(北海職業(yè)學(xué)院 機電工程系,廣西 北海 536000)
我國擁有海洋漁船30多萬艘,從造船材質(zhì)來分,主要有三大類:鋼質(zhì)漁船、木質(zhì)漁船和玻璃鋼漁船。筆者曾經(jīng)調(diào)查北海地區(qū)、湛江、陽江、海南等地漁船情況,結(jié)果顯示,以上地區(qū)木質(zhì)漁船占據(jù)的分量很大,陽江和湛江占總量的70%以上,北海和海南占80%左右,且船齡10年以上的木船居多。木質(zhì)漁船舵軸與軸孔間的間隙不好控制,加上本身的材料特性、制造工藝,以及年久失修等原因,機艙會出現(xiàn)滲水、漏水現(xiàn)象,使用時間越久滲漏就越嚴(yán)重。及時排掉機艙的積水,是保護漁船機艙機器設(shè)備的唯一途徑,也是保證人員和漁船安全航行的前提。目前,常采取的措施是:安裝排水泵,人工定期給機艙抽排積水;偶有漁船安裝有浮子式自動排水裝置,或者是采用水位傳感器,實現(xiàn)了半自動的功能。由于機艙和普通水箱對水位要求不同,而浮子式排水系統(tǒng)對水位的深度有一定要求,由于技術(shù)的限制效果都不理想[1-2]。目前,在以上地區(qū),對木質(zhì)漁船的機艙水位實現(xiàn)智能監(jiān)控還是一個空白狀態(tài)。人工監(jiān)控排水需要很強的責(zé)任心,更需要花費大量的時間和精力,可操作性和可靠性都不高,實現(xiàn)智能監(jiān)控排水,是解決安全隱患的最佳辦法。
系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成,見圖1。
圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
投入式液位傳感器安裝在機艙底部,隨著機艙水位的升高,擴散硅壓力傳感器的電壓信號也隨之增大,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換以后輸送到微控制器,經(jīng)過微控制器計算處理后獲得數(shù)字化的水位信息,再通過485總線輸送給控制主機。
控制主機經(jīng)過485總線接口接收到來自投入式液位傳感器的液位信息,并將液位信息通過顯示單元顯示,同時以聲音的形式報告出來。鍵盤用于設(shè)定排水液位的上限、下限以及其他控制設(shè)定,當(dāng)水位達到排水上限時,控制主機通過水泵驅(qū)動電路啟動水泵進行排水,當(dāng)水位下降到排水下限時,水泵停止工作。
1.2.1 投入式液位傳感器
機艙水位的測量選用投入式液位傳感器,該傳感器由不銹鋼外殼和QX19壓力傳感器構(gòu)成,利用壓阻效應(yīng)原理,經(jīng)過離子注入工藝和微機械加工工藝,制成的集力敏與力電轉(zhuǎn)換檢測于一體的硅敏感元件[3]。擴散硅壓力傳感器的壓力直接作用于傳感器的不銹鋼膜片上,使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移,使傳感器的電阻值發(fā)生變化,并轉(zhuǎn)換輸出一個對應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測量信號[4]。
投入式液位傳感器使用前需要進行預(yù)標(biāo)定設(shè)置,見圖2。分別選擇已知液位深度h1和h2,測得V1和V2,再結(jié)合圖3,推導(dǎo)得出液位深度hx為
(1)
式中:Vx為實時測量電壓值。
圖2 液位高度與電壓的標(biāo)定
當(dāng)有海水滲漏進來水位隨即發(fā)生變化,壓力傳感器輸出的電壓信號隨之產(chǎn)生變化,電壓信號經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換后,輸送給微控制器。微控制器選用STM32F103,根據(jù)式(1)推算出水位的高度,經(jīng)過485總線接口傳輸?shù)街鳈C,主機收到信號后,在顯示屏上顯示水位的數(shù)值。
圖3 電壓和液位高度關(guān)系示意
A/D轉(zhuǎn)換電路選用TM7711芯片,該芯片是全差分模擬輸入,可以直接接受來自擴散硅壓力傳感器的低電平輸入信號,然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出。同時,芯片只需 2.6~5.5 V單電源供電,且具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾強等優(yōu)點,可以降低系統(tǒng)的整機成本,提高整機系統(tǒng)的性能和可靠性。其應(yīng)用電路見圖4。
圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路
1.2.2 控制主機
控制主機的CPU采用STM32F103,STM32F系列屬于中低端的32位ARM微控制器,其內(nèi)核是Cortex-M3[5]。該系列芯片配置形式多樣、外設(shè)豐富,集成定時器、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART等多種功能。
整個系統(tǒng)根據(jù)安裝位置分為機艙部分和駕駛室部分,其中,投入式液位傳感器和水泵安裝在漁船的機艙底部,主機則安裝在駕駛室,兩者距離少則幾十米多則上百米。主機設(shè)置有485通信接收端口,液位傳感器所采集到的數(shù)據(jù)通過485總線傳送到主機。485通信具有通信距離遠、電路結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強的優(yōu)點,非常適合應(yīng)用于該場合[6-9]。485接口電路見圖5。
圖5 485接口電路
數(shù)據(jù)顯示單元采用12864液晶顯示屏,可以顯示機艙水位、工作狀態(tài)、設(shè)置菜單等信息。輸入鍵盤是人機交互的通道,用于設(shè)置操作流程和設(shè)置排水區(qū)間等信息。音頻驅(qū)動為系統(tǒng)增加語音輸出功能,是數(shù)據(jù)顯示的有效補充,讓整個系統(tǒng)更加人性化。系統(tǒng)工作電源將220 V的交流電轉(zhuǎn)換為3.3 V和12 V直流電,其中,3.3 V給MCU、液晶屏和通信電路使用,12 V給音頻驅(qū)動電路供電。
水泵驅(qū)動電路見圖6,MCU給RLY輸送高電平,三極管Q1導(dǎo)通,繼電器RL1吸合,啟動離心泵;當(dāng)MCU給RLY輸送低電平,三極管Q1截至,繼電器RL1斷開,離心泵停止工作。
圖6 水泵驅(qū)動電路
1.2.3 泵的選擇
優(yōu)先選用大排量且具有自吸功能的離心泵,結(jié)構(gòu)簡單、易于維護、性價比高。也可以由用戶根據(jù)漁船機艙的結(jié)構(gòu)特點自行選用潛水泵。海水的腐蝕性很強,無論選擇何種泵,材質(zhì)都應(yīng)選用不銹鋼為佳。
主機不斷讀取來自液位傳感器的液位數(shù)據(jù),當(dāng)液位大于排水上限時,啟動水泵同時啟動計時器;當(dāng)液位小于排水下限時停止水泵同時停止計時器。在啟動排水期間,每隔1 min進行液位比較,如果液位沒有發(fā)生現(xiàn)變化,則可以判定排水出現(xiàn)故障,系統(tǒng)發(fā)出語音報警,提示人工及時排障[10]。排水區(qū)間是根據(jù)漁船實際情況設(shè)置,最低水位的設(shè)定需要考慮避免離心泵吸空的問題。為了防止機艙水位過高,設(shè)置有高水位報警功能,提供雙重保障。系統(tǒng)程序流程圖見圖7。
圖7 程序流程
以“桂合漁23009”為例,該船為典型的木質(zhì)漁船,船長26 m,103 kW(140 HP),船齡13年,機艙滲漏程度中等,原來安裝有潛水泵可以實現(xiàn)手動抽水。試驗選用光泉牌全不銹鋼潛水泵,型號VN250,功率250 W,揚程7 m,流量150 L/min;水位測量采用帶不銹鋼外殼的QX19壓力傳感器, 它是一款壓阻式擴散硅傳感器。所有水位數(shù)據(jù)均在潛水泵吸口直徑30 cm范圍內(nèi)測量,測試前先手動排除機艙水,使水位低于5 cm。第一次測試設(shè)置上、下限水位分別為25 cm和5 cm。間隔2 h后進行第二次測試,設(shè)置上限水位35 cm,下限水位10 cm,測試結(jié)果見表1。
表1 桂合漁23009機艙水位測試情況表
表2 故障測試
試驗主要的目的是檢驗水位自動監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和精確性。根據(jù)船舶滲漏情況和機艙結(jié)構(gòu),設(shè)置水位監(jiān)測的最高水位和最低水位,模擬人工排水習(xí)慣,由液位傳感器檢測到機艙水位并把液位信息輸送給MCU,由MCU控制水泵進行自動排水。2次測試,每次設(shè)置的排水上下限不一樣,均能按預(yù)定設(shè)置排水,開放性的設(shè)置功能,提高了系統(tǒng)的適用性。測試結(jié)果見表2。
未采用本系統(tǒng)之前,“桂合漁23009”需要1 h人工排水1次,經(jīng)常因為遺忘造成不同程度的損失。本系統(tǒng)的應(yīng)用能在駕駛艙內(nèi)實時監(jiān)測到機艙水位的情況,駕駛員根據(jù)漁船機艙的結(jié)構(gòu)特點設(shè)置排水上下限即可,當(dāng)水位達到系統(tǒng)設(shè)定的閥值時,單片機啟動水泵進行自動排水。系統(tǒng)設(shè)置有故障報警功能,當(dāng)水泵出現(xiàn)故障或排水發(fā)生異常時能夠及時發(fā)現(xiàn),避免水位過高燒毀柴油機等機艙設(shè)備。因機艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,僅靠水位傳感器測量遠遠不夠,還需要把可視化擴展到本系統(tǒng)中,進一步提高系統(tǒng)可靠性。