李 凱， 胡以懷， 方云虎， 張 陳， 芮曉松， 陳彥臻

(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306； 2.中船鼎衡造船有限公司， 江蘇 江都 225217)

0 引 言

海上航行的船舶往往需要加載壓載水來(lái)保證船舶的穩(wěn)性和浮性。但是，船舶壓載水中含有許多細(xì)菌、浮游生物、病原體等，在泵入和排出壓載水的過(guò)程中，壓載水中的這些生物一旦進(jìn)入新的適宜環(huán)境中會(huì)大量繁殖，造成生物入侵，破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)平衡。

在水深200 m以上并且離岸200 n mile以外的公海或深海對(duì)壓載水進(jìn)行更換，是一種行之有效的方法。但是，這種方法需排空壓載艙，容易引起船舶吃水、船體強(qiáng)度和船舶穩(wěn)性等問(wèn)題。一般用溢流法更換船舶的壓載水，即向滿艙的壓載艙中泵入清潔的海水，原有的壓載水從溢流管中溢出，但這種方法會(huì)使壓載艙板比正常壓載時(shí)承受更高的壓力，易引起船舶材料疲勞，使其他壓載艙承受附加的壓力。文獻(xiàn)[1]提出將海水管路與壓載水管路聯(lián)通，利用海水泵定期更換壓載水，這樣不僅能夠保證冷卻用海水的流量，而且也保證壓載水不斷更新，又無(wú)需額外增加壓載水處理設(shè)備，有利于降低能耗，是一種十分經(jīng)濟(jì)有效的船舶壓載水處理方法。但是，這種方法實(shí)施的關(guān)鍵在于能否動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)壓載艙的液位[1]。本文根據(jù)船舶穩(wěn)性需要，設(shè)計(jì)免處理船舶壓載水系統(tǒng)液位自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)裝置，提出基于以太網(wǎng)和CAN總線的壓載艙液位控制方案，對(duì)裝置中的信號(hào)采集模塊、通信模塊和控制模塊進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，并利用上位機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的監(jiān)控界面。試驗(yàn)表明，該裝置可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和對(duì)壓載艙液位進(jìn)行自動(dòng)控制[2-4]。

1 液位控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 液位控制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)免處理的船舶壓載水系統(tǒng)設(shè)計(jì)免處理船舶壓載水系統(tǒng)壓載艙液位自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)裝置，圖1為該試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)圖。該裝置主要由水箱、2個(gè)模擬壓載艙、2個(gè)電動(dòng)水泵、2個(gè)液位變送器和6個(gè)電磁閥組成。

圖1 免處理船舶壓載水系統(tǒng)液位自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)圖

閥1和閥2控制進(jìn)入壓載艙的水，閥3和閥4控制排出壓載艙的水。由于電動(dòng)水泵不能空轉(zhuǎn)，所以必須設(shè)置閥5和閥6以保證管路的穩(wěn)定。當(dāng)閥1和閥2關(guān)閉的時(shí)候，閥5必須打開(kāi)，防止泵空轉(zhuǎn)；當(dāng)閥1和閥2開(kāi)啟的時(shí)候，閥5必須關(guān)閉，以免影響進(jìn)入壓載艙的水量。同理，閥6的作用與閥5相同。液位變送器用來(lái)測(cè)量壓載艙的液位，液位變送器測(cè)量到的液位經(jīng)過(guò)RS 485通信模塊，采用Modbus通信協(xié)議發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)按照設(shè)定的液位進(jìn)行分析處理。設(shè)定的液位有上限值和下限值。

在系統(tǒng)運(yùn)行前，先對(duì)上位機(jī)控制面板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，電磁閥會(huì)先按設(shè)定的時(shí)間運(yùn)行，這是用來(lái)檢查電磁閥的狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)測(cè)量的液位高于上限值時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)出指令關(guān)閉吸入閥1或2，同時(shí)開(kāi)啟排出閥3或4；當(dāng)測(cè)量的液位低于下限值時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)出指令打開(kāi)吸入閥1或2，同時(shí)關(guān)閉排出閥3或4；當(dāng)測(cè)量的液位處于下限值與上限值之間時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)出指令同時(shí)打開(kāi)吸入閥1或2和排出閥3或4，同時(shí)吸入海水并排出壓載水，實(shí)現(xiàn)壓載水的置換效果，這是理想的狀態(tài)。

1.2 液位自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船舶壓載水液位自動(dòng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)裝置主要由2個(gè)信號(hào)采集模塊、2個(gè)通信模塊、控制模塊和計(jì)算機(jī)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。各組成部分的功能如下：

圖2 液位自動(dòng)控制系統(tǒng)圖

(1) 信號(hào)采集模塊1和2主要負(fù)責(zé)兩個(gè)壓載艙液位數(shù)據(jù)的采集，以及通過(guò)通信模塊1進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

(2) 通信模塊1主要負(fù)責(zé)把采集模塊1和采集模塊2接收到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后傳送到PC機(jī)上。

(3) 通信模塊2主要負(fù)責(zé)把計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換后發(fā)送到控制模塊。

(4) 控制模塊主要負(fù)責(zé)控制電磁閥的開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

(5) 計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和對(duì)壓載艙液位進(jìn)行自動(dòng)控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

信號(hào)采集模塊是液位自動(dòng)控制系統(tǒng)重要的組成部分，該模塊主要由傳感器、通道選擇電路、信號(hào)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等幾部分組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 信號(hào)采集模塊硬件結(jié)構(gòu)

信號(hào)采集模塊的工作原理是利用傳感器測(cè)量壓載艙的液位信號(hào)，經(jīng)過(guò)采樣、放大、A/D轉(zhuǎn)換后，以數(shù)字信號(hào)的形式通過(guò)RS 485通信接口電路，主要采用Modbus通信協(xié)議，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器后傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)顯示于上位機(jī)監(jiān)控界面。

試驗(yàn)裝置采用2個(gè)液位變送器，每個(gè)液位變送器的測(cè)量范圍為0～5 m，測(cè)量精度為0.2%，輸出信號(hào)為4～20 mA，且具有抗腐蝕的特性。

2.2 通信模塊硬件設(shè)計(jì)

采集數(shù)據(jù)的通信模塊主要由RS 485通信模塊和USB-RS 485轉(zhuǎn)換器組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。通信模塊的工作原理是采集模塊轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)RS 485模塊和轉(zhuǎn)換器后與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)主要用C#程序進(jìn)行控制，系統(tǒng)主要采用Modbus通信協(xié)議，計(jì)算機(jī)可以接受并處理采集到的數(shù)據(jù)。

圖4 采集數(shù)據(jù)的通信模塊硬件結(jié)構(gòu)

發(fā)送數(shù)據(jù)的通信模塊主要由以太網(wǎng)-CAN智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器、CAN網(wǎng)絡(luò)等組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。通信模塊2的工作原理是計(jì)算機(jī)將經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)-CAN智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器與CAN模塊連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)16DI16DO模塊的控制。

圖5 發(fā)送數(shù)據(jù)的通信模塊硬件結(jié)構(gòu)

2.3 控制模塊硬件設(shè)計(jì)

控制模塊是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的重要部分，該模塊主要由16DI16DO模塊、繼電器和電磁閥組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 控制模塊硬件結(jié)構(gòu)

控制模塊的工作原理是通信模塊傳送數(shù)據(jù)到16DI16DO模塊，其連接繼電器。繼電器是一種電控制器件，是當(dāng)輸入量(激勵(lì)量)的變化達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。繼電器實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種自動(dòng)開(kāi)關(guān)，即通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集數(shù)據(jù)的通信模塊軟件設(shè)計(jì)

采集數(shù)據(jù)的通信模塊主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件通過(guò)RS 485串口與采集模塊通信，完成數(shù)據(jù)的采集工作，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砗?，進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示和存儲(chǔ)。上位機(jī)軟件是在Windows 7操作系統(tǒng)和Visual Studio 2015.NET編程環(huán)境中，利用C#語(yǔ)言完成編程，通過(guò)Serial Port 類實(shí)現(xiàn)串口通信功能，通過(guò)Timer類完成定時(shí)采集數(shù)據(jù)，最后使用.txt文本實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。采集數(shù)據(jù)的通信模塊的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何把采集模塊采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)軟件中。其軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 采集數(shù)據(jù)的通信模塊程序流程

從串口接收數(shù)據(jù)主要采用Serial Port控件，在Visual Studio 2015中添加該控件，需要設(shè)置COM口，COM口主要根據(jù)USB-RS 485轉(zhuǎn)換器安裝的驅(qū)動(dòng)確定，系統(tǒng)默認(rèn)的COM口為COM3。還需設(shè)置波特率為9 600，數(shù)據(jù)位為8，校驗(yàn)位為0，停止位為1。

3.2 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)接收到采集模塊采集的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理程序進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)通信模塊發(fā)送給控制模塊，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)裝置的自動(dòng)控制。數(shù)據(jù)處理程序主要采用開(kāi)關(guān)量控制算法進(jìn)行控制。圖8為開(kāi)關(guān)量反饋控制系統(tǒng)圖。

圖8 開(kāi)關(guān)量反饋控制系統(tǒng)圖

整個(gè)裝置的控制難點(diǎn)在于對(duì)電磁閥的控制，數(shù)據(jù)處理直接影響電磁閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。若壓載艙液位沒(méi)有設(shè)定上下限或者上下限設(shè)定值范圍過(guò)小，會(huì)使電磁閥頻繁啟動(dòng)，導(dǎo)致電磁閥發(fā)熱，影響裝置的整體運(yùn)行；若壓載艙上下限設(shè)定值范圍過(guò)大，會(huì)影響船舶穩(wěn)性，因此數(shù)據(jù)處理軟件的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。圖9為數(shù)據(jù)處理軟件程序流程圖。

圖9 數(shù)據(jù)處理軟件程序流程圖

3.3 發(fā)送數(shù)據(jù)的通信模塊軟件設(shè)計(jì)

發(fā)送數(shù)據(jù)的通信模塊主要把處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)接口與CAN接口，經(jīng)協(xié)議轉(zhuǎn)換后發(fā)送到16DI16DO模塊，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)裝置的自動(dòng)控制。

當(dāng)通信發(fā)起方上位機(jī)將命令發(fā)給發(fā)送數(shù)據(jù)通信模塊時(shí)，通信模塊中的以太網(wǎng)接收緩沖區(qū)需要接收數(shù)據(jù)，其檢測(cè)到相應(yīng)的事件后，開(kāi)始執(zhí)行以太網(wǎng)-CAN任務(wù)。圖10為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送到CAN總線的任務(wù)流程圖，其中Length為發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度。

3.4 系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

圖11為用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)裝置系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)圖：圖中左側(cè)為試驗(yàn)裝置，可實(shí)時(shí)顯示壓載艙的液位以及6個(gè)電磁閥的開(kāi)閉狀態(tài)；圖中右側(cè)為試驗(yàn)裝置的控制面板，其中控制面板上的波特率和從站號(hào)需根據(jù)液位變送器的Modbus通信協(xié)議進(jìn)行設(shè)置，串口號(hào)需根據(jù)USB-RS 485轉(zhuǎn)換器的連接進(jìn)行設(shè)置。在裝置開(kāi)始運(yùn)行前，需要分別對(duì)兩個(gè)壓載艙進(jìn)行液位設(shè)定，分別設(shè)定上限和下限。點(diǎn)擊面板上的開(kāi)始按鈕，裝置開(kāi)始運(yùn)行。DO測(cè)試用來(lái)測(cè)試控制模塊的功能。停止鍵用來(lái)停止系統(tǒng)運(yùn)行，但不退出程序。退出鍵用來(lái)退出程序，同時(shí)停止系統(tǒng)的運(yùn)行。

圖10 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送到CAN總線任務(wù)流程

圖11 免處理船舶壓載水系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)圖

4 試驗(yàn)內(nèi)容及數(shù)據(jù)分析

4.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置由水箱、2個(gè)模擬壓載艙、2個(gè)電動(dòng)水泵、2個(gè)液位變送器和6個(gè)電磁閥以及控制系統(tǒng)組成。表1為試驗(yàn)裝置的技術(shù)參數(shù)，圖12為免處理船舶壓載水系統(tǒng)液位自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置。

表1 試驗(yàn)裝置技術(shù)參數(shù)

圖12 免處理船舶壓載水系統(tǒng)液位自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)免處理船舶壓載水系統(tǒng)液位自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)置不同的液位參數(shù)，測(cè)量1#和2#壓載艙的液位，檢驗(yàn)該裝置液位自動(dòng)調(diào)節(jié)的效果，分別進(jìn)行以下幾組試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

對(duì)比以上6組試驗(yàn)可以看出，同時(shí)設(shè)定1#壓載艙和2#壓載艙參數(shù)，盡管兩壓載艙的初始液位不同，兩艙均可在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定在設(shè)定值。試驗(yàn)結(jié)果表明，免處理船舶壓載水系統(tǒng)液位自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置可實(shí)現(xiàn)壓載艙的液位控制，并且相鄰艙室的控制互不影響，均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖13 兩艙在6種不同設(shè)定值下液位自動(dòng)調(diào)節(jié)變化圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的免處理船舶壓載水系統(tǒng)液位自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置可實(shí)現(xiàn)不同壓載艙的液位自動(dòng)控制，并且可通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，工作人員可根據(jù)監(jiān)控界面查看并控制壓載艙中的壓載水。將船舶海水管路系統(tǒng)與壓載水系統(tǒng)聯(lián)通，利用冷卻海水置換壓載水，并且用文中所述方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，這樣既保證了壓載水的不斷更新，又不引起船舶穩(wěn)性、吃水差和船體結(jié)構(gòu)等變化而帶來(lái)的危險(xiǎn)，也不會(huì)額外增加壓載水處理設(shè)備和能耗。但這種方法還須經(jīng)過(guò)實(shí)船的檢驗(yàn)并進(jìn)行完善，以滿足IMO對(duì)船舶排放壓載水的要求，才能在船舶得到普遍應(yīng)用[5-8]。