免處理的船舶壓載水系統液位自動調節裝置

李 凱， 胡以懷， 方云虎， 張 陳， 芮曉松， 陳彥臻

(1.上海海事大學 商船學院， 上海 201306； 2.中船鼎衡造船有限公司， 江蘇 江都 225217)

0 引 言

海上航行的船舶往往需要加載壓載水來保證船舶的穩性和浮性。但是，船舶壓載水中含有許多細菌、浮游生物、病原體等，在泵入和排出壓載水的過程中，壓載水中的這些生物一旦進入新的適宜環境中會大量繁殖，造成生物入侵，破壞當地的生態平衡。

在水深200 m以上并且離岸200 n mile以外的公海或深海對壓載水進行更換，是一種行之有效的方法。但是，這種方法需排空壓載艙，容易引起船舶吃水、船體強度和船舶穩性等問題。一般用溢流法更換船舶的壓載水，即向滿艙的壓載艙中泵入清潔的海水，原有的壓載水從溢流管中溢出，但這種方法會使壓載艙板比正常壓載時承受更高的壓力，易引起船舶材料疲勞，使其他壓載艙承受附加的壓力。文獻[1]提出將海水管路與壓載水管路聯通，利用海水泵定期更換壓載水，這樣不僅能夠保證冷卻用海水的流量，而且也保證壓載水不斷更新，又無需額外增加壓載水處理設備，有利于降低能耗，是一種十分經濟有效的船舶壓載水處理方法。但是，這種方法實施的關鍵在于能否動態地調節壓載艙的液位[1]。本文根據船舶穩性需要，設計免處理船舶壓載水系統液位自動調節試驗裝置，提出基于以太網和CAN總線的壓載艙液位控制方案，對裝置中的信號采集模塊、通信模塊和控制模塊進行軟硬件設計，并利用上位機設計系統的監控界面。試驗表明，該裝置可實現數據實時顯示和對壓載艙液位進行自動控制[2-4]。

1 液位控制系統總體設計

1.1 液位控制系統試驗裝置設計

根據免處理的船舶壓載水系統設計免處理船舶壓載水系統壓載艙液位自動調節試驗裝置，圖1為該試驗裝置的設計圖。該裝置主要由水箱、2個模擬壓載艙、2個電動水泵、2個液位變送器和6個電磁閥組成。

圖1 免處理船舶壓載水系統液位自動調節試驗裝置設計圖

閥1和閥2控制進入壓載艙的水，閥3和閥4控制排出壓載艙的水。由于電動水泵不能空轉，所以必須設置閥5和閥6以保證管路的穩定。當閥1和閥2關閉的時候，閥5必須打開，防止泵空轉；當閥1和閥2開啟的時候，閥5必須關閉，以免影響進入壓載艙的水量。同理，閥6的作用與閥5相同。液位變送器用來測量壓載艙的液位，液位變送器測量到的液位經過RS 485通信模塊，采用Modbus通信協議發送給計算機，計算機按照設定的液位進行分析處理。設定的液位有上限值和下限值。

在系統運行前，先對上位機控制面板進行參數設置。系統開始運行時，電磁閥會先按設定的時間運行，這是用來檢查電磁閥的狀態。系統運行時，當測量的液位高于上限值時，計算機會發出指令關閉吸入閥1或2，同時開啟排出閥3或4；當測量的液位低于下限值時，計算機會發出指令打開吸入閥1或2，同時關閉排出閥3或4；當測量的液位處于下限值與上限值之間時，計算機會發出指令同時打開吸入閥1或2和排出閥3或4，同時吸入海水并排出壓載水，實現壓載水的置換效果，這是理想的狀態。

1.2 液位自動控制系統設計

船舶壓載水液位自動調節試驗裝置主要由2個信號采集模塊、2個通信模塊、控制模塊和計算機組成，系統結構如圖2所示。各組成部分的功能如下：

圖2 液位自動控制系統圖

(1) 信號采集模塊1和2主要負責兩個壓載艙液位數據的采集，以及通過通信模塊1進行數據交換。

(2) 通信模塊1主要負責把采集模塊1和采集模塊2接收到的數據，經過轉換后傳送到PC機上。

(3) 通信模塊2主要負責把計算機處理后的數據經過通信協議轉換后發送到控制模塊。

(4) 控制模塊主要負責控制電磁閥的開關，從而實現系統的自動控制。

(5) 計算機主要負責實現數據實時顯示和對壓載艙液位進行自動控制。

2 系統硬件設計

2.1 信號采集模塊硬件設計

信號采集模塊是液位自動控制系統重要的組成部分，該模塊主要由傳感器、通道選擇電路、信號放大電路、A/D轉換電路等幾部分組成。其硬件結構如圖3所示。

圖3 信號采集模塊硬件結構

信號采集模塊的工作原理是利用傳感器測量壓載艙的液位信號，經過采樣、放大、A/D轉換后，以數字信號的形式通過RS 485通信接口電路，主要采用Modbus通信協議，再經過轉換器后傳送給計算機，計算機接收到數據后進行處理，實時顯示于上位機監控界面。

試驗裝置采用2個液位變送器，每個液位變送器的測量范圍為0～5 m，測量精度為0.2%，輸出信號為4～20 mA，且具有抗腐蝕的特性。

2.2 通信模塊硬件設計

采集數據的通信模塊主要由RS 485通信模塊和USB-RS 485轉換器組成，其硬件結構如圖4所示。通信模塊的工作原理是采集模塊轉換的數字信號經過RS 485模塊和轉換器后與計算機連接，計算機主要用C#程序進行控制，系統主要采用Modbus通信協議，計算機可以接受并處理采集到的數據。

圖4 采集數據的通信模塊硬件結構

發送數據的通信模塊主要由以太網-CAN智能協議轉換器、CAN網絡等組成，其硬件結構如圖5所示。通信模塊2的工作原理是計算機將經過處理的數據通過以太網-CAN智能協議轉換器與CAN模塊連接，從而實現對16DI16DO模塊的控制。

圖5 發送數據的通信模塊硬件結構

2.3 控制模塊硬件設計

控制模塊是系統實現控制的重要部分，該模塊主要由16DI16DO模塊、繼電器和電磁閥組成，其硬件結構如圖6所示。

圖6 控制模塊硬件結構

控制模塊的工作原理是通信模塊傳送數據到16DI16DO模塊，其連接繼電器。繼電器是一種電控制器件，是當輸入量(激勵量)的變化達到規定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發生預定的階躍變化的一種電器。繼電器實際上是用小電流去控制大電流運作的一種自動開關，即通過控制電磁閥的開閉實現液位的自動控制。

3 系統軟件設計

3.1 采集數據的通信模塊軟件設計

采集數據的通信模塊主要實現上位機軟件通過RS 485串口與采集模塊通信，完成數據的采集工作，經過適當的處理后，進行數據的顯示和存儲。上位機軟件是在Windows 7操作系統和Visual Studio 2015.NET編程環境中，利用C#語言完成編程，通過Serial Port 類實現串口通信功能，通過Timer類完成定時采集數據，最后使用.txt文本實現數據存儲。采集數據的通信模塊的設計難點在于如何把采集模塊采集到的數據發送到上位機軟件中。其軟件設計流程如圖7所示。

圖7 采集數據的通信模塊程序流程

從串口接收數據主要采用Serial Port控件，在Visual Studio 2015中添加該控件，需要設置COM口，COM口主要根據USB-RS 485轉換器安裝的驅動確定，系統默認的COM口為COM3。還需設置波特率為9 600，數據位為8，校驗位為0，停止位為1。

3.2 數據處理軟件設計

上位機接收到采集模塊采集的數據后，經過數據處理程序進行處理，處理后的數據通過通信模塊發送給控制模塊，從而實現試驗裝置的自動控制。數據處理程序主要采用開關量控制算法進行控制。圖8為開關量反饋控制系統圖。

圖8 開關量反饋控制系統圖

整個裝置的控制難點在于對電磁閥的控制，數據處理直接影響電磁閥的開關狀態。若壓載艙液位沒有設定上下限或者上下限設定值范圍過小，會使電磁閥頻繁啟動，導致電磁閥發熱，影響裝置的整體運行；若壓載艙上下限設定值范圍過大，會影響船舶穩性，因此數據處理軟件的設計至關重要。圖9為數據處理軟件程序流程圖。

圖9 數據處理軟件程序流程圖

3.3 發送數據的通信模塊軟件設計

發送數據的通信模塊主要把處理后的數據通過以太網接口與CAN接口，經協議轉換后發送到16DI16DO模塊，從而實現試驗裝置的自動控制。

當通信發起方上位機將命令發給發送數據通信模塊時，通信模塊中的以太網接收緩沖區需要接收數據，其檢測到相應的事件后，開始執行以太網-CAN任務。圖10為以太網數據傳送到CAN總線的任務流程圖，其中Length為發送數據字節長度。

3.4 系統監控軟件設計

圖11為用上位機實現的試驗裝置系統監控界面設計圖：圖中左側為試驗裝置，可實時顯示壓載艙的液位以及6個電磁閥的開閉狀態；圖中右側為試驗裝置的控制面板，其中控制面板上的波特率和從站號需根據液位變送器的Modbus通信協議進行設置，串口號需根據USB-RS 485轉換器的連接進行設置。在裝置開始運行前，需要分別對兩個壓載艙進行液位設定，分別設定上限和下限。點擊面板上的開始按鈕，裝置開始運行。DO測試用來測試控制模塊的功能。停止鍵用來停止系統運行，但不退出程序。退出鍵用來退出程序，同時停止系統的運行。

圖10 以太網數據傳送到CAN總線任務流程

圖11 免處理船舶壓載水系統監控界面設計圖

4 試驗內容及數據分析

4.1 試驗裝置

本試驗裝置由水箱、2個模擬壓載艙、2個電動水泵、2個液位變送器和6個電磁閥以及控制系統組成。表1為試驗裝置的技術參數，圖12為免處理船舶壓載水系統液位自動調節裝置。

表1 試驗裝置技術參數

圖12 免處理船舶壓載水系統液位自動調節裝置

4.2 試驗數據分析

根據免處理船舶壓載水系統液位自動調節裝置的特點，通過設置不同的液位參數，測量1#和2#壓載艙的液位，檢驗該裝置液位自動調節的效果，分別進行以下幾組試驗，具體試驗結果如圖13所示。

對比以上6組試驗可以看出，同時設定1#壓載艙和2#壓載艙參數，盡管兩壓載艙的初始液位不同，兩艙均可在短時間內穩定在設定值。試驗結果表明，免處理船舶壓載水系統液位自動調節裝置可實現壓載艙的液位控制，并且相鄰艙室的控制互不影響，均可實現自動調節。

圖13 兩艙在6種不同設定值下液位自動調節變化圖

5 結 語

本文設計的免處理船舶壓載水系統液位自動調節裝置可實現不同壓載艙的液位自動控制，并且可通過上位機實現數據實時顯示，工作人員可根據監控界面查看并控制壓載艙中的壓載水。將船舶海水管路系統與壓載水系統聯通，利用冷卻海水置換壓載水，并且用文中所述方法對系統進行控制，這樣既保證了壓載水的不斷更新，又不引起船舶穩性、吃水差和船體結構等變化而帶來的危險，也不會額外增加壓載水處理設備和能耗。但這種方法還須經過實船的檢驗并進行完善，以滿足IMO對船舶排放壓載水的要求，才能在船舶得到普遍應用[5-8]。