便携式船舶液舱容积查询系统的设计

赵立峰 高 敏 董作人

（1.上海船舶研究设计院，上海 201203；2.中科院上海光机所，上海 201800）

0 前言

我国目前主要按油品的质量进行贸易结算，油轮装卸液货产品时都要对液货计量舱内的散装液体产品进行视密度、视温度以及舱内液高计量，再按GB/T 1885—1998《石油计量表》和《液舱容积表》进行换算后得出贸易交接的质量。每次贸易交接都需对十多个液货计量舱的容量进行查表计算，其中还涉及纵倾修正、高度容量内插等。由于计算步骤的繁琐，查表内容多等往往容易引起错误，故计量人员使用极为不便。本文介绍的船舶液舱容积查询系统可以实现在输入相关的计量值后，系统自动显示液舱的液货质量和容积，克服了人工查表带来的种种不便和可能产生的错误。

1 功能介绍

一般船舶液舱内油品体积和质量计算过程如下：

1）根据在液舱量油管测得液面高度值，并根据船舶浮态计算出船舶纵倾值后，用液舱容积表查得在t温度下船舱油品体积；

2）根据在t温度下测得的液舱油品视温度和视密度查得标准密度；

3）根据标准密度和计量温度t查得标准体积修正系数；

4）根据标准温度、标准密度、标准体积修正系数、t温度下船舱油品体积直接计算质量

式中：m——油品在空气中的质量；

ρ20——油品20°时的标准密度；

KVCF20——油品20°时的体积修正系数；

Vt——油品在计量温度t时的体积；

（注：0.0011为空气浮力修正系数。）

根据以上步骤，船舶液舱油品容积（质量）查询系统需要实现：船舶名称、船舶液舱号、空高、纵倾值、视温度和视密度等信息输入后，系统对数据库进行自动查询，并显示和存储油品的容积和质量，相应的在硬件上有五个功能按键和一个备用按键：空高（液高测量）、查询（数据库查询）、存储（油品信息存储）、舱号、浏览（软件界面切换）。

2 系统总体

便携式船舶液舱容积查询系统由液位测量传感头和嵌入式计算机管理系统组成。

液位测量传感头主要实现液面与上计量点基准之间的距离（高度）测量。它可由激光液位测量头或由人工输入液位值至系统来实现。嵌入式计算机管理系统实现油品信息的数据库管理，控制液位测量传感头的工作，以及键盘输入、数据显示、数据管理等。嵌入式计算机管理系统和液位测量传感头之间是主从式控制关系，嵌入式计算机管理系统为主控器（Master），液位测量传感头为从控制器（Slave），二者的数据传输采用RS-232串行通信方式和Modbus通信协议。

3 硬件系统

船舶液舱容积查询系统由于是在现场使用，在硬件上需要考虑体积小、便于携带以及防爆等，另外，考虑到硬件还需接入液位传感器信号并对其进行相应处理，因此硬件选用了HiTech公司的PWS6500型人机界面数控装置。人机界面（HMI）是一种图形化人机交互平台，其硬件基本结构由触摸屏和嵌入式计算机（如ARM）组成，应用程序可以在图形化组态开发软件环境下进行开发。由于PWS6500不能实现数据库开发，因此采用单独开发嵌入式计算机文件管理系统实现数据存储和数据库管理功能。硬件系统框图如图1所示。

图1 硬件框图

人机界面为主控器，主要是控制液位测量传感头的工作，获得测量数据，并将测量数据传送给嵌入式数据库管理系统，由其完成油品信息的查询和测量数据存储后再在人机界面液晶屏上显示查询结果。

嵌入式数据库管理系统主要实现的功能如下：

1）判别及实现按键的功能；

2）控制、获取和处理激光测距传感头的测量数据；

3）根据人机界面输入的油品检索信息，如舱号、空高、纵倾值、视温度和视密度等信息，对数据库进行查询，根据查询结果，计算得到油品的容积和质量，并将结果存储到SD卡中，便于事后进行数字化管理。

嵌入式数据存储管理系统的硬件结构如图2所示。

图2 嵌入式数据存储管理系统硬件结构图

4 软件部分

整套软件设计主要分为四个部分：人机界面软件、油品信息查询软件、液位测量控制和测量数据处理软件。系统的软件工作流程如图3所示。

图3 装置软件功能结构框图

4.1 人机界面软件设计

在HiTech公司的人机界面HMI-ADP6.02软件环境下，设计了三个界面：液位测量值（界面1）、油品信息数据库（界面2）、数据库查询进程（界面3）。

1）液位测量界面：等待查询接收DSP传送的数据和命令；接收测量数据，显示空高测量值；接收命令。液位测量值界面如图4所示。

图4 液位测量值界面

液位测量控制界面（界面1）软件框图如图5所示。

2）油品信息数据库查询界面（如图6所示）：等待查询接收DSP传送的数据和命令。

数据：显示舱号、纵倾值、空高、视密度、视温度、修正系数、标准密度、液深、容积、质量等。

有如下几种命令：

改变舱号命令：显示修改后的舱号。

数据库查询命令和油品信息存储命令：切换到数据库查询进程界面。

油品信息数据库界面软件框图如图7所示。

图5 人机界面1软件流程图

图6 油品信息数据库查询界面

3）数据库查询进程界面（如图8所示）：等待查询接收DSP传送的命令，时间和日期显示。进程完毕自动返回油品信息数据库查询界面。

4.2 嵌入式数据存储管理系统

1）数据库转换软件。油品信息有三个数据库文件（纵倾值容积表、产品标准密度表、产品体积修正表），数据库类型基本是Access或Excel格式。为了便于DSP软件实现对油品信息的查询和管理，需要将Access数据库文件转换成16进制文本格式文件，TXT文件。

图7 人机界面2软件流程图

图8 数据库查询进程界面

转换后的16进制TXT文件中的纵倾值容积表、油品标准密度表、油品体积修正系数表的格式见表 1、表 2、表 3。

2）DSP（数字信号处理器）软件设计。在CCS3.1编译环境下，设计了系统的DSP软件程序。主要程序有：串行通信，包括与激光液位测距头通信程序和与人机界面的通信程序；SD卡驱动，包括SD卡初始化、SD卡读写；FAT32文件管理软件，包括油品信息数据文件的读取和油品测量结果（如空高、容积和质量）文件的存储操作等；按键判别。DSP软件程序主流程如图9所示。

表1 纵倾值容积表的格式（一个索引为8个字节）

表2 油品标准密度表的格式

表3 油品体积修正系数表的格式（一个索引为8个字节）

图9 DSP主程序总体流程图

5 结语

本文简要介绍了便携式船舶液舱容积查询系统的软硬件设计思路，通过实际应用，证明该系统能减轻现场计量人员的查询计算工作强度，减少查询计算出错的发生，保证了液货交接计算的准确可靠性。