船用油水分離器污水排放自動監(jiān)管系統(tǒng)設計

林洪貴, 楊國豪, 李 凱

(1.集美大學 輪機學院， 福建 廈門 361021; 2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室, 福建 廈門 361021)

船用油水分離器污水排放自動監(jiān)管系統(tǒng)設計

林洪貴1，2, 楊國豪1，2, 李 凱1，2

(1.集美大學 輪機學院， 福建 廈門 361021; 2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室, 福建 廈門 361021)

為滿足國際公約和國內(nèi)法規(guī)對船舶油污水的排放要求，利用紅外散射法和無線網(wǎng)絡傳感器技術(shù)，設計出可以在技術(shù)手段上保障全面自動監(jiān)管污水排放符合公約要求，并以單片機為核心控制器的油污水排放監(jiān)管系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、可靠性高和自動監(jiān)管等特點，可實現(xiàn)對污水的含油量、排放速率、排放量的綜合控制。

船舶工程;油水分離器；監(jiān)管系統(tǒng)；紅外散射法；無線網(wǎng)絡傳感器

隨著經(jīng)濟全球化不斷發(fā)展，海上貨物運輸量不斷增加，越來越多的船舶投入營運，對海洋環(huán)境造成的污染日益嚴重。國際上早已有規(guī)定，船舶油污水的處理應按照MARPOL 73/78公約附則I的要求進行，外排油污水應執(zhí)行《船舶污染物排放標準》(GB 3552—1983)；國際航線船舶生活污水應符合MARPOL 73/78公約附則IV的相關(guān)要求。國內(nèi)航線船舶生活污水的處理應按《船舶污染物排放標準》(GB 3552—1983)進行。然而，受船員素質(zhì)、監(jiān)管手段、設備等因素影響，船舶油污水排放污染事件時有發(fā)生。因此，提出一種應用紅外散射法和無線網(wǎng)絡傳感技術(shù)對船舶油污水排放進行監(jiān)控以及根據(jù)公約要求進行排放管理的自動監(jiān)管系統(tǒng)。

船舶油污水、洗艙水、生活污水均須經(jīng)過處理才能排放。船用油水分離器是船舶機艙的重要防污染設備，在減輕海洋水域污染方面發(fā)揮著重要作用。國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)在1992年3月召開的第32屆會議上通過的MARPOL 73/78公約附則I修正案要求：所有新建的400總噸及以上的船舶必須安裝油水分離器，并規(guī)定艙底水在任何海域排放的含油量應≤0.015‰；對于油船,要求在離最近陸地50 n mile以外航行且航行中的瞬時排放率≤30 L/n mile,在一個壓載航次中總排放量不大于載油總?cè)萘康?/300 00。[1-3]污水排放自動監(jiān)管系統(tǒng)是油水分離器的重要組成部分,用于監(jiān)測與控制排到舷外的污水的含油量、排放速率和排放量。檢測含油量的方法主要有紅外分光光度法、紫外光光度法、熒光分光光度法以及紅外散射法等。其中紅外分光光度法的測量準確度高，但存在四氯化碳需精制、試劑需選購、儀表有重現(xiàn)性等問題。油液中含有的共軛體系在紫外光區(qū)具有不同的特征吸收峰，用紫外分光光度法測量油液時會存在一定的干擾。熒光分光光度法的測量靈敏度高，但易受環(huán)境溫度和油的品質(zhì)的影響，測量誤差大。[4-8]相比之下，船上的油水混合液中含油量的檢測可以采用紅外散射法。因此，利用紅外散射法并結(jié)合無線網(wǎng)絡傳感器技術(shù)，設計以單片機為核心控制器的污水排放監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)對污水含油量、排放速率、排放量的綜合控制。

1 監(jiān)管系統(tǒng)的組成

污水排放自動監(jiān)管系統(tǒng)由紅外傳感器(發(fā)射光和接受光部分)、流量傳感器、信號處理單元、單片機系統(tǒng)、藍牙模塊、網(wǎng)絡適配器等組成。監(jiān)管系統(tǒng)整體架構(gòu)見圖1。

圖1 污水排放監(jiān)管系統(tǒng)框圖

處于航行狀態(tài)的船舶要將艙底水排放到舷外時，污水排放自動監(jiān)管系統(tǒng)利用紅外散射法對取樣污水的含油量進行檢測，達到lt;0.015‰的排放標準后，開啟排污電磁閥，污水向舷外排放，流量計記錄排放速率。監(jiān)管系統(tǒng)通過PID(Proportional,Integral and Differential)算法調(diào)節(jié)電動閥門的開度，控制流量的排放速率。如果污水達不到排放標準，排污電磁閥關(guān)閉，污水流回艙底水柜，同時發(fā)出聲光報警。

監(jiān)管系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡傳感器系統(tǒng)讀取船舶的GPS(Global Positioning System)定位信號、船速信號等數(shù)據(jù)，結(jié)合計算出的含油量、流量，對排放污水進行綜合控制。系統(tǒng)可以對排放污水的時間、含油量、排放速率、排放量等數(shù)據(jù)進行記錄和存儲，需要時可供打印，還可與上位機進行通信。

2 含油量測量系統(tǒng)

含油量測量是該系統(tǒng)的核心，設計時利用紅外散射法計算污水中的含油量。油類中所含的甲基和亞甲基等官能團在紅外波3.4 μm處有強烈的吸收峰，而用作萃取劑的四氯化碳在3.4 μm波長處基本不被吸收。這樣可以用四氯化碳萃取分離完的污水，得到抽樣油液。含油量測量系統(tǒng)采用2道入射光通道和2個受光傳感器，由電子開關(guān)選擇接收哪路透射光。當入射光1工作時，受光傳感器1接收透射光線，受光傳感器2接收散射光線；當入射光2工作時，剛好相反。設計2條入射光通道可保證監(jiān)測結(jié)果不受外部環(huán)境干擾，提高了測量的準確性。透射光和散射光經(jīng)信號處理電路進入單片機系統(tǒng)，測量出透射光強度I透和散射光強度I散，再根據(jù)瑞利散射和比爾定律得到油液中的含油量P[9]為

(1)

式(1)中：C為常數(shù)，由信號處理電路來決定。

紅外散射法適于測量兩相流體中分散相的濃度，測量范圍為0%～2%，尤其在0%～1%范圍內(nèi)，傳感器反應靈敏，其應用條件是流體的連續(xù)相和分散相介質(zhì)均對紅外光具有弱吸收作用。油水分離器分離出的污水中，油分子以極小的液滴分散于水中，水分子和油分子對紅外光的吸收較弱，含油量要求≤0.015‰，因此含油量測量系統(tǒng)可選用紅外散射法。

3 無線網(wǎng)絡傳感器系統(tǒng)

對船舶機艙的電纜進行后續(xù)改造是有困難和風險的，且采用有線電纜傳輸傳感器信息會帶來很多不便，因此，系統(tǒng)將IEEE 1451標準和藍牙協(xié)議結(jié)合，設計無線網(wǎng)絡傳感器系統(tǒng)。

IEEE 1451標準一直受各國廣泛關(guān)注。其將智能傳感器分成網(wǎng)絡適配模塊(NCAP)和智能變送器模塊(STIM)，其中網(wǎng)路適配模塊可將傳感器的檢測信息傳送至上位機或外部控制網(wǎng)絡。IEEE 1451標準通過一個電子數(shù)據(jù)表單TEDS和1個數(shù)字型TII接口，使得傳感器模塊具有即插即用的兼容性。

藍牙技術(shù)是一種低功率的短距離無線通信技術(shù)，一般來說，其通信范圍為0.1～10 m。如果增強傳輸功率，則其鏈接范圍可擴展到100 m。運用藍牙技術(shù)，不僅可以簡化通信設備之間的通信線路，還可以簡化通信設備與因特網(wǎng)(Internet)之間的通信線路，從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

無線集成網(wǎng)絡傳感器系統(tǒng)由智能變送器模塊(STIM)、藍牙模塊和網(wǎng)路適配模塊(NCAP)3部分組成。在STIM和藍牙模塊之間是IEEE 1451．2標準定義的數(shù)字型TII接口，藍牙模塊通過TII接口與STIM相連。 NCAP與Internet相連，承擔傳感器信息的通信及遠程控制命令的發(fā)送和接收任務。這樣利用IEEE 1451標準和藍牙協(xié)議，通過STIM，TII接口，藍牙模塊，NACP，可對系統(tǒng)的含油量、排放速率、排放量等數(shù)據(jù)進行遠程監(jiān)管。系統(tǒng)中加入無線網(wǎng)絡傳感器的方法也適用于船舶的其他傳感器。

4 硬件設計

4.1傳感器的選擇

監(jiān)管系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性主要取決于傳感器的選擇。選擇合適的傳感器對監(jiān)管系統(tǒng)十分重要。系統(tǒng)的光源紅外發(fā)射管選用HIR405型砷化稼(GaAs)發(fā)光二極管，受光傳感器選用2Cu2硅光敏二極管，流量傳感器選用渦街流量傳感器。

4.2信號處理單元

傳感器獲取的信號需經(jīng)信號處理單元轉(zhuǎn)換為標準電量信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送給單片機系統(tǒng)。紅外傳感器的信號處理包含發(fā)射光和受光2部分電路。為避免干擾信號影響，采用振蕩電路將發(fā)射光信號調(diào)制成頻率域信號。發(fā)射光信號變成頻率域信號后，產(chǎn)生的電信號變?yōu)榻涣餍盘?。這種轉(zhuǎn)換為交流信號的方式不僅可以避免處理微弱直流信號，而且有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

受光傳感器輸出的信號和渦街流量傳感器輸出的信號經(jīng)過低噪聲放大后,利用窄帶濾波器選出，然后進入相敏檢測器,進一步抑制噪聲,再經(jīng)過低通濾波把交流電信號變?yōu)橹绷麟娦盘?以便于后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換處理。帶通濾波后的信號雖然比較干凈,但仍存在一定的外界干擾。為提高檢測的準確度,系統(tǒng)采用相敏檢測器來進一步提高信噪比。相敏檢測器擁有良好的窄帶選頻特性及選相特性，其除了能進一步抑制與有效信號頻率不同的噪聲干擾之外,還能抑制與有效信號同頻率不同相位的信號。相敏檢測器的電路結(jié)構(gòu)見圖2，其中U1∶1為過零電壓比較器,Dl為檢波二極管，Q1為晶體三極管電子開關(guān)，U1∶2為差動放大器, TLC 2274為四運算放大器。

由三極管的特性知

(2)

差動放大器中輸出的信號U0(t)為

(3)

三極管截止時，U1∶2為跟隨狀態(tài)；場效應管導通時，U1∶2為反相狀態(tài)，取Rf=R4，把式(3)代入式

圖2 監(jiān)控相敏檢測電路結(jié)構(gòu)圖

(2)可得

(4)

由式(4)知，由相敏檢測電路的輸出信號Uo(t)可以檢測出輸入信號Us(t)。

A/D轉(zhuǎn)換電路采用的是AD公司的微轉(zhuǎn)換芯片ADuc812。ADuc812內(nèi)有一個8051兼容的微處理器，8 000字節(jié)的程序存儲器flash/EE,640字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器flash/EE,256字節(jié)的RAM,多達32根可編程的輸入/輸出線,一個SPI串行輸入/輸出口,兩個DAC和一個8通道12位的ADC。640字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器用于TEDS的存儲，SPI口和輸入/輸出的組合構(gòu)成了TII的接口，內(nèi)置8051的嵌入作為核心處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[10]。

4.3單片機的選擇

單片機是將CPU、存儲器、I/O接口電路、定時器/計數(shù)器、通信接口及其他控制部件等集成在一個芯片上的微型計算機。系統(tǒng)中單片機主要完成數(shù)據(jù)的采集、存儲、運算、與上位機通信、與外部網(wǎng)路連接等任務，選用滿足性能要求、性價比高的8051單片機來完成。

4.4藍牙模塊的設計

目前，國內(nèi)外很多公司都推出了基于藍牙協(xié)議的開發(fā)系統(tǒng)。此處選用性能穩(wěn)定的愛立信藍牙開發(fā)系統(tǒng)EBDK來實現(xiàn)，其可用作藍牙技術(shù)的硬件和軟件的開發(fā)平臺。該藍牙模塊可方便、快速地開發(fā)出基于藍牙協(xié)議的無線發(fā)送和接收的系統(tǒng)模塊。

5 軟件設計

監(jiān)管系統(tǒng)的軟件主要通過8051單片機程序進行設計。單片機的程序主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、時鐘讀取子程序、數(shù)據(jù)存儲子程序、LCD顯示子程序、打印控制子程序、按鍵處理子程序等。監(jiān)管系統(tǒng)主程序的流程見圖3。

圖3 監(jiān)管系統(tǒng)主程序流程圖

6 結(jié) 語

所述的污水排放監(jiān)管系統(tǒng)實現(xiàn)了對污水含油量、排放速率、排放量的綜合控制，使污水排放得以監(jiān)管，符合國際公約和國內(nèi)法規(guī)對船用油水分離器排放的規(guī)定。無線網(wǎng)絡傳感器技術(shù)的引入，使系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程監(jiān)管；GPS定位信號的引入，使得系統(tǒng)能夠記錄污水排放的位置，有利于海事部門的船舶進行防污染檢查工作。監(jiān)管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、靈敏度高、穩(wěn)定性好，能夠滿足惡劣海況下使用的要求。系統(tǒng)中的無線網(wǎng)絡傳感器不僅可用于Internet的接入，還可用于有線接入方式不能勝任的場合，并提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)傳輸服務。值得提出的是，利用紅外散射法檢測含大量乳化油的污水時，產(chǎn)生的誤差較大。此外，當所含的油分質(zhì)量接近原油時，會對紅外線光源產(chǎn)生較強的吸收作用，致使系統(tǒng)靈敏度下降，此時應對所監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行適當修正，以保證監(jiān)測結(jié)果的準確性。

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DesignofAutomaticSewageDischargeSupervisionSystemonMarineOily-WaterSeparator

LINHonggui1,2,YANGGuohao1,2,LIKai1,2

(1. Marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, China; 2. Fujian Province Key Laboratory of Marine Engineering, Xiamen 361021, China)

According to the international conventions and domestic regulations on ship sewage discharge, the microcontroller-based automatic sewage water discharge supervision system is designed using infra red scattering detection method and wireless sensor technology. The system features simple structure, stable operation, high reliability and automatic supervision and can comprehensively control the percentage of oil in the sewage, discharge rate and the amount of emissions.

ship engineering; oily-water separator; supervision system; infrared scattering method; wireless sensor

2014-04-08

福建省自然科學基金(2012J01229)

林洪貴(1964—),男，福建蒲田人，副教授，碩士生導師，從事船舶電氣自動化及虛擬仿真應用研究。

E-mail:linhongui36@163.com

楊國豪(1963—),男，福建蒲田人，教授，碩士生導師，從事船舶電氣自動化及虛擬仿真技術(shù)研究。E-mail:yghzzh@jmu.edu.cn

1000-4653(2014)03-0032-04

U664.9

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