一種艦船液位測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李國(guó)剛 胡慶華 孫均梅

⒈杭州德力西集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310023；2.杭州德力西集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310023；⒊河北電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院上海分院 上海 310023

一種艦船液位測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李國(guó)剛1胡慶華2孫均梅3

⒈杭州德力西集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310023；2.杭州德力西集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310023；⒊河北電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院上海分院 上海 310023

介紹了一種可可廣泛應(yīng)用于艦船液位監(jiān)控和測(cè)量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、嵌入式微機(jī)控制技術(shù)、 傳感器技術(shù)、精確測(cè)量技術(shù)結(jié)合在一起，以工控機(jī)組態(tài)作為上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，觸摸屏作為人機(jī)操作界面；分析了艦船液位測(cè)控設(shè)備的設(shè)計(jì)流程及控制系統(tǒng)的功能，建立了控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，研究了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)中的主要要求及實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中穩(wěn)定可靠，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)便、直觀，取得了很好的效果。

艦船液位監(jiān)控和測(cè)量設(shè)備；自動(dòng)控制系統(tǒng)；嵌入式微機(jī)控制技術(shù)；傳感器技術(shù)；液位報(bào)表；歷史數(shù)據(jù)檢索

引言

衡，保證安全行駛。

艦船液位測(cè)控系統(tǒng)主要應(yīng)用于艦船液位的測(cè)量和監(jiān)控。主要是測(cè)量監(jiān)視艦船上的多個(gè)油艙、水艙和其他液體的液位高度以及各個(gè)被測(cè)艙體的溫度值，根據(jù)測(cè)量的數(shù)值，結(jié)合容器的形狀，箱體的體積，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)被測(cè)容器的容量、高度、溫度，通過(guò)液晶顯示器形象直接的顯示出各個(gè)容器中油或水用量的變化。

可對(duì)液位高度低度報(bào)警的自由設(shè)定，即低位報(bào)警和高位報(bào)警。當(dāng)液位超過(guò)警戒線時(shí)，通過(guò)多種形式在顯示器上顯示。同時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警系統(tǒng)提醒用戶。根據(jù)燃料的使用情況，可自動(dòng)按照程序調(diào)配燃料，可通過(guò)調(diào)度臺(tái)發(fā)調(diào)撥指令，通過(guò)控制系統(tǒng)打開電磁閥啟動(dòng)電泵，進(jìn)行油艙燃料的調(diào)配。

另外，艦船液位測(cè)控系統(tǒng)可自動(dòng)監(jiān)視船艙不同位置的吃水線深度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)配壓載艙的水量，以維持船體平

1 總體設(shè)計(jì)方案

液位測(cè)控系統(tǒng)采用分布式控制原理，分為采集控制層、測(cè)控層、和監(jiān)控層。測(cè)控層由專用測(cè)控裝置組成，每個(gè)裝置可獨(dú)立完成一個(gè)或多個(gè)液態(tài)容器的測(cè)控工作，測(cè)控裝置有人機(jī)接口功能，用戶可通過(guò)鍵盤顯示接口設(shè)置低液位告警和高液位告警門檻值。液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)的液位信息。每個(gè)測(cè)控裝置可就地安裝在被測(cè)容器附近，測(cè)控裝置通過(guò)光纖通道及網(wǎng)絡(luò)適配器和后臺(tái)機(jī)相連，后臺(tái)機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合處理、歷史記錄、報(bào)表打印等工作。后臺(tái)控制系統(tǒng)也有遙控功能，操作員可通過(guò)后臺(tái)發(fā)出控制命令。液位測(cè)控系統(tǒng)一臺(tái)測(cè)控裝置可獨(dú)立完成一個(gè)容器或多個(gè)容器的測(cè)控工作。

2 組成原理

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖2 液位系統(tǒng)組成原理圖

圖3 硬件系統(tǒng)框架圖

液位測(cè)控系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分，下位機(jī)主要完成液位的測(cè)量和控制輸出（主要由液位傳感器和采集處理裝置組成），上位機(jī)完成液位的監(jiān)視、液體容量的計(jì)算和閥門開關(guān)的動(dòng)作邏輯控制。上、下位機(jī)之間通過(guò)RS485總線連接，可根據(jù)艦船結(jié)構(gòu)要求對(duì)二者進(jìn)行分開放置。

液位傳感器：是將容器內(nèi)的液位高度，采用壓力轉(zhuǎn)換原理，將液位參數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓值信號(hào)，即高度值轉(zhuǎn)換成0～5V電壓值。

采集處理裝置：包括采集模塊和控制輸出模塊兩部分。采集模塊將液位傳感器得到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的高度參數(shù)值（A/D轉(zhuǎn)換）。采集模塊有硬件和軟件濾波功能，得到比較穩(wěn)定的數(shù)值。采集模塊通過(guò)RS485總線將多路液位高度值傳送至主控計(jì)算機(jī)，控制輸出模塊是用于系統(tǒng)對(duì)各個(gè)液料的分配和調(diào)整，主要是發(fā)出開關(guān)指令，通過(guò)繼電器動(dòng)作，使主艙與副艙之間相連的電磁閥及電泵打開或斷開來(lái)調(diào)節(jié)不同艙與艙之間的液料量。

主控計(jì)算機(jī)：在主控計(jì)算機(jī)上，有下位機(jī)得到的高度值，根據(jù)容器形狀，通過(guò)編制的相關(guān)軟件，求出各個(gè)容器的容積，高度函數(shù)V=f(h),將各種容器的液體容積計(jì)算出來(lái)；各個(gè)容器的高度在上位機(jī)的顯示器上動(dòng)態(tài)柱體顯示、數(shù)字顯示和容量的數(shù)字顯示；監(jiān)視各個(gè)模塊的工作狀態(tài)，工作不正常是發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)；還在界面上顯示油罐附近的環(huán)境溫度；當(dāng)高度值達(dá)到最低或最高警戒線時(shí)，從開關(guān)量輸出模塊發(fā)出告警指令，由外接的繼電器接通聲光報(bào)警裝置。

3 硬件設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)述

3.1 硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明

艦船液位系統(tǒng)裝置硬件部分主要包括：采集板、開出板、中央處理器、顯示屏等幾個(gè)部分組成。裝置的主要插件采用嵌入式控制系統(tǒng)作為主控制核心部件，基于32位ARM技術(shù)的通用硬件平臺(tái)，高性能16位A/D轉(zhuǎn)換芯片微處理器為核心，模擬量輸入和開關(guān)量輸出部分采用先進(jìn)的濾波和隔離回路。同時(shí)對(duì)所采集的每一液位數(shù)據(jù)通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，保證了在艦船航行過(guò)程中，液體和容積測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。采用專用航空插頭與傳感器的輸出進(jìn)行連接，同時(shí)選用4～20毫安電流輸出的船用傳感器。

同時(shí)采集和開關(guān)量控制采用兩種專用插件分別完成各自的任務(wù)，硬件可靠性高，自檢能力強(qiáng)，使得單板及整套系統(tǒng)的抗干擾能力很強(qiáng)，通過(guò)快速瞬變干擾國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的Ⅳ級(jí)，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的水平。采集板和控制板設(shè)計(jì)均為插拔式，具有鎖緊機(jī)構(gòu)可靠的特點(diǎn)，接線為后接線方式，各插件之間采用背板連接的方式，裝置可集中組屏或直接安裝，可根據(jù)艦船的不同監(jiān)視要求進(jìn)行配置。

3.2 裝置背后端子定義及其接線方式設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的裝置背后信號(hào)線連接統(tǒng)一采用軍用航空接頭。對(duì)于不同類型的信號(hào)采用不同規(guī)格的接頭，以避免誤插導(dǎo)致模塊燒壞；另外，還具有防水防震防鹽霧功能。該裝置背部共有7個(gè)接線頭，自左至右依次為1個(gè)電源接頭、4個(gè)模擬輸入接頭，8個(gè)開關(guān)量輸出接頭。

3.3 模擬量測(cè)量回路設(shè)計(jì)

圖4 模擬量測(cè)量回路原理圖

圖5 控制回路原理圖

圖6 監(jiān)測(cè)主界面

壓力和液位變送器過(guò)來(lái)的4～20mA電流信號(hào)，首先變換為0～5V或0～10V的電壓信號(hào)，在經(jīng)過(guò)隔離放大和濾波后，再送至A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。CPU中央處理器對(duì)轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行采集計(jì)算。同時(shí)，所采集數(shù)據(jù)、告警和油罐編號(hào)等相關(guān)信息，通過(guò)內(nèi)部總線或RS485總線傳至計(jì)算機(jī)處理。

3.4 控制回路設(shè)計(jì)

上位機(jī)在對(duì)采集的船艙液位信號(hào)進(jìn)行判斷處理后，如果液位超出高位報(bào)警或低于低位報(bào)警值，就會(huì)按照預(yù)先設(shè)置的邏輯通過(guò)通信總線向設(shè)備發(fā)出控制信號(hào)，設(shè)備通過(guò)判斷來(lái)啟動(dòng)相應(yīng)的繼電器，發(fā)出聲光報(bào)警或閥門控制信號(hào)。

3.5 上位機(jī)

上位機(jī)采用12.1’高亮度液晶觸摸屏式工業(yè)平板電腦。供電電源為24V直流。此平板電腦帶有一個(gè)高質(zhì)量的TFT LED顯示屏，使用的處理器為CruoeTM 5400。CruoeTM 5400是一款低功耗的x86兼容處理器，工作頻率是500MHZ。自帶RS232、RS422和RS485接口，與其它裝置的通信非常方便。

3.6 軟件設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)述

軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分。其一，就是界面的設(shè)計(jì)；其二，對(duì)采集的數(shù)據(jù)分析處理。軟件設(shè)計(jì)工作要根據(jù)具體的控制對(duì)象而進(jìn)行，不同的艦船所含有的容器各不相同，形狀各異，所以在設(shè)計(jì)軟件之前，一定得知道被控制對(duì)象的規(guī)格和容器的數(shù)量，需要的測(cè)量精度，和報(bào)表類型等等一些最基本的要求。但是，基本的界面可以作統(tǒng)一規(guī)劃，如顯示主界面，設(shè)定值修改界面，上層控制動(dòng)作界面等。

3.7 監(jiān)測(cè)主界面設(shè)計(jì)

主界面上直接顯示各個(gè)容器的液位高度，通過(guò)液位的高度和具體容器的形狀計(jì)算出每個(gè)容器中的液體體積，再換算成重量。對(duì)不同類液體，用不同顏色表示。對(duì)同一類液體，列出總報(bào)表，顯示各類液體的總量。可可以根據(jù)當(dāng)前的航行速度，實(shí)時(shí)提醒用戶，每一類液體還能使用多長(zhǎng)時(shí)間。同時(shí)顯示每一油艙當(dāng)前設(shè)置的高、低告警位置。當(dāng)某一采集模塊有問(wèn)題時(shí)，可通過(guò)相應(yīng)指示燈進(jìn)行指示，表明這一模塊與上位機(jī)通信不上，對(duì)油艙和閥門的操作采用觸摸方式。

按鍵功能設(shè)計(jì)：

翻頁(yè)按鍵：切換至下一頁(yè)進(jìn)行監(jiān)視，這在監(jiān)測(cè)的油艙和水艙數(shù)量較多、一頁(yè)布置不下時(shí)進(jìn)行操作；

增加按鍵：操作該按鍵，可以從當(dāng)前頁(yè)面默認(rèn)選中的油艙按順序切換至下一油艙，被選中的油艙會(huì)進(jìn)行顏色指示；

減少按鍵：其功能與“增加”按鍵類似，按該鍵選中上一油艙；

確定按鍵：進(jìn)行選中的油艙或水艙詳細(xì)信息界面，包括當(dāng)前油或水高度、重量、類型，同時(shí)可進(jìn)行高低告警液位設(shè)置；

開/關(guān)閥按鍵：對(duì)選中的油艙、水艙的閥門進(jìn)行操作，進(jìn)行油艙間的輸油或水艙的調(diào)水控制。

一般“1#”油艙為主油艙，是監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，同時(shí)可連通其他副油艙向其進(jìn)行輸油。

顏色設(shè)計(jì)：

根據(jù)所裝油、水的不同，進(jìn)行相應(yīng)的液體顏色設(shè)置。液體顏色設(shè)置為：燃油—橙色；水—藍(lán)色；污油、污水—深咖啡色。其他顏色可根據(jù)客戶要求進(jìn)行定義。

每一油（水）艙當(dāng)加油（水）超過(guò)其高位警戒線或超過(guò)其低位警戒線時(shí)，就會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信息，同時(shí)油（水）艙液面變紅閃爍，進(jìn)行提示。經(jīng)一段延時(shí)后，恢復(fù)原液體顏色。

3.8 控制動(dòng)作界面設(shè)計(jì)

當(dāng)主油艙油位低于低警戒線的時(shí)候，可根據(jù)設(shè)定程序進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)輸油。輸油前打開主油艙與副油艙之間的閥門及油泵，開始從副油艙向主油艙輸油。同時(shí)閥門的開關(guān)狀態(tài)由綠色變成紅色，輸油結(jié)束閥門的開關(guān)狀態(tài)由紅色恢復(fù)綠色，輸油狀態(tài)由流線圖表示。

3.9 記錄和打印功能設(shè)計(jì)

測(cè)控裝置可循環(huán)記錄一年的操作和報(bào)警信息，后臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)油艙的操作和報(bào)警信息進(jìn)行自動(dòng)永久保存，生成報(bào)表信息，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)檢索,方便查閱和故障處理；同時(shí)進(jìn)行信息打印和數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)功能，可與艦船的信息管理系統(tǒng)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)信息共享。

4 結(jié)束語(yǔ)

開發(fā)生產(chǎn)系列艦船液位監(jiān)控系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于各種容器液位的監(jiān)控，特別是不規(guī)則的容器液位的監(jiān)控測(cè)量。該產(chǎn)品擁有獨(dú)立的自主產(chǎn)權(quán)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際同行業(yè)先進(jìn)水平，產(chǎn)品完全可以替代進(jìn)口，今后，該技術(shù)將廣泛應(yīng)用于中國(guó)各大、中型艦艇、船舶、公安巡邏艇、大型商船中，市場(chǎng)潛力較大，具有很好的應(yīng)用前景。

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This paper Introduced a widely used cocoa Ship level monitoring and measurement of automatic control system, the system will be an advanced computer control technology, embedded computer control technology, sensor technology, precision measurement technology combined to IPC configuration As a PC monitor, touch screen as the manmachine interface. Liquid level measurement and control equipment of the ship design process and control system functions, the establishment of a control system structure of the system hardware and software design of the main requirements and implementation. The system is stable and reliable in practical applications, high degree of automation,easy operation, intuitive, and achieved very good results.

Ship level monitoring and measuring equipment;automatic control system; embedded computer control technology; sensor technology; level statements; historical data retrieval

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.16.030

李國(guó)剛，從事后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用工作。