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        木質(zhì)漁船機(jī)艙水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2020-04-30 06:40:52
        船海工程 2020年1期
        關(guān)鍵詞:機(jī)艙漁船液位

        (北海職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系,廣西 北海 536000)

        我國(guó)擁有海洋漁船30多萬(wàn)艘,從造船材質(zhì)來(lái)分,主要有三大類(lèi):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(yáng)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(yáng)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(jī)艙會(huì)出現(xiàn)滲水、漏水現(xiàn)象,使用時(shí)間越久滲漏就越嚴(yán)重。及時(shí)排掉機(jī)艙的積水,是保護(hù)漁船機(jī)艙機(jī)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(jī)艙抽排積水;偶有漁船安裝有浮子式自動(dòng)排水裝置,或者是采用水位傳感器,實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)的功能。由于機(jī)艙和普通水箱對(duì)水位要求不同,而浮子式排水系統(tǒng)對(duì)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(duì)木質(zhì)漁船的機(jī)艙水位實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控還是一個(gè)空白狀態(tài)。人工監(jiān)控排水需要很強(qiáng)的責(zé)任心,更需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力,可操作性和可靠性都不高,實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控排水,是解決安全隱患的最佳辦法。

        1 機(jī)艙水位監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

        1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成,見(jiàn)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(jī)艙底部,隨著機(jī)艙水位的升高,擴(kuò)散硅壓力傳感器的電壓信號(hào)也隨之增大,經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換以后輸送到微控制器,經(jīng)過(guò)微控制器計(jì)算處理后獲得數(shù)字化的水位信息,再通過(guò)485總線輸送給控制主機(jī)。

        控制主機(jī)經(jīng)過(guò)485總線接口接收到來(lái)自投入式液位傳感器的液位信息,并將液位信息通過(guò)顯示單元顯示,同時(shí)以聲音的形式報(bào)告出來(lái)。鍵盤(pán)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(dá)到排水上限時(shí),控制主機(jī)通過(guò)水泵驅(qū)動(dòng)電路啟動(dòng)水泵進(jìn)行排水,當(dāng)水位下降到排水下限時(shí),水泵停止工作。

        1.2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

        1.2.1 投入式液位傳感器

        機(jī)艙水位的測(cè)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(guò)離子注入工藝和微機(jī)械加工工藝,制成的集力敏與力電轉(zhuǎn)換檢測(cè)于一體的硅敏感元件[3]。擴(kuò)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(gè)對(duì)應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)[4]。

        投入式液位傳感器使用前需要進(jìn)行預(yù)標(biāo)定設(shè)置,見(jiàn)圖2。分別選擇已知液位深度h1和h2,測(cè)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(shí)時(shí)測(cè)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(jìn)來(lái)水位隨即發(fā)生變化,壓力傳感器輸出的電壓信號(hào)隨之產(chǎn)生變化,電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)485總線接口傳輸?shù)街鳈C(jī),主機(jī)收到信號(hào)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(lái)自擴(kuò)散硅壓力傳感器的低電平輸入信號(hào),然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出。同時(shí),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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可以降低系統(tǒng)的整機(jī)成本,提高整機(jī)系統(tǒng)的性能和可靠性。其應(yīng)用電路見(jiàn)圖4。

        圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路

        1.2.2 控制主機(jī)

        控制主機(jī)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(shí)器、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART等多種功能。

        整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)安裝位置分為機(jī)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(jī)艙底部,主機(jī)則安裝在駕駛室,兩者距離少則幾十米多則上百米。主機(jī)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(guò)485總線傳送到主機(jī)。485通信具有通信距離遠(yuǎn)、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),非常適合應(yīng)用于該場(chǎng)合[6-9]。485接口電路見(jiàn)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(jī)艙水位、工作狀態(tài)、設(shè)置菜單等信息。輸入鍵盤(pán)是人機(jī)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(dòng)為系統(tǒng)增加語(yǔ)音輸出功能,是數(shù)據(jù)顯示的有效補(bǔ)充,讓整個(gè)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(dòng)電路供電。

        水泵驅(qū)動(dòng)電路見(jiàn)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(dòng)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(kāi),離心泵停止工作。

        圖6 水泵驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單、易于維護(hù)、性?xún)r(jià)比高。也可以由用戶(hù)根據(jù)漁船機(jī)艙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)自行選用潛水泵。海水的腐蝕性很強(qiáng),無(wú)論選擇何種泵,材質(zhì)都應(yīng)選用不銹鋼為佳。

        2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        主機(jī)不斷讀取來(lái)自液位傳感器的液位數(shù)據(jù),當(dāng)液位大于排水上限時(shí),啟動(dòng)水泵同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器;當(dāng)液位小于排水下限時(shí)停止水泵同時(shí)停止計(jì)時(shí)器。在啟動(dòng)排水期間,每隔1 min進(jìn)行液位比較,如果液位沒(méi)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(yǔ)音報(bào)警,提示人工及時(shí)排障[10]。排水區(qū)間是根據(jù)漁船實(shí)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(wèn)題。為了防止機(jī)艙水位過(guò)高,設(shè)置有高水位報(bào)警功能,提供雙重保障。系統(tǒng)程序流程圖見(jiàn)圖7。

        圖7 程序流程

        3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與分析

        3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

        以“桂合漁23009”為例,該船為典型的木質(zhì)漁船,船長(zhǎng)26 m,103 kW(140 HP),船齡13年,機(jī)艙滲漏程度中等,原來(lái)安裝有潛水泵可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)抽水。試驗(yàn)選用光泉牌全不銹鋼潛水泵,型號(hào)VN250,功率250 W,揚(yáng)程7 m,流量150 L/min;水位測(cè)量采用帶不銹鋼外殼的QX19壓力傳感器, 它是一款壓阻式擴(kuò)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(cè)量,測(cè)試前先手動(dòng)排除機(jī)艙水,使水位低于5 cm。第一次測(cè)試設(shè)置上、下限水位分別為25 cm和5 cm。間隔2 h后進(jìn)行第二次測(cè)試,設(shè)置上限水位35 cm,下限水位10 cm,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 桂合漁23009機(jī)艙水位測(cè)試情況表

        表2 故障測(cè)試

        3.2 測(cè)試分析

        試驗(yàn)主要的目的是檢驗(yàn)水位自動(dòng)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(jī)艙結(jié)構(gòu),設(shè)置水位監(jiān)測(cè)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(cè)到機(jī)艙水位并把液位信息輸送給MCU,由MCU控制水泵進(jìn)行自動(dòng)排水。2次測(cè)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(kāi)放性的設(shè)置功能,提高了系統(tǒng)的適用性。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

        4 結(jié)論

        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?yàn)檫z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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到機(jī)艙水位的情況,駕駛員根據(jù)漁船機(jī)艙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)置排水上下限即可,當(dāng)水位達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的閥值時(shí),單片機(jī)啟動(dòng)水泵進(jìn)行自動(dòng)排水。系統(tǒng)設(shè)置有故障報(bào)警功能,當(dāng)水泵出現(xiàn)故障或排水發(fā)生異常時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn),避免水位過(guò)高燒毀柴油機(jī)等機(jī)艙設(shè)備。因機(jī)艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,僅靠水位傳感器測(cè)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,還需要把可視化擴(kuò)展到本系統(tǒng)中,進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性。

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