便攜式船舶液艙容積查詢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙立峰 高 敏 董作人

（1.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203；2.中科院上海光機(jī)所，上海 201800）

0 前言

我國(guó)目前主要按油品的質(zhì)量進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算，油輪裝卸液貨產(chǎn)品時(shí)都要對(duì)液貨計(jì)量艙內(nèi)的散裝液體產(chǎn)品進(jìn)行視密度、視溫度以及艙內(nèi)液高計(jì)量，再按GB/T 1885—1998《石油計(jì)量表》和《液艙容積表》進(jìn)行換算后得出貿(mào)易交接的質(zhì)量。每次貿(mào)易交接都需對(duì)十多個(gè)液貨計(jì)量艙的容量進(jìn)行查表計(jì)算，其中還涉及縱傾修正、高度容量?jī)?nèi)插等。由于計(jì)算步驟的繁瑣，查表內(nèi)容多等往往容易引起錯(cuò)誤，故計(jì)量人員使用極為不便。本文介紹的船舶液艙容積查詢系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在輸入相關(guān)的計(jì)量值后，系統(tǒng)自動(dòng)顯示液艙的液貨質(zhì)量和容積，克服了人工查表帶來(lái)的種種不便和可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤。

1 功能介紹

一般船舶液艙內(nèi)油品體積和質(zhì)量計(jì)算過(guò)程如下：

1）根據(jù)在液艙量油管測(cè)得液面高度值，并根據(jù)船舶浮態(tài)計(jì)算出船舶縱傾值后，用液艙容積表查得在t溫度下船艙油品體積；

2）根據(jù)在t溫度下測(cè)得的液艙油品視溫度和視密度查得標(biāo)準(zhǔn)密度；

3）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)密度和計(jì)量溫度t查得標(biāo)準(zhǔn)體積修正系數(shù)；

4）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溫度、標(biāo)準(zhǔn)密度、標(biāo)準(zhǔn)體積修正系數(shù)、t溫度下船艙油品體積直接計(jì)算質(zhì)量

式中：m——油品在空氣中的質(zhì)量；

ρ20——油品20°時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)密度；

KVCF20——油品20°時(shí)的體積修正系數(shù)；

Vt——油品在計(jì)量溫度t時(shí)的體積；

（注：0.0011為空氣浮力修正系數(shù)。）

根據(jù)以上步驟，船舶液艙油品容積（質(zhì)量）查詢系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)：船舶名稱、船舶液艙號(hào)、空高、縱傾值、視溫度和視密度等信息輸入后，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行自動(dòng)查詢，并顯示和存儲(chǔ)油品的容積和質(zhì)量，相應(yīng)的在硬件上有五個(gè)功能按鍵和一個(gè)備用按鍵：空高（液高測(cè)量）、查詢（數(shù)據(jù)庫(kù)查詢）、存儲(chǔ)（油品信息存儲(chǔ)）、艙號(hào)、瀏覽（軟件界面切換）。

2 系統(tǒng)總體

便攜式船舶液艙容積查詢系統(tǒng)由液位測(cè)量傳感頭和嵌入式計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)組成。

液位測(cè)量傳感頭主要實(shí)現(xiàn)液面與上計(jì)量點(diǎn)基準(zhǔn)之間的距離（高度）測(cè)量。它可由激光液位測(cè)量頭或由人工輸入液位值至系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。嵌入式計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)油品信息的數(shù)據(jù)庫(kù)管理，控制液位測(cè)量傳感頭的工作，以及鍵盤輸入、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)管理等。嵌入式計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)和液位測(cè)量傳感頭之間是主從式控制關(guān)系，嵌入式計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)為主控器（Master），液位測(cè)量傳感頭為從控制器（Slave），二者的數(shù)據(jù)傳輸采用RS-232串行通信方式和Modbus通信協(xié)議。

3 硬件系統(tǒng)

船舶液艙容積查詢系統(tǒng)由于是在現(xiàn)場(chǎng)使用，在硬件上需要考慮體積小、便于攜帶以及防爆等，另外，考慮到硬件還需接入液位傳感器信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)處理，因此硬件選用了HiTech公司的PWS6500型人機(jī)界面數(shù)控裝置。人機(jī)界面（HMI）是一種圖形化人機(jī)交互平臺(tái)，其硬件基本結(jié)構(gòu)由觸摸屏和嵌入式計(jì)算機(jī)（如ARM）組成，應(yīng)用程序可以在圖形化組態(tài)開發(fā)軟件環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)。由于PWS6500不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)，因此采用單獨(dú)開發(fā)嵌入式計(jì)算機(jī)文件管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能。硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 硬件框圖

人機(jī)界面為主控器，主要是控制液位測(cè)量傳感頭的工作，獲得測(cè)量數(shù)據(jù)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送給嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，由其完成油品信息的查詢和測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后再在人機(jī)界面液晶屏上顯示查詢結(jié)果。

嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1）判別及實(shí)現(xiàn)按鍵的功能；

2）控制、獲取和處理激光測(cè)距傳感頭的測(cè)量數(shù)據(jù)；

3）根據(jù)人機(jī)界面輸入的油品檢索信息，如艙號(hào)、空高、縱傾值、視溫度和視密度等信息，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢，根據(jù)查詢結(jié)果，計(jì)算得到油品的容積和質(zhì)量，并將結(jié)果存儲(chǔ)到SD卡中，便于事后進(jìn)行數(shù)字化管理。

嵌入式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 嵌入式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

4 軟件部分

整套軟件設(shè)計(jì)主要分為四個(gè)部分：人機(jī)界面軟件、油品信息查詢軟件、液位測(cè)量控制和測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件。系統(tǒng)的軟件工作流程如圖3所示。

圖3 裝置軟件功能結(jié)構(gòu)框圖

4.1 人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

在HiTech公司的人機(jī)界面HMI-ADP6.02軟件環(huán)境下，設(shè)計(jì)了三個(gè)界面：液位測(cè)量值（界面1）、油品信息數(shù)據(jù)庫(kù)（界面2）、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢進(jìn)程（界面3）。

1）液位測(cè)量界面：等待查詢接收DSP傳送的數(shù)據(jù)和命令；接收測(cè)量數(shù)據(jù)，顯示空高測(cè)量值；接收命令。液位測(cè)量值界面如圖4所示。

圖4 液位測(cè)量值界面

液位測(cè)量控制界面（界面1）軟件框圖如圖5所示。

2）油品信息數(shù)據(jù)庫(kù)查詢界面（如圖6所示）：等待查詢接收DSP傳送的數(shù)據(jù)和命令。

數(shù)據(jù)：顯示艙號(hào)、縱傾值、空高、視密度、視溫度、修正系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)密度、液深、容積、質(zhì)量等。

有如下幾種命令：

改變艙號(hào)命令：顯示修改后的艙號(hào)。

數(shù)據(jù)庫(kù)查詢命令和油品信息存儲(chǔ)命令：切換到數(shù)據(jù)庫(kù)查詢進(jìn)程界面。

油品信息數(shù)據(jù)庫(kù)界面軟件框圖如圖7所示。

圖5 人機(jī)界面1軟件流程圖

圖6 油品信息數(shù)據(jù)庫(kù)查詢界面

3）數(shù)據(jù)庫(kù)查詢進(jìn)程界面（如圖8所示）：等待查詢接收DSP傳送的命令，時(shí)間和日期顯示。進(jìn)程完畢自動(dòng)返回油品信息數(shù)據(jù)庫(kù)查詢界面。

4.2 嵌入式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)

1）數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)換軟件。油品信息有三個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件（縱傾值容積表、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)密度表、產(chǎn)品體積修正表），數(shù)據(jù)庫(kù)類型基本是Access或Excel格式。為了便于DSP軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)油品信息的查詢和管理，需要將Access數(shù)據(jù)庫(kù)文件轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制文本格式文件，TXT文件。

圖7 人機(jī)界面2軟件流程圖

圖8 數(shù)據(jù)庫(kù)查詢進(jìn)程界面

轉(zhuǎn)換后的16進(jìn)制TXT文件中的縱傾值容積表、油品標(biāo)準(zhǔn)密度表、油品體積修正系數(shù)表的格式見表 1、表 2、表 3。

2）DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）軟件設(shè)計(jì)。在CCS3.1編譯環(huán)境下，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的DSP軟件程序。主要程序有：串行通信，包括與激光液位測(cè)距頭通信程序和與人機(jī)界面的通信程序；SD卡驅(qū)動(dòng)，包括SD卡初始化、SD卡讀寫；FAT32文件管理軟件，包括油品信息數(shù)據(jù)文件的讀取和油品測(cè)量結(jié)果（如空高、容積和質(zhì)量）文件的存儲(chǔ)操作等；按鍵判別。DSP軟件程序主流程如圖9所示。

表1 縱傾值容積表的格式（一個(gè)索引為8個(gè)字節(jié)）

表2 油品標(biāo)準(zhǔn)密度表的格式

表3 油品體積修正系數(shù)表的格式（一個(gè)索引為8個(gè)字節(jié)）

圖9 DSP主程序總體流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了便攜式船舶液艙容積查詢系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)思路，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，證明該系統(tǒng)能減輕現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量人員的查詢計(jì)算工作強(qiáng)度，減少查詢計(jì)算出錯(cuò)的發(fā)生，保證了液貨交接計(jì)算的準(zhǔn)確可靠性。