500 t油船高精度計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫向勇

(江蘇鎮(zhèn)揚(yáng)汽渡有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

貨油計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)是油船自動(dòng)化系統(tǒng)中的核心部分，對(duì)于油船的安全性和可靠性起著非常重要的作用。目前，國(guó)內(nèi)貨油計(jì)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算和顯示等基本功能，但該系統(tǒng)是基于靜態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)量的，通常由各種開(kāi)關(guān)、指示燈及指示儀表等構(gòu)成的模擬控制屏進(jìn)行監(jiān)控。此方式完全由人工操作,存在著監(jiān)控功能單一、信息量小、統(tǒng)計(jì)計(jì)算的工作量大且容易出現(xiàn)誤差等問(wèn)題。而船舶貨油計(jì)量是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此如何在動(dòng)態(tài)過(guò)程中提高測(cè)量精度、減小測(cè)量誤差值得研究。

為此，本文以中國(guó)船級(jí)社發(fā)布的《智能船舶規(guī)范》(2020)和《船舶(油船)智能貨物管理檢驗(yàn)指南》(2018)為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)某500 t油船的貨油智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠通過(guò)采集、分析、判斷貨油智能監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)貨油系統(tǒng)的仿真模擬顯示、故障報(bào)警、進(jìn)油供油的計(jì)量統(tǒng)計(jì)和報(bào)表存儲(chǔ)等功能，一定程度上避免因人為疏忽和操作失誤所導(dǎo)致的事故和統(tǒng)計(jì)誤差。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

某500 t油船高精度貨油計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備主要包括：貨油艙、貨油艙管路、貨油泵、管路閥門、各類傳感器和其他輔助設(shè)備等。某500 t油船貨油控制的管路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 進(jìn)油供油管路結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)設(shè)備配置

500 t油船共有6個(gè)貨油艙，每個(gè)貨油艙各配有1個(gè)開(kāi)關(guān)閥和1個(gè)掃油閥；進(jìn)油管路和出油管路各配有1個(gè)流量計(jì)和開(kāi)關(guān)總閥；流量計(jì)的進(jìn)口和出口各配有1個(gè)開(kāi)關(guān)閥，同時(shí)還配有1個(gè)旁通閥；在出油管路中裝配有1個(gè)貨油泵，在貨油泵的進(jìn)口和出口各配有1個(gè)開(kāi)關(guān)閥。除圖中顯示的設(shè)備外，貨油艙還配有雷達(dá)液位計(jì)、溫度傳感器和超高液位傳感器。

1.2 油艙液位計(jì)的選型配置

貨油計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)中，貨油艙的液位是核心參數(shù)。根據(jù)測(cè)量的液位，結(jié)合艙容表推算出貨油容積，最后再根據(jù)貨油密度計(jì)算出貨油噸位。因此，液位計(jì)測(cè)量的穩(wěn)定性、精度和安全性是液位計(jì)選型的主要指標(biāo)。本文選用羅斯蒙特5408系列非接觸式雷達(dá)液位變送器，測(cè)量液位精度在±2 mm以內(nèi)。

根據(jù)500 t油船的艙容表，±2 mm液位精度對(duì)應(yīng)的最大艙容為0.067 82 m，6個(gè)貨油艙的最小容積為109.762 m，因此誤差為0.618‰。根據(jù)500 t油船的技術(shù)規(guī)格要求，計(jì)量誤差最高上限為3‰，雷達(dá)液位計(jì)選型完全符合要求。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

貨油計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。下位機(jī)控制器采用S7-1200PLC，主要進(jìn)行設(shè)備控制和數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)包括1臺(tái)泵、24個(gè)開(kāi)關(guān)閥、6個(gè)雷達(dá)液位計(jì)、2臺(tái)流量計(jì)、6個(gè)超高液位傳感器及6個(gè)溫度傳感器等。整個(gè)系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信效率、可靠性、維護(hù)性及實(shí)現(xiàn)方便程度都比較高。上位機(jī)采用LabVIEW，主要進(jìn)行貨油計(jì)量計(jì)算，并顯示貨油系統(tǒng)所有設(shè)備及管路的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)。該軟件屬于高級(jí)語(yǔ)言，編程方便，調(diào)試周期短，效率高。數(shù)據(jù)庫(kù)采用開(kāi)源的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行進(jìn)油和加油數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)統(tǒng)計(jì)，包括事件和報(bào)警數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

圖2 貨油計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 油艙液位測(cè)量修正

2.1 橫縱傾修正

由于管路或結(jié)構(gòu)的影響，雷達(dá)液位計(jì)很難安裝在貨油艙的重心位置，因此船舶在有橫縱傾時(shí)實(shí)際測(cè)得的液位需要進(jìn)行修正。

船舶橫傾截面圖見(jiàn)圖3。圖中：為橫傾角度，通過(guò)傳感器測(cè)得，船往左傾時(shí)<0；船往右傾時(shí)>0；為具體油艙的重心與雷達(dá)液位計(jì)安裝位置的橫向距離，通過(guò)實(shí)船測(cè)得；船舶在發(fā)生橫傾時(shí)，實(shí)際測(cè)得的液位是，而實(shí)際的液位是，它們之間的高度差為，即為修正的高度。具體計(jì)算公式如下：

圖3 船舶橫傾截面圖

=+

(1)

=tan

(2)

船舶縱傾截面圖見(jiàn)圖4。圖中：為橫傾角度，通過(guò)傳感器測(cè)得；船往后傾時(shí)<0，船往前傾時(shí)>0。船舶在發(fā)生縱傾時(shí)，實(shí)際測(cè)得的液位是，而實(shí)際的液位是，它們之間的高度差為，即為修正的高度。具體計(jì)算公式如下：

圖4 船舶縱傾截面圖

=+

(3)

=tan

(4)

船舶在航行或靠岸時(shí)，橫傾和縱傾都有，因此橫縱傾修正公式如下：

=+tan+tan

(5)

式中：為修正后的液位；為實(shí)測(cè)的液位，==。

2.2 液面波動(dòng)修正

油船在航行或停泊過(guò)程中，液面會(huì)受波浪和風(fēng)力的影響。波浪和風(fēng)力對(duì)液面波動(dòng)的影響都是平緩周期變化的，周期隨著波浪和風(fēng)力的大小不停變化，即對(duì)液位的影響是平緩且隨機(jī)的。本文采用遞推濾波方法對(duì)液面波動(dòng)進(jìn)行修正，它對(duì)隨機(jī)的周期干擾有很好的抑制作用，平滑度高，但是不易消除脈沖干擾，靈敏度低。而油船的液面不會(huì)有突然的階躍變化，同時(shí)其測(cè)量的實(shí)時(shí)性要求不高，因此遞推平均濾波方法非常適用于液貨船的液面測(cè)量。

建立一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，依次存放次采樣數(shù)據(jù)。每采進(jìn)一個(gè)新數(shù)據(jù)，就將最早采集的數(shù)據(jù)去掉，再求出當(dāng)前緩沖區(qū)中的個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。因此，每采樣一次就可得到一個(gè)平均值，大大加快了數(shù)據(jù)處理的能力。具體算式如下：

(6)

式中：為第次采樣濾波后的輸出值；-為遞推平均的數(shù)據(jù)。

3 進(jìn)油計(jì)量及顯示

進(jìn)油控制流程見(jiàn)圖5。

圖5 進(jìn)油控制流程圖

當(dāng)進(jìn)油管路的閥門全部打開(kāi)，控制顯示界面顯示“進(jìn)油就緒”，填入加油站點(diǎn)提供的貨油油品密度后，即可以開(kāi)始進(jìn)油。

進(jìn)油管路閥門都打開(kāi)，通過(guò)顏色變化區(qū)別閥門和管路的通斷。在此基礎(chǔ)上區(qū)分具體哪幾個(gè)貨油艙在進(jìn)油，并顯示該貨油艙的液位、計(jì)量艙容及噸數(shù)。同時(shí)通過(guò)流量計(jì)顯示進(jìn)油的實(shí)時(shí)流量，并以此進(jìn)行進(jìn)油油量噸數(shù)計(jì)量。當(dāng)6個(gè)貨油艙到達(dá)油艙高位限位時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警提示，加油結(jié)束。

4 供油計(jì)量及顯示

供油控制流程見(jiàn)圖6。

圖6 供油控制流程圖

在貨油船對(duì)汽渡船供油之前，需要確保供油管路上的所有閥門是打開(kāi)的。和進(jìn)油管路一樣，通過(guò)顏色區(qū)分閥門和管路的通斷。

貨油在不同環(huán)境下，其密度會(huì)有差別。本文在保證液位測(cè)量的高精準(zhǔn)度的前提下，采用貨油噸數(shù)閉環(huán)原則，對(duì)貨油的密度進(jìn)行自動(dòng)測(cè)算。記錄保存每次進(jìn)油或供油后的加油量，并根據(jù)供油之前的實(shí)時(shí)艙容，推算出當(dāng)前實(shí)時(shí)密度。實(shí)船密度計(jì)算見(jiàn)表1，計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際油品密度。

表1 實(shí)船供油時(shí)密度計(jì)算

輸入具體的供油量之后，在界面中進(jìn)行“開(kāi)泵”操作，系統(tǒng)通過(guò)流量計(jì)自動(dòng)計(jì)量此次供油量，供油完成后，自動(dòng)“停泵”。

5 結(jié)論

船舶貨油計(jì)量過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，需要實(shí)時(shí)考慮船舶橫縱傾和波浪晃動(dòng)的影響。本文采用以下方法提高貨油計(jì)量的精度：

(1)通過(guò)船舶貨油艙重心點(diǎn)、液位計(jì)測(cè)量點(diǎn)結(jié)合船舶橫縱傾角度對(duì)油位進(jìn)行修正。

(2)通過(guò)遞推平均濾波算法減小波浪晃動(dòng)對(duì)油位的擾動(dòng)。

(3)通過(guò)貨油質(zhì)量閉環(huán)，推導(dǎo)出油品密度。

貨油計(jì)量系統(tǒng)實(shí)船應(yīng)用結(jié)果表明：進(jìn)油供油的計(jì)量誤差都在3‰以內(nèi)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。因此本文所設(shè)計(jì)的高精度計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)是有效可行的。