鞠冀軍，陳 云

(1.浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316000；2.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

貨船輔鍋爐水位控制系統(tǒng)的改進(jìn)

鞠冀軍1，陳 云2

(1.浙江國(guó)際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山 316000；2.中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

傳統(tǒng)柴油機(jī)貨船輔鍋爐水位控制系統(tǒng)采用電極式雙水位檢測(cè)、整流器件結(jié)合繼電器為執(zhí)行元件，存在電極易結(jié)垢、繼電器動(dòng)作不及時(shí)的安全隱患。現(xiàn)采用基于嵌入式芯片的單電極水位檢測(cè)控制系統(tǒng)，可以精確利用電阻電位測(cè)量，對(duì)鍋爐液位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)再由嵌入式芯片分析，然后直接控制水泵自動(dòng)啟停、輸出數(shù)據(jù)顯示、自由調(diào)節(jié)參數(shù)、實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警等功能。整套系統(tǒng)成本低廉，系統(tǒng)極大簡(jiǎn)化，抗干擾能力強(qiáng)，適用大中型的貨船。

輔鍋爐；自動(dòng)化；水位控制系統(tǒng)

鍋爐是船舶日常運(yùn)營(yíng)不可缺少的輔助機(jī)械之一,產(chǎn)生的蒸汽主要應(yīng)用于加熱燃油、潤(rùn)滑油和船員日常生活。若鍋爐液位太高，使產(chǎn)生的蒸汽攜帶液態(tài)水，液態(tài)水會(huì)損壞機(jī)械設(shè)備，消耗過(guò)多的燃料使船舶運(yùn)營(yíng)成本增加。而液位太低，有造成鍋爐干燒產(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅船員人身安全[1]。傳統(tǒng)柴油機(jī)貨船輔鍋爐水位控制采用電極雙水位檢測(cè)，利用整流橋結(jié)合繼電器為執(zhí)行元件，存在著電極易結(jié)垢、繼電器動(dòng)作不及時(shí)的安全隱患。當(dāng)前嵌入式控制芯片的價(jià)格持續(xù)降低，例如部分8位單片機(jī)售價(jià)已低于1元人民幣，繼續(xù)采用強(qiáng)電檢測(cè)控制，顯然在成本、結(jié)構(gòu)、效益方面已失去優(yōu)勢(shì)。采用嵌入式芯片為核心的鍋爐水位檢測(cè)控制系統(tǒng)不但可以極大的簡(jiǎn)化系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)水位的精密控制，而且可以輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)液位顯示、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、實(shí)時(shí)故障監(jiān)測(cè)報(bào)警等功能。

1 傳統(tǒng)輔鍋爐水位檢測(cè)控制

傳統(tǒng)柴油機(jī)貨輪輔鍋爐為避免“假水位”和氣泡的影響，一般采用電極式雙水位控制系統(tǒng)，其原理如圖1所示。在圖1中負(fù)責(zé)采集鍋爐液位信息的3根電極棒安裝在單獨(dú)的電極室內(nèi)，分別檢測(cè)高水位、低水位和危險(xiǎn)停爐水位。實(shí)際的整個(gè)系統(tǒng)中需要使用2套整流橋1Z和2Z，2個(gè)直流接觸器3JY和4JY，1個(gè)交流接觸器1CJ，然后是相關(guān)變壓器和斷路器。

圖1 電極式雙水位檢測(cè)控制示意圖

電極式雙位水位控制系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：380 V電源閉合后，由第一個(gè)變壓器降壓成24 V的交流電，然后經(jīng)過(guò)整流器1Z和2Z，將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，為直流繼電器3JY和4JY供電，整流電路中RC電路的作用是穩(wěn)壓。起主要控制作用的繼電器3JY的一個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)3JY2與電極棒1并聯(lián)，構(gòu)成自鎖電路，同時(shí)將3JY的常閉觸點(diǎn)3JY1接控制水泵的主接觸器1CJ，當(dāng)水位低于電極棒2的下端點(diǎn)時(shí)，繼電器3JY失電，3JY1復(fù)位閉合，接通接觸器1CJ，啟動(dòng)水泵。水泵啟動(dòng)后，水位逐漸到達(dá)電極棒1的下端點(diǎn)，引起3JY自鎖，常閉觸點(diǎn)3JY1斷開(kāi)，水泵停止供水，從而將水位控制高低水位之間。若電極棒2結(jié)構(gòu)或繼電器-接觸器觸點(diǎn)氧化，導(dǎo)致水位觸及電極棒3的下端點(diǎn)，負(fù)責(zé)危險(xiǎn)報(bào)警的繼電器4JY復(fù)位動(dòng)作，觸發(fā)聲光報(bào)警并停爐。

傳統(tǒng)輔鍋爐水位檢測(cè)控制的缺陷在于電極易結(jié)垢，導(dǎo)致水位誤判，且水位檢測(cè)部分，直接引入的是強(qiáng)電電源，對(duì)電極與電極上蓋之間的絕緣要求較高[2]。另外在檢測(cè)控制環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)方法采用了多個(gè)接觸器—繼電器控制環(huán)節(jié)，使用壽命和可靠性都有嚴(yán)格限制。

2 基于嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)方案

當(dāng)前嵌入式芯片的成本如此低廉，穩(wěn)定性和抗干擾性都有極大提高。引入嵌入式控制可以極大的簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，且能實(shí)現(xiàn)基本的運(yùn)算和顯示輸出，甚至物聯(lián)網(wǎng)通信，電源電壓也可限制在5 V之下，相對(duì)于舊式的接觸器—繼電器檢測(cè)控制有著很大優(yōu)勢(shì)。本文在參照傳統(tǒng)輔鍋爐水位控制系統(tǒng)的功能和要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于AT89C52單片機(jī)為控制核心，由液位采集模塊、信息處理模塊和顯示報(bào)警模塊等組成的液位控制系統(tǒng)。改造后的系統(tǒng)檢測(cè)控制部分示意圖如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的檢測(cè)控制部分示意圖

在改進(jìn)后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單片機(jī)將完成液位采集、水位判斷、水泵啟?？刂坪凸收媳O(jiān)測(cè)報(bào)警的功能，取代傳統(tǒng)系統(tǒng)中的整流裝置、接觸器—繼電器控制系統(tǒng)。同時(shí)采用單片機(jī)后，傳感器的設(shè)置改用電阻傳感器取代電極室的3根電極棒，充分利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)的最基本的運(yùn)算功能，完成水位上升與電阻電壓變化的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而達(dá)到液位采集的目的[3]。在圖2中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)運(yùn)算主電路，體積小，成本低。系統(tǒng)的難點(diǎn)在于限流電阻R和水位測(cè)量電阻的阻值選取，務(wù)必要使電阻的阻值遠(yuǎn)大于鍋爐用水水體阻值。這樣，水體接觸到電阻傳感器的部分，相當(dāng)于短路，阻值可以忽略不計(jì)。這樣隨著水位的上升，模數(shù)轉(zhuǎn)換所獲得的電壓U、電阻傳感器長(zhǎng)度L、鍋爐水位H的關(guān)系為：

(1)

其中，K為正比例常數(shù)，該常數(shù)的值與實(shí)際水體的電阻系數(shù)、鍋爐體積、限流電阻與電阻傳感器的取值有關(guān)。從式中可以看出，檢測(cè)電壓與鍋爐水位成線性關(guān)系。

3 改進(jìn)后的鍋爐水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要是由液位采集裝置、數(shù)據(jù)處理裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝置、液位顯示裝置等構(gòu)成。系統(tǒng)以電阻傳感器取代傳統(tǒng)3根電極棒作為液位采集裝置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入。系統(tǒng)硬件主電路如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件主電路

系統(tǒng)硬件主電路采用Proteus軟件設(shè)計(jì)，該軟件同時(shí)具備基本的電子電路設(shè)計(jì)和部分嵌入式芯片電路的仿真功能。如圖3所示，單片機(jī)P3端口外接按鍵，用來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的改變參數(shù)設(shè)定，急停水泵的功能，還可以另接按鍵實(shí)現(xiàn)其他預(yù)定功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)總體控制。本系統(tǒng)只使用了改變參數(shù)，急停水泵的功能。P1.3口接報(bào)警裝置，當(dāng)系統(tǒng)水位在極低水位或極高水位時(shí)，報(bào)警裝置會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，提醒管理人員對(duì)鍋爐進(jìn)行必要的維修。系統(tǒng)整體簡(jiǎn)單，實(shí)用。當(dāng)水位到達(dá)指定水位時(shí)，水位指示燈對(duì)應(yīng)顯示相應(yīng)的水位情況，同時(shí)LCD液晶顯示器顯示水位的液位情況。系統(tǒng)通過(guò)變電阻液位傳感器自動(dòng)檢測(cè)液位數(shù)據(jù)，液位數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC0832轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)處理后進(jìn)入單片機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。鍋爐水位到達(dá)給定水位時(shí)，水泵自動(dòng)開(kāi)始工作。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的同時(shí)，用戶還可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)參數(shù)值進(jìn)行修改。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

系統(tǒng)要求能完成以下功能：系統(tǒng)連接顯示輸出，可以實(shí)時(shí)顯示水泵、電源等其它裝置的工作狀態(tài)。系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的設(shè)定功能，在低水位時(shí)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)水泵開(kāi)始工作，在高水位時(shí)系統(tǒng)停止水泵供水。若由于系統(tǒng)故障，裝置在低水位時(shí)水泵沒(méi)有啟動(dòng)，當(dāng)液位繼續(xù)低至極低水位時(shí)，系統(tǒng)會(huì)再次啟動(dòng)水泵同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。若液位在高水位時(shí)水泵沒(méi)有停止供水，當(dāng)液位繼續(xù)上升至極高水位時(shí)，系統(tǒng)會(huì)停止水泵供水，并且同樣會(huì)發(fā)出危險(xiǎn)報(bào)警。系統(tǒng)還可以隨時(shí)通過(guò)按鍵修改水位參數(shù)值，在緊急情況下還可以通過(guò)急停按鍵停止水泵工作。

系統(tǒng)程序包括鍵盤(pán)控制程序，外接驅(qū)動(dòng)控制程序，ADC0832轉(zhuǎn)換器控制程序，外接電路控制驅(qū)動(dòng)程序，LM016L液晶顯示器控制程序，LM016L液晶顯示器顯示程序。

3.3 相關(guān)指標(biāo)對(duì)比

經(jīng)過(guò)在Proteus軟件中的仿真調(diào)試，驗(yàn)證改進(jìn)后的輔鍋爐控制系統(tǒng)是可以在模擬仿真系統(tǒng)下正常運(yùn)行的。改進(jìn)后的系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)對(duì)比如表1所示。

表1 改進(jìn)前后的相關(guān)指標(biāo)對(duì)比

系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)明顯：成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的核心模塊的總體積只有傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的一個(gè)繼電器大小，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的程序算法改進(jìn)，可以提前對(duì)傳感器結(jié)垢或水泵故障進(jìn)行預(yù)判，故障監(jiān)測(cè)報(bào)警更為靈敏。

4 結(jié)束語(yǔ)

嵌入式控制技術(shù)的性能和成本近些年都在不斷刷新，在船舶自動(dòng)化方面的普及應(yīng)用是大勢(shì)所趨。在前文中可以看到利用單片機(jī)改進(jìn)后的控制系統(tǒng)有著很多優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也有不足之處，例如傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用的是整流橋和繼電器控制，若元器件故障，一般的輪機(jī)員都可以更換操作。但采用嵌入式控制系統(tǒng)后，對(duì)相關(guān)維護(hù)人員的電子電氣知識(shí)有比較高的要求。不足之處還有待進(jìn)一步實(shí)踐檢驗(yàn)。

[1] 初忠. 輪機(jī)自動(dòng)化[M]. 大連：大連海事大學(xué)出版社，2014.

[2] 林葉錦. 輪機(jī)自動(dòng)化[M]. 大連：大連海事大學(xué)出版社，2009.

[3] 袁彪. 電極式加濕器水電阻分析與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

For the traditional auxiliary boiler of the cargo ship,electrodes are adopted to finish double water level detection with rectifier device combined with relay as executive component.There exist some hidden troubles of easy fouling for 3 electrodes and untimely relay action.The detection and control system of single electrode detecting water level based on the embedded chip can make faulty monitoring and alarm function by using electrical resistant measurement to collect the data of the boiler level,with which analysis is gained through the embedded chip.By the analysis of the data,the system can control the start and stop of the water pump directly and automatically together with output-data displayed and parameters adjusted freely.The whole set of system is of low cost and great simplification,which is suitable for large and medium-sized cargo ships.

auxiliary boiler;automation;water level control system

U672.2

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.06.006

鞠冀軍(1968-)，男，河北新樂(lè)人，技師，大學(xué)本科，主要從事電子電氣方面的實(shí)訓(xùn)和教研工作。

2017-08-01