船用液位測量和閥門控制實(shí)驗系統(tǒng)的設(shè)計

張磊 毛偉華

摘要：保持船舶的平穩(wěn)是船舶運(yùn)行的首要所在，實(shí)際是通過前后、左右的壓載艙注水排水補(bǔ)償船舶重心偏移以實(shí)現(xiàn)船舶平衡。為此，需要研究開發(fā)壓載艙的液位測量和控制。本文設(shè)計了一套能夠模擬有關(guān)液位測量和閥門控制的實(shí)驗系統(tǒng)，利用液位傳感器對模擬的壓載艙及船舶四角吃水進(jìn)行了信號采集，通過PLC實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)的通信和對閥門的控制，利用組態(tài)軟件開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)控界面，通過界面可實(shí)時監(jiān)測液位和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，模擬船舶裝卸貨的過程，控制閥門和泵，調(diào)節(jié)液位。

關(guān)鍵詞：液位測量;PLC;實(shí)時數(shù)據(jù)

1 緒論

船舶的液位測量在保持船舶的平穩(wěn)、船舶吃水、貨油艙油位測量等方面舉足輕重，為此很多企業(yè)研究機(jī)構(gòu)對液位測量進(jìn)行了研究與開發(fā)，比如挪威的KMSS公司、英國的Transas公司和丹麥的DAMCOS公司。國外的技術(shù)雖然先進(jìn)，然而國內(nèi)近些年的研究已初見成效，該系統(tǒng)一直依賴進(jìn)口的局面已經(jīng)被漸漸打破，大大地填補(bǔ)了國內(nèi)這方面的空白。華東理工大學(xué)結(jié)合高精度液位測量技術(shù)研究了卡爾曼濾波在儲罐液位監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用;江蘇大學(xué)基于WebAccess對船舶液位遙測系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計;上海交通大學(xué)則另辟蹊徑，研究液貨船上的閥門遙控和液位遙測系統(tǒng)，并取得了可喜的成果。

本文根據(jù)船舶平衡的要求，設(shè)計了一個模擬船舶壓載艙液位測量與控制的實(shí)驗裝置?？傮w目標(biāo)如下，采用PLC作為下位機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通信，結(jié)合測得的液位數(shù)據(jù)，根據(jù)不同艙的液位高低以及船舶的平衡指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對閥門的控制。通過對上位機(jī)組態(tài)王軟件的開發(fā)，以及上位機(jī)、下位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)液位顯示和對閥門的控制。除此之外，上位軟件還具備報警與液位信息記錄功能，以便后期的維護(hù)。

2 系統(tǒng)測控硬件設(shè)計

船舶在裝卸貨過程中，船上貨物載重量的變化會使其吃水深度或前后左右發(fā)生變化，嚴(yán)重影響船舶的平衡性;船舶的海上航行，平衡也有嚴(yán)格的要求。一般船舶設(shè)計了壓載水艙以控制船舶吃水深度與平衡。壓載水艙分布在艏尖艙、艉尖艙、雙層底艙、舷側(cè)邊艙或深水艙內(nèi)。船舶的壓載水系統(tǒng)通過壓載泵吸入或排出艙內(nèi)的水，使船舶保持平衡。船舶左側(cè)失壓時，船舶向右側(cè)傾斜，這時，向船舶左側(cè)壓載艙內(nèi)注水，船舶就會漸漸恢復(fù)平衡。

然而實(shí)際的壓載艙液位測量和控制規(guī)模很龐大，直接開展有關(guān)研究風(fēng)險高、成本大，為此，本文設(shè)計了一套能夠模擬有關(guān)液位測量和閥門控制的實(shí)驗系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計與原理

本實(shí)驗系統(tǒng)由液位測量子系統(tǒng)、閥門控制子系統(tǒng)、異常報警子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)組成。

液位測量系統(tǒng)是通過壓力、溫度等傳感器實(shí)時獲取貨油艙和壓載艙內(nèi)的壓力、溫度、液位等數(shù)據(jù)。在本小型實(shí)驗系統(tǒng)中，用水箱進(jìn)行模擬，中間的小水箱一分為二，模擬左右兩個壓載艙，外面的大水箱則模擬大海的環(huán)境.在兩個模擬壓載艙中放一個液位傳感器，傳感器采取投入式的安裝方式。在其將液位值轉(zhuǎn)換為壓力值后，然后通過相應(yīng)的總線將壓力值轉(zhuǎn)化為4mA～20mA的輸出電信號，通過使用卡爾曼濾波設(shè)定的篩選信號程序，將誤差較大的跳變信號以及一些噪聲信號篩除，再送入對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集模塊，在數(shù)據(jù)采集模塊里經(jīng)過變換后輸出，輸出的數(shù)字量信號通過TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信，在控制器對信息進(jìn)行計算、分析、處理后，顯示在人機(jī)交互界面上，用戶則可以在界面上監(jiān)察各個壓載艙的液位值及報警狀態(tài)。

實(shí)際船舶中的吃水測量是將傳感器分別安裝在船底部，位于船中部壓載泵艙的左舷和右舷、船艏、船艉。本實(shí)驗裝置只進(jìn)行四角吃水的測量，將液位傳感器安裝在小水箱外側(cè)的前后左右部位。用戶可以在人機(jī)交互界面上查看四角吃水的狀態(tài)以及船舶橫縱傾的狀態(tài)，一旦報警系統(tǒng)響起，可以及時調(diào)整。

閥門控制系統(tǒng)由閥門和水泵組成，通過設(shè)計的軟件實(shí)現(xiàn)對閥門的控制。閥門控制系統(tǒng)與液位測量系統(tǒng)結(jié)合使用，用戶在組態(tài)界面上可結(jié)合相關(guān)的壓力、液位等參數(shù)控制閥的開、關(guān)以及閥門的開度，從而達(dá)到控制壓載艙水的目的。

2.2 閥門單元及傳感器單元

本實(shí)驗中閥門控制系統(tǒng)的閥主要采用的是開關(guān)閥和比例閥。比例閥用于調(diào)節(jié)開度，調(diào)節(jié)管道中的流量，比例閥一般是由閥門主體和執(zhí)行器組成，安裝在需要控制管道流量的管路上。

本實(shí)驗裝置中的液位測量系統(tǒng)的傳感器單元部分用來模擬測量貨油艙、壓載艙等艙內(nèi)的液位、溫度以及吃水信號，主要采用的設(shè)備有壓力傳感器、溫度傳感器以及液位開關(guān)等，這些傳感器主要在傳感器層。

壓力傳感器的使用在船舶上是相當(dāng)廣泛的，本系統(tǒng)選擇霍力柯爾HPT604壓力式液位傳感器，具有24V的直流電壓，420mA的輸出電流，可用于測量01m的液位;且體積較小、重量較輕，還有良好的穩(wěn)定性、耐腐蝕性、遲滯性以及線性等。其采用了所測得的液體靜壓和該液體的高度成比例的原理。液位傳感器的正極通過接線端子與PLC的供電端相連，負(fù)極與PLC模擬量輸入模塊的端口相連，實(shí)現(xiàn)PLC對液位信號的處理。

2.3 中間控制模塊

本系統(tǒng)選擇西門子S71200系列PLC及其相應(yīng)的擴(kuò)展模塊作為中間控制模塊，進(jìn)行信號的采集與控制，此控制模塊在實(shí)時采集數(shù)據(jù)方面性能十分的優(yōu)越，并且采用循環(huán)嵌套模式，能夠滿足各種自動化要求，對于船舶上的液位遙測和閥門遙控系統(tǒng)十分適用。

本系統(tǒng)采用主站PLC與從站PLC的布置方式，本控制模塊采用了兩臺PLC，兩臺PLC是模擬實(shí)際的船舶一般需要多臺PLC進(jìn)行聯(lián)合控制的情況。PLC主站通過交換機(jī)與監(jiān)控機(jī)進(jìn)行通信，主站與從站之間采用TCP/IP進(jìn)行通信，從站的數(shù)字量輸入/輸出模塊用來采集閥門的開關(guān)狀態(tài)、泵的運(yùn)行狀態(tài)以及液位信號。模擬量輸入模塊對各個艙的液位、溫度以及泵的進(jìn)出口壓力的模擬信號進(jìn)行采集;數(shù)字輸出控制繼電器對閥門進(jìn)行遙控，如圖2所示：

3 PLC程序的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

編程軟件采用西門子公司開發(fā)的高集成度工程組態(tài)系統(tǒng)STMATIC STEP 7 Basic，來用于S71200軟件的開發(fā)，STEP 7 Basic的操作直觀、使用方便、上手簡單，可通過人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)模塊化、分層設(shè)計。

在軟件中編寫程序，使得由電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的數(shù)字量經(jīng)過編譯的一系列指令轉(zhuǎn)換為所需的液位值并存儲在寄存器MD30和MD70中。

本模擬裝置中的兩臺PLC通過交換機(jī)與PC機(jī)連接，兩臺PLC需要通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。兩臺PLC之間傳輸數(shù)據(jù)需要通過通信指令TSEND_C和TRCV_C，一臺PLC調(diào)用TSEND_C發(fā)送數(shù)據(jù)，另一臺調(diào)用TRCV_C接收數(shù)據(jù)。只能在程序循環(huán)OB中調(diào)用這兩個指令。打開編程軟件創(chuàng)建新項目，將兩臺PLC和PC機(jī)連接到以太網(wǎng)設(shè)備中，設(shè)置IP地址和子網(wǎng)掩碼，在MBO中定義時鐘位。在發(fā)送站PLC_1的項目樹中添加以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)指令TSEND_C，生成背景數(shù)據(jù)塊;在接收站PLC_2的項目樹中添加以太網(wǎng)讀取數(shù)據(jù)指令TRCV_C，生成背景數(shù)據(jù)塊。

上位機(jī)和下位機(jī)之間通過基于以太網(wǎng)卡的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。

有關(guān)軟件流程如圖3。同時，上位機(jī)將顯示以及存儲采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)，并將執(zhí)行情況反饋到人機(jī)交互界面上。

上位機(jī)軟件主要提供船舶壓載艙的實(shí)時參數(shù)供用戶查看，從而對系統(tǒng)進(jìn)行操作，也可簡稱其為監(jiān)控軟件。監(jiān)控軟件可全面監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)，用戶可通過人機(jī)交互界面對下位機(jī)發(fā)出執(zhí)行指令控制設(shè)備的運(yùn)行。

4 裝置運(yùn)行結(jié)果

在設(shè)計開發(fā)完成后，對本實(shí)驗裝置進(jìn)行調(diào)試與改進(jìn)，保證閥門和泵的正常運(yùn)行，壓力傳感器能夠精確的測得液位。首先，設(shè)定每個艙的標(biāo)準(zhǔn)水位，模擬船在平穩(wěn)行駛過程中的狀態(tài)，此時，閥門與泵處于關(guān)閉狀態(tài)。如果船舶右側(cè)的貨艙裝進(jìn)了貨物，為了保持船舶的平衡，需往左側(cè)的壓載艙進(jìn)行壓水，根據(jù)組態(tài)界面顯示的液位值對左側(cè)壓載艙的液位進(jìn)行設(shè)定;然后打開閥門和泵，當(dāng)液位達(dá)到設(shè)定值時，泵停止進(jìn)水。圖4即上位機(jī)監(jiān)控畫面。

本模擬裝置在水管的結(jié)構(gòu)設(shè)計里最初采用了總管式的設(shè)計方案，在測試的過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)水流流過左側(cè)閥門時，壓力過但大，造成了泄露的現(xiàn)象，右側(cè)艙室進(jìn)水緩慢。因此為了減小左側(cè)閥門處的壓力，將結(jié)構(gòu)改為了支管式分布，結(jié)構(gòu)改造后，左右兩個艙室進(jìn)水速度一致，系統(tǒng)穩(wěn)定性提升。

5 總結(jié)

本文分析了船舶壓載艙液位測量與控制實(shí)現(xiàn)船舶平衡的原理，設(shè)計了一套模擬的液位測量與閥門控制實(shí)驗系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)，通過對閥門的控制實(shí)現(xiàn)對各個艙位液位的有效調(diào)節(jié)，成功模擬了壓載艙的液位測量，以及給定液位的控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]薛愛麗.“海洋石油201”的壓載控制和液位遙測系統(tǒng)介紹[J].船海工程，2012，41（02）：8487.

項目：江蘇省產(chǎn)學(xué)研合作項目，編號：BY2018208，橫向課題：復(fù)合型船用液位遙測與閥門遙控系統(tǒng)的研發(fā)