船舶排污监测系统的设计

王 燕，郑磊琦

(新乡医学院现代教育技术中心，河南新乡 453002)

0 引言

随着全球经济的发展、全球贸易量的不断增大，海上运输货物的船舶数量不断增多，船舶排放的生活污水、含油污水、舱底水等严重威胁了海洋生态环境[1]。根据相关国际法规，排放到海里的污水中含油量不能超过15 ppm，对船舶排污的监测主要是监测其排放的含油污水量是否超标。传统的船用排污监测方法实时性差、检测精度低达不到及时预警的目的。因此本文设计了一套船舶排污实时在线监测系统，其主要是利用多个传感器组分别检测船舶的船速、流量以及排放的含油污水浓度等信息，经相关算法计算处理实现自动控制含油污水的排放，当排放的含油污水超标时能及时报警[2]。该排污系统还具有本地存储功能和4G传输功能，可以把排放污水的数据实时上传给相关部门，当4G信号不好时可实现本地保存数据，待4G信号恢复时继续上传相关数据，实现对船舶排污过程的实时在线监控。本文设计的船舶排污监测系统具有检测精度高、成本低等优点，可实现对船舶排污全过程的实时监控和报警，预防船舶超标排放含油污水，起到保护海洋生态环境的目的[3]。

1 船舶排污监测系统的总体设计

船舶排污监测系统主要是监控其排放的含油洗舱水、舱底污水以及含油压载水中的含油量是否超标，其利用多个传感器组实时测量船舶的速度、含油污水的浓度、流量等数据，经微控制器分析处理得出其污水的排放总量以及瞬时排放率等[4]。其中对含油污水的浓度监测尤为重要，其利用取样系统从排放污水的管道中抽取样本送入相应油分浓度检测单元分析处理，最后将处理值送入微控制器中进行深度解析，系统总体设计如图1所示。

图1 船舶排污监测系统示意图

2 船舶排污监测系统硬件电路的设计

船舶排污监测系统主要是由系统控制单元、传感器数据采集电路、报警电路以及数据传输模块组成[5]。其中船速、流量、油分浓度传感器输出的4～20 mA电流信号经相关电路转换为0～5 V的电压信号，再经过AM3352内部的A/D转换器转换后送入CPU中计算处理。系统输出的开关量信号用来控制声光报警系统、含油污水阀门以及取样池阀门的开闭等。此外，系统可将处理结果通过RS232串口的方式发送到驾驶室实时显示，还可以将结果通过4G网络的方式发送到监测中心，实现对船舶污水排放的实时管控，系统硬件框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

2.1 含油污水浓度检测电路

本系统利用油分浓度计来检测船舶排放的含油污水中油分的浓度，其基本原理是利用光学浊度法[6]。为了保证测量的准确性，避免不同位置油分浓度不均以及含油颗粒细化不均带来的误差，在测量之前需要将采集到的含油污水进行乳化处理后再送入取样池，这样就可以保证油分浓度计采集到的信号的准确性。由于油分浓度传感器是将采集到的油分浓度转换为4～20 mA的电流输出，本系统采用采样电阻R19和运算放大器U8结合的方式将4～20 mA电流信号转换为1～5 V的电压信号，再由单片机内部的A/D采集，进而计算得到含油污水中油分的浓度。为了保证测量的精确性，每次测量后都需要对取样池和油分浓度传感器进行清洗，排除上次测量的影响。系统采用时间定时器控制，每5 min启动冲洗泵对取样池和油分浓度计进行清洗。实际电路图如图3所示。

图3 油分浓度采集电路

2.2 船速和流量信号采集电路

由于本监测系统需要计算瞬时排放率，因此需要知道船速信号[7]。船速信号是由船舶本身提供的，即船舶航速信号，其一般是对水速度或对地速度，这取决于船速安装的速度测量装置。本监测系统要求船舶速度信号应该从船舶速度指示装置通过转发器信号获得，且获得的船舶速度信号为4～20 mA的标准电流信号。

流量信号是通过孔板式流量计测得的，其基本原理是基于流体的机械能相互转换的原理，孔板式流量计由节流件和差压变送器和流量显示仪组成，广泛应用于液体、气体等流量的测量，具有成本低、结构简单、稳定可靠等优点[8]。把测量排放流量的流量计安装在排放管路的垂直位置，由孔板式流量计的测量原理可知，测量管道中的流体流量正比于通过孔板后的流体压降的平方根，因此，通过压电转换器测出孔板前后的压力差，将压差信号转换成相应的4～20 mA电流信号，便可以知道排放的流量值。最后通过相关处理电路把4～20 mA电流信号转换为相应的电压信号，再由单片机内部的A/D转换器采集，把此信号在单片机内部处理计算得到排油总量和瞬时排放率，I-V转换电路如图4所示。

图4 流量、船速信号采集电路

2.3 RS232串口传输电路

系统采用RS232串口形式将监测到的含油污水的浓度信息传到驾驶室的显示屏上实时显示，便于船员及时了解排放的油污水是否超标[9]。RS232是现在主流的串行通信接口之一，其与TTL电平不兼容，因此需要专用的电平转换芯片，传输速率相对其他通信接口较低，且传输距离相对较近，但其可通过DB9接口直接与显示器连接，方便快捷不需要其他转换装置。RS232通讯电路图如图5所示。

图5 RS232通讯电路

2.4 4G传输电路

4G传输电路的作用是将采集到的排放的含油污水的信息发送到数据监测中心，便于对各个船舶排放情况的实时监控。4G无线传输模块选用的是EC20EA-256-STD模块，采用极小体积的SMT封装形式满足小型终端产品对空间的要求，其采用的模块化的封装形式具有抗干扰能力强等优点。采用LTE 3GPP Rel.9技术，支持最大下行速率100 Mbit/s和最大上行速率50 Mbit/s，同时在封装上兼容移远通信的UMTS/HSPA+UC20模块，实现了从3G网络向4G网络的平滑过渡。其与AM3352通过Sub通讯的方式连接实现数据的交互，需要外接SIM卡才可以实现数据的4G远程传输，4G传输电路如图6所示。

图6 4G传输电路

2.5 AM3352外围电路

系统采用ARM8 AM3352控制器结合Linux操作系统实现对含油污水浓度的采集、处理、存储以及传输。AM3352的外围电路包括4 GB的DDR3芯片MT41K256M16HA以及2 GB的FLASH芯片MEN_MNAND[10]。其中DDR3主要是运行Linux系统以及程序设置的变量，FLASH主要是用来存储系统采集到的数据，当4G信号较弱时可实现对数据的本地保存，当4G信号恢复时再向外发送，AM3352外围电路如图7所示。

图7 AM335外围电路

3 软件设计

系统软件采用模块化设计方法，用C语言编写，主要包括传感器组数据采集处理程序、数据传输程序、模拟量输出程序以及数据存储程序等。系统上电后，进入主程序，相关寄存器进行初始化操作，各个传感器开始上电自检。待监测系统采集到数据之后，通过A/D转换器采样处理，当监测系统采集到的含油污水浓度超标时，系统就会触发声光报警，提醒工作人员及时处理。此外系统还会将船舶的排放数据实时存储以及传输，把每次排放的数据一方面通过串口通讯方式发送到司机室实时显示，另一方面通过4G网络形式把数据发送到数据监测中心，便于相关工作人员实时掌握各个船舶的排放情况，系统软件流程图如图8所示。

图8 系统软件流程图

4 实验数据分析处理

4.1 实验室模拟测试

首先在实验室条件下利用电流源输出的4～20 mA信号模拟油分浓度信号、流量信号以及船速信号。已知油分浓度传感器的量程为0～100 ppm，船速测量传感器量程为0～30 kn，流量计量程为0～40 m3/h，其输出的信号均为4～20 mA标准电流信号，在实际测量时就是利用电流源输出的4～20 mA来替代传感器输出的信号，根据传感器输出的电流信号与量程的关系，计算出输出的电流与量程的对应关系，再把系统测量的值与计算得到的值进行比较，以此来验证该监测系统测量的准确性以及稳定性，测试数据如表1～表3所示。

表1 油分浓度测试数据

表2 流量测试数据

表3 船速测试数据

本文通过电流源输入来模拟油分浓度、流量、船速的输入信号，通过计算得出传感器输出的4～20 mA信号与传感器量程的对应关系，把系统实际测量得到的值与理论计算的值进行比较。由上述3组数据测量结果可知，系统测量值与理论计算值的误差在5%范围之内，符合设计预期。

4.2 实际环境中测试

由上述实验室中测量数据可知，系统具有良好的稳定性以及采集的准确性，接下来将系统安装到船舶上验证系统的可靠性以及采集的精度。利用GQS-186型油分浓度计以及船舶驾驶室中船舶测速仪作为标准仪器，将其采集到的数据与系统测得的数据进行比对，每0.5 h记录1次数据，以此来验证系统的可靠性及采集的准确性。测试数据如表4、表5所示。

表4 油分浓度测试数据对比

表5 船速测量数据对比

由表4、表5实际测量数据可知，系统对船速以及船舶排放的油分浓度的测量误差小于6%，且对船速的测量，随着船速的提高，误差逐渐下降。实际测试结果表明，系统具有较高的测量精度以及良好的稳定性，达到了设计预期，具有一定的推广应用价值。

5 结束语

本文设计了一种船舶排污远程实时监控系统，其利用多个传感器组实时测量船舶排污过程中的多个参数，计算得到船舶排放的含油污水的瞬时率以及排污总量，从而实时监测其排放是否超标。当排放超标时，系统会启动声光报警装置，提醒工作人员及时关闭阀门。此外，该监控系统还可以通过4G网络的方式把排放的污水数据发送到数据监测中心，便于实时掌控各个船舶的排污情况。实际试验结果表明，该监控系统具有测量精度高、稳定性以及实时性好等优点，有着广泛的应用前景。