船舶排油監(jiān)控系統(tǒng)的設計

毛攀峰 張海玲

(浙江國際海運職業(yè)技術學院 船舶工程學院，浙江 舟山 316021)

隨著世界的貿(mào)易往來不斷增大，海運業(yè)也持續(xù)繁榮，因此船舶的數(shù)量不斷增加，由此也帶來了一個問題——船舶的含有污水排放。國際海事組織為此也出臺了多種法律、法規(guī)來規(guī)范船舶含油污水的排放。但是因為監(jiān)管措施和監(jiān)控設備的的不完善，仍然存在船舶將含油污水肆意排入大海的情況。因此設計出一套既符合國際公約，又能實際防止船舶含油污水的不規(guī)范排油的監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的意義。

1 排油監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求

本文設計的排油監(jiān)控系統(tǒng)，符合《73/78國際防止船舶造成污染公約》(經(jīng)MEPC.117(52)號決議通過的附則Ⅰ修正案)中關于排油監(jiān)控系統(tǒng)的新的設計要求。整個系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集和分析處理單元將傳感器傳送過來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由核心處理器—STM32進行分析計算，通過與標準的參數(shù)進行比較來決定是否打開排放閥進行污水排放，并且給出相應的報警信號。本系統(tǒng)主要有以下幾個功能模塊。

(1)A/D轉(zhuǎn)換模塊

在本系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換模塊主要采集速度傳感器、流量計和油分濃度計傳送過來的4～20mA的標準電流信號。將這些信號送入STM32，進行計算分析。STM32自帶有12位精度的A/D轉(zhuǎn)換口，因此大大簡化了硬件設計。

(2)CPU模塊

本文采用的CPU模塊是32位處理器—STM32，其功能主要是對采集到的數(shù)

據(jù)進行分析計算，通過與標準的參數(shù)進行比較做出相應處理。根據(jù)《73/78國際防止船舶造成污染公約》規(guī)定，排放的含油污水的油分濃度必須小于15ppm，油的瞬間排放率小于30L/n mile，排油總量不得超過上次載油量的1/30000。如此苛刻的要求需要高性能的處理器。

(3)人機交互模塊

本設計中通過采用北京文迪科技的觸摸屏實現(xiàn)公約所要求的相關數(shù)據(jù)的顯示和相關參數(shù)的設定，此模塊可與CPU模塊通過SPI總裁實現(xiàn)串行通信。

(4)監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲及打印模塊

按照公約的要求，所有的數(shù)據(jù)記錄裝置必須要包括一個打印機，記錄的數(shù)據(jù)可以在打印機上清晰的顯示。本文采用一款微型打印機完成數(shù)據(jù)的打印并通過SD卡存儲所要求的數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件結構設計

根據(jù)功能的要求，本文所設計的排油監(jiān)控系統(tǒng)主要是分為兩大單元，分別是計算機單元和測控單元。

2.1 計算機單元

計算機單元由控制單元、計算單元、顯示單元和打印控制單元等部分組成。

圖1 計算機單元結構圖

結構如圖1所示。

計算機單元將根據(jù)測量單元來的信號計算出排放水的實際含油量，并按計程儀和流量計的信號計算出瞬時排放率。當排放總量、瞬時排放率超出限度時，或者系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，將自動向測控單元發(fā)出關閉排放閥的指令。系統(tǒng)在運行時，檢測到的參數(shù)將在顯示器上進行顯示，并由打印機進行記錄。此外，在計算機單元的人機界面中可以選擇信號的輸入方式或人工輸入信號值。

2.2 測控單元

測控單元主要是起到測量和控制的作用。它將接收到的各種信號通過485總線傳送到計算機單元，并從計算機單元接受指令去控制排放閥的狀態(tài)，采樣泵的啟動/停止和油分濃度計的清洗程序。結構如圖2所示。

圖2 測控單元結構圖

3 系統(tǒng)軟件結構設計

3.1 軟件組成及架構

在監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結構設計完成之后，對于系統(tǒng)的軟件設計也是相當重要的，只有編寫正確的軟件，系統(tǒng)才能有序的協(xié)調(diào)各個硬件的正常運行，才能滿足監(jiān)控的要求。本文的軟件是采用C51高級計算機語言編寫，并且是采用模塊化的思想進行編寫設計。

本文設計的排油監(jiān)控的應用程序主要包括九個模塊，具體見圖3所示。

圖3 排油監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能框圖

3.2 系統(tǒng)運行流程

系統(tǒng)開機之后啟動自檢程序，對系統(tǒng)的各個端口及外部設備進行初始化，如果初始化失敗，系統(tǒng)則會發(fā)出報警信號，需要對其進行人工復位或者系統(tǒng)重啟。當初始化成功之后，系統(tǒng)會進入顯示的主界面，由用戶對其進行初值設置，比如時間、油分濃度報警值等等參數(shù)。手動設置完成之后，整個系統(tǒng)進入監(jiān)控的主循環(huán)。圖4為系統(tǒng)的軟件流程圖。

系統(tǒng)進入監(jiān)控主流程之后，通過定時中斷采樣對船舶的流量、航速、油分濃度等數(shù)據(jù)進行采集，由于這些數(shù)據(jù)都是模擬量，所以需要經(jīng)過處理器的A/D轉(zhuǎn)換后送到STM32處理器進行計算分析。當油分濃度、排放總量和瞬時排放量這三個參數(shù)中的任意一個數(shù)值超過了之前設定的預定值時，系統(tǒng)便會立刻做出反應，自動發(fā)出信號關閉污水排放閥，同時通過聲光報警系統(tǒng)發(fā)出聲光報警信號，并且自動啟動清洗水閥對系統(tǒng)進行清洗。與此同時，所有的數(shù)據(jù)會在觸摸屏上實時顯示出來，當報警信號出現(xiàn)時，本系統(tǒng)還能通過打印機打印故障信息，并將此信息存儲于SD卡中。

圖4 軟件系統(tǒng)流程圖

4 結語

本文按照《73/78國際防止船舶造成污染公約》(經(jīng)MEPC.117(52)號決議通過的附則Ⅰ修正案)中關于船舶排油監(jiān)控系統(tǒng)的新要求，設計了一種新型的排油監(jiān)控系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集和分析單元實時采集各種參數(shù)，從而為之后的報警控制決策提供可靠的依據(jù)。這對于減少船舶含油污水的排放、保護海洋環(huán)境具有十分重要的意義。

［1］楊杰.基于單片機控制的船舶油水分離器監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn).武漢:武漢理工大學，2009.

［2］王占猛.GPS于單片機接口程序設計.電子測試.2007.07:32-33

［3］馮文旭，朱慶豪.單片機原理及應用.北京:機械工業(yè)出版社，2008:83-84.

［4］國際海事組織73/78防污公約附則I(續(xù)).港航節(jié)能，2007:207-208.

［5］王仲生.智能檢測與控制技術.西安:西北工業(yè)大學出版社，2002.