對艦船加裝淡化水質(zhì)監(jiān)測裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

金炳哲許安靜（．葫蘆島市90部隊 遼寧 5000　．上海船舶運輸科學(xué)研究所艦船分所 上海 0035）

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對艦船加裝淡化水質(zhì)監(jiān)測裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

金炳哲1許安靜2
（1．葫蘆島市91202部隊 遼寧 1250002．上海船舶運輸科學(xué)研究所艦船分所 上海 200135）

摘要：為了提高我國水質(zhì)監(jiān)測的自動化水平，改變現(xiàn)行的用實驗室分析方法監(jiān)測水質(zhì)的做法，采用前沿的水質(zhì)檢測技術(shù)，利用智能化、網(wǎng)絡(luò)化計算機技術(shù)，結(jié)合艦船淡水艙結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了艦船淡水艙水質(zhì)三參數(shù)在線監(jiān)測裝置，建立了新型水質(zhì)觀，實現(xiàn)了新的艦船水質(zhì)保障體系，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：淡化水質(zhì) 飲用水二次污染 水質(zhì)監(jiān)測 艦船

0　引言

艦船淡水系統(tǒng)是維持船員生存、生活質(zhì)量的重要系統(tǒng)，主要包括飲用水、洗澡水、洗衣水等，其中飲用水系統(tǒng)的水源來自淡水艙，而淡水艙儲存的水或是來自岸上水源，或由脫鹽設(shè)備制造的淡水儲存。

目前艦船淡水系統(tǒng)主要存在如下問題［1-2］：

（1）儲水淡水艙的水存放的時間過長，水中余氯量不足

水艙長期反復(fù)加水，致使水中殘存的還原性物質(zhì)，包括微生物本身或者還原性二次污染物對余氯的過度消耗。致使艦船飲用水中的含氯量逐漸降低，甚至消失導(dǎo)致細菌繁殖。

（2）儲水艙的衛(wèi)生狀況容易被忽視，水艙長期得不到徹底的清潔消毒。

由于艦船船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對水艙進行徹底清刷消毒有一定困難。有的清洗人員沒有完全把設(shè)施內(nèi)的沉積物排盡就往水艙中灌注飲用水，這些未排除的沉積物導(dǎo)致水質(zhì)不合格，影響水質(zhì)衛(wèi)生狀況。

（3）廚房之外的淡水用戶缺乏水質(zhì)保證手段。

（4）艦船淡水系統(tǒng)無對飲用水二次污染的監(jiān)測。

據(jù)“艦船飲用水消毒發(fā)展趨勢探討”（《中國水運》2012 年 6 月）報道顯示［3］，27．27%船舶的飲用水貯存期超過30天仍在飲用，高達62．79%船舶飲用水混濁度超標，95．45%氯含量不達標。鑒于由于艦船自備飲用水安全隱患較多，且艦船缺少對飲用水淡水艙水質(zhì)監(jiān)測環(huán)節(jié)，為了加強艦船飲用水水安全監(jiān)督管理，開展艦船飲用水安全保障技術(shù)研發(fā)，對二次供水淡水艙環(huán)節(jié)水質(zhì)監(jiān)測，加裝淡化水質(zhì)監(jiān)測裝置依靠科技進步實現(xiàn)新的艦船水質(zhì)保障體系意義十分重大。

1　系統(tǒng)設(shè)計

1．1系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

艦船淡化水質(zhì)監(jiān)測裝置由監(jiān)測機箱、信號轉(zhuǎn)換機箱及集成水質(zhì)傳感器組成。監(jiān)測機箱配置有顯控模塊、LCD顯示屏，信號轉(zhuǎn)換機箱內(nèi)置有信號轉(zhuǎn)換模塊、傳感器檢測處理模塊，集成水質(zhì)傳感器為余氯、濁度、TDS和液位測量傳感器的集成。通過配置復(fù)示器，可在集控室等其他場所監(jiān)視艦船海水淡化系統(tǒng)運行狀態(tài)和淡水艙水質(zhì)指標參數(shù)，圖1為艦船淡化水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)圖。

圖1　艦船淡化水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)圖

淡化水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)采用雙CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式計算機技術(shù)，裝置配置有以太網(wǎng)或串行通信口RS485可與外部系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信。艦船淡化水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　艦船淡化水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

1．2系統(tǒng)功能

（1）在線監(jiān)測顯示淡水艙三參數(shù)水質(zhì)指標

（2）三參數(shù)水質(zhì)指標越限聲光報警

（3）系統(tǒng)故障報警（網(wǎng)絡(luò)節(jié)點丟失、傳感器斷線）。

（4）傳感器定時維護提示。

（5）系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)設(shè)置

1．3集成水質(zhì)傳感器

艦船淡化水質(zhì)監(jiān)測裝置是對艦船二次供水淡水艙儲存水的指標監(jiān)測。由于艦船航行周期長，淡水艙長期反復(fù)加水，致使水中殘存的還原性物質(zhì)，包括微生物本身或者還原性二次污染物對余氯的過度消耗，致使艦船飲用水中的含氯量逐漸降低，甚至消失導(dǎo)致細菌繁殖。渾濁度是反映生活飲用水的物理性狀的一項指標，用以表示水的清澈或渾濁程度，是衡量水質(zhì)良好程度的重要指標。TDS溶解性固體值間接反映了水中固體物質(zhì)的總含量，反映人體飲用水質(zhì)的一項指標，TDS值越高表明水質(zhì)越不好。通常把TDS值70以下的水稱為可以直飲的純凈水。因此，淡化水質(zhì)監(jiān)測裝置的水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)確定為余氯、濁度和TDS水質(zhì)指標。集成水質(zhì)傳感器的技術(shù)指標如表1所示。

表1　余氯、濁度值、TDS傳感器技術(shù)指標

2　硬件設(shè)計

2．1系統(tǒng)模塊

如圖1、圖2所示，淡化水質(zhì)監(jiān)測裝置由傳感器信號處理模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、和現(xiàn)場顯控模塊組成。傳感器信號處理模塊將水質(zhì)檢測傳感器的電極信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)物理含義的水質(zhì)指標參數(shù)值，信號轉(zhuǎn)換模塊將水質(zhì)指標參數(shù)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量上傳至CAN現(xiàn)場總線，現(xiàn)場顯控模塊將CAN現(xiàn)場總線上的水質(zhì)指標參數(shù)進行在線監(jiān)視顯示、聲光報警、系統(tǒng)故障報警等并提供外部接口實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)輸出。

2．2集成水質(zhì)傳感器

鑒于現(xiàn)役艦船的淡水艙現(xiàn)場環(huán)境，利用原艦船淡水艙液位測量系統(tǒng)現(xiàn)有的傳感器安裝結(jié)構(gòu)和已敷設(shè)的電纜設(shè)施（液位傳感器信號仍接入原系統(tǒng)），集成水質(zhì)傳感器結(jié)構(gòu)有頂裝和管道式二種結(jié)構(gòu)，如圖3、圖4所示。根據(jù)淡水艙現(xiàn)場環(huán)境條件，集成水質(zhì)傳感器有頂裝、側(cè)裝兩種安裝方式，如圖5、圖6所示。

圖3　頂裝式集成水質(zhì)傳感器示意圖

圖4　管道式集成水質(zhì)傳感器示意圖

圖5　集成水質(zhì)傳感器頂裝方式示意圖

圖6　集成水質(zhì)傳感器側(cè)裝方式示意圖

3　軟件設(shè)計

3．1軟件總體設(shè)計

本裝置的軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思想，把系統(tǒng)軟件設(shè)計成由多個軟件模塊的集合，然后分別來開發(fā)各個模塊的一種技術(shù)，其目的是把一個復(fù)雜的任務(wù)簡單化，方便程序的編寫。淡化水質(zhì)監(jiān)測裝置軟件總體結(jié)構(gòu)如圖7所示，淡化水質(zhì)監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)流圖如圖8所示。

圖7　淡化水質(zhì)監(jiān)測裝置軟件總體結(jié)構(gòu)圖

圖8　淡化水質(zhì)監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)流圖

3．2軟件模塊設(shè)計

由軟件總體結(jié)構(gòu)圖，各軟件模塊功能如下：

（1）初始化模塊：系統(tǒng)初始化，設(shè)備初始化，常量、變量初始化，創(chuàng)建任務(wù)；

（2）CAN接收數(shù)據(jù)處理模塊：接收來自信號轉(zhuǎn)換模塊CAN數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成傳感器數(shù)值；

（3）按鍵掃描模塊：掃描鍵盤，如有鍵按下則進行相應(yīng)的處理；

（4）界面顯示模塊：根據(jù)按鍵選擇的結(jié)果，顯示相應(yīng)界面；

（5）數(shù)據(jù)處理模塊：根據(jù)CAN通信網(wǎng)絡(luò)獲得余氯傳感器、濁度傳感器和TDS傳感器的數(shù)值判定是否達到預(yù)報警和報警狀態(tài)；當某一測點參數(shù)達到預(yù)警限值時，對應(yīng)報警指示變橘色；當某一測點參數(shù)達到報警限值時，對應(yīng)報警指示變紅色，發(fā)出聲光報警并記錄在報警列表中；

（6）開關(guān)量輸出模塊：當報警時，驅(qū)動蜂鳴器和指示燈；

（7）歷史曲線模塊：根據(jù)選擇的條件，在數(shù)據(jù)記錄中找出符合條件的歷史數(shù)據(jù)，并以曲線的形式顯示。

顯控模塊的LCD屏是人機交互的顯示界面，實時顯示傳感器信息，預(yù)警、報警信息，參數(shù)信息；顯控模塊的鍵盤是人機交互的輸入設(shè)備，選擇顯示界面，輸入?yún)?shù)。

各種傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)以4mA～20mA的電流信號傳入信號轉(zhuǎn)換模塊，信號轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成CAN數(shù)據(jù)通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳給顯控模塊，顯控模塊對輸入數(shù)據(jù)進行處理，判定是否達到預(yù)報警和報警狀態(tài)。報警時，輸出開關(guān)量信息驅(qū)動蜂鳴器和指示燈。

3．3人機界面設(shè)計

整個界面分成兩個區(qū)域，即實時信息顯示區(qū)域、報警信息提示區(qū)域。實時信息顯示區(qū)域可呈現(xiàn)主界面、余氯歷史曲線、濁度歷史曲線、TDS歷史曲線、報警列表和系統(tǒng)設(shè)置共四種類型界面。報警信息提示區(qū)域顯示當前最新2條報警信息。通過顯控模塊功能按鍵實現(xiàn)顯示屏上界面的切換。

圖9　淡化水質(zhì)監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)流圖

主界面實時顯示各淡水艙余氯數(shù)值、濁度數(shù)值和TDS數(shù)值,當有數(shù)值越限時，報警燈亮提示。數(shù)值正常：灰色；數(shù)值超預(yù)警限值：桔色；數(shù)值超報警限值：紅色（報警閃爍、應(yīng)答消閃）。報警信息提示區(qū)域：以紅色字符實時顯示當前最新2條報警信息，消警后以黑色字符顯示。

4　結(jié)束語

綜上所述，淡化水質(zhì)監(jiān)測裝置是針對艦船淡水艙飲用水余氯、濁度和TDS水質(zhì)指標和液位監(jiān)測，從而實現(xiàn)了對艦船淡水艙生活飲用水水質(zhì)三參數(shù)指標在線檢測，為定期維護艦船生活飲用水提供了方便，從而確保艦船生活飲用水安全，提高了艦船生活飲用水水質(zhì)保障。

參考文獻

［1］ 丁冰權(quán),秦思昌,陶永華等.艦艇水艙飲用水水質(zhì)調(diào)查［J］.海軍醫(yī)學(xué)雜志,2001年6月, 22（2）:175-177.

［2］ 趙志高,楊建民,王磊等.2010年海軍某部飲用水水質(zhì)情況調(diào)查分析［J］. 海軍醫(yī)學(xué)雜志,2011年7月, 32（4）:240-241.

［3］丁冰泉,黃富民,伍俊榮等.艦船飲用水消毒發(fā)展趨勢探討［J］.中國水運,2012年6月, 12（6）:139-140.