船用油水分离器污水排放自动监管系统设计

林洪贵, 杨国豪, 李 凯

(1.集美大学 轮机学院， 福建 厦门 361021; 2.福建省船舶与海洋工程重点实验室, 福建 厦门 361021)

船用油水分离器污水排放自动监管系统设计

林洪贵1，2, 杨国豪1，2, 李 凯1，2

(1.集美大学 轮机学院， 福建 厦门 361021; 2.福建省船舶与海洋工程重点实验室, 福建 厦门 361021)

为满足国际公约和国内法规对船舶油污水的排放要求，利用红外散射法和无线网络传感器技术，设计出可以在技术手段上保障全面自动监管污水排放符合公约要求，并以单片机为核心控制器的油污水排放监管系统。该系统具有结构简单、运行稳定、可靠性高和自动监管等特点，可实现对污水的含油量、排放速率、排放量的综合控制。

船舶工程;油水分离器；监管系统；红外散射法；无线网络传感器

随着经济全球化不断发展，海上货物运输量不断增加，越来越多的船舶投入营运，对海洋环境造成的污染日益严重。国际上早已有规定，船舶油污水的处理应按照MARPOL 73/78公约附则I的要求进行，外排油污水应执行《船舶污染物排放标准》(GB 3552—1983)；国际航线船舶生活污水应符合MARPOL 73/78公约附则IV的相关要求。国内航线船舶生活污水的处理应按《船舶污染物排放标准》(GB 3552—1983)进行。然而，受船员素质、监管手段、设备等因素影响，船舶油污水排放污染事件时有发生。因此，提出一种应用红外散射法和无线网络传感技术对船舶油污水排放进行监控以及根据公约要求进行排放管理的自动监管系统。

船舶油污水、洗舱水、生活污水均须经过处理才能排放。船用油水分离器是船舶机舱的重要防污染设备，在减轻海洋水域污染方面发挥着重要作用。国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)在1992年3月召开的第32届会议上通过的MARPOL 73/78公约附则I修正案要求：所有新建的400总吨及以上的船舶必须安装油水分离器，并规定舱底水在任何海域排放的含油量应≤0.015‰；对于油船,要求在离最近陆地50 n mile以外航行且航行中的瞬时排放率≤30 L/n mile,在一个压载航次中总排放量不大于载油总容量的1/300 00。[1-3]污水排放自动监管系统是油水分离器的重要组成部分,用于监测与控制排到舷外的污水的含油量、排放速率和排放量。检测含油量的方法主要有红外分光光度法、紫外光光度法、荧光分光光度法以及红外散射法等。其中红外分光光度法的测量准确度高，但存在四氯化碳需精制、试剂需选购、仪表有重现性等问题。油液中含有的共轭体系在紫外光区具有不同的特征吸收峰，用紫外分光光度法测量油液时会存在一定的干扰。荧光分光光度法的测量灵敏度高，但易受环境温度和油的品质的影响，测量误差大。[4-8]相比之下，船上的油水混合液中含油量的检测可以采用红外散射法。因此，利用红外散射法并结合无线网络传感器技术，设计以单片机为核心控制器的污水排放监管系统，实现对污水含油量、排放速率、排放量的综合控制。

1 监管系统的组成

污水排放自动监管系统由红外传感器(发射光和接受光部分)、流量传感器、信号处理单元、单片机系统、蓝牙模块、网络适配器等组成。监管系统整体架构见图1。

图1 污水排放监管系统框图

处于航行状态的船舶要将舱底水排放到舷外时，污水排放自动监管系统利用红外散射法对取样污水的含油量进行检测，达到lt;0.015‰的排放标准后，开启排污电磁阀，污水向舷外排放，流量计记录排放速率。监管系统通过PID(Proportional,Integral and Differential)算法调节电动阀门的开度，控制流量的排放速率。如果污水达不到排放标准，排污电磁阀关闭，污水流回舱底水柜，同时发出声光报警。

监管系统通过无线网络传感器系统读取船舶的GPS(Global Positioning System)定位信号、船速信号等数据，结合计算出的含油量、流量，对排放污水进行综合控制。系统可以对排放污水的时间、含油量、排放速率、排放量等数据进行记录和存储，需要时可供打印，还可与上位机进行通信。

2 含油量测量系统

含油量测量是该系统的核心，设计时利用红外散射法计算污水中的含油量。油类中所含的甲基和亚甲基等官能团在红外波3.4 μm处有强烈的吸收峰，而用作萃取剂的四氯化碳在3.4 μm波长处基本不被吸收。这样可以用四氯化碳萃取分离完的污水，得到抽样油液。含油量测量系统采用2道入射光通道和2个受光传感器，由电子开关选择接收哪路透射光。当入射光1工作时，受光传感器1接收透射光线，受光传感器2接收散射光线；当入射光2工作时，刚好相反。设计2条入射光通道可保证监测结果不受外部环境干扰，提高了测量的准确性。透射光和散射光经信号处理电路进入单片机系统，测量出透射光强度I透和散射光强度I散，再根据瑞利散射和比尔定律得到油液中的含油量P[9]为

(1)

式(1)中：C为常数，由信号处理电路来决定。

红外散射法适于测量两相流体中分散相的浓度，测量范围为0%～2%，尤其在0%～1%范围内，传感器反应灵敏，其应用条件是流体的连续相和分散相介质均对红外光具有弱吸收作用。油水分离器分离出的污水中，油分子以极小的液滴分散于水中，水分子和油分子对红外光的吸收较弱，含油量要求≤0.015‰，因此含油量测量系统可选用红外散射法。

3 无线网络传感器系统

对船舶机舱的电缆进行后续改造是有困难和风险的，且采用有线电缆传输传感器信息会带来很多不便，因此，系统将IEEE 1451标准和蓝牙协议结合，设计无线网络传感器系统。

IEEE 1451标准一直受各国广泛关注。其将智能传感器分成网络适配模块(NCAP)和智能变送器模块(STIM)，其中网路适配模块可将传感器的检测信息传送至上位机或外部控制网络。IEEE 1451标准通过一个电子数据表单TEDS和1个数字型TII接口，使得传感器模块具有即插即用的兼容性。

蓝牙技术是一种低功率的短距离无线通信技术，一般来说，其通信范围为0.1～10 m。如果增强传输功率，则其链接范围可扩展到100 m。运用蓝牙技术，不仅可以简化通信设备之间的通信线路，还可以简化通信设备与因特网(Internet)之间的通信线路，从而提高数据传输效率。

无线集成网络传感器系统由智能变送器模块(STIM)、蓝牙模块和网路适配模块(NCAP)3部分组成。在STIM和蓝牙模块之间是IEEE 1451．2标准定义的数字型TII接口，蓝牙模块通过TII接口与STIM相连。 NCAP与Internet相连，承担传感器信息的通信及远程控制命令的发送和接收任务。这样利用IEEE 1451标准和蓝牙协议，通过STIM，TII接口，蓝牙模块，NACP，可对系统的含油量、排放速率、排放量等数据进行远程监管。系统中加入无线网络传感器的方法也适用于船舶的其他传感器。

4 硬件设计

4.1传感器的选择

监管系统的可靠性、稳定性主要取决于传感器的选择。选择合适的传感器对监管系统十分重要。系统的光源红外发射管选用HIR405型砷化稼(GaAs)发光二极管，受光传感器选用2Cu2硅光敏二极管，流量传感器选用涡街流量传感器。

4.2信号处理单元

传感器获取的信号需经信号处理单元转换为标准电量信号，再经A/D转换电路转换为数字信号传送给单片机系统。红外传感器的信号处理包含发射光和受光2部分电路。为避免干扰信号影响，采用振荡电路将发射光信号调制成频率域信号。发射光信号变成频率域信号后，产生的电信号变为交流信号。这种转换为交流信号的方式不仅可以避免处理微弱直流信号，而且有利于提高系统的稳定性。

受光传感器输出的信号和涡街流量传感器输出的信号经过低噪声放大后,利用窄带滤波器选出，然后进入相敏检测器,进一步抑制噪声,再经过低通滤波把交流电信号变为直流电信号,以便于后续的A/D转换处理。带通滤波后的信号虽然比较干净,但仍存在一定的外界干扰。为提高检测的准确度,系统采用相敏检测器来进一步提高信噪比。相敏检测器拥有良好的窄带选频特性及选相特性，其除了能进一步抑制与有效信号频率不同的噪声干扰之外,还能抑制与有效信号同频率不同相位的信号。相敏检测器的电路结构见图2，其中U1∶1为过零电压比较器,Dl为检波二极管，Q1为晶体三极管电子开关，U1∶2为差动放大器, TLC 2274为四运算放大器。

由三极管的特性知

(2)

差动放大器中输出的信号U0(t)为

(3)

三极管截止时，U1∶2为跟随状态；场效应管导通时，U1∶2为反相状态，取Rf=R4，把式(3)代入式

图2 监控相敏检测电路结构图

(2)可得

(4)

由式(4)知，由相敏检测电路的输出信号Uo(t)可以检测出输入信号Us(t)。

A/D转换电路采用的是AD公司的微转换芯片ADuc812。ADuc812内有一个8051兼容的微处理器，8 000字节的程序存储器flash/EE,640字节的数据存储器flash/EE,256字节的RAM,多达32根可编程的输入/输出线,一个SPI串行输入/输出口,两个DAC和一个8通道12位的ADC。640字节的数据存储器用于TEDS的存储，SPI口和输入/输出的组合构成了TII的接口，内置8051的嵌入作为核心处理数据结构[10]。

4.3单片机的选择

单片机是将CPU、存储器、I/O接口电路、定时器/计数器、通信接口及其他控制部件等集成在一个芯片上的微型计算机。系统中单片机主要完成数据的采集、存储、运算、与上位机通信、与外部网路连接等任务，选用满足性能要求、性价比高的8051单片机来完成。

4.4蓝牙模块的设计

目前，国内外很多公司都推出了基于蓝牙协议的开发系统。此处选用性能稳定的爱立信蓝牙开发系统EBDK来实现，其可用作蓝牙技术的硬件和软件的开发平台。该蓝牙模块可方便、快速地开发出基于蓝牙协议的无线发送和接收的系统模块。

5 软件设计

监管系统的软件主要通过8051单片机程序进行设计。单片机的程序主要包括主程序、数据采集子程序、时钟读取子程序、数据存储子程序、LCD显示子程序、打印控制子程序、按键处理子程序等。监管系统主程序的流程见图3。

图3 监管系统主程序流程图

6 结 语

所述的污水排放监管系统实现了对污水含油量、排放速率、排放量的综合控制，使污水排放得以监管，符合国际公约和国内法规对船用油水分离器排放的规定。无线网络传感器技术的引入，使系统实现了远程监管；GPS定位信号的引入，使得系统能够记录污水排放的位置，有利于海事部门的船舶进行防污染检查工作。监管系统的结构简单、可靠性高、灵敏度高、稳定性好，能够满足恶劣海况下使用的要求。系统中的无线网络传感器不仅可用于Internet的接入，还可用于有线接入方式不能胜任的场合，并提供优质的数据传输服务。值得提出的是，利用红外散射法检测含大量乳化油的污水时，产生的误差较大。此外，当所含的油分质量接近原油时，会对红外线光源产生较强的吸收作用，致使系统灵敏度下降，此时应对所监测的数据进行适当修正，以保证监测结果的准确性。

[1] 周在青. 船舶防污染法规与实务[M].大连: 大连海事大学出版社，2006.

[2] 杜大昌. 海洋环境保护与国际法[M].北京: 海洋出版社,1990.

[3] 劳辉. 对73/78年防污公约和船舶管理有关问题的探讨[J].海洋问题研究, 1988(2):73-74.

[4] 程丹.红外分光光度法测定水中油类物质吸附方法的比较[J].环境监测管理与技术，2007,19(3):54-55.

[5] 庞艳华，丁永生，公维民．紫外分光光度法测定水中油含量[J]．大连海事大学学报，2002，28(4): 68-71．

[6] 王华，许晶.红外分光光度法测定水质中石油类[J].山东冶金,2012,34(3):44-45.

[7] 陆宝根.光电器件与油份浓度监测技术[J].航海技术,1996(2):39-42.

[8] 徐仕容，段明，张健,等. 荧光法测定油田污水中的含油量[J].石油与天然气化工，2009(3):258-261.

[9] 李锦瑜，曾道刚.瑞利散射公式讨论[J].大学化学，1992,7(1)：58-60.

[10] 童利标，徐科军，梅涛．智能传感器接口模块的设计与实现[J]．仪器仪表学报，2001，22(S2): 182-184．

[11] 施寿生，汪志刚.基于单片机的无线传感器系统[J].乐山师范学院学报，2005,20(12)：36-37.

DesignofAutomaticSewageDischargeSupervisionSystemonMarineOily-WaterSeparator

LINHonggui1,2,YANGGuohao1,2,LIKai1,2

(1. Marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, China; 2. Fujian Province Key Laboratory of Marine Engineering, Xiamen 361021, China)

According to the international conventions and domestic regulations on ship sewage discharge, the microcontroller-based automatic sewage water discharge supervision system is designed using infra red scattering detection method and wireless sensor technology. The system features simple structure, stable operation, high reliability and automatic supervision and can comprehensively control the percentage of oil in the sewage, discharge rate and the amount of emissions.

ship engineering; oily-water separator; supervision system; infrared scattering method; wireless sensor

2014-04-08

福建省自然科学基金(2012J01229)

林洪贵(1964—),男，福建蒲田人，副教授，硕士生导师，从事船舶电气自动化及虚拟仿真应用研究。

E-mail:linhongui36@163.com

杨国豪(1963—),男，福建蒲田人，教授，硕士生导师，从事船舶电气自动化及虚拟仿真技术研究。E-mail:yghzzh@jmu.edu.cn

1000-4653(2014)03-0032-04

U664.9

A