木质渔船机舱水位监控系统设计

2020-04-30 06:40
船海工程 2020年1期
关键词:液位机舱水泵

(北海职业学院 机电工程系,广西 北海 536000)

我国拥有海洋渔船30多万艘,从造船材质来分,主要有三大类:钢质渔船、木质渔船和玻璃钢渔船。笔者曾经调查北海地区、湛江、阳江、海南等地渔船情况,结果显示,以上地区木质渔船占据的分量很大,阳江和湛江占总量的70%以上,北海和海南占80%左右,且船龄10年以上的木船居多。木质渔船舵轴与轴孔间的间隙不好控制,加上本身的材料特性、制造工艺,以及年久失修等原因,机舱会出现渗水、漏水现象,使用时间越久渗漏就越严重。及时排掉机舱的积水,是保护渔船机舱机器设备的唯一途径,也是保证人员和渔船安全航行的前提。目前,常采取的措施是:安装排水泵,人工定期给机舱抽排积水;偶有渔船安装有浮子式自动排水装置,或者是采用水位传感器,实现了半自动的功能。由于机舱和普通水箱对水位要求不同,而浮子式排水系统对水位的深度有一定要求,由于技术的限制效果都不理想[1-2]。目前,在以上地区,对木质渔船的机舱水位实现智能监控还是一个空白状态。人工监控排水需要很强的责任心,更需要花费大量的时间和精力,可操作性和可靠性都不高,实现智能监控排水,是解决安全隐患的最佳办法。

1 机舱水位监控系统方案设计

1.1 系统总体方案设计

系统由三大部分构成,见图1。

图1 控制系统结构

投入式液位传感器安装在机舱底部,随着机舱水位的升高,扩散硅压力传感器的电压信号也随之增大,经过A/D转换以后输送到微控制器,经过微控制器计算处理后获得数字化的水位信息,再通过485总线输送给控制主机。

控制主机经过485总线接口接收到来自投入式液位传感器的液位信息,并将液位信息通过显示单元显示,同时以声音的形式报告出来。键盘用于设定排水液位的上限、下限以及其他控制设定,当水位达到排水上限时,控制主机通过水泵驱动电路启动水泵进行排水,当水位下降到排水下限时,水泵停止工作。

1.2 系统硬件的设计

1.2.1 投入式液位传感器

机舱水位的测量选用投入式液位传感器,该传感器由不锈钢外壳和QX19压力传感器构成,利用压阻效应原理,经过离子注入工艺和微机械加工工艺,制成的集力敏与力电转换检测于一体的硅敏感元件[3]。扩散硅压力传感器的压力直接作用于传感器的不锈钢膜片上,使膜片产生与介质压力成正比的微位移,使传感器的电阻值发生变化,并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号[4]。

投入式液位传感器使用前需要进行预标定设置,见图2。分别选择已知液位深度h1和h2,测得V1和V2,再结合图3,推导得出液位深度hx为

(1)

式中:Vx为实时测量电压值。

图2 液位高度与电压的标定

当有海水渗漏进来水位随即发生变化,压力传感器输出的电压信号随之产生变化,电压信号经过放大和A/D转换后,输送给微控制器。微控制器选用STM32F103,根据式(1)推算出水位的高度,经过485总线接口传输到主机,主机收到信号后,在显示屏上显示水位的数值。

图3 电压和液位高度关系示意

A/D转换电路选用TM7711芯片,该芯片是全差分模拟输入,可以直接接受来自扩散硅压力传感器的低电平输入信号,然后产生串行的数字输出。同时,芯片只需 2.6~5.5 V单电源供电,且具有集成度高、响应速度快、抗干扰强等优点,可以降低系统的整机成本,提高整机系统的性能和可靠性。其应用电路见图4。

图4 A/D转换电路

1.2.2 控制主机

控制主机的CPU采用STM32F103,STM32F系列属于中低端的32位ARM微控制器,其内核是Cortex-M3[5]。该系列芯片配置形式多样、外设丰富,集成定时器、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART等多种功能。

整个系统根据安装位置分为机舱部分和驾驶室部分,其中,投入式液位传感器和水泵安装在渔船的机舱底部,主机则安装在驾驶室,两者距离少则几十米多则上百米。主机设置有485通信接收端口,液位传感器所采集到的数据通过485总线传送到主机。485通信具有通信距离远、电路结构简单、抗干扰能力强的优点,非常适合应用于该场合[6-9]。485接口电路见图5。

图5 485接口电路

数据显示单元采用12864液晶显示屏,可以显示机舱水位、工作状态、设置菜单等信息。输入键盘是人机交互的通道,用于设置操作流程和设置排水区间等信息。音频驱动为系统增加语音输出功能,是数据显示的有效补充,让整个系统更加人性化。系统工作电源将220 V的交流电转换为3.3 V和12 V直流电,其中,3.3 V给MCU、液晶屏和通信电路使用,12 V给音频驱动电路供电。

水泵驱动电路见图6,MCU给RLY输送高电平,三极管Q1导通,继电器RL1吸合,启动离心泵;当MCU给RLY输送低电平,三极管Q1截至,继电器RL1断开,离心泵停止工作。

图6 水泵驱动电路

1.2.3 泵的选择

优先选用大排量且具有自吸功能的离心泵,结构简单、易于维护、性价比高。也可以由用户根据渔船机舱的结构特点自行选用潜水泵。海水的腐蚀性很强,无论选择何种泵,材质都应选用不锈钢为佳。

2 软件系统设计

主机不断读取来自液位传感器的液位数据,当液位大于排水上限时,启动水泵同时启动计时器;当液位小于排水下限时停止水泵同时停止计时器。在启动排水期间,每隔1 min进行液位比较,如果液位没有发生现变化,则可以判定排水出现故障,系统发出语音报警,提示人工及时排障[10]。排水区间是根据渔船实际情况设置,最低水位的设定需要考虑避免离心泵吸空的问题。为了防止机舱水位过高,设置有高水位报警功能,提供双重保障。系统程序流程图见图7。

图7 程序流程

3 现场试验与分析

3.1 现场试验

以“桂合渔23009”为例,该船为典型的木质渔船,船长26 m,103 kW(140 HP),船龄13年,机舱渗漏程度中等,原来安装有潜水泵可以实现手动抽水。试验选用光泉牌全不锈钢潜水泵,型号VN250,功率250 W,扬程7 m,流量150 L/min;水位测量采用带不锈钢外壳的QX19压力传感器, 它是一款压阻式扩散硅传感器。所有水位数据均在潜水泵吸口直径30 cm范围内测量,测试前先手动排除机舱水,使水位低于5 cm。第一次测试设置上、下限水位分别为25 cm和5 cm。间隔2 h后进行第二次测试,设置上限水位35 cm,下限水位10 cm,测试结果见表1。

表1 桂合渔23009机舱水位测试情况表

表2 故障测试

3.2 测试分析

试验主要的目的是检验水位自动监控系统的可靠性和精确性。根据船舶渗漏情况和机舱结构,设置水位监测的最高水位和最低水位,模拟人工排水习惯,由液位传感器检测到机舱水位并把液位信息输送给MCU,由MCU控制水泵进行自动排水。2次测试,每次设置的排水上下限不一样,均能按预定设置排水,开放性的设置功能,提高了系统的适用性。测试结果见表2。

4 结论

未采用本系统之前,“桂合渔23009”需要1 h人工排水1次,经常因为遗忘造成不同程度的损失。本系统的应用能在驾驶舱内实时监测到机舱水位的情况,驾驶员根据渔船机舱的结构特点设置排水上下限即可,当水位达到系统设定的阀值时,单片机启动水泵进行自动排水。系统设置有故障报警功能,当水泵出现故障或排水发生异常时能够及时发现,避免水位过高烧毁柴油机等机舱设备。因机舱结构复杂,仅靠水位传感器测量远远不够,还需要把可视化扩展到本系统中,进一步提高系统可靠性。

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