王　琦（濰坊科技學(xué)院，山東　壽光 262700）

船舶壓載水自動控制及監(jiān)控報警系統(tǒng)開發(fā)研究

王琦
（濰坊科技學(xué)院，山東壽光 262700）

國際海事組織（IMO）通過的《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》要求，2017 年所有遠洋船舶必須安裝壓載水處理設(shè)備。根據(jù)壓載水管理系統(tǒng) G8 導(dǎo)則的規(guī)定，設(shè)計一套基于 LabVIEW 和 PLC 的船舶壓載水自動控制系統(tǒng)對壓載水進行管理。其監(jiān)控報警系統(tǒng)對壓載水操作期間進行全面監(jiān)控，自動記錄主要設(shè)備的工作參數(shù)、工作地點、報警、操作等數(shù)據(jù)和信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)的自動控制、在線監(jiān)控及遠程操作。系統(tǒng)通過絕緣電阻、能源波動、能源故障、振動、交變濕熱、高低溫與耐電壓、浪涌抗擾度、靜電放電抗擾度及傳導(dǎo)與輻射量測試，滿足相關(guān)公約、規(guī)范以及國家標準和IEC標準規(guī)劃。

壓載水；自動控制；監(jiān)控報警；性能測試

0　引　言

本文嚴格按照 IMO 頒布的《壓載水管理系統(tǒng)認可指南》G8 的要求設(shè)計，設(shè)計一套船舶壓載水處理控制系統(tǒng)?？刂茊卧捎?TPC-1570H-C2AE 研華工控觸摸屏和 SIEMENS S7-300PLC 構(gòu)成，控制單元依據(jù)船舶工作狀態(tài)發(fā)出指令，啟動系統(tǒng)，調(diào)整閥組開閉，使系統(tǒng)完成壓載、卸載和旁通；同時控制單元能夠按設(shè)定程序，自動檢測系統(tǒng)處理壓載水的流量，并根據(jù)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，以保證劑量在設(shè)計工作范圍內(nèi)。

1　裝置簡介

壓載水管理系統(tǒng)主要包括：過濾單元（自動反沖洗過濾器）、紫外殺菌單元（中壓高強汞紫外線燈）和控制單元。系統(tǒng)正常工作分為壓載和卸載 2 個流程。壓載時，海水首先經(jīng)過過濾單元去除海水中大于50 μm 的微生物以及固體顆粒物。過濾單元能夠在不中斷過濾的情況下，按設(shè)定程序執(zhí)行自動反沖洗，被過濾單元攔截的固體雜質(zhì)及海洋生物會在過濾單元自動清洗時隨反沖洗水排回原海域，不會造成生物異地卸載。過濾后的壓載水經(jīng)過紫外殺菌單元進行生物滅活處理后進入壓載艙。壓載過程中，由于船舶壓載泵的流量會根據(jù)船舶吃水和壓載水系統(tǒng)背壓而變化，當(dāng)實際流量大于壓載泵的額定流量時，紫外殺菌單元中壓載水的流速會加快，照射時間變短，從而導(dǎo)致照射劑量下降，此時壓載水管理系統(tǒng)的控制單元通過流量計自動監(jiān)測系統(tǒng)流量，并調(diào)節(jié)流量控制閥，使系統(tǒng)流量下降，保證壓載水受足夠劑量的紫外照射。如果實際流量低于額定流量，控制系統(tǒng)可以自動調(diào)低紫外殺菌單元電源輸出功率（光強變低），使照射劑量維持在設(shè)計工作范圍內(nèi)。考慮到紫外殺菌方式的壓載水管理系統(tǒng)無殘余滅活能力，以及生物的光復(fù)活性，壓載水在壓載艙存放過程中海洋生物有可能復(fù)活、繁殖，因此，壓載水卸載時，壓載水將再次經(jīng)過紫外線殺菌單元進行滅活處理（不再經(jīng)過過濾單元），處理后排出舷外。系統(tǒng)裝置與原理如圖 1 所示。

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

2　系統(tǒng)性能

本文設(shè)計壓載水管理系統(tǒng)嚴格按照《壓載水管理系統(tǒng)認可指南》G8 的要求設(shè)計，考慮到船舶在海洋周邊港口壓載的水質(zhì)環(huán)境，過濾單元設(shè)計為自動反沖洗過濾方式，其特點為：過濾單元去除海水中大于 50 μm微生物以及固體顆粒物。過濾單元能夠在不中斷過濾的情況下，按設(shè)定程序自動或手動執(zhí)行反沖洗，被過濾單元攔截的固體雜質(zhì)及海洋生物會在過濾單元自動清洗時隨反沖洗水排回壓載海域，不會造成生物異地卸載。同時，系統(tǒng)可通過并聯(lián)的方式，擴大處理海水的流量。

系統(tǒng)紫外殺菌單元設(shè)計采用中壓高強紫外燈管，并均布在由 316 L 不銹鋼制作的紫外殺菌單元筒體內(nèi)。紫外殺菌單元筒體內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流板和旋流板，可有效地減緩水流流經(jīng)紫外殺菌單元筒體內(nèi)的流速，減緩水流對燈管的沖擊，增加紫外線光強的照射時間，從而增加紫外線對海水的單位面積的照射劑量。紫外燈管的防護天然石英套管的清洗采用機械清洗盤自動進行，燈管的啟動和光照強度的調(diào)節(jié)、天然石英套管的清洗，整個過程由 PLC 依據(jù)流量計、光強探頭、溫度變送器、限位開關(guān)反饋的信息自動控制完成。同時，系統(tǒng)可通過并聯(lián)的方式，擴大處理海水的流量。

控制單元采用 TPC-1570H-C2AE 研華工控觸摸屏和 SIEMENS S7-300PLC 構(gòu)成，控制單元依據(jù)船舶的工作狀態(tài)發(fā)出指令，啟動系統(tǒng)，調(diào)整閥組開閉，使系統(tǒng)完成壓載、卸載和旁通；同時控制單元能夠按設(shè)定程序，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，以保證劑量在設(shè)計工作范圍內(nèi)。在系統(tǒng)不間斷的情況下，依從過濾單元上監(jiān)測到的壓差信號和紫外殺菌單元上檢測到的紫外線光強信號或依系統(tǒng)設(shè)定的過濾單元和紫外殺菌單元工作時間以及根據(jù)現(xiàn)場實際情況發(fā)出對過濾單元和紫外殺菌單元的自動或手動清洗指令。系統(tǒng)能自動記錄并顯示紫外燈管的工作時間和測得的紫外線光照強度，提示用戶紫外燈管的工作狀態(tài)。當(dāng)燈管損壞或燈管工作光強滿足不了設(shè)計要求時，控制系統(tǒng)在觸摸屏上顯示故障位置，并發(fā)出聲光報警。

3　控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1系統(tǒng)主界面

主控界面上有“數(shù)據(jù)監(jiān)測與故障應(yīng)答”和“數(shù)據(jù)設(shè)定和狀態(tài)查詢”2 個區(qū)域。數(shù)據(jù)監(jiān)測與故障應(yīng)答區(qū)域包含壓載水管理系統(tǒng)的壓載、卸載、旁通 3 種工作模式的狀態(tài)查詢頁，對應(yīng)工作狀態(tài)的參數(shù)顯示，如系統(tǒng)工作日期、時間、工作位置的經(jīng)緯度、紫外線照射劑量（mJ/cm2）、過濾單元進/出口壓差，系統(tǒng)處理壓載水的流量、故障指示燈以及“故障消音”與“故障復(fù)位”按鈕。數(shù)據(jù)設(shè)定和狀態(tài)查詢區(qū)域包括：“操作模式”、“系統(tǒng)監(jiān)控”、“閥門狀態(tài)”、“系統(tǒng)報警”、“系統(tǒng)檢查”、“故障記錄”、“軟件幫助”、“停止運行”共 8 個功能按鈕。主界面如圖 2所示。

圖 2　系統(tǒng)主界面Fig. 2　System main interface

3.2壓載模式

操作者按下系統(tǒng)控制箱上的啟動按鈕，系統(tǒng)啟動，并按預(yù)設(shè)程序打開舷外閥、關(guān)閉通壓載艙的閥，啟動壓載泵工作，打開紫外殺菌單元的紫外燈預(yù)熱 3～5 min，在此過程中，設(shè)備控制面板上的紫外燈預(yù)熱指示燈處于常亮狀態(tài)，在此過程結(jié)束時，該燈閃爍，表示壓載水可以正常進行壓載進入壓載艙，此時，系統(tǒng)會自動打開通壓載艙閥，關(guān)閉通舷外閥，在相應(yīng)的閥門操作結(jié)束后，閃爍的指示燈將熄滅。紫外殺菌單元的紫外燈預(yù)熱完成后，系統(tǒng)會自動關(guān)閉通舷外閥，打開通壓載艙閥，此時，設(shè)備控制面板上的預(yù)熱指示燈關(guān)閉，被處理過的壓載水流入壓載水艙。整個過程均由系統(tǒng)自動完成，操作者無需獨立操作過濾單元和紫外殺菌單元。壓載模式控制系統(tǒng)如圖 3 所示。

圖 3　壓載模式Fig. 3　Ballast mode

3.3系統(tǒng)監(jiān)控

操作者按下“記錄界面”按鈕，系統(tǒng)切換到記錄界面，顯示過濾單元累積運行的時間和累積運行次數(shù)，以及過濾單元清洗電機運行的實時時間，操作者在“起始界面”選取“設(shè)置界面”按鈕，系統(tǒng)切換到設(shè)置界面。操作者可以設(shè)置過濾單元相應(yīng)的壓差啟動（默認值為 50 kPa）、高限報警（默認值 100 kPa）、保護時間（默認值 420 ms）、定時啟動（默認值1 000 min）的值，操作者選取所要設(shè)定數(shù)據(jù)的顯示框時，系統(tǒng)自動彈出小鍵盤，如圖 4 所示，通過鍵盤輸入需要設(shè)置的數(shù)值，按回車鍵確認，數(shù)據(jù)設(shè)置完成。

圖 4　系統(tǒng)監(jiān)控界面Fig. 4　System monitoring

4　性能試驗

4.1性能檢測

壓載工作模式和卸載工作模式基本相同，壓載模式可涵蓋卸載模式，完成壓載模式下的功能和其他功能檢查，并對下述零部件性能進行檢查：

1）鎮(zhèn)流器：測試過程中能正常啟動點亮燈管。

2）清洗裝置：測試過程中清洗功能正常運行。

3）閥門：測試過程中所有閥門必須按照各工作模式程序設(shè)定運行。

4）溫度傳感器：測試過程中的示數(shù)與正常工況下記錄的數(shù)值偏差不超過 ± 5% FS 則評定溫度傳感器性能正常。

5）壓力傳感器：測試過程中壓力傳感器示數(shù)與正常工況下偏差不超過 ± 2% FS。

6）紫外線傳感器：紫外燈管正常啟動后，光強計的示數(shù)不低于 80%。

7）故障報警：測試過程中模擬故障時能作相應(yīng)故障的提示或同時發(fā)出聲光報警。

4.2功能檢測

安裝工作流程完成對各閥的正確控制，壓載結(jié)束后對過濾單元、紫外殺菌單元進行清洗、冷卻工作，打開過濾單元和紫外殺菌單元下部的泄放閥，排空海水，隨后系統(tǒng)將停止工作，切斷供電電源。過程中系統(tǒng)工作正常，無報警。

4.3能源故障檢測

對電氣、電子部件的試驗應(yīng)在額定工作電壓和頻率（交流設(shè)備）運行的情況下進行。

1）5 min 內(nèi)切斷能源 3 次；

2）每次切斷時間 30 s。

試驗后鎮(zhèn)流器自動保護，重新上電操作能正常開啟。

4.4振動測試

1）將受試設(shè)備按實際使用狀況安裝在振動臺上，并通電工作；

2）按規(guī)定的頻率范圍和振幅，不超過 1 oct/min 掃頻速率掃描，檢查有無共振現(xiàn)象；

3）如無明顯共振點，則應(yīng)在 30 Hz，加速度 ± 0.7 g下至少做 90 min 耐振試驗；

4）在每一記錄到的放大率 Q ≥ 2 的共振頻率上作90 min 耐振試驗。如測得的幾個共振頻率較為接近，則耐振試驗可采用掃頻試驗，持續(xù)時間為 120 min；

5）試驗應(yīng)在 3 個互相垂直的軸線上。

4.5交變濕熱測試

1）試驗前，測試受試設(shè)備的絕緣電阻；

2）測試對象放入試驗箱的有效空間內(nèi)，先在溫度為 25 ℃ ± 10 ℃，相對濕度為 60% ± 30% 的條件下進行預(yù)處理，使測試對象達到溫度穩(wěn)定。

3）按照壓載模式周期循環(huán) 2 次。

4）測試對象應(yīng)處于通電工作狀態(tài)，每個階段的高溫高濕前 2 h 和后 2 h 進行功能試驗。

5）功能試驗在最后 2 h 內(nèi)進行，試驗前允許用手將被測對象上所有能接觸到的表面和部件上的水漬抹去。

6）控制柜恢復(fù)后按照規(guī)定測量絕緣電阻。

4.6高溫測試

1）將受試設(shè)備放入溫度為室溫的試驗箱的有效工作空間內(nèi)，通電工作，然后將箱溫升高至 55 ℃ ± 2 ℃下保持 16 h。

2）在試驗溫度的最后 1 h 內(nèi)進行功能試驗。

3）在恢復(fù)后進行功能試驗。

在試驗期間和試驗后，其功能試驗結(jié)果達到要求。

5　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)，由表可以看出，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　Ballast experiment data base waterfront

6　結(jié)　語

本文設(shè)計了滿足 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。設(shè)備經(jīng)過性能測試，達到相關(guān)要求。處理效果經(jīng)驗證，符合 IMO 壓載水處理要求。系統(tǒng)設(shè)計編程簡單，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.

［3］黨坤，殷佩海，孫培廷. 國內(nèi)外船舶壓載水處理技術(shù)現(xiàn)狀［J］.航海技術(shù)，2004（2）：64-66.

［4］李芳，李偉. 船舶壓載水污染的處理方法研究進展［J］. 中國水運，2007，7（5）：12-13.

［5］謝承利，翁平，李小軍，等. 船舶壓載水處理技術(shù)應(yīng)用綜述［J］.船海工程，2010，39（6）：86-90，98.

［6］張海勇，張波. 壓載水管理公約型式認可導(dǎo)則的修訂及對公約實施的影響［J］. 中國海事，2016（1）：37-41.

Development and research on automatic control and alarm monitoring of ship ballast system

WANG Qi
（Weifang University of Science and Technology，Shouguang 262700，China）

As required by ＜international convention for the control and management of ships ballast water and sediments＞ which is approved by IMO，all the ocean vessels should be equipped with ballast water treatment plants in 2017. According to G8 guide lines of ballast water management systems，a set of ship ballast water automatic control system based on LabVIEW and PLC is designed. It can monitor the Ballast water alarm monitoring systems and the process of Ballast water operations，and autographic record the data and information of the main devices such as working parameters，location，alarming，operations and so on. it realizes the function of automatic control，on-line monitoring and remote operation. The system meets the requirements of conventions and regulations，national standard and IEC standard by the following tests：insulation resistance，energy fluctuations，energy failure，vibration，alternate wet and heat，high-low temperature，breakdown voltage，surge immunity，esd immunity，conduction and radiation quantity.

ballast water；automatic control；alarm monitoring；performance test

U664.83

A

1672 - 7619（2016）08 - 0134 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.028

2016 - 06 - 13

王琦（1981 - ），女，碩士，講師，研究方向為計算機軟件技術(shù)。