智能型液位傳感器在海外大型工程半潛駁上的應用

陸紅，申定安，梁卓能，申啟杰，張紹中

（中交第四航務工程局有限公司，廣東 廣州 510231）

四航“東南號”是3 500噸級的工程半潛駁，1987年由日本SAKAI HEAVY建造，有27 a船齡。該船2009年調遣到位于西非海岸的安哥拉施工，2013年初又調遣到非洲喀麥隆工地。為滿足出運2 500噸級大型混凝土沉箱的施工需要，在施工現場安排了一次船體主結構、壓載水艙室、輪機、壓載管系、電氣設備等較全面的維修工作。由于該船比較老舊，經詳細檢查以及向船員了解原壓載水艙及四角吃水液位監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器已基本無法工作，電纜老化、轉接盒霉變、駕控室操作臺內的變換器線路板部分燒壞，整套系統(tǒng)的20個檢測點位及顯示儀表已經基本失效。壓載艙液位監(jiān)測系統(tǒng)是半潛駁下潛作業(yè)安全保障的重要系統(tǒng)，為滿足現場施工的需要，必須在短時間內將該系統(tǒng)修理恢復。

1 原半潛駁液位監(jiān)測系統(tǒng)概述

該半潛駁原有的液位監(jiān)測系統(tǒng)有2個部分，共20個檢測點，其中16個測點檢測壓載水艙的液位，另4個測點檢測半潛駁四角吃水。原系統(tǒng)采用的是日本PL－2系列傳感器、SB－15變換器（插卡式線路板）、穩(wěn)壓電源板及磁電式長條形指針儀表[1]。

原液位監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器及部分電纜引線已基本老化、短路損壞，中間接線盒大部分積水銹蝕及霉變，從中間接線盒引出到操作室的電纜也部分老化，操作臺內的變換器線路板有近10塊損壞，為變換器提供24 V直流電源的穩(wěn)壓電路板燒毀2塊，顯示液位的磁電式條形指針儀表也有部分已經失效。

2 方案比選

方案I：按原船液位監(jiān)測系統(tǒng)的元器件型號規(guī)格，選購同型號或功能相當的傳感器和變換器線路板按恢復性修復方案進行。該修復方案不但費用比較高，且現場勘驗、修復項目確定、元器件選購及制作加工、現場修復安裝及調試的時間比較長，難以在短時間內修復該系統(tǒng)，無法滿足施工生產的急需。

方案II：撇開原船的液位監(jiān)測系統(tǒng)，按船上僅存的圖紙資料以及現場實船測繪出的有關草圖、參數及實物照片，在國內委托一家有經驗的專業(yè)從事船舶機電及自動控制的公司，重新設計一套新的液位檢測系統(tǒng)，并在國內制作加工好有關器件、數據采集單元、編程以及顯示單元后，再前往喀麥隆施工現場進行安裝和調試。該方案實施可靠性雖比方案I高，完成時間也可略短，并且由于是新設計，可控性方面比較強，但實施起來還是有不少困難，也難于滿足現場的急需。

方案III：按船上僅存的圖紙資料以及實船測繪獲得的艙室草圖、參數及實物照片，自行設計、制作、安裝及調試一套新的液位監(jiān)測系統(tǒng)。由于是自行設計，對原船的舊系統(tǒng)、壓載艙室、布線走向比較了解，對現場實施安裝的技術條件、工藝水平以及資源情況清楚，也減少了信息和測繪草圖資料的傳遞環(huán)節(jié)，并從設計起始，就有針對性的考慮安裝工藝細節(jié)，可做到邊設計、邊進行元器件比選和采購，同時現場安裝的其他準備工作也可同步進行。由于是自行設計、安裝及調試，可分步到位，計劃首先完成監(jiān)測系統(tǒng)功能性要求，在短時間內恢復液位監(jiān)測系統(tǒng)的基本功能，并爭取與現場進行的船體結構修理同步完成。

通過對上述3套方案實施中的具體技術及工藝問題、工期、技術能力、現場可控資源的認真分析，雖然按方案III自行實施有一定的技術難度，也需承擔較大的責任，但憑借可以掌控的技術力量和多年船舶維修的經驗及應急處理船機設備方面的技術能力，有信心在短時間內完成，滿足現場施工的急需。

3 液位監(jiān)測系統(tǒng)方案選擇及設計

方案設計的第一步是選擇液位監(jiān)測系統(tǒng)的結構形式。為便于安裝，新系統(tǒng)仍采用“投入式”結構的傳感器為主器件檢測艙室的液位。經了解和查閱有關的技術資料[2]，選擇了新一代的以擴散硅壓阻式傳感器為管芯，集成有變換器電路、微處理芯片為一體的MPM4700型新型智能傳感器[3]。該傳感器為四線制，可同時輸出1組4～20 mA的標準電流信號和RS486數字信號，結構緊湊、性能優(yōu)良，外圍線路極為簡單。

由于該傳感器同時提供了模擬信號和數字型號，為新設計的液位監(jiān)測系統(tǒng)分步到位提供了條件。第一階段液位監(jiān)測系統(tǒng)的液位顯示取用傳感器輸出的模擬信號，采用磁電式指針儀表制作液位顯示單元，可基本達到監(jiān)測16個壓載艙室液位的功能性要求，滿足現場施工生產的急需；第二階段再按完整系統(tǒng)功能要求，分別取用傳感器輸出的模擬及數字兩路信號，制作兩套并行的顯示單元，可獨立的或同時顯示壓載艙室液位和四角吃水液位，使系統(tǒng)有一定的冗余度。液位監(jiān)測系統(tǒng)工作原理框圖見圖1。

圖1 液位監(jiān)測系統(tǒng)工作原理方框圖Fig.1 Operating principleof theliquid level monitoring system

由于工程工期比較緊，海外施工現場條件有限，船舶又比較老舊，布線工藝采用從各壓載艙室引出的傳感器電纜線直接進入壓載泵艙，再直通操控室的布線方案，取消了中間接線盒。第一階段先布設16個壓載艙的線路，傳感器的液位測量規(guī)格及引出電纜線長度勻按各艙室的位置及液位高度定制，并通過廠家提供的軟件，編寫傳感器的地址碼，為正式版的數顯做好準備。每個傳感器對號入座，布置于壓載水艙內，并注意適當遠離進出水管口，以減小進出水時水流對傳感器的沖擊。經計算傳感器配套的電纜引線長度分別在42～95 m之間。

初級版的液位監(jiān)測顯示儀表采用磁電式指針表為基本元件，并利用工地現有的條件，設計和制作了一個模擬艙室物理位置布置、配有16個0～20 mA磁電式指針表和能夠顯示液位刻度值的監(jiān)測顯示儀表盒，滿足了半潛駁下潛作業(yè)的基本要求。

4 現場安裝調試

第一階段的安裝調試工作主要是按設計的布線圖在壓載艙壁上焊接不銹鋼電纜水密套管、在壓載艙室安放傳感器、傳感器引出電纜線的布設、電纜集線盒的制作和安裝、初級版的液位監(jiān)測顯示儀表盒的制作以及系統(tǒng)調試等工作。

由于各艙室的液位高度及艙容有差別，每個儀表的顯示盤面都根據不同的艙室進行重新設計及制作刻度值，并按不同艙室的艙容量，對應液位高度標識出壓載水的重量，便于操作人員清楚、直觀地掌握壓載水的分布情況。

初級版顯示儀表盒安裝調試后，即安排了半潛駁的試潛作業(yè)，各壓載艙室注入的水位高度（壓載水量）一目了然，為半潛駁平穩(wěn)、安全下潛作業(yè)提供了數據資料，整個試潛作業(yè)中，半潛駁四角吃水差控制在0.1～0.2 m內。之后“東南號”就順利完成了喀麥隆碼頭工地的第一件混凝土大型沉箱的出運作業(yè)，滿足了海外工程施工的急需。新系統(tǒng)的構思、設計、現場制作、安裝調試前后耗時僅25 d。

5 使用效果及后續(xù)工作

初級版的液位監(jiān)測系統(tǒng)在滿足了施工生產的急需后，即安排了完整版的顯示單元的設計、制作和安裝。液位顯示分為2個獨立的系統(tǒng)并行工作，在使用中可做到互為效驗和備用。一套仍采用磁電式儀表，設計1個550 mm×350 mm的儀表面板，布置16個壓載水艙顯示儀表及4個四角吃水條形儀表，數據信號采集于MPM4700傳感器的4～20 mA模擬信號，讀數精度為±5 cm。另一套數顯裝置的信號來自MPM4700傳感器輸出的標準RS485接口，采用C++語言編制液位系統(tǒng)程序軟件，數字信號經計算機處理后，通過32′液晶屏同時顯示液位柱狀圖和壓載量，讀數精度為±1.0 cm。另外，液位系統(tǒng)軟件建有數據庫，可實時輸出和打印顯示屏上的液位數據及當班的全部作業(yè)數據報表，改變了原來通過人工填寫下潛作業(yè)記錄的方式。

6 結語

目前壓載水艙內的液位顯示是獲取艙內液位實時變化的基本技術手段。在半潛駁下潛作業(yè)中，艙室內的液位顯示是操作人員注水下潛、排水上浮以及船舶浮態(tài)調整和控制的重要操作指引，是保證半潛駁正常施工作業(yè)和安全保障必需的監(jiān)測系統(tǒng)，因此該系統(tǒng)出現故障后，應及時安排修復，特別是對那些老舊的半潛駁更加顯得重要。

[1] 液面計·吃水計仕樣書工事番號SNO.42097[Z].大阪：日立造船株式會社，1987.Specificationsfor liquid level gaugeand draft gauge SNO.42097[Z].Osaka:Hitachi Zosen Corporation,1987.

[2] 賈伯年，俞樸，宋愛國.傳感器技術[M].第3版.南京：東南大學出版社，2007.JIA Bo-nian,YUPu,SONGAi-guo.Sensor technology[M].3rd ed.Nanjing:Southeast University Press,2007.

[3]MPM4700型智能液位變送器V12.12.02[Z].寶雞：麥克傳感器有限公司，2012.MPM4700 intelligent liquid level transmitter V12.12.02[Z].Baoji:Micro Sensor Co.,Ltd.,2012.