范則陽(yáng)

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

0 引言

船舶在水中航行時(shí)，船艙底部不可避免的存在積水的情況，在事故或者撞擊情況下更會(huì)出現(xiàn)破損進(jìn)水的情況，影響船舶的安全性。為了保障船舶的安全性，提醒船員在船艙艙底積水時(shí)進(jìn)行疏水、在破損大量進(jìn)水時(shí)采取相應(yīng)的抗沉措施，迫切需要在船舶艙底安裝艙底進(jìn)水報(bào)警裝置。

船舶艙底環(huán)境異常惡劣，船舶主機(jī)艙存在大量的油污，工作溫度高達(dá)50℃；船舶蓄電池艙存在強(qiáng)酸性的液體和爆炸性氣體，需要滿(mǎn)足防爆的要求[1]。如何保證在如此惡劣的環(huán)境下艙底進(jìn)水報(bào)警裝置安全、可靠地檢測(cè)到進(jìn)水情況是一項(xiàng)難題。本文針對(duì)這種情況，開(kāi)發(fā)了一種分布式船舶用艙底進(jìn)水報(bào)警裝置，并在船舶上進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

艙底進(jìn)水報(bào)警裝置采用先進(jìn)的電子元器件，基于總線技術(shù)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。該裝置由單點(diǎn)報(bào)警指示器和有水信號(hào)傳感器兩部分組成，并通過(guò)分布式總線將各裝置的信息上傳至集控臺(tái)，供船員準(zhǔn)確獲取船舶艙底進(jìn)水情況。單點(diǎn)報(bào)警指示器安裝在艙室現(xiàn)場(chǎng)操作部位，可在艙室現(xiàn)場(chǎng)完成報(bào)警指示功能[2]。

有水信號(hào)傳感器外形如圖1所示。有水信號(hào)傳感器通過(guò)安裝卡安裝在船舶艙室底部，確保在惡劣的條件下可靠的輸出有水信號(hào)。

2 設(shè)備硬件開(kāi)發(fā)

2.1 設(shè)計(jì)要求

船舶艙底進(jìn)水裝置的設(shè)計(jì)，需滿(mǎn)足以下要求：

1）耐油污和耐酸性的有水信號(hào)傳感器

在船舶主機(jī)艙存在大量的油污，工作溫度高達(dá)50℃；在船舶蓄電池艙存在強(qiáng)酸性的液體。布置在這些區(qū)域的有水信號(hào)傳感器需滿(mǎn)足耐油污和耐酸性的要求，并確保在惡劣的條件下輸出有水信號(hào)可靠。

2）滿(mǎn)足蓄電池艙防爆的要求

船舶蓄電池艙蓄電池組在充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生爆炸性氣體——?dú)錃?，安裝在蓄電池艙的電氣設(shè)備需滿(mǎn)足IICT1[3]防爆等級(jí)的要求。

3）靈活的信息傳輸方式

一般船舶艙室眾多，造成布置的艙底進(jìn)水報(bào)警裝置傳感器數(shù)量較多。由于需要在船舶集控臺(tái)上顯示各個(gè)艙室進(jìn)水情況，布置在各個(gè)艙室的艙底進(jìn)水報(bào)警裝置與集控臺(tái)的接口形式尤為重要。若采用硬接線的方式則需要大量的電纜連接，造成成本的增加，也給船舶總體設(shè)計(jì)帶來(lái)了負(fù)擔(dān)。總線數(shù)據(jù)通信技術(shù)具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，能夠滿(mǎn)足大量數(shù)據(jù)交換。

2.2 單點(diǎn)報(bào)警指示器設(shè)計(jì)

單點(diǎn)報(bào)警指示器安裝在艙室現(xiàn)場(chǎng)操作部位，可在艙室現(xiàn)場(chǎng)完成報(bào)警指示功能，其核心是報(bào)警指示電路。

報(bào)警指示電路主要由三部分組成：供電電路、傳輸電路和報(bào)警電路。各部分的接口關(guān)系如圖2所示。

供電電路由本安電路和整流電路組成。本安電路是為有水傳感器供電的電路，主要由變壓器、整流濾波電路和防爆安全柵組成。通過(guò)防爆安全柵的作用，確保有水信號(hào)傳感器供電電路在任何情況下輸出電流不產(chǎn)生引起氫氣爆炸的能量，從而滿(mǎn)足本質(zhì)安全型的要求。

整流電路是為傳輸電路和報(bào)警電路供電的電路，主要由變壓器、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路組成。

傳輸電路是將有水信號(hào)傳感器的有水信號(hào)進(jìn)行變換和隔離，將進(jìn)水信號(hào)傳輸給報(bào)警電路和向船舶集控臺(tái)發(fā)送進(jìn)水信號(hào)。主要由報(bào)警輸入電路、光電耦合器和CAN轉(zhuǎn)換板組成。

報(bào)警電路是輸出聲光報(bào)警電路，主要由聲警電路和光警電路組成。聲警電路由音響邏輯電路、音響電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。光警電路由閃光邏輯電路、閃光振蕩電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。

根據(jù)上述報(bào)警指示電路的設(shè)計(jì)，艙底進(jìn)水報(bào)警裝置單點(diǎn)報(bào)警指示器防爆等級(jí)為[Exib]IIC。單點(diǎn)報(bào)警指示器安裝在船舶艙室安全區(qū)域，可進(jìn)行試燈、報(bào)警消音操作。

2.3 有水信號(hào)傳感器設(shè)計(jì)

通常，檢測(cè)船舶艙底進(jìn)水情況的傳感器有浮子液位計(jì)和電極式傳感器兩種。

浮子液位計(jì)可連續(xù)輸出艙底進(jìn)水液位的高度。浮子液位計(jì)按照測(cè)量方式大致可分為機(jī)械浮子式、光電浮子式、超聲波式、激光式、振弦式等多種形式，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。機(jī)械浮子式和光電浮子式都是用浮子機(jī)械式運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生液位的信號(hào)輸出，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)較低，缺點(diǎn)是機(jī)械加工復(fù)雜、運(yùn)行阻力大、使用壽命短，不適合在有雜質(zhì)的復(fù)雜條件下工作；超聲波液位計(jì)和激光液位計(jì)測(cè)量精度較高且沒(méi)有機(jī)械部件，故可靠性較高，但它對(duì)反射目標(biāo)有一定的要求，受環(huán)境因素影響較大，價(jià)格較高；振弦式液位計(jì)主要適用于小量程液位的測(cè)量場(chǎng)合[4]。

電極式傳感器是應(yīng)用較為廣泛的一種方式，其主要工作原理是傳感器設(shè)有兩根導(dǎo)電電極，當(dāng)艙底進(jìn)水淹沒(méi)傳感器后，傳感器的兩根電極導(dǎo)通，檢測(cè)回路根據(jù)阻值變化進(jìn)行邏輯處理后，輸出報(bào)警信息。這種感傳器的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，工作可靠，缺點(diǎn)是只能指示某個(gè)點(diǎn)的進(jìn)水信息，不能指示船舶艙底進(jìn)水液位的高度。

船舶在航行時(shí)，受風(fēng)浪影響會(huì)產(chǎn)生傾斜、搖擺，機(jī)械浮子式和光電浮子式液位計(jì)不適宜在這種條件下使用。另外，船舶艙底一般存在油污以及雜質(zhì)等，不適合超聲波和激光液位計(jì)使用。因此根據(jù)船舶應(yīng)用的特點(diǎn)以及考慮傳感器的工作環(huán)境，本裝置采用電極式傳感器的設(shè)計(jì)方案。有水信號(hào)傳感器組成如圖3所示。

有水信號(hào)傳感器為水密式結(jié)構(gòu)，其本體采用具有耐酸和耐腐蝕的聚四氟乙烯材料，導(dǎo)電電極采用不銹鋼，可以滿(mǎn)足耐油污和耐酸性的要求。傳感器的外形和電極的形狀均經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后制成，確保在惡劣的條件下可靠的輸出有水信號(hào)。傳感器通過(guò)安裝卡安裝在船舶艙室底部。

由于有水信號(hào)傳感器是安裝在蓄電池艙的危險(xiǎn)區(qū)域，根據(jù)電極式傳感器的特點(diǎn)，將有水信號(hào)傳感器設(shè)計(jì)為本質(zhì)安全型。傳感器本體的聚四氟乙烯材料表面積是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算，并經(jīng)過(guò)防爆認(rèn)證試驗(yàn)，確保滿(mǎn)足ExibIICT1防爆等級(jí)的要求。

注：①防護(hù)罩 ②安裝卡 ③電極 ④底座 ⑤密封填料⑥電纜

3 設(shè)備工作流程

設(shè)備工作流程如圖4所示。當(dāng)傳感器的兩電極與水接觸后，兩電極間通過(guò)水導(dǎo)通，導(dǎo)通信號(hào)經(jīng)報(bào)警傳輸電路進(jìn)行穩(wěn)定，并通過(guò)光電耦合器進(jìn)行隔離。光電耦合器將一路信號(hào)輸入至報(bào)警電路的閃光和音響邏輯電路進(jìn)行處理，并啟動(dòng)閃光振蕩電路和音響電路，最后經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警。光電耦合器將另一路信號(hào)輸入到CAN轉(zhuǎn)換板，CAN轉(zhuǎn)換板通過(guò)總線方式向船舶集控部位顯控臺(tái)發(fā)送艙底進(jìn)水信息。其實(shí)現(xiàn)方式可以通過(guò)軟件固化下載到電路板中。

4 分布式應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

該裝置可廣泛應(yīng)用于各種類(lèi)型和各種噸位的船舶。采用CAN總線通訊技術(shù)，只需通過(guò)一根電纜即可完成信息的傳輸功能，系統(tǒng)組建方式非常靈活，擴(kuò)展能力強(qiáng)。當(dāng)需要增減有水報(bào)警點(diǎn)的數(shù)量時(shí)，只需修改通訊協(xié)議以及集控臺(tái)的顯控臺(tái)軟件即可。典型的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)論述了采用先進(jìn)的電子元器件，基于總線技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的艙底進(jìn)水報(bào)警裝置。該裝置解決船舶艙底復(fù)雜環(huán)境下艙底進(jìn)水情況的檢測(cè)和報(bào)警問(wèn)題，具有工作可靠、信息傳輸方式靈活、擴(kuò)展性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可滿(mǎn)足船舶蓄電池艙IICT1防爆等級(jí)的要求，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各型船舶，并取得了良好的效果。

[1] 朱欽章，陳國(guó)華. LZOD 15 mg/l艙底水報(bào)警裝置及防蓄意操控對(duì)策. 中國(guó)航海，2007,（4）.

[2] 中國(guó)船舶工業(yè)總公司. 潛艇艙底進(jìn)水報(bào)警裝置規(guī)范，1998.

[3] 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局. 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第1部分：通用要求, 2000.

[4] 舒大興，陳偉. MSP430在大量程浮子液位式液位計(jì)中的應(yīng)用. 國(guó)外電子元器件， 2005,（3）：21-23.