田 浩，胡 義

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

船舶液艙液位實時監(jiān)控技術(shù)研究

田 浩，胡 義

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

針對船舶液艙自由液面問題，文章介紹了自由液面產(chǎn)生的原因，并分析了各種情況下產(chǎn)生的自由液面對船舶穩(wěn)性造成的影響。采用SerialPort串口通過RS485接口標準設(shè)計出一套符合ModbusRTU通信協(xié)議的船舶液艙液位實時監(jiān)測方案。利用RS485接口的遠距離傳輸特性，傳感器可以充分覆蓋大型船舶的各個液艙，實現(xiàn)全船監(jiān)測。最后在實驗條件下驗證了方案的可行性。得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過程序準確計算液艙裝載容積、自由液面和船舶穩(wěn)性，給船員配積載提供有力的判斷幫助。

船舶液艙；自由液面；穩(wěn)性；液位；實時監(jiān)測

液貨船裝載儀相對于散貨船及集裝箱船而言，后者具有較多的研究和較穩(wěn)定的成果，液貨船方面卻一直研究量少，成果也不盡人意。大量自由液面是液貨船和干貨船最為不同的地方，并且船舶穩(wěn)性會因為這些自由液面發(fā)生改變。由文獻[1]知自由液面導致的沉船事件并不少見，例如震驚全國的大舜號海難在事后調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，自由液面是大舜號沉沒的一個重大因素。自由液面對船舶穩(wěn)性的影響是隨載況實時變化的[2]，所以液貨船穩(wěn)性實時計算關(guān)鍵問題就是解決每個實時載況下的自由液面修正。要研究實時載況下的自由液面，實時液位信息是必不可少的數(shù)據(jù)，因此實時獲取的液艙液位數(shù)據(jù)對液貨船等含有大量液艙的船舶具有重大意義。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，特別是電子技術(shù)方面的進步，自動化裝置在船舶的多個方面得到了應(yīng)用，液位測量作為船舶自動化的一部分，也必須不斷升級改進才能滿足現(xiàn)代船舶對液位測量的要求。液位測量在很長一段時間因為RS232技術(shù)的成熟而將其作為數(shù)據(jù)的通信接口，但該接口傳輸距離很有限，實際的最大傳輸距離才為15 m左右，顯然這個距離對大型船舶來說太短。本文希望通過采用其他接口代替RS232，并通過相關(guān)技術(shù)得到更遠的數(shù)據(jù)傳輸距離，從而能充分滿足大型船舶的要求。

1 自由液面對穩(wěn)性影響

自由液面是指船舶液艙內(nèi)沒裝滿時與水面平行的可以自由流動的液面。由文獻[3]知自由液面幾乎存在所有的船上，且應(yīng)充分重視。由于該液面在船舶傾斜時會隨著船舶的傾斜而往船舶的傾斜側(cè)自由流動，故稱自由液面。當船舶發(fā)生橫傾后由圖1可知，液艙中的液體會產(chǎn)生流動，其自由表面由LS變?yōu)長'S'，重心由G變?yōu)镚'。根據(jù)合力矩定理和平行力移動原理，船舶的總重心也會發(fā)生相應(yīng)的變化[4]。即船舶在使穩(wěn)性力矩減小的橫傾力矩作用下，升高了船舶重心，降低了船舶穩(wěn)性。因此只要存在自由液面，便一定會減小船舶穩(wěn)性。

圖1 自由液面對船舶初穩(wěn)性的影響

液艙中的液體過多或者過少時，傾角對自由液面面積的影響變大，所以船舶傾角對液艙中自由液面面積慣性矩的影響也變大。在裝有連通閥的不同液艙之間傾角對自由液面慣性矩的影響也比較復雜，以下2條結(jié)論可供船員在航行中應(yīng)用。

1)艙內(nèi)液體過少時，船舶在較小的傾斜角時就會因為液體產(chǎn)生流動而露出一個艙底角，此刻達到自由液面慣性矩極大值。在隨后的情況下，液艙自由液面面積會跟著傾斜角的變大而變小，自由液面面積慣性矩也會隨著減小。自由液面面積在其法線與液艙對角線平行時為最小值情況，其面積慣性矩也為最小情況。當傾角繼續(xù)加大時，自由液面面積加大，其慣性矩也隨著加大。

此情況的面積慣性矩最大值發(fā)生在較小傾角時，即在較小傾角時對船舶穩(wěn)性的影響最大。圖2中，當h>H/2，且α>θ>β時，其中H為液艙高度，h為液艙中的空檔高度，α為未發(fā)生傾斜時液面中點到艙頂角的直線與液面的夾角，β為未發(fā)生傾斜時液面中點到艙底角的直線與液面夾角的內(nèi)錯角，θ為船舶橫傾角，船舶液艙中自由液面傾斜側(cè)的力矩為：

(1)

式中：ρ為液體的密度，g/cm3；Vd為液艙內(nèi)的體積，m3；B為液艙最大寬度，m；d為液艙中液體深度，m。

2)艙內(nèi)液體過多時，船舶在較小傾角情況下即可因為液體的流動使一個艙頂角淹沒，此時達到自由液面慣性矩極大值。之后的情況與液艙中液體過少時的情況一樣。圖2中，當hθ>α時，液艙中自由液面傾斜側(cè)力矩為:

(2)

式中：Vh為液艙內(nèi)的空檔體積，m3。

圖2 自由液面示意圖

2 實時自由液面修正

船舶裝載儀在計算實時穩(wěn)性時，第一步應(yīng)獲取各個液艙實時液位數(shù)據(jù)，然后再根據(jù)固定載荷情況對實時載況進行計算。計算實時載況之后，再進行當前載況浮態(tài)以及穩(wěn)性的計算。船舶穩(wěn)性曲線被自由液面影響部分的修正計算，也要以各個液艙液位實時數(shù)據(jù)為依據(jù)。

如何準確得到各個液艙在實時載況下真實的裝載情況是實時計算自由液面修正的重點。在船舶裝載儀計算實時穩(wěn)性的時候，首先需要由液位傳感器輸出各個液艙實時液位數(shù)據(jù)，由于各個艙室的形狀等物理幾何條件為已知，故可以計算出各個液艙實時裝載率。最后再根據(jù)修正公式計算出實時自由液面修正值[5]。進行實時計算自由液面修正的流程如圖3。

圖3 實時自由液面修正流程圖

3 實時液位采集

自由液面對船舶穩(wěn)性具有重要影響，在液貨船上尤為明顯，實時準確獲取各液艙中的液位顯得格外重要。文獻[6]闡述了自動化監(jiān)控技術(shù)在船舶系統(tǒng)中的重要作用，不但能實現(xiàn)船舶的安全運行，還可以推動船舶行業(yè)在我國更好的發(fā)展。本文在Windows環(huán)境下使用程序設(shè)計語言VB.net，收集從傳感器測得的實時液位信號實現(xiàn)對液艙液位的實時監(jiān)控。

3.1 SerialPort類串口連接

隨著計算機在越來越多的領(lǐng)域使用，更多的硬件需要采用串口技術(shù)與計算機相連，串口的開發(fā)也更加普遍。VB6.0軟件中編寫關(guān)于串口通信的程序，通常采用Microsoft Communication Control(簡稱MSComm)的通信控件來實現(xiàn)[7]。但在微軟VisualStudio不斷升級換代的現(xiàn)在，MSComm控件沒有被微軟加進VisualStudio.Net控件庫中去，而是在.NETFramework2.0類庫包含了SerialPort類。

由文獻[8]知，MSComm過于復雜，操作不便，系統(tǒng)運行安全系數(shù)不高，串行端口無法共享，可靠性和安全性不能得到保證；而SerialPort類具有豐富的特性和串口通信相關(guān)的事件，它提供了多種操作的串口，編程時非常方便，且易于部署。本文使用VB.net語言中的SerialPort類實現(xiàn)上位機和下位機的串口通信。

3.2 RS485遠距離通信實現(xiàn)

RS485是由RS232發(fā)展而來的接口標準，能用于組建點到多點或者多點到多點的網(wǎng)絡(luò)，解決了RS232接口標準的聯(lián)網(wǎng)問題[9]。由于RS232接口使用的是非差分電路，即能點對點數(shù)據(jù)通信，并且因為線路共用接電線，使其通信距離較短，通常僅用于設(shè)備與計算機的短距通信。而RS485使用的是差分平衡電路，傳輸距離可達1 200 m，還可以通過添加中繼器進一步增加通信距離，且支持多點通信。由文獻[10]知在某些情況下RS485總線還可以代替現(xiàn)場總線作為通信方式。

3.3 ModbusRTU數(shù)據(jù)準確保證

Modicon公司于1979年開發(fā)出Modbus通信協(xié)議。該協(xié)議是第一個真正在工業(yè)現(xiàn)場使用的總線協(xié)議，使用的工作方式為主從問答。作為一種公認的通用工業(yè)標準，該協(xié)議廣泛應(yīng)用在測控儀表及自動化控制器等方面。Modbus協(xié)議已成為我國工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范的國家標準之一[11]。

Modbus協(xié)議僅需要用軟件型式來實現(xiàn)協(xié)議及堆棧，而不需要特定的通信模塊。可通過包括光導纖維、無線通信、雙絞線、微波及以太網(wǎng)等任何傳輸媒介進行通信，因此很容易建立Modbus連接。

由于ModbusRTU采用的工作方式為主從模式，所以當一個信息由主機設(shè)備發(fā)出時，可得到一個響應(yīng)從相應(yīng)的從機設(shè)備返回。若一個信息由一臺從機設(shè)備接收到，相應(yīng)的主機設(shè)備便會得到由該從機發(fā)送的一個響應(yīng)信息。但不能由網(wǎng)絡(luò)上的從設(shè)備發(fā)起通信，只有當主設(shè)備對它通信時，從設(shè)備才能回答。

當網(wǎng)絡(luò)上的主機發(fā)送通信命令時，地址碼對應(yīng)的從機會接收主機發(fā)出的通信命令，并根據(jù)發(fā)出的通信命令的功能碼與相關(guān)要求讀取該通信命令的信息。從機進行對該信息的CRC校驗，在校驗正確之后,從機返送給主機此次通信的執(zhí)行結(jié)果，見表1。

表1 ModbusRTU信息幀格式

ModbusRTU的查詢響應(yīng)周期如圖4所示。

圖4 響應(yīng)周期查詢

3.4 液位采集設(shè)計

在硬件設(shè)計方面，由于一般上位機PC沒有特定針對RS485的接口，因此把傳感器中的數(shù)據(jù)讀入到上位機PC時，需要把傳感器的接口轉(zhuǎn)換成上位機PC能接收的接口。為了進一步增加適應(yīng)性，此次設(shè)計把RS485接口轉(zhuǎn)換為常見的USB接口，本次設(shè)計直接采用UT-885轉(zhuǎn)換器。使用的液位傳感器輸出信號及接線端子引腳分配如表2。

按如圖5進行接線，效果如圖6。

表2 輸出信號及接線端子引腳分配

圖5 RS485輸出數(shù)字信號接線圖

圖6 轉(zhuǎn)換器實物接線

此次設(shè)計主要用來實時讀取傳感器的數(shù)據(jù)，故功能碼主要使用03，協(xié)議格式說明如表3。

表3 協(xié)議格式說明

在軟件設(shè)計方面，串口的通信流程如圖7。此次設(shè)計在Windows操作系統(tǒng)下，使用VB.net編程軟件進行軟件開發(fā)設(shè)計，其主界面如圖8。為增加人機交互性，此次設(shè)計數(shù)據(jù)接受按鈕增加為2個，一個按鈕為“發(fā)送”，此按鈕為發(fā)送單個訪問傳感器信息，僅得到當前一個液位信息；另一個按鈕為“打開timer”，此按鈕可以根據(jù)操作需求獲取定時間間隔的實時液位數(shù)據(jù)。

圖7 串口通信流程

3.5 實驗驗證

在實驗條件下測得結(jié)果圖8。經(jīng)過多次測試了解同一個串口不能同時被多個不同的程序打開，故保持液位傳感器位置不變，改由Modbus調(diào)試精靈進行通信，其結(jié)果如圖9所示。因為此傳感器數(shù)據(jù)輸出的0～2 000對應(yīng)0～5 m，所以由Modbus調(diào)試軟件得到109轉(zhuǎn)換成實際深度為(109/2 000)m，即0.054 5 m，與編寫的軟件結(jié)果保持一致。

圖8 液位監(jiān)測界面

圖9 Modbus調(diào)試軟件所得結(jié)果

4 結(jié)束語

在船舶航行中總會出現(xiàn)自由液面的情況，應(yīng)盡量減少同時出現(xiàn)的自由液面，在避免不了的情況下應(yīng)根據(jù)實際情況減弱其對船舶造成的安全性影響。實驗針對船舶產(chǎn)生自由液面時引起的船舶安全性問題，利用液位傳感器對各個船舶液艙進行實時監(jiān)測，掌握船舶自由液面的實時情況。利用RS485接口的遠距離傳輸信號特性，在不加中繼的情況下最遠傳輸便可達到1 200 m的信號傳輸距離，可以充分覆蓋大型船舶需要監(jiān)測液位的艙室。海上的情況瞬息萬變，實時獲取的各液艙液位數(shù)據(jù)可以給船員的判斷提供有力的幫助。

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興 船 報 國 創(chuàng) 新 超 越

打 造 精 品 做 強 主 業(yè)

Concerning the free surface problem of ship's liquid tank,the causes of the free liquid surface are described and the effects and influence from which are analyzed on the stability of the ship.A real-time ship's liquid-tank level monitoring scheme is designed with corresponding Modbus RTU communication protocol.This scheme is designed by using SerialPort serial port through RS485 interface standard with long-distance transmission characteristics,whose sensor can fully cover all tanks of large ships to achieve the whole ship monitoring.The feasibility of the scheme is verified under the experimental conditions.The obtained monitoring data can provide effective help for the crew in dealing with sotwage by calculating the volume of liquid tank，the free surface and the stability of the ship.

ship' s liquid tank；free surface;stability;liquid level;real-time monitoring

田浩(1992-)，男，湖北武漢人，在讀碩士研究生，研究方向為船舶自動化。

U661

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.04.010

2017-02-28