船用鍋爐自動沖洗水位計設計

(浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316021)

為了保證鍋爐安全運行，每天要按照要求對水位計進行沖洗，這增加了輪機員工作量并存在被高溫燙傷的風險，而設計人員的研究方向主要在水位計的結構、材料、安裝工藝、沖洗方法上，關于能夠自動沖洗水位計，目前未見相關報道[1-2]，所以，目前船用市場上的鍋爐水位計幾乎全部為手動沖洗形式。

為此，考慮設計一種以單片機為控制核心的自動沖洗水位計，用于替換當前船舶鍋爐水位計，可以應用在船舶鍋爐生產廠家的新鍋爐上，也可應用在現有船舶鍋爐上。

1 系統的總體設計

1.1 控制系統總體設計

系統主要由單片機最小系統、檢測傳感器、電磁閥驅動、時間顯示、聲光報警、串口通信等電路及軟件組成[3]。系統設計總體框圖見圖1，單片機為系統控制的中樞，主要完成數據的運算與控制信號的發送，LCD顯示器用來顯示定時時間與溫度，主要完成系統的數據顯示。檢測傳感器主要用來檢測沖洗管路的溫度，以確定系統的控制功能是否按要求完成。按鍵主要用來輸入定時數據，也可以對輸入的定時數據進行修改，這些參數都將在顯示器上顯示，輪機員可以通過此進行觀察，掌握沖洗時間并根據實際需要進行修訂，完成人機交互。

通過單片機內部的定時功能可以準確地完成水位計的沖洗，單片機的引腳電平高低的變化控制驅動電路，通過此來按照順序開啟電磁閥，實現利用鍋爐內部的原有蒸汽或者水壓對水位計進行定時程序沖洗，沖洗的成功與否，可通過溫度檢測元件進行反饋判斷[4]。如果沖洗過程中溫度檢測有溫升，說明一切正常，如果沖洗過程中沒有檢測到溫升的信號，內部程序將進行一次復位后重新沖洗，如果再一次沖洗還沒有檢測到溫升信號則發出報警，沖洗失敗。

1.2 水位計結構總體設計

自動沖洗水位計的結構設計見圖2，可在原來的基礎上改進。蒸汽沖洗電磁閥D1安裝在玻璃管與通氣閥的連接管路；熱水沖洗電磁閥D2安裝在玻璃管與通水閥的連接管路；沖洗電磁閥D3安裝在沖洗管路上。保留水位計上原所有的閥門，在進行電磁閥更換工作時，可以通過關閉通氣閥S1、通水閥S2等操作，保證鍋爐內的汽水不會外溢，使操作可以在不停爐的情況下進行[5]。

在沖洗管路的末端安裝傳感器檢測沖洗是否成功，沖洗成功時，鍋爐內部的蒸汽或熱水會沿著沖洗管路將熱量傳遞給溫度傳感器，溫度傳感器檢測到溫升信號；沖洗不成功，10 s后溫度沒有變化，系統將根據程序重新沖洗水位計，如果傳感器還沒有檢測到溫升信號則發出警報。

1.3 控制面板外形設計

控制模塊、顯示模塊、手自動轉換模塊可以與鍋爐的控制箱進行融合，使輪機員的操作更加方便。面板的正面有控制旋鈕，其主要作用為選擇控制方式。液晶顯示屏可以隨時顯示定時狀態、計時時間等內容，第二行可以顯示傳感器感受的溫度。底行為按鈕：1～6，每一個按鈕都有相應的功能，主要為修改定時時間，報警消音與復位等。按鈕布局合理、大小適中，方便輪機員操作。控制面板的主要接口已經在圖中標出，在所有的接口中有一個預留接口，方便以后增加其他功能時使用。

控制面板的設計只需對現有鍋爐控制箱進行較小的改動即可，控制面板所占面積小，操作簡單，接線方便，接口少，為船舶的輪機員提供了更好的操作界面與簡單的操作方法。

2 系統硬件設計

2.1 單片機設計

AT89C51是一種使用較廣泛的電子芯片。該芯片經濟環保、性能優良，其可編程的 Flash存儲器為4 k，8位的 CPU，在指令與引腳方面可以與工業80 C51完全兼容。可以為控制系統提供高精度的控制方案[6]。AT89C51性能指標見表1。

表1 AT89C51性能指標表

因設計要完成控制、顯示、參數輸入、通信等功能，所以根據以上需求選用單片機的引腳數為40個，其引腳數可以滿足所有功能的可靠實施。圖3所示為AT89C51的封裝與引腳。

2.2 電磁閥驅動電路設計

電磁閥為裝置的主要執行元件，由于該設計的控制流體為高溫蒸汽與熱水，所以采用不銹鋼閥體、耐高溫密封的電磁閥[7]。直流驅動電路見圖4，與單片機引腳的接口分別為P1.6、P1.7、P2.6，12 V直流供電，通徑采用20 mm的管路，以保障足夠的沖洗效果。電磁閥的啟閉狀態可以通過單片機內部的程序得到。

2.3 顯示器設計

采用了一種功耗低、硬件電路與驅動方法簡單的液晶顯示器。使用的是 LCD1602，其能夠同時顯示字符的個數為 16×02 個，可以清楚地顯示字母、數字、符號等。該模塊的引腳共有14個，見圖5。另外還有2個引腳未標出，主要作用為提供背光[8]。各個引腳接口見表2，背光引腳沒有在上面標出。 LCD1602主要技術參數見表3。

設計的LCD模塊有8個 DateI/ O口，即 D0～ D7口。這8個 DateI/ O口與單片機的 P0.0～ P0.7口相連接。為了實現上拉加裝一個10 kΩ的排阻，在圖5中的 LMO16 L中沒有 BLA與 BLK口，這兩個背光源只要接通合適的電源即可，一般的調節是通過手動進行的。LCD液晶的顯示界面一般分為兩行，上面一行顯示定時時間，下面一行顯示當前的溫度傳感器接受的溫度情況。

表2 LCD1602引腳接口表

注：15BLA、16BLK在圖中并未標出，實際中存在，為背光引腳。

表3 LCD1602 主要技術參數表

2.4 傳感器設計

DS1820溫度傳感器與單片機之間通過一根總線相連接，所有信號通過此線進行傳送，實現參數轉換的電源也通過數據線提供，不需要單獨設置。報警值可調，9位溫度讀數顯示測量溫度。溫度傳感器的性能特點見表4。

DS1820溫度傳感器主要有6部分組成，包括校驗碼發生器、高速暫存器、觸發器TH和TL、寄生電路、ROM單線接口、溫度傳感器，其中每一部分都有相應的作用[9]。DS1820溫度與數據關系見表5，DS1820的管腳排列見圖6。

表4 DS1820的特性

表5 DS1820溫度與數據關系

DS1820以64位ROM及環線接口為中心，外圍包含I/O口、存儲與控制邏輯、暫存寄存器、8位CRC發生器、溫度傳感器、上限TH和下限TL。

DS1820溫度傳感器的應用十分靈活，其連接距離長，相互干擾少，可以實施遠距離測量，本設計只需1只就可以滿足檢測要求。采用寄生電容供電的溫度檢測系統見圖7。其中P2.1做輸出口用，相當于TX；P2.2做輸入口用，相當于RX。

2.5 按鍵電路設計

按鍵為參數輸入模塊，功能設計主要是完成對系統的設定，包括定時時間、警報確認等，通過輸入時間參數來更改水位計的時間設定。鍋爐水位計的沖洗并不是一成不變的，輪機員可以根據所掌握的內容，如水質的情況，工作狀態等，適當對沖洗時間進行調節。本設計的按鍵尺寸為6×6×4 mm，按鍵個數為6，其大小恰當，方便人員按壓操作，且不會影響其他按鍵。其中R3-R7為阻值10 kΩ的外接上拉電阻，按鍵按下與跳起分別對應接口的低電平與高電平[10]。在連接方面直接與 AT89C51的 I/O 口連接，電路簡單，沒有中間環節， 保證設計的穩定性。各功能鍵功能見表6，按鍵的連接電路見圖8。

表6 按鍵功能表

2.6 語音報警

自帶報警模塊，聲音報警由蜂鳴器完成，發光報警由晶閘管完成。該報警裝置的工作分為兩個階段：第一階段為水位計正常工作階段，此時汽沖、水沖電磁閥均處于打開狀態，沖洗電磁閥處于關閉狀態，如果傳感器檢測到有溫升信號，則說明沖洗電磁閥泄漏，發出報警：第二階段為水位計沖洗階段，在沖洗水位計時，汽沖、水沖、沖洗電磁閥按照順序開關，如果溫度傳感器檢測不到溫升信號，則說明沖洗失敗，發出警報。該警報是水位計沖洗失敗警報，給輪機員預警。該報警裝置的觸發通過P2.7口的電平決定，發光二極管與蜂鳴器單線連接，報警時同時發出。報警的電路模塊設計見圖9。

2.7 上位機通信設計

采用串行通信方式完成機旁設備與 PC機的通信，通過所選單片機內部的UART來實現。為了保證有效的通信，選用了 MAX232電平轉換芯片來保證更加有效可靠的通信；為了保證通信距離的長度，通過 RS-232提高信號的幅度。上位機通信電路見圖10。輪機員可以在集控室對水位計的沖洗定時，溫度檢測值進行遠程監控與遙控，這樣可以減少輪機員在機艙巡視的時間，降低工作強度。

3 主程序流程

本設計主程序能使系統控制得更加準確、更加合理、更加智能，主程序流程圖見圖11。水位計沖洗程序按照開始-初始化-定義變量-開始沖洗-檢測的順序執行，內部程序通過單片機發出指令控制電磁閥的啟閉。當第一次沖洗指令發出后，通過溫度傳感器檢測沖洗管路的溫升情況來判斷是否沖洗成功。當按照沖洗程序完成水位計沖洗后，沖洗時間開始自動計時，到下一次沖洗定時時間后重新開始沖洗程序。如果沖洗定時需修變，可以在控制面板上通過按鈕進行。若想將水位計自動沖洗改變為手動沖洗，只需要將轉換開關轉至手動位置即可。若此時立刻進行水位計沖洗，則不需考慮定時。當手動將水位計沖洗完成后，外部中斷結束，系統又開始沖洗定時，進行下一次的沖洗準備[11-12]。

4 結論

通過對鍋爐自動沖洗水位計的器件選型、結構設計、硬件設計、軟件流程設計等，很好地實現了水位計自動定時沖洗功能，可廣泛應用于船舶鍋爐上。與在水位計的結構、材料、安裝位置等方面進行改進相比，本文注重對水位計自動控制上的改進，以此來解決輪機員工作過程中勞動強度大、操作安強性低、容易出現事故等問題。綜上，本研究成果可極大地改善船舶水位計操作人員的工作環境，保障操作人員的安全，降低工作強度，具有一定的實際應用價值。

本文的研究還可以向智能控制方向發展，增加智能控制部分，使水位計的沖洗動作根據鍋爐水位情況自動改變，減少人員的參與，減少工作量保障安全。

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