包國治，王之民，陳 寧，白曉峰，龔 嫚

(江蘇科技大學(xué) 能源與動力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

2004年，IMO (國際海事組織)通過了《船舶壓載水和沉積物控制和管理國際公約》，其目的為了達成國際上的一致， “通過控制和管理船舶壓載水和沉積物來防止、減少和最終消除有害水生物和病原體的傳播”［1］。壓載水違規(guī)排放可能擾亂生態(tài)平衡，為了應(yīng)對由此造成的全球環(huán)境威脅，需要配置得到IMO 認可的壓載水處理系統(tǒng)。按照壓載水公約的要求，在2009年1月1日以后建成的新船，必須安裝專門的壓載水處理設(shè)備;從2012年起，所有的新船均應(yīng)裝備合格有效的壓載水處理系統(tǒng)，而全部現(xiàn)有船舶則應(yīng)在2016年底之前配備此項技術(shù)裝置［2］。

本文介紹一種滿足國際海事組織的《國際船舶壓載水和沉積物管理與控制公約》G8 準則要求的船舶壓載水處理裝置管理系統(tǒng)的組成及原理，設(shè)計1套船舶壓載水處理裝置控制系統(tǒng)，充分利用Labview強大的數(shù)據(jù)通信能力和PLC 穩(wěn)定可靠的工作能力，給出基于Labview和PLC的船舶壓載水控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。詳細介紹控制系統(tǒng)的設(shè)計思路、組成和實現(xiàn)方法并對其與現(xiàn)有壓載水處理系統(tǒng)的嵌入性應(yīng)用進行分析。

1 裝置簡介

本文研究設(shè)計的壓載水控制管理系統(tǒng)能夠滿足MEPC.174 (58)《壓載水管理系統(tǒng)認可指南》(G8)的要求，已經(jīng)通過國家海事局組織的環(huán)評認證和型式認可。

壓載水管理系統(tǒng)由反沖濾器、紫外線殺菌器、系統(tǒng)控制單元及閥件與管路組成，如圖1所示。船舶在注入壓載水時，細菌、藻類和大型的微生物通過反沖濾器濾掉絕大部分，殘余的少量細菌和藻類流經(jīng)紫外線殺菌器徹底滅活，達到國際海事組織對壓載水處理的要求。處理后的壓載水注入壓載水艙中［3］。

紫外線輻射對壓載水中的微生物和病原體有較好的殺滅作用，紫外輻射的原理為紫外線照射能使細胞核核酸產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，致使DNA 不能夠正常復(fù)制，生物組織不能進行細胞分裂，這對于生命周期很短的微生物來說意味著經(jīng)過處理后的生物量將大大減少，如果時間足夠長，可以滅活絕大部分微生物。研究表明，紫外線殺滅海洋細菌、微生物既有效，又不會對環(huán)境產(chǎn)生污染，是一種實用性很強的方法，且對船舶管路、泵、涂層無副作用，但紫外光易被懸浮物質(zhì)和黃色物質(zhì)(即溶解性有機物)所吸收，且較大顆粒懸浮物能遮擋紫外光，導(dǎo)致滅活率下降，此外，如果壓艙水中含鐵量高，會因其沉積在紫外線燈管上影響處理效果。因此，紫外線殺菌器必須安裝在反沖洗過濾器后面，且在每次使用完后須對反沖濾器和紫外線燈管進行清洗。

圖1 壓載水管理系統(tǒng)圖Fig.1 Ballast water management system diagram

2 船舶壓載水控制單元

控制單元是整個系統(tǒng)運行與管理的中樞，采用TPC- 1570H- C2AE 研華工控機作為上位機，SIEMENS S7-300 作為下位機，具有自動化程度高，能夠依據(jù)船舶的作業(yè)方式自動啟動系統(tǒng)，調(diào)節(jié)閥門的作業(yè)形態(tài)，檢測過濾單元，依據(jù)對過濾單元的工作狀態(tài)，按照設(shè)定的清洗模式對過濾單元進行自動清洗;檢測紫外殺菌單元，依據(jù)紫外殺菌單元的工作狀態(tài)，按照設(shè)定的清洗模式對紫外殺菌單元進行自動清洗;自動記錄燈管的運行時間，對紫外燈管的運行壽命發(fā)出提示信號;檢測紫外燈管的工作狀態(tài)，對故障燈管在顯示屏上顯示故障位置，并發(fā)出聲光報警;自動檢測系統(tǒng)處理壓載水的流量，并按實際測得的壓載水流量，自動調(diào)節(jié)紫外燈對壓載水的照射劑量;系統(tǒng)具有操縱簡便靈活，安全可靠的特點，系統(tǒng)防護等級達IP55，并為用戶提供友好的用戶界面。

系統(tǒng)能夠能自動記錄系統(tǒng)主要設(shè)備的工作參數(shù)、報警、操作等24個月的歷史數(shù)據(jù)，并直接在觸摸屏上讀取或輸出。

2.1 數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)

2.1.1 PC 機上的OPC 服務(wù)器的建立

自動控制系統(tǒng)采用PLC 與上位機嵌入Labview組態(tài)軟件的方式，通信編寫基于客戶端/服務(wù)器模式的驅(qū)動程序與PLC 進行數(shù)據(jù)通信程序。Labview 編程的驅(qū)動程序是一種用以替代PLC 自帶的按位訪問PLC的OPC 軟件［4］，其特點為:可讀性強，不需按位訪問PLC，且其功能與PLC 自帶的OPC 一致，操作更方便。使用Labview 編程的目的就是把OPC 操作軟件變成用戶可隨意操作的程序，即實現(xiàn)由OPC軟件可以實現(xiàn)的功能。

PC 機上建立OPC 服務(wù)器，通過以太網(wǎng)，OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)可與西門子PLC 中的數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)的影像關(guān)系。Labview 2011 DSC 通過引用共享變量與OPC 標簽連接的方法共享變量，可以與本地或網(wǎng)絡(luò)上的任1 臺電腦上的OPC 標簽綁定［5］。當(dāng)程序綁定好后，用戶只需要把共享變量當(dāng)作普通變量一樣操作就可以了。PC 機與PLC通信硬件連接如圖2所示。

圖2 PC 機與PLC 硬件連接Fig.2 Hardware connection between PC and PLC

2.1.2 GPS 通訊

GPS 主機和控制終端的數(shù)據(jù)交換協(xié)議一般是由生產(chǎn)廠商自行約定的，各廠商之間互不相同。為了在不同的GPS 導(dǎo)航設(shè)備中建立統(tǒng)一的海事無線電技術(shù)委員會(BTCM)標準，美國國家海洋電子協(xié)會(The National Marine Electronics Association，NMEA)制定了NMEA 協(xié)議，定義了不同電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸接口。其中NEMA-0183 協(xié)議是目前使用最為廣泛的一種。0183 協(xié)議定義了串行數(shù)據(jù)總線在4800 波特率下的電器信號要求，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與時間、專用語句格式等。

Labview 對串口的操作是基于虛擬儀器軟件架構(gòu)(VISA)實現(xiàn)的。0183 協(xié)議定義的語句非常多，其中常用的GPS 語句包括GPGGA，GPGLL，GPGSA，GPGSV，GPRMC 等，包含了緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時間、航向以及維修狀態(tài)等信息。對于不同的應(yīng)用，選取的語句也不同［6-7］。本控制系統(tǒng)是從GGA數(shù)據(jù)格式中提取UTC 時間、緯度、經(jīng)度，將字符型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成浮點型數(shù)據(jù)，UTC 時間轉(zhuǎn)化成8 區(qū)的本地時間、緯度，經(jīng)度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到標準單位量，GPS信息的讀取與表示程序代碼如圖3所示。

圖3 GPS信息的讀取與表示程序Fig.3 Program of GPS Information read and indicates

GPS 模塊讀取的時間、經(jīng)緯度與操作指令被寫入并保存到文本文件中，記錄內(nèi)容包括船舶壓載、卸載、旁通以及壓載水系統(tǒng)部件出現(xiàn)故障的時間、位置，以備檢查［8-9］。壓載水系統(tǒng)部件故障記錄程序代碼如圖4所示。

圖4 故障記錄程序Fig.4 Program of fault history

2.2 操作界面的設(shè)計

2.2.1 主控界面的設(shè)計

主控界面用于監(jiān)控、管理和記錄反沖濾器、紫外線殺菌器的工作狀態(tài)、船舶航行經(jīng)緯度等重要數(shù)據(jù)，調(diào)用各控制子界面的數(shù)據(jù)設(shè)定、操作的子程序，其主控界面如圖5所示。

主控界面上的經(jīng)緯度、紫外線劑量、液位、溫度、系統(tǒng)流量、反沖濾器壓差可以通過PLC 采集，并傳輸?shù)缴衔籔C 機實時顯示。當(dāng)輪機員選擇相應(yīng)的控制按鈕時，會調(diào)用相應(yīng)子界面的子程序。

2.2.2 操作界面的設(shè)計

操作界面中的工作模式有壓載模式、卸載模式和旁通模式3 種。輪機員通過上面的紫外線燈“開”、“關(guān)”按鈕控制紫外線燈的工作狀態(tài)。當(dāng)選擇相應(yīng)按鈕時，系統(tǒng)會彈出相應(yīng)的對話框，詢問輪機員是否打開或關(guān)閉紫外線燈，當(dāng)輪機員選擇相應(yīng)按鈕時，系統(tǒng)會調(diào)用相應(yīng)的工作模式界面，供輪機員對壓載、卸載或旁通工作模式進行操作。

圖5 主控界面Fig.5 Main control panel

2.2.3 系統(tǒng)監(jiān)控界面的設(shè)計

為了保證壓載水的處理效果，系統(tǒng)需對反沖濾器和紫外線殺菌器進行實時監(jiān)控，在系統(tǒng)監(jiān)控界面上，輪機員可以設(shè)定反沖濾器和紫外線殺菌器清洗條件、清洗時間及清洗時間的間隔。

反沖濾器有3 種工作模式:壓差模式、定時模式、手動模式。系統(tǒng)運行前，輪機員根據(jù)需要選擇壓差模式或定時模式中的一種對反沖濾器進行實時監(jiān)控。當(dāng)輪機員選取“壓差模式”按鈕后，控制程序會實時采集反沖濾器進出口壓差與設(shè)定壓差進行比較，當(dāng)壓差大于設(shè)定值時，反沖濾器清洗電機工作，反沖濾器進行反沖洗;當(dāng)輪機員選取“定時模式”按鈕后，系統(tǒng)會自動計時，到達設(shè)定時間后，反沖濾器清洗電機工作，反沖濾器進行反沖洗，清洗完成后，計時回“0”，重新開始;當(dāng)輪機員選取“手動模式”按鈕時，反沖濾器清洗電機立即工作。輪機員選取“手動模式”清洗完成后，需要再重新選擇壓差模式或定時模式對反沖濾器進行監(jiān)控。

紫外線殺菌器同樣有強度模式、定時模式及手動模式3 種工作模式。系統(tǒng)運行前，輪機員根據(jù)需要選擇強度模式或定時模式中的一種對紫外線殺菌器進行實時監(jiān)控。當(dāng)輪機員選取“強度模式”按鈕后，控制程序會實時采集紫外線殺菌器中紫外線的劑量并與設(shè)定紫外線劑量比較，當(dāng)劑量小于設(shè)定值時，紫外線殺菌器內(nèi)清洗電機工作，清洗紫外線燈管的護套;當(dāng)輪機員選取“定時模式”按鈕后，系統(tǒng)會自動計時，到達設(shè)定值后，紫外線殺菌器清洗電機工作，清洗紫外線燈管的護套，完成后，計時回“0”，重新開始;當(dāng)輪機員選取“手動模式”按鈕后，紫外線殺菌器清洗電機立即工作。輪機員選取“手動模式”按鈕對紫外線殺菌器進行清洗，清洗結(jié)束后，需要重新選擇強度模式或定時模式對紫外線殺菌器進行實時監(jiān)控。

2.2.4 檢查界面的設(shè)計

當(dāng)輪機員將控制柜上的“檢查/旁通模式”搖桿開關(guān)打到“檢查模式”，系統(tǒng)將調(diào)取“檢查模式”界面，如圖6所示。在系統(tǒng)運行之前對反沖濾器和紫外線殺菌器進行運行檢查。輪機員可以任意選擇界面上的“運行/停止”、 “開/關(guān)”或“打開/關(guān)閉”按鈕，控制PLC的相應(yīng)有關(guān)事項的開、關(guān)輸出。界面上各單元的動作是分別受控制的，所以此界面可用來檢查各單元的電機和燈管的工作狀態(tài)。

圖6 檢查界面Fig.6 Check panel

2.2.5 閥門狀態(tài)界面的設(shè)計

當(dāng)輪機員選取主界面或檢查界面上的“閥門狀態(tài)”按鈕后，系統(tǒng)會轉(zhuǎn)到閥門狀態(tài)界面。在此界面上，輪機員可以選取控制系統(tǒng)的進水閥、中間閥、卸載閥、旁通閥、出水閥的手動操作按鈕，檢測各閥的工作狀態(tài)。

2.2.6 報警界面的設(shè)計

為了保證壓載水防海生物管理系統(tǒng)的工作安全，在系統(tǒng)控制管理界面上設(shè)有一系列指示燈的報警界面，通過下位機PLC的檢測紫外線燈、反沖濾器和紫外線殺菌器的清洗電機工作狀態(tài)，PLC 采集的數(shù)據(jù)會實時傳輸?shù)綀缶缑嫦鄳?yīng)指示燈上。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時及時報警，控制柜上的蜂鳴器也會啟動，輪機員可通過在主界面上選取“故障消音”按鈕，消除報警，然后打開報警界面，查看故障來源，解決故障，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性;當(dāng)故障解除后，選取主界面上的“故障復(fù)位”按鈕，消除故障指示燈，操作系統(tǒng)重新投入工作。

2.3 壓載水管理系統(tǒng)操作流程

當(dāng)壓載水管理系統(tǒng)運行時，輪機員首先將“系統(tǒng)監(jiān)控”、“系統(tǒng)報警”、“故障記錄”操作界面打開，設(shè)定好反沖濾器和紫外線殺菌器的運行參數(shù)和運行方式，并將其置于后臺運行狀態(tài)，對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。

輪機員在進行壓載或卸載之前，需將“系統(tǒng)檢查”和“閥門狀態(tài)”操作界面打開，手動操作各個閥件及反沖濾器和紫外線殺菌器的清洗電機，檢測其工作狀態(tài)，當(dāng)各部件動顯示工作狀態(tài)正常后，方能進行壓載或卸載操作。

2.3.1 壓載過程操作

壓載操作界面上有控制壓載開始和結(jié)束的按鈕，當(dāng)輪機員選取主控制界面上“壓載”按鈕或操作界面上的“壓載模式”按鈕后，系統(tǒng)會自動轉(zhuǎn)到壓載界面，輪機員可用手動打開海底閥、通舷外閥、壓載泵、關(guān)閉通艙閥及吸入閥。當(dāng)操作完成后，輪機員選取“開始壓載”按鈕，系統(tǒng)會提示是否打開紫外線燈進行預(yù)熱，當(dāng)系統(tǒng)檢測到液位計到達紫外殺菌器充滿海水信號后，輪機員選擇“是”按鈕，紫外線燈會開啟，控制界面上的預(yù)熱指示燈會點亮，預(yù)熱5 min 后，預(yù)熱指示燈變?yōu)殚W亮，表示壓載水可以正常流入，此時，輪機員打開通艙閥，關(guān)閉通舷外閥，在相應(yīng)的閥門操作結(jié)束后，指示燈閃爍熄滅，壓載水經(jīng)處理器流入壓載艙。

壓載結(jié)束后，輪機員需打開通舷外閥，關(guān)閉通艙閥。當(dāng)閥門操作結(jié)束后，海水依次通過海底閥→反沖濾器→紫外線殺菌器→舷外。閥門操作結(jié)束后，輪機員選取“壓載結(jié)束”按鈕，系統(tǒng)會關(guān)閉紫外線燈，繼續(xù)使海水流過紫外線燈管，對燈管進行冷卻，3 min 后，自動關(guān)閉紫外燈，同時反沖濾器和紫外線殺菌器的清洗電機會自動運行，進行清洗。當(dāng)上述作業(yè)完成后，系統(tǒng)會通過PLC 關(guān)閉進水閥、中間閥、卸載閥、通艙閥，打開旁通閥，使系統(tǒng)處于旁通模式。在此過程結(jié)束后，系統(tǒng)會彈出對話框提示輪機員關(guān)閉壓載泵，當(dāng)壓載泵關(guān)閉后，整個壓載過程結(jié)束，輪機員心情“停止運行”按鈕，關(guān)閉壓載界面，系統(tǒng)退回到主控界面或操作模式界面。

2.3.2 卸載過程操作

卸載界面上有控制卸載開始和結(jié)束的按鈕，當(dāng)輪機員選取主控制界面上的“卸載”按鈕或操作界面上的“卸載模式”按鈕，系統(tǒng)會自動轉(zhuǎn)到卸載界面，輪機員打開海底閥、通舷外閥，關(guān)閉通艙閥，起動壓載泵，隨后，選取界面上“開始卸載”按鈕，系統(tǒng)會控制PLC 打開進水閥、中間閥、通艙閥，關(guān)閉卸載閥和旁通閥，此時，系統(tǒng)會提示是否打開紫外線燈進行預(yù)熱，與壓載相同，此時，當(dāng)系統(tǒng)接收到液位測量信號后。輪機員選擇“是”按鈕，紫外線燈會開啟，控制界面上的預(yù)熱指示燈點亮，預(yù)熱5 min 后，預(yù)熱指示燈閃亮，表示壓載水可以正常卸載，此時，輪機員打開通艙閥，關(guān)閉海底閥，當(dāng)此操作結(jié)束，閃爍的指示燈也將熄滅，壓載艙內(nèi)的壓載水經(jīng)過紫外殺菌器處理后排出舷外。

當(dāng)卸載結(jié)束后，輪機員須打開海底閥，關(guān)閉通艙閥。使系統(tǒng)內(nèi)的海水流向改變，與系統(tǒng)預(yù)熱相同，水流依次通過海底門→反沖濾器→紫外線殺菌器→舷外。閥門操作結(jié)束后，輪機員選取“卸載結(jié)束”按鈕，系統(tǒng)會關(guān)閉紫外線燈，繼續(xù)通入海水使紫外線燈管冷卻3 min，同時，紫外線殺菌器的清洗電機會運行對其進行清洗。3 min 后冷卻結(jié)束，系統(tǒng)會通過PLC 關(guān)閉進水閥、中間閥、卸載閥、通艙閥，打開旁通閥，使系統(tǒng)處于旁通模式。在此過程結(jié)束后，系統(tǒng)會跳出對話框提示輪機員關(guān)閉壓載泵，壓載泵關(guān)閉后，整個卸載過程結(jié)束，輪機員選取“停止運行”按鈕，關(guān)閉卸載界面，系統(tǒng)退回到主控界面或操作模式界面。

2.3.3 船舶壓載水岸基微生物檢測報告

為保證實驗測試的質(zhì)量和科學(xué)性，上海海洋大學(xué)船舶壓載水檢測實驗室嚴格按照質(zhì)量保證計劃以及“壓載水管理系統(tǒng)認可導(dǎo)則G8”、“壓載水采樣導(dǎo)則G2”進行壓載水管理系統(tǒng)的岸基試驗，并對樣品進行采樣。

本試驗在上海海洋大學(xué)的船舶壓載水檢測室岸基試驗基地內(nèi)進行。壓載水試驗系統(tǒng)主要由壓載水處理設(shè)備、壓載泵、取樣裝置、壓載艙、對照艙、配水池、原水池等組成，可實現(xiàn)壓載水的壓載、儲存和排放功能，滿足認證試驗要求。

試驗中添加的海洋生物由上海海洋大學(xué)根據(jù)試驗需要進行培養(yǎng)。在試驗過程中，將培養(yǎng)到足夠濃度的浮游動物(主要為鹵蟲)、藻類(主要位綠藻和硅藻等)和異養(yǎng)細菌(大腸桿菌)加入到配水池中，使用氣泵通過曝氣裝置對水體進行充氣，使微生物保持活性，并能均勻的分布在水中。通過壓載泵同時將測試用的海水和微生物泵入試驗管路，使試驗流入水各類生物密度和種類達到G8 要求。

表1 為岸基實驗數(shù)據(jù)。由表1 可看出，經(jīng)過本壓載水處理系統(tǒng)后，絕大部分的微生物已經(jīng)被滅殺，達到國際海事組織關(guān)于對壓載水的處理排放要求。

表1 船舶壓載水岸基實驗數(shù)據(jù)Tab.1 The shore-based test data of ballest water

3 壓載水管理系統(tǒng)嵌入

船舶運營公司在選用壓載水處理系統(tǒng)時，首先考慮的是應(yīng)保證其將來能順利地在船舶上安裝，同時也要考慮今后的維護與保養(yǎng)，包括與現(xiàn)有壓載系統(tǒng)的共用，取樣，控制和檢測等。對于現(xiàn)有船舶，處理系統(tǒng)的布置空間是一個很大的問題。通常壓載水管理系統(tǒng)的處理設(shè)備采用模塊化布置模式，通過管路將系統(tǒng)分布在整個機艙中，其控制系統(tǒng)采用PLC 作為下位機，使之具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、易于布置安裝、易于操作、維護、調(diào)節(jié)和控制［10］。

一般情況下，可將其安裝在機艙或泵艙，這樣，方便管系和電纜的布置，有利于嵌入現(xiàn)有壓載系統(tǒng)，輪機人員對設(shè)備維護保養(yǎng)也比較方便。對于機艙或泵艙空間狹小的船舶，也可將其安裝在主甲板上。

4 結(jié) 語

滿足MEPC.174 (58)《壓載水管理系統(tǒng)認可指南(G8)》要求的壓載水管理系統(tǒng)部件少，易于操作、維護、調(diào)節(jié)和控制。此外，采用虛擬儀器圖形化編程軟件LABVIEW和PLC 相結(jié)合實現(xiàn)對壓載水管理系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的編程，編程簡單，開發(fā)效率高，其數(shù)據(jù)傳輸速度快，正確率高，軟件界面形象生動，實現(xiàn)方便，可根據(jù)具體工作條件調(diào)整工作方式和工作參數(shù)，因此，具有較高的應(yīng)用價值。

［1］IMO.International convention for the control and management of ships′ ballast water and sediments［s］.2004.

［2］李艇.船舶壓載水處理系統(tǒng)［J］.船舶，2008，19(6):27-30.LI Ting.Ballast water treatment systems［J］.Ship ＆ Boat，2008，19(6):27-30.

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