(guò)SPI總裁實(shí)現(xiàn)串行通信。

(4)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)及打印模塊

按照公約的要求，所有的數(shù)據(jù)記錄裝置必須要包括一個(gè)打印機(jī)，記錄的數(shù)據(jù)可以在打印機(jī)上清晰的顯示。本文采用一款微型打印機(jī)完成數(shù)據(jù)的打印并通過(guò)SD卡存儲(chǔ)所要求的數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)功能的要求，本文所設(shè)計(jì)的排油監(jiān)控系統(tǒng)主要是分為兩大單元，分別是計(jì)算機(jī)單元和測(cè)控單元。

2.1 計(jì)算機(jī)單元

計(jì)算機(jī)單元由控制單元、計(jì)算單元、顯示單元和打印控制單元等部分組成。

圖1 計(jì)算機(jī)單元結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)如圖1所示。

計(jì)算機(jī)單元將根據(jù)測(cè)量單元來(lái)的信號(hào)計(jì)算出排放水的實(shí)際含油量，并按計(jì)程儀和流量計(jì)的信號(hào)計(jì)算出瞬時(shí)排放率。當(dāng)排放總量、瞬時(shí)排放率超出限度時(shí)，或者系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，將自動(dòng)向測(cè)控單元發(fā)出關(guān)閉排放閥的指令。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，檢測(cè)到的參數(shù)將在顯示器上進(jìn)行顯示，并由打印機(jī)進(jìn)行記錄。此外，在計(jì)算機(jī)單元的人機(jī)界面中可以選擇信號(hào)的輸入方式或人工輸入信號(hào)值。

2.2 測(cè)控單元

測(cè)控單元主要是起到測(cè)量和控制的作用。它將接收到的各種信號(hào)通過(guò)485總線傳送到計(jì)算機(jī)單元，并從計(jì)算機(jī)單元接受指令去控制排放閥的狀態(tài)，采樣泵的啟動(dòng)/停止和油分濃度計(jì)的清洗程序。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)控單元結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 軟件組成及架構(gòu)

在監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，對(duì)于系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)也是相當(dāng)重要的，只有編寫正確的軟件，系統(tǒng)才能有序的協(xié)調(diào)各個(gè)硬件的正常運(yùn)行，才能滿足監(jiān)控的要求。本文的軟件是采用C51高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫，并且是采用模塊化的思想進(jìn)行編寫設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)的排油監(jiān)控的應(yīng)用程序主要包括九個(gè)模塊，具體見圖3所示。

圖3 排油監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能框圖

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行流程

系統(tǒng)開機(jī)之后啟動(dòng)自檢程序，對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)端口及外部設(shè)備進(jìn)行初始化，如果初始化失敗，系統(tǒng)則會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，需要對(duì)其進(jìn)行人工復(fù)位或者系統(tǒng)重啟。當(dāng)初始化成功之后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入顯示的主界面，由用戶對(duì)其進(jìn)行初值設(shè)置，比如時(shí)間、油分濃度報(bào)警值等等參數(shù)。手動(dòng)設(shè)置完成之后，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控的主循環(huán)。圖4為系統(tǒng)的軟件流程圖。

系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控主流程之后，通過(guò)定時(shí)中斷采樣對(duì)船舶的流量、航速、油分濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，由于這些數(shù)據(jù)都是模擬量，所以需要經(jīng)過(guò)處理器的A/D轉(zhuǎn)換后送到STM32處理器進(jìn)行計(jì)算分析。當(dāng)油分濃度、排放總量和瞬時(shí)排放量這三個(gè)參數(shù)中的任意一個(gè)數(shù)值超過(guò)了之前設(shè)定的預(yù)定值時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)立刻做出反應(yīng)，自動(dòng)發(fā)出信號(hào)關(guān)閉污水排放閥，同時(shí)通過(guò)聲光報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并且自動(dòng)啟動(dòng)清洗水閥對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行清洗。與此同時(shí)，所有的數(shù)據(jù)會(huì)在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，當(dāng)報(bào)警信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，本系統(tǒng)還能通過(guò)打印機(jī)打印故障信息，并將此信息存儲(chǔ)于SD卡中。

圖4 軟件系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文按照《73/78國(guó)際防止船舶造成污染公約》(經(jīng)MEPC.117(52)號(hào)決議通過(guò)的附則Ⅰ修正案)中關(guān)于船舶排油監(jiān)控系統(tǒng)的新要求，設(shè)計(jì)了一種新型的排油監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集和分析單元實(shí)時(shí)采集各種參數(shù)，從而為之后的報(bào)警控制決策提供可靠的依據(jù)。這對(duì)于減少船舶含油污水的排放、保護(hù)海洋環(huán)境具有十分重要的意義。

［1］楊杰.基于單片機(jī)控制的船舶油水分離器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).武漢:武漢理工大學(xué)，2009.

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［3］馮文旭，朱慶豪.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:83-84.

［4］國(guó)際海事組織73/78防污公約附則I(續(xù)).港航節(jié)能，2007:207-208.

［5］王仲生.智能檢測(cè)與控制技術(shù).西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.