船舶液艙液位實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)研究

田 浩，胡 義

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

船舶液艙液位實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)研究

田 浩，胡 義

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

針對(duì)船舶液艙自由液面問(wèn)題，文章介紹了自由液面產(chǎn)生的原因，并分析了各種情況下產(chǎn)生的自由液面對(duì)船舶穩(wěn)性造成的影響。采用SerialPort串口通過(guò)RS485接口標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出一套符合ModbusRTU通信協(xié)議的船舶液艙液位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方案。利用RS485接口的遠(yuǎn)距離傳輸特性，傳感器可以充分覆蓋大型船舶的各個(gè)液艙，實(shí)現(xiàn)全船監(jiān)測(cè)。最后在實(shí)驗(yàn)條件下驗(yàn)證了方案的可行性。得到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過(guò)程序準(zhǔn)確計(jì)算液艙裝載容積、自由液面和船舶穩(wěn)性，給船員配積載提供有力的判斷幫助。

船舶液艙；自由液面；穩(wěn)性；液位；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

液貨船裝載儀相對(duì)于散貨船及集裝箱船而言，后者具有較多的研究和較穩(wěn)定的成果，液貨船方面卻一直研究量少，成果也不盡人意。大量自由液面是液貨船和干貨船最為不同的地方，并且船舶穩(wěn)性會(huì)因?yàn)檫@些自由液面發(fā)生改變。由文獻(xiàn)[1]知自由液面導(dǎo)致的沉船事件并不少見(jiàn)，例如震驚全國(guó)的大舜號(hào)海難在事后調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，自由液面是大舜號(hào)沉沒(méi)的一個(gè)重大因素。自由液面對(duì)船舶穩(wěn)性的影響是隨載況實(shí)時(shí)變化的[2]，所以液貨船穩(wěn)性實(shí)時(shí)計(jì)算關(guān)鍵問(wèn)題就是解決每個(gè)實(shí)時(shí)載況下的自由液面修正。要研究實(shí)時(shí)載況下的自由液面，實(shí)時(shí)液位信息是必不可少的數(shù)據(jù)，因此實(shí)時(shí)獲取的液艙液位數(shù)據(jù)對(duì)液貨船等含有大量液艙的船舶具有重大意義。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是電子技術(shù)方面的進(jìn)步，自動(dòng)化裝置在船舶的多個(gè)方面得到了應(yīng)用，液位測(cè)量作為船舶自動(dòng)化的一部分，也必須不斷升級(jí)改進(jìn)才能滿足現(xiàn)代船舶對(duì)液位測(cè)量的要求。液位測(cè)量在很長(zhǎng)一段時(shí)間因?yàn)镽S232技術(shù)的成熟而將其作為數(shù)據(jù)的通信接口，但該接口傳輸距離很有限，實(shí)際的最大傳輸距離才為15 m左右，顯然這個(gè)距離對(duì)大型船舶來(lái)說(shuō)太短。本文希望通過(guò)采用其他接口代替RS232，并通過(guò)相關(guān)技術(shù)得到更遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離，從而能充分滿足大型船舶的要求。

1 自由液面對(duì)穩(wěn)性影響

自由液面是指船舶液艙內(nèi)沒(méi)裝滿時(shí)與水面平行的可以自由流動(dòng)的液面。由文獻(xiàn)[3]知自由液面幾乎存在所有的船上，且應(yīng)充分重視。由于該液面在船舶傾斜時(shí)會(huì)隨著船舶的傾斜而往船舶的傾斜側(cè)自由流動(dòng)，故稱自由液面。當(dāng)船舶發(fā)生橫傾后由圖1可知，液艙中的液體會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)，其自由表面由LS變?yōu)長(zhǎng)'S'，重心由G變?yōu)镚'。根據(jù)合力矩定理和平行力移動(dòng)原理，船舶的總重心也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化[4]。即船舶在使穩(wěn)性力矩減小的橫傾力矩作用下，升高了船舶重心，降低了船舶穩(wěn)性。因此只要存在自由液面，便一定會(huì)減小船舶穩(wěn)性。

圖1 自由液面對(duì)船舶初穩(wěn)性的影響

液艙中的液體過(guò)多或者過(guò)少時(shí)，傾角對(duì)自由液面面積的影響變大，所以船舶傾角對(duì)液艙中自由液面面積慣性矩的影響也變大。在裝有連通閥的不同液艙之間傾角對(duì)自由液面慣性矩的影響也比較復(fù)雜，以下2條結(jié)論可供船員在航行中應(yīng)用。

1)艙內(nèi)液體過(guò)少時(shí)，船舶在較小的傾斜角時(shí)就會(huì)因?yàn)橐后w產(chǎn)生流動(dòng)而露出一個(gè)艙底角，此刻達(dá)到自由液面慣性矩極大值。在隨后的情況下，液艙自由液面面積會(huì)跟著傾斜角的變大而變小，自由液面面積慣性矩也會(huì)隨著減小。自由液面面積在其法線與液艙對(duì)角線平行時(shí)為最小值情況，其面積慣性矩也為最小情況。當(dāng)傾角繼續(xù)加大時(shí)，自由液面面積加大，其慣性矩也隨著加大。

此情況的面積慣性矩最大值發(fā)生在較小傾角時(shí)，即在較小傾角時(shí)對(duì)船舶穩(wěn)性的影響最大。圖2中，當(dāng)h>H/2，且α>θ>β時(shí)，其中H為液艙高度，h為液艙中的空檔高度，α為未發(fā)生傾斜時(shí)液面中點(diǎn)到艙頂角的直線與液面的夾角，β為未發(fā)生傾斜時(shí)液面中點(diǎn)到艙底角的直線與液面夾角的內(nèi)錯(cuò)角，θ為船舶橫傾角，船舶液艙中自由液面傾斜側(cè)的力矩為：

(1)

式中：ρ為液體的密度，g/cm3；Vd為液艙內(nèi)的體積，m3；B為液艙最大寬度，m；d為液艙中液體深度，m。

2)艙內(nèi)液體過(guò)多時(shí)，船舶在較小傾角情況下即可因?yàn)橐后w的流動(dòng)使一個(gè)艙頂角淹沒(méi)，此時(shí)達(dá)到自由液面慣性矩極大值。之后的情況與液艙中液體過(guò)少時(shí)的情況一樣。圖2中，當(dāng)hθ>α?xí)r，液艙中自由液面傾斜側(cè)力矩為:

(2)

式中：Vh為液艙內(nèi)的空檔體積，m3。

圖2 自由液面示意圖

2 實(shí)時(shí)自由液面修正

船舶裝載儀在計(jì)算實(shí)時(shí)穩(wěn)性時(shí)，第一步應(yīng)獲取各個(gè)液艙實(shí)時(shí)液位數(shù)據(jù)，然后再根據(jù)固定載荷情況對(duì)實(shí)時(shí)載況進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算實(shí)時(shí)載況之后，再進(jìn)行當(dāng)前載況浮態(tài)以及穩(wěn)性的計(jì)算。船舶穩(wěn)性曲線被自由液面影響部分的修正計(jì)算，也要以各個(gè)液艙液位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為依據(jù)。

如何準(zhǔn)確得到各個(gè)液艙在實(shí)時(shí)載況下真實(shí)的裝載情況是實(shí)時(shí)計(jì)算自由液面修正的重點(diǎn)。在船舶裝載儀計(jì)算實(shí)時(shí)穩(wěn)性的時(shí)候，首先需要由液位傳感器輸出各個(gè)液艙實(shí)時(shí)液位數(shù)據(jù)，由于各個(gè)艙室的形狀等物理幾何條件為已知，故可以計(jì)算出各個(gè)液艙實(shí)時(shí)裝載率。最后再根據(jù)修正公式計(jì)算出實(shí)時(shí)自由液面修正值[5]。進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算自由液面修正的流程如圖3。

圖3 實(shí)時(shí)自由液面修正流程圖

3 實(shí)時(shí)液位采集

自由液面對(duì)船舶穩(wěn)性具有重要影響，在液貨船上尤為明顯，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取各液艙中的液位顯得格外重要。文獻(xiàn)[6]闡述了自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)在船舶系統(tǒng)中的重要作用，不但能實(shí)現(xiàn)船舶的安全運(yùn)行，還可以推動(dòng)船舶行業(yè)在我國(guó)更好的發(fā)展。本文在Windows環(huán)境下使用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言VB.net，收集從傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)液位信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)液艙液位的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.1 SerialPort類串口連接

隨著計(jì)算機(jī)在越來(lái)越多的領(lǐng)域使用，更多的硬件需要采用串口技術(shù)與計(jì)算機(jī)相連，串口的開(kāi)發(fā)也更加普遍。VB6.0軟件中編寫(xiě)關(guān)于串口通信的程序，通常采用Microsoft Communication Control(簡(jiǎn)稱MSComm)的通信控件來(lái)實(shí)現(xiàn)[7]。但在微軟VisualStudio不斷升級(jí)換代的現(xiàn)在，MSComm控件沒(méi)有被微軟加進(jìn)VisualStudio.Net控件庫(kù)中去，而是在.NETFramework2.0類庫(kù)包含了SerialPort類。

由文獻(xiàn)[8]知，MSComm過(guò)于復(fù)雜，操作不便，系統(tǒng)運(yùn)行安全系數(shù)不高，串行端口無(wú)法共享，可靠性和安全性不能得到保證；而SerialPort類具有豐富的特性和串口通信相關(guān)的事件，它提供了多種操作的串口，編程時(shí)非常方便，且易于部署。本文使用VB.net語(yǔ)言中的SerialPort類實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的串口通信。

3.2 RS485遠(yuǎn)距離通信實(shí)現(xiàn)

RS485是由RS232發(fā)展而來(lái)的接口標(biāo)準(zhǔn)，能用于組建點(diǎn)到多點(diǎn)或者多點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，解決了RS232接口標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題[9]。由于RS232接口使用的是非差分電路，即能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信，并且因?yàn)榫€路共用接電線，使其通信距離較短，通常僅用于設(shè)備與計(jì)算機(jī)的短距通信。而RS485使用的是差分平衡電路，傳輸距離可達(dá)1 200 m，還可以通過(guò)添加中繼器進(jìn)一步增加通信距離，且支持多點(diǎn)通信。由文獻(xiàn)[10]知在某些情況下RS485總線還可以代替現(xiàn)場(chǎng)總線作為通信方式。

3.3 ModbusRTU數(shù)據(jù)準(zhǔn)確保證

Modicon公司于1979年開(kāi)發(fā)出Modbus通信協(xié)議。該協(xié)議是第一個(gè)真正在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的總線協(xié)議，使用的工作方式為主從問(wèn)答。作為一種公認(rèn)的通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該協(xié)議廣泛應(yīng)用在測(cè)控儀表及自動(dòng)化控制器等方面。Modbus協(xié)議已成為我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之一[11]。

Modbus協(xié)議僅需要用軟件型式來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)議及堆棧，而不需要特定的通信模塊。可通過(guò)包括光導(dǎo)纖維、無(wú)線通信、雙絞線、微波及以太網(wǎng)等任何傳輸媒介進(jìn)行通信，因此很容易建立Modbus連接。

由于ModbusRTU采用的工作方式為主從模式，所以當(dāng)一個(gè)信息由主機(jī)設(shè)備發(fā)出時(shí)，可得到一個(gè)響應(yīng)從相應(yīng)的從機(jī)設(shè)備返回。若一個(gè)信息由一臺(tái)從機(jī)設(shè)備接收到，相應(yīng)的主機(jī)設(shè)備便會(huì)得到由該從機(jī)發(fā)送的一個(gè)響應(yīng)信息。但不能由網(wǎng)絡(luò)上的從設(shè)備發(fā)起通信，只有當(dāng)主設(shè)備對(duì)它通信時(shí)，從設(shè)備才能回答。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)發(fā)送通信命令時(shí)，地址碼對(duì)應(yīng)的從機(jī)會(huì)接收主機(jī)發(fā)出的通信命令，并根據(jù)發(fā)出的通信命令的功能碼與相關(guān)要求讀取該通信命令的信息。從機(jī)進(jìn)行對(duì)該信息的CRC校驗(yàn)，在校驗(yàn)正確之后,從機(jī)返送給主機(jī)此次通信的執(zhí)行結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 ModbusRTU信息幀格式

ModbusRTU的查詢響應(yīng)周期如圖4所示。

圖4 響應(yīng)周期查詢

3.4 液位采集設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)方面，由于一般上位機(jī)PC沒(méi)有特定針對(duì)RS485的接口，因此把傳感器中的數(shù)據(jù)讀入到上位機(jī)PC時(shí)，需要把傳感器的接口轉(zhuǎn)換成上位機(jī)PC能接收的接口。為了進(jìn)一步增加適應(yīng)性，此次設(shè)計(jì)把RS485接口轉(zhuǎn)換為常見(jiàn)的USB接口，本次設(shè)計(jì)直接采用UT-885轉(zhuǎn)換器。使用的液位傳感器輸出信號(hào)及接線端子引腳分配如表2。

按如圖5進(jìn)行接線，效果如圖6。

表2 輸出信號(hào)及接線端子引腳分配

圖5 RS485輸出數(shù)字信號(hào)接線圖

圖6 轉(zhuǎn)換器實(shí)物接線

此次設(shè)計(jì)主要用來(lái)實(shí)時(shí)讀取傳感器的數(shù)據(jù)，故功能碼主要使用03，協(xié)議格式說(shuō)明如表3。

表3 協(xié)議格式說(shuō)明

在軟件設(shè)計(jì)方面，串口的通信流程如圖7。此次設(shè)計(jì)在Windows操作系統(tǒng)下，使用VB.net編程軟件進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，其主界面如圖8。為增加人機(jī)交互性，此次設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)接受按鈕增加為2個(gè)，一個(gè)按鈕為“發(fā)送”，此按鈕為發(fā)送單個(gè)訪問(wèn)傳感器信息，僅得到當(dāng)前一個(gè)液位信息；另一個(gè)按鈕為“打開(kāi)timer”，此按鈕可以根據(jù)操作需求獲取定時(shí)間間隔的實(shí)時(shí)液位數(shù)據(jù)。

圖7 串口通信流程

3.5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得結(jié)果圖8。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試了解同一個(gè)串口不能同時(shí)被多個(gè)不同的程序打開(kāi)，故保持液位傳感器位置不變，改由Modbus調(diào)試精靈進(jìn)行通信，其結(jié)果如圖9所示。因?yàn)榇藗鞲衅鲾?shù)據(jù)輸出的0～2 000對(duì)應(yīng)0～5 m，所以由Modbus調(diào)試軟件得到109轉(zhuǎn)換成實(shí)際深度為(109/2 000)m，即0.054 5 m，與編寫(xiě)的軟件結(jié)果保持一致。

圖8 液位監(jiān)測(cè)界面

圖9 Modbus調(diào)試軟件所得結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

在船舶航行中總會(huì)出現(xiàn)自由液面的情況，應(yīng)盡量減少同時(shí)出現(xiàn)的自由液面，在避免不了的情況下應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況減弱其對(duì)船舶造成的安全性影響。實(shí)驗(yàn)針對(duì)船舶產(chǎn)生自由液面時(shí)引起的船舶安全性問(wèn)題，利用液位傳感器對(duì)各個(gè)船舶液艙進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握船舶自由液面的實(shí)時(shí)情況。利用RS485接口的遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)特性，在不加中繼的情況下最遠(yuǎn)傳輸便可達(dá)到1 200 m的信號(hào)傳輸距離，可以充分覆蓋大型船舶需要監(jiān)測(cè)液位的艙室。海上的情況瞬息萬(wàn)變，實(shí)時(shí)獲取的各液艙液位數(shù)據(jù)可以給船員的判斷提供有力的幫助。

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興 船 報(bào) 國(guó) 創(chuàng) 新 超 越

打 造 精 品 做 強(qiáng) 主 業(yè)

Concerning the free surface problem of ship's liquid tank,the causes of the free liquid surface are described and the effects and influence from which are analyzed on the stability of the ship.A real-time ship's liquid-tank level monitoring scheme is designed with corresponding Modbus RTU communication protocol.This scheme is designed by using SerialPort serial port through RS485 interface standard with long-distance transmission characteristics,whose sensor can fully cover all tanks of large ships to achieve the whole ship monitoring.The feasibility of the scheme is verified under the experimental conditions.The obtained monitoring data can provide effective help for the crew in dealing with sotwage by calculating the volume of liquid tank，the free surface and the stability of the ship.

ship' s liquid tank；free surface;stability;liquid level;real-time monitoring

田浩(1992-)，男，湖北武漢人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榇白詣?dòng)化。

U661

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.04.010

2017-02-28