木質(zhì)漁船機(jī)艙水位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(北海職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，廣西 北海 536000)

我國擁有海洋漁船30多萬艘，從造船材質(zhì)來分，主要有三大類：鋼質(zhì)漁船、木質(zhì)漁船和玻璃鋼漁船。筆者曾經(jīng)調(diào)查北海地區(qū)、湛江、陽江、海南等地漁船情況，結(jié)果顯示，以上地區(qū)木質(zhì)漁船占據(jù)的分量很大，陽江和湛江占總量的70%以上，北海和海南占80%左右，且船齡10年以上的木船居多。木質(zhì)漁船舵軸與軸孔間的間隙不好控制，加上本身的材料特性、制造工藝，以及年久失修等原因，機(jī)艙會出現(xiàn)滲水、漏水現(xiàn)象，使用時(shí)間越久滲漏就越嚴(yán)重。及時(shí)排掉機(jī)艙的積水，是保護(hù)漁船機(jī)艙機(jī)器設(shè)備的唯一途徑，也是保證人員和漁船安全航行的前提。目前，常采取的措施是：安裝排水泵，人工定期給機(jī)艙抽排積水；偶有漁船安裝有浮子式自動(dòng)排水裝置，或者是采用水位傳感器，實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)的功能。由于機(jī)艙和普通水箱對水位要求不同，而浮子式排水系統(tǒng)對水位的深度有一定要求，由于技術(shù)的限制效果都不理想[1-2]。目前，在以上地區(qū)，對木質(zhì)漁船的機(jī)艙水位實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控還是一個(gè)空白狀態(tài)。人工監(jiān)控排水需要很強(qiáng)的責(zé)任心，更需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，可操作性和可靠性都不高，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控排水，是解決安全隱患的最佳辦法。

1 機(jī)艙水位監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成，見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

投入式液位傳感器安裝在機(jī)艙底部，隨著機(jī)艙水位的升高，擴(kuò)散硅壓力傳感器的電壓信號也隨之增大，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換以后輸送到微控制器，經(jīng)過微控制器計(jì)算處理后獲得數(shù)字化的水位信息，再通過485總線輸送給控制主機(jī)。

控制主機(jī)經(jīng)過485總線接口接收到來自投入式液位傳感器的液位信息，并將液位信息通過顯示單元顯示，同時(shí)以聲音的形式報(bào)告出來。鍵盤用于設(shè)定排水液位的上限、下限以及其他控制設(shè)定，當(dāng)水位達(dá)到排水上限時(shí)，控制主機(jī)通過水泵驅(qū)動(dòng)電路啟動(dòng)水泵進(jìn)行排水，當(dāng)水位下降到排水下限時(shí)，水泵停止工作。

1.2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

1.2.1 投入式液位傳感器

機(jī)艙水位的測量選用投入式液位傳感器，該傳感器由不銹鋼外殼和QX19壓力傳感器構(gòu)成，利用壓阻效應(yīng)原理，經(jīng)過離子注入工藝和微機(jī)械加工工藝，制成的集力敏與力電轉(zhuǎn)換檢測于一體的硅敏感元件[3]。擴(kuò)散硅壓力傳感器的壓力直接作用于傳感器的不銹鋼膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測量信號[4]。

投入式液位傳感器使用前需要進(jìn)行預(yù)標(biāo)定設(shè)置，見圖2。分別選擇已知液位深度h1和h2，測得V1和V2，再結(jié)合圖3，推導(dǎo)得出液位深度hx為

(1)

式中：Vx為實(shí)時(shí)測量電壓值。

圖2 液位高度與電壓的標(biāo)定

當(dāng)有海水滲漏進(jìn)來水位隨即發(fā)生變化，壓力傳感器輸出的電壓信號隨之產(chǎn)生變化，電壓信號經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換后，輸送給微控制器。微控制器選用STM32F103，根據(jù)式(1)推算出水位的高度，經(jīng)過485總線接口傳輸?shù)街鳈C(jī)，主機(jī)收到信號后，在顯示屏上顯示水位的數(shù)值。

圖3 電壓和液位高度關(guān)系示意

A/D轉(zhuǎn)換電路選用TM7711芯片，該芯片是全差分模擬輸入，可以直接接受來自擴(kuò)散硅壓力傳感器的低電平輸入信號，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出。同時(shí)，芯片只需 2.6～5.5 V單電源供電，且具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以降低系統(tǒng)的整機(jī)成本，提高整機(jī)系統(tǒng)的性能和可靠性。其應(yīng)用電路見圖4。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路

1.2.2 控制主機(jī)

控制主機(jī)的CPU采用STM32F103，STM32F系列屬于中低端的32位ARM微控制器，其內(nèi)核是Cortex-M3[5]。該系列芯片配置形式多樣、外設(shè)豐富，集成定時(shí)器、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART等多種功能。

整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)安裝位置分為機(jī)艙部分和駕駛室部分，其中，投入式液位傳感器和水泵安裝在漁船的機(jī)艙底部，主機(jī)則安裝在駕駛室，兩者距離少則幾十米多則上百米。主機(jī)設(shè)置有485通信接收端口，液位傳感器所采集到的數(shù)據(jù)通過485總線傳送到主機(jī)。485通信具有通信距離遠(yuǎn)、電路結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于該場合[6-9]。485接口電路見圖5。

圖5 485接口電路

數(shù)據(jù)顯示單元采用12864液晶顯示屏，可以顯示機(jī)艙水位、工作狀態(tài)、設(shè)置菜單等信息。輸入鍵盤是人機(jī)交互的通道，用于設(shè)置操作流程和設(shè)置排水區(qū)間等信息。音頻驅(qū)動(dòng)為系統(tǒng)增加語音輸出功能，是數(shù)據(jù)顯示的有效補(bǔ)充，讓整個(gè)系統(tǒng)更加人性化。系統(tǒng)工作電源將220 V的交流電轉(zhuǎn)換為3.3 V和12 V直流電，其中，3.3 V給MCU、液晶屏和通信電路使用，12 V給音頻驅(qū)動(dòng)電路供電。

水泵驅(qū)動(dòng)電路見圖6，MCU給RLY輸送高電平，三極管Q1導(dǎo)通，繼電器RL1吸合，啟動(dòng)離心泵；當(dāng)MCU給RLY輸送低電平，三極管Q1截至，繼電器RL1斷開，離心泵停止工作。

圖6 水泵驅(qū)動(dòng)電路

1.2.3 泵的選擇

優(yōu)先選用大排量且具有自吸功能的離心泵，結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)、性價(jià)比高。也可以由用戶根據(jù)漁船機(jī)艙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)自行選用潛水泵。海水的腐蝕性很強(qiáng)，無論選擇何種泵，材質(zhì)都應(yīng)選用不銹鋼為佳。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主機(jī)不斷讀取來自液位傳感器的液位數(shù)據(jù)，當(dāng)液位大于排水上限時(shí)，啟動(dòng)水泵同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器；當(dāng)液位小于排水下限時(shí)停止水泵同時(shí)停止計(jì)時(shí)器。在啟動(dòng)排水期間，每隔1 min進(jìn)行液位比較，如果液位沒有發(fā)生現(xiàn)變化，則可以判定排水出現(xiàn)故障，系統(tǒng)發(fā)出語音報(bào)警，提示人工及時(shí)排障[10]。排水區(qū)間是根據(jù)漁船實(shí)際情況設(shè)置，最低水位的設(shè)定需要考慮避免離心泵吸空的問題。為了防止機(jī)艙水位過高，設(shè)置有高水位報(bào)警功能，提供雙重保障。系統(tǒng)程序流程圖見圖7。

圖7 程序流程

3 現(xiàn)場試驗(yàn)與分析

3.1 現(xiàn)場試驗(yàn)

以“桂合漁23009”為例，該船為典型的木質(zhì)漁船，船長26 m，103 kW(140 HP)，船齡13年，機(jī)艙滲漏程度中等，原來安裝有潛水泵可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)抽水。試驗(yàn)選用光泉牌全不銹鋼潛水泵，型號VN250，功率250 W，揚(yáng)程7 m，流量150 L/min；水位測量采用帶不銹鋼外殼的QX19壓力傳感器, 它是一款壓阻式擴(kuò)散硅傳感器。所有水位數(shù)據(jù)均在潛水泵吸口直徑30 cm范圍內(nèi)測量，測試前先手動(dòng)排除機(jī)艙水，使水位低于5 cm。第一次測試設(shè)置上、下限水位分別為25 cm和5 cm。間隔2 h后進(jìn)行第二次測試，設(shè)置上限水位35 cm，下限水位10 cm，測試結(jié)果見表1。

表1 桂合漁23009機(jī)艙水位測試情況表

表2 故障測試

3.2 測試分析

試驗(yàn)主要的目的是檢驗(yàn)水位自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和精確性。根據(jù)船舶滲漏情況和機(jī)艙結(jié)構(gòu)，設(shè)置水位監(jiān)測的最高水位和最低水位，模擬人工排水習(xí)慣，由液位傳感器檢測到機(jī)艙水位并把液位信息輸送給MCU，由MCU控制水泵進(jìn)行自動(dòng)排水。2次測試，每次設(shè)置的排水上下限不一樣，均能按預(yù)定設(shè)置排水，開放性的設(shè)置功能，提高了系統(tǒng)的適用性。測試結(jié)果見表2。

4 結(jié)論

未采用本系統(tǒng)之前，“桂合漁23009”需要1 h人工排水1次，經(jīng)常因?yàn)檫z忘造成不同程度的損失。本系統(tǒng)的應(yīng)用能在駕駛艙內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測到機(jī)艙水位的情況，駕駛員根據(jù)漁船機(jī)艙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)置排水上下限即可，當(dāng)水位達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的閥值時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)水泵進(jìn)行自動(dòng)排水。系統(tǒng)設(shè)置有故障報(bào)警功能，當(dāng)水泵出現(xiàn)故障或排水發(fā)生異常時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)，避免水位過高燒毀柴油機(jī)等機(jī)艙設(shè)備。因機(jī)艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅靠水位傳感器測量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要把可視化擴(kuò)展到本系統(tǒng)中，進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性。