（机械制造及其自动化专业论文）大型油船防污和压载监控系统研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本论文课题来源于“十五”国家重大技术装备研制和重大产业化技术开发的专题项 目油船系列船型优化与换代技术开发中的子专题“货油装卸操作系统程序研究开发”， 研究内容的实船依托是大连新船重工为丹麦a p n o l l e r m a e r s k 公司设计建造的超大型 油轮a p mv l c c 。 本文的研究内容是针对a p mv l c c 的防污监控系统和压载监控系统这两个部分。 在防污监控系统方面，利用光学浊度法，设计了用于检测水中油分含量的油分浓度 计的结构，并根据含油污水对光的折射和透射特性设计并搭建了光电信号调理电路：利 用压电双晶片的原理，设计了用于提高检测精度的乳化装置，并建立了乳化装置的动态 力学模型。通过计算机和数据采集卡组建了数据采集系统。本文采用目前测控领域比较 先进的虚拟仪器软件平台l a b v i e w 设计了监控系统的软件，主要包括中央控制工作站、 数字显示控制箱、数据库管理三大模块。三个大模块下面又分为：数据采集、数字信号 输出、排放率与排油总量设定、声音报警触发等诸多小模块。在此基础上，系统可以实 时监测各传感器的信号，控制各个阀门开关状态，完成对实时数据和故障报警信息的存 储和处理，中央控制工作站与数字显示控制箱局域网络通讯等重要功能。 在压载监控系统方面，首先在满足海洋公约的基础上，对较复杂的船舶压载系统理 论进行了深入分析，然后根据a p mv l c c 的实船情况，提出了两种满足要求的压载水装 卸方案。利用l a b v i e w 设计了压载监控的系统软件，主要包括：压载水舱装卸控制软件 模块、压载配载动态参数计算软件模块和压载舱阀门状态监控软件模块。该软件不但能 完成压载水装卸的自动监控功能，还能根据不同的方案和条件完成对船舶状态参数的实 时计算。 同时，本文对油分浓度计进行了传感器调理电路实验，对乳化装置的频率特性参数 进行了实验分析，并对监控系统进行了模拟实验。模拟实验结果说明，本文设计的软、 硬件系统工作正确，精度较高，达到了预期的目标。 关键词：油分浓度计：防污染：压载；监控系统；l a b v i 酬 孙利强：大型油船防污和压载监控系统研究 t h er e s e a r c ho fo i lm a r i n ep o l l u t i o n & p r o t e c t i o na n db a l l a s tm o n i t o r i n g s y s t e m a b s t r a c t t h i st h e s i sd e r i v e sf r o mt h es u b s u b j e c t “r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fo i ll o a da n d u n l o a do p e r a t i o ns y s t e m ”o f “d e v e l o p m e n to fo i lm a r i n es h a p eo p t i m i z a t i o na n dr e n e w e d t e c h n o l o g y ”s u b j e c tw h i c hi ss u p p o r t e db yt h et e n t hf i v e - y e a r n a t i o n a l p r o j e c t f o r d e v e l o p i n gg r e a tt e c h n i c a le q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g y i t sr e s e a r c hc o n t e n tb a s e so na p m v l c cw h i c hi sd e s i g n e df o rd a n i s ha p n o l l e r m a e r s kc o b yd n sc o t h i st h e s i sf o c u s e so np o l l u t i o n p r o t e c t i o na n db a l l a s tm o n i t o r i n gs y s t e mo fa p m v l c c a st op o l l u t i o n & p r o t e c t i o ns y s t e m ，i td e s i g n st h es t r u c t u r eo fo i ln e p h e l o m e t e r w h o s ep u r p o s ei sd e t e c t i n go i lc o n c e n t r a t i o ni i lw a t e ra n db u i l d sac i r c u i ta c c o r d i n gt ot h e t r a n s m i s s i o na n d d i s p e r s i o n c h a r a c t e r i s t i co fo i l w a t e rt o l i g h t ；u s i n gp r i n c i p l e o f p i e z o e l e c t r i cb i m o r p h s ，i td e s i g n se m u l s i f i c a t i o na c t u a t o rd e v i c e a n di t sd y n a m i cm e c h a n i c a l m o d e l c o m p l e t e sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 、 ，i t hd a q c a r da n dc o m p u t e r t h i st h e s i sd e v e l o p s t h ep o l l u t i o n & p r o t e c t i o nm o n i t o r i n gs o f t w a r eo nl a b v i e wi n c l u d i n gc e m r ec o n t r o l s t a t i o nm o d u l e ，d i g i t a lc o n t r o lb o xm o d n e ，d a t ab a s em a n a g e m e n tm o d u l e ，v e n tr a t ea n d g r o s sc o n f i g u r a t i o nm o d u l ea n dd i g i t a ls i g n a lo u t p u tm o d u l ee t c b a s e do nt h e s e ，t h e s y s t e mc a r lm o n i t o rt h es i g n a lo fs e n s o r si nr e a lt i m e ，c o n t r o lt h es t a t eo fv a l v e ，f i n i s hs t o r i n g a n dm a n a g i n gd a t aa n df a u l ta l a r mi n f o r m a t i o n ，c o n n e c tc e m r ec o n t r o ls t a t i o nt od i g i t a l c o n t r o lb o xi nl a n 。a st ob a l l a s tm o n i t o r i n gs y s t e m ，f i r s t l y , b a g e do ns a t i s l y i n go c e a np a c t ， i td e e p l ya n a l y s e st h ep r i c i n p l eo fb a l l a s ts y s t e m ，t h e n ，b r i n g su pt w os a t i s f a c t o r yp r o j e c t s a c c o r d i n gt op r a c t i c a lc i r c s u s i n gl a b v i e w ，i td e s i g n sb a l l a s tm o n i t o r i n gs y s t e ms o f t w a r e i n c l u d i n gb a l l a s tc o n t r o lm o d u l e ，b a l l a s tp a r a m e t e rc a l c u l a t em o d u l ea n db a l l a s tt a n kp i p e l i n e v a l v em o n i t o rm o d u l et h i ss o f t w a r en o to n l yc a na u t o m a t i c a l l ym o n i t o rb a l l a s ts y s t e m ，b u t a l s oc a r lc a l c u l a t es t a t u sp a r a m e t e ro fm a r i n ei i lr e a lt i m ea c c o r d i n gt od i f f e r e n tc o n d i t i o na n d p r o j e c t m e a n w h i l e ，t h i st h e s i sc a r r i e s o nc i r c u i te x p e r i m e n to fo i ln e p h e l o m e t e rs e n s o ra n d e x p e r i m e n to fm o n i t o r i n gs y s t e m i ta n a l y s e sf r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i co fe m u l s i f i c a t i o na c t u a t o r t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tm o n i t o r i n gs y s t e mw o r kc o r r e c t l y ，t h ep r e c i s i o nt h e p r e c i s i o ni sr e l a t i v e l yh i g h ，m e e tt h ea n t i c i p a t e dg o a l k e yw o r d s ：o i ln e p h e l o m e t e r ；p o l l u t i o n p r o t e c t i o n ；b a l l a s t ；m o n i t o rs y s t e m l a b v i e w 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：到= 叠j 墨垂 导师签名： 骂趁雌 年月日 大连理工大学硕士学位论文 1 引言 1 1 课题来源及意义 本论文课题来源于“十五”国家重大技术装备研制和重大产业化技术开发的专题项 目油船系列船型优化与换代技术开发中的子专题“货油装卸操作系统程序研究开发”， 该项目由大连理工大学机械工程学院传感测控研究所与大连新船重工有限责任公司合 作完成。本课题的工程依托是大连新船重工为丹麦a p n o l l e r m a e r s k 公司设计建造的 超大型油轮a p mv l c c ( v e r yl a r g ec r u d ec a r r i e r ) 。 在人们的环保意识大大增强的今天，油船防污技术倍受关注，而在实际使用中发现 专门针对减少油船向海洋中排油的防污监控系统及配套装置，有许多不足之处，特别是 针对v l c c 这种技术含量高，对防污监控系统和传感器要求严格的油船，以往的防污监 控系统和传感器已经不能满足要求，迫切需要改进 1 2 ；另一方面，当今船舶的发展， 从节省人力、操作方便可靠等方面考虑，集成化和自动化的程度越来越高。从市场的角 度出发，现代新型油船的压载及相关系统应该具有高集成化、高自动化、操作方便、运 行安全可靠等特点。这样，与高集成化和自动化的压载系统相匹配的压载水装载和卸载 操作程序的开发就显得十分必要 3 。 通过本论文大型油船防污和压载监控系统研究的工作，为我国今后超大型油轮 的压载系统及防污系统的研究与开发提供理论依据和技术保证。同时对提高我国大型油 轮产品开发能力和水平，跟上世界海洋工程发展步伐，提高油船环保水平，增强竞争能 力，开拓国际市场，具有很好的经济和社会意义。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 本文的研究内容是大型油船的防污监控系统和压载监控系统。主要包括：a p mv l c c 防污监控系统核心装置油分浓度计及配套乳化装置；在特定海洋公约下的防污监控 系统的构成原理及系统配套软件；a p mv l c c 的压载系统理论及建立在此理论上的压载监 控系统参数计算和压载控制软件等具体内容。对以上这些内容的国内外发展状况，在完 成本文之前，做了充分的调研和考察。 1 2 1 船用油分浓度计发展概况 为确定船舶排放含油污水是否符合排放标准的要求，在油水分离装置运转过程中必 须连续监测经处理后将要排除舷外的污水含油量，即应安装和使用含油量监测报警器。 7 3 7 8 防污公约规定，采用油分浓度计是排放油性污水的必要条件之一，而油船污 孙利强：大型油船防污和压载监控系统研究 压载水或洗舱水排放时还必须计算出瞬时排放率和排油总量，并能自动控制压载水舷外 排出阀开、关，所以应有排油监控系统。不论是油分浓度报警器还是排油监控系统，其 核心部分都是如何连续检测出水中含油量 3 。 目前，国内外所采用的油分浓度计按原理划分主要有以下四种： ( 1 ) 荧光法油分浓度计 荧光法油分计是利用紫外线照射含油污水，使石油中具有环状共轭体分子( 如芳烃) 被激光产生荧光，所产生的荧光强度与含油量有一定的关系这一基本原理而制成的。目 前，美国、日本、英国和我国均生产这类船用油分计，是使用较多的种。由于紫外荧 光法检测不同品种产品时所产生的荧光强度不同，所以装载不同油种，必须进行荧光强 度的重新标定 2 。 ( 2 ) 光学浊度法浓度计 所谓浊度法，就是让光线通过分散成乳化状的油水混合物，通过测定其散射光和透 射光的强度，以标定混合物的含量。采用光学浊度法制成的船用油分浓度计，可以直接 测定油污水中的含油量，具有操作简单、准确可靠、反映迅速等优点。测试精度仅与油 粒大小有关，而与油种无关。因此，检测不同油种时无需逐一标定，适用于船舶油污水 排放的连续监测，是船用油分浓度计未来的发展趋势。 ( 3 ) 红外吸收法油分浓度计 红外吸收法油分计是利用石油中甲基、亚甲基等碳氢化合物对近红外线波的特征吸 收原理测定水中含油量。虽然红外线吸收法测定水中油分浓度，操作简便、准确、精度 较高，在陆地上得到广泛应用。但由于需要萃取和绘制标准曲线，而在船上很少使用。 ( 4 ) 紫外吸收法油分浓度计 紫外线吸收法是利用石油中所含烷烃或芳烃在紫外波段具有特别吸收的原理，检测 水中的油含量。这种方法检测混合均匀的水中油分浓度时，不用萃取可直接用样水进行 测试。但由于各种原油和油品中芳烃含量不同，应用时需根据不同油品做出标准曲线， 从标准曲线检出样水中真正的含油量。因此这种方法目前在船上很少采用。目前只有英 国生产用紫外线吸收法制成的油分计。 船用油分浓度计的技术性能要求： 船舶摇摆和振动时工作可靠，耐海水腐蚀：安装在舱室时，要满足劳动安全的要求： 设计时应充分考虑舱底油污水中含泥砂、铁锈等杂质的影响，其测量精度不必太高，但 应不受油种的影响。若有影响，应该不需要在船上进行校正标定，而应按照制造商的说 明书预先校正标定，此时，其测量精度仍应保持在限制范围之内；反应时间不能太长。 大连理工大学硕士学位论文 反应时间是指从样液进入测定部分，到正确地显示出其中的含油量读数所需的时间，所 以反应时间应越短越好 1 。 在实际使用中发现，影响油分浓度计精度的主要因素包括：油颗粒大小、悬浮物、 水中气泡、凝结水露、光窗污染等 6 。 特别是乳化装置性能，对油分浓度计的检测精度，有着较大的影响，使用哪种乳化 装置能达到最好的效果，目前也是各方面研究的热点，尚未得出统一的结论，不同型号的 不同国家生产的油分浓度检测的配套装置，使用的乳化方法也各有不同。 所以，船用油分浓度计未来的发展趋势在采用光学浊度法基础上，不断提高其检测 精度。 1 2 2 防污监控系统发展概况 由前面的论述可知，防污监控系统的核心组件就是油分浓度计，因此许多防污监控 系统系统大都以油分计的形式来命名。目前，具有代表性的防污监控系统系统主要包括 以下几种： ( 1 ) o t m 一1 7 型防污监控系统 该系统属于第一代产品，但仍在相当数量的油船上安装使用。系统主要由：油分浓 度检测及取样单元、流量测量系统、船速测量装置和中央控制站四个部分组成。该系统 所采用的是日本世仓、巴布科克o t m 1 7 型紫外荧光油分浓度计，该系统最大的缺点就 是标定过程较为复杂，标定结果容易产生误差 3 。 ( 2 ) o d m e $ 6 6 3 m k i i i 型防污监控系统 o - d m e s 6 6 3 m - k i i i 型防污监控设备用来监测油船排入海里的压载水的成分。它可 以记录含油量的瞬间测量值和在不同的排放操作中被排放的压载水的总量，还可以为此 瞬间值和总量设定上限值。o d m e s 6 6 3 m k i i i 型系统的功能上要比o t m 1 7 型系统有 所增强，但由于它所采用的油分浓度检测方法仍然需要进行复杂的标定过程，所以这种 系统仍被归为第一代监控系统 3 。 ( 3 ) i t t 型防污监控系统 i t t 型防污监控系统由日本住友精密工业株式会社生产。该系统包括以下组成部 分：1 ) 油分浓度计：2 ) 流量计；3 ) 取样系统：4 ) 排放阀控制装置；5 ) 中一t l , 控制工作站。其 中中心控制工作站又包括处理机、发讯装置、记录装置、人工越控系统。 该系统最大的特点就是其油分浓度测量装置具有较高的精度，但其检测室与执行乳 化工作的均质器相互分离，使得整个检测装置的体积过大，而且利用乳化泵来乳化被测 液，使检测过程中含有大量的气泡，而这又相对的降低了检测精度 4 。 孙利强：大型油船防污和压载监控系统研究 ( 4 ) y 6 9 0 0 8 型和e q 3 1 7 7 型船用油分浓度报警系统 该报警系统的特点主要是检测器由一个浊度测量室和个超声波换能器组成，由于 检测与乳化同时进行，这样就大大缩小了这个报警器的体积。同时，利用超声波乳化的 方式可以减少乳化过程中，产生的气泡，从而提高检测精度，但是超声波的器件使用成 本比较高，元件易老化，易损坏 4 。 综上所述，现代防污监控系统正向着高度集成化、智能化的方向发展，在以光学浊 度法传感器为核心的高精度检测基础上，使系统具有网络传输、远程控制、大容量数据 存储处理等新一代功能。 1 2 3 大型油船压载监控系统概况 在世界油船监控系统方面，近期推出的新产品有很多，发展势头迅猛。例如：a b 公司推出的新型洗舱系统，s a b r o e 公司推出的电力系统模块化汇流排出系统，a l f a l a v a l 公司推出的f c m 系列柴油机用燃油供油系统，s t e i ns o h n 公司的报警监测与控制系统， 日本m u s a s i n o 公司船舱监视装置及系统等 1 5 1 7 。 在压载监控系统中，比较具有代表性的系统有d n v 船级社的s u p e rc a r g o x l 系统 和美国 珥c ( h e r b e r t e n g i n e e r i n gc o r p ) 公司开发的货物配载系统c a r g o m a x 。 s u p e rc a r g 0 - x l 货油系统主要分为以下几种功能 1 9 ： ( 1 ) 货油压载操作规划功能 ( 2 ) 货油，压载监控功能 ( 3 ) 货油压载自动控制功能 ( 4 ) 装载计算功能 c a r g o m a x 货物配载系统，以其方便的操作，强大的功能吸引着大量的用户。其主 要功能有货物预配，船舶稳性、强度、吃水差的计算，货物装卸顺序及压载水注排顺序 的制定，水尺检量计算等 1 9 。该系统主要是针对货船模拟配载计算，其操作规程和界 面设计对本课题中大型油船的压载监控计算有很强的借鉴性。 我国在大型船舶监控系统研究方面起步较晚，与国际先进水平存在较大的差距。为 了迅速改变这种状态，国家在“九五”、“十五”期间都投入了大量的研制经费，结合 国外订单的实船建造任务进行关键技术攻关研究。从2 0 0 0 年以来，大连理工大学机械 工程学院传感测控研究所先后完成了国家高技术产业化示范工程项目的子项目b i n g o 9 0 0 0 型半潜型钻井平台平台信息系统设计与开发、“九五”国家重大技术引进消化 吸收“一条龙”项目中的 f p s o 的全封闭高速信息公路自动化系统研究子项目、“十 五”国家重大技术装各研制项目船舶电气模v 央- - m e m 设计等。这些项目的研究成 大连理工大学硕士学位论文 果都已通过技术鉴定。为我国自主设计建造大型船舶监控系统奠定了一定的技术基础， 同时也为本文的研究工作提供了良好的条件。 当前，隶属于油船监控系统的压载监控系统正向着高度集成化和智能化的方向发 展，整个控制过程不必过多的人工干预，而在必要的时候又不失灵活性。系统不但能完 成普通的监测和控制任务，还需要能在装载过程中进行计算和动态参数的显示，可以模 拟各种装载的情况，显示多种参数，从而为船舶压载方案和设计提供依据。这些特点是 世界先进压载监控系统所具有的，也是未来的发展趋势。 从监控系统的软件开发平台来讲，目前软件开发平台应该有三个主要功能：提供集 成开发环境，与系统硬件的高级接口以及系统与用户交互的开发接口。目前，较流行的 测控系统开发软件开发环境包括基于文本式的编程语言和基于图形化的编程语言，如c ， l a b w i n d o w s c v i ，v i s u a lc + + 是基于文本式的编程语言：而基于图形化的编程语，代表 性的有h p v e e ，l a b v i e w 等。图形化编程语言和文本式编程语言相比，具有编程简单、 直观、开发效率高的特点：而文本式编程语言灵活性较好，用户可以灵活的添加功能， 而且图形化的编程软件一般价格较昂贵，开发成本高。 1 3 本课题的主要内容 本课题的主要研究内容是大型油船的防污监控系统和压载监控系统。采用光学浊度 法开发防污监控系统核心装置油分浓度计，并采用压电双晶片的方法开发了乳化装 置，根据海洋公约的要求开发出系统所需的软件。对本文所依托的工程项目的压载系统 进行了理论上的深入分析，在此基础上开发出压载监控系统的参数计算和压载控制软 件，最后进行了实验研究。主要包括以下几个方面： ( 1 ) 防污监控系统工作原理和总体结构设计 ( 2 ) 油分浓度计的结构设计与信号调理电路研究 ( 3 ) 压电乳化执行装置的开发与实验研究 ( 4 ) 防污监控系统数据采集与控制设计 ( 5 ) 防污监控系统软件设计 ( 6 ) 压载水装卸监控软件设计 孙利强：大型油船防污和压载监控系统研究 2 防污与压载水装卸监控系统总体方案设计 本文所研究的a p mv l c c 系统主要内容可) 慨括的分为两个部分：a p mv l c c 防污监控系统的 设计与研究和a p mv l c c 压载水装卸监控系统设计。防污监控系统包括系统总体布局，监控系统 软硬件设计和开发等内容，而压载水装卸监控系统主要是系统软件的开发。在本章将对这两个 部分设计出总体方案。 2 1 防污监控系统工作原理和总体结构设计 防污监控系统的设计总体来讲需要根据a p iv l c c 自身的舱位布置特点，m a r p o l 7 3 7 8 公约、国际海事组织在a 4 9 6 ( ) 大会上对油船防污监控系统的设计、设备装置等制定 的一系列规范，防污监控系统的发展等诸多要求来进行。 2 1 1 防污监控系统工作原理 防污监控系统的原理，如图2 1 所示，系统主要包括四个大的组成单元。 本系统的油分测量装置将采用自行研发的光学浊度法油分浓度计。其检测室和取样 系统安装在货舱与泵舱之间，光源及光电信号转换控制回路以及其他控制油分浓度计的 电气模块( 如乳化器的控制驱动电路) 集中安装在油分浓度计电气控制单元内，光源强度 信号通过三根光导纤维传递，在检测室测得的光强信号，在电气控制单元内转换成电压 信号，送到安装在货油控制室的数字显示控制箱内，数字显示控制箱通过局域网将一些 必要的信号送入中央控制站。 数字显示控制箱在接受并显示油分浓度信号的同时，完成对油分浓度的监测和相应 设备的控制功能。 数字显示控制箱和中央控制工作站分别是两台运行a p mv l c c 防污监控系统的计算 机。由油分浓度计、流量计、计程仪和船钟取得信号，送入中央控制站的计算机，计算 得出瞬间排放率和排油总量，并发出控制信号使舷外排出阀和循环阀自动开、闭，同时 中央控制站要完成记录数据，显示时间，网络监控等功能。 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 防污监控系统原理 f i g 2 1p r i n c i p l eo f p o u u t i o n p r o t e c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m 1 ) 中央控制站( c c u ) ；2 ) 数字显示控制箱：3 ) 油分浓度计电气控制单元；4 ) 浓度取样及检测单元 5 ) 污水排放阀：6 ) 循环阀；7 ) 流量仪； 2 2 油分浓度计及压电乳化装置设计 2 2 1 油分浓度计结构设计 本文所设计的油分浓度计是一种利用光学浊度法测量的光电传感器。其测量方式就 是让光线通过分散成乳化状的油水混合物，通过测定其散射光的强度，。和透射光的强度 j 。，以标定油分的含量，其检测原理如图2 2 所示。 图2 2 中，当光线照射含油微粒时，光线就会产生散射现象。根据瑞利散射定律， 当入射光的强度一定且油粒直径小于入射光的波长时，散射光的强度与入射光的强度之 比，与乳浊液的含量、浊度成正比。为保证被测试样中油粒大小适合，分布均匀，一般 都在测量管的前端设置一个乳化器，使油水混合液转变为乳浊液。可采用普通可见光、 近红外光或激光作为光学浊度法的入射光源，这些照射光的波长可大于所测油粒粒径。 孙利强：大型油船防污和压载监控系统研究 入射 贰秤 嫉 爨。 戮 ， 日 透射光，o 射光， 图2 2 油分含量光电检测原理 f i g 2 2p r i n c i p l eo f o i lc o m p o n e n t p h o t o e l e c t r i cd e t e c t 从图2 1 中可以看到，油分浓度计电气控制单元3 与浓度取样及检测单元4 分别处 于泵舱和机舱两个不同舱室内，将3 、4 单元分开设置的目的就是要尽量将电器部件与 带油的污水接触的机会降低，这是出于对油船防火、防爆的安全来考虑的。 照射在待检测污水上的入射光是需要由电光器件在单元3 中产生，而穿过待检测污 水的透射光和散射光需要由单元3 中的光电器件接收，因此3 、4 单元间需要借助光纤 来传送光信号。本文使用光纤作为传输介质，是因为光纤具有以下优点 23 2 2 ： ( 1 ) 灵敏度高、频带宽、动态范围大 ( 2 ) 光纤由石英材料做成，有很好的电绝缘性能光纤传感器不受电磁辐射的影响， 适用于电噪声环境( 如输电线、电气铁路和电气机械中) ，能避免产生火花，适用于油罐 和易爆炸气体( 如煤矿和石化工业) 。 ( 4 ) 体积小、重量轻、安装简单、造价低。 ( 5 ) 光纤不仅是敏感元件，而且是一种优良的低损耗传输线，因此不必考虑测量仪 和被测物体的相对位置，特别适合于电子式等传感器不太适用的地方。 ( 6 ) 光纤是无源器件，对被测对象不产生影响，其自身独立性好，可以适用于各种使 用环境； 由此，设计出的油分浓度计的系统如图2 3 所示。 大连理工大学硕士学位论文 电 驱嚣 动 一缓：- 级 射 器、 孽 罐鱼觏0 塞 1 兰#f j 4l = # 二譬 舞 稽信 电 号 、号 - 探 j 瓤 调 输 一：器 理 出 图2 3 油分浓度计系统 f i g 2 3s y s t e mo f o i ln e p h e l o m e t e r 由光纤传送的油分浓度光信号要经过光电探测器转化为电信号，再经过专门的信号 调理电路对电信号进行放大、滤波处理后送入防污监控系统的数据采集系统。 2 2 2 压电乳化装置设计 在浓度取样及检测单元中，为了使油分浓度计检测得到的信号更为精确，需要对含 油污水进行事先乳化，这个过程实际上就是将水中的油颗粒击碎，使其尽可能均匀的分 布在水中，形成乳浊液。乳化效果的好坏主要取决于所选择的乳化方式和乳化设备。 不同种类的防污监控系统所采用的乳化装置和乳化方法都会有所不同，本文尝试使 用压电双晶片来构成一种简易乳化装置的方法。其检测原理如图3 6 所示。 图3 6 中的两片压电陶瓷即为压电双晶片，该装置主要利用的是压电晶体的逆压电 效应，通过电源对压电陶瓷两端施加交变电场，从而使压电晶体发生形变，带动在污油 水中的执行材料的振动，以达到打碎污油颗粒、乳化液体的目的。 利用压电双晶片驱动的乳化装置，本质上是一种压电执行器，与其他的乳化装置相 比，具有结构简单、节省能源、无噪声等特点。 2 3 防污监控系统数据采集及控制系统总体设计 在微机化测控系统中，通常把c p u 及与其相连的存储器和接口电路统称为主机电 路，主机电路是微机化测控系统的核心。目前微机化测控系统采用的主机主要有p c 机 和单片机两种 1 8 。 基于p c 机的测控系统可分为内插式、外接式和组合式三种。 ( 1 ) 内插式测控系统是将输入或输出接口电路制成印制板的插板形式，也就是通常 所说的数据采集卡，将插板直接插入p c 机主机箱内的扩展槽内，通过计算机的各种总 线与c p u 交换信息。来自测量调理电路的测量信号通过插板与计算机打交道，主机与控 制电路系统之间也是通过插板进行联系。内插式测控系统的特点是构成简便，结构紧凑， 孙利强：大型油船防污和压载监控系统研究 成本低廉，可直接形成典型的个人仪器。操作者可以通过键盘和鼠标器向主机发出控制 命令和进行各种操作。 ( 2 ) 外接式测控系统是将输入接口与输出接口安装于p c 机箱外部一个独立的专用电 箱中，并通过外部总线( 如r s 一2 3 2 c 串行总线或i e e e 一4 8 8 并行总线等) 与p c 机通信和传 递数据。外接电箱可以独立供电，且不受p c 机总线的限制，必要时可以有自己的微处 理器和总线结构，其特点是方便灵活，适用于多通道、高速数据采集或一些特殊场合的 测控要求。 ( 3 ) 组合式系统是将内插式和外接式两种方式有机的结合起来，兼有两种方式的优 点或特长。组合式测控系统的输入接口与输出接口安装于p c 机箱外部一个独立的专用 电箱中，同时在p c 机内部扩展槽内也安装有接口板，测量信号和控制信号通过外接电 箱后，再经过接口板与计算机交换数据。组合式系统的特点是灵活方便，适用范围广， 是一些特殊场合下的最佳选择 1 8 。 通过对以上各种方案的比较发现，基于p c 机的测控系统其特点在于使用灵活，应 用广泛，可充分利用p c 机的软硬件资源的各种功能。更重要的是，p c 机强大的数据处 理能力和内存容量使测控系统的性能更上一层楼。另外，p c 的软件系统已成为仪器系 统的重要组成部分，通过软件的更新可以方便地进行系统的更新换代。 因此本文在分析a p m v l c c 的防污监控系统原理和特点后，将构建一个基于数字显示 控制箱p c 的内插式数据采集与控制系统，以此来完成大部分数据采集与信号输出的任 务，其系统原理如图2 5 所示。 图2 5 数据采集与控制系统原理 f i g ，2 5p r i n c i p l eo f d a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o ls y s t e m 大连理工大学硕士学位论文 从图2 5 中可以看到数据采集卡的性能对系统性能的影响非常大。在选择数据采集 卡构成系统时，必须对数据采集卡的性能指标有所了解。数据采集卡的主要性能指标如 下：采样率、分辨率、量程、通道、同步采样、模拟输出、数字输入输出和触发。 根据现在实验室的条件，有两种数据采集卡可供选择：a c l 一8 1 1 1 和p c i 一6 0 1 4 6 0 1 3 a c l 一8 1 1 1 是a d l i n k 公司生产的一种多功能、高性能、用于i b mp c 及其兼容机上 的通用数据采集卡。它提供了a d 、d a 、d o 及d i 四种功能，适用面很广。 p c i 一6 0 1 4 数据采集卡是美国国家仪器公司( n i ) 生产的1 6 位多功能数据采集卡，有 i o o g q 的输入阻抗，保证干扰电流不会影响流入的信号，从而大大提高数据精确度。 p c i 一6 0 1 3 数据采集卡也是美国国家仪器公司( n i ) 生产的1 6 位多功能数据采集卡其 功能与p c i 一6 0 1 4 相差不多，但没数字输出端口。 数据采集卡的选用及采集与数字信号输出系统的细化工作将在第4 章做进一步的详 细讨论。 2 4 防污监控系统软件总体设计 测控系统的硬件电路确定之后，测控系统主要功能将依赖于软件来实现。对同一个 硬件电路，配以不同的软件，它所实现的功能也就不同，而且有些硬件电路功能常可以 用软件来实现。研制一个复杂的微机化测控系统，软件研制的工作量往往大于硬件，可 以认为，微机化测控系统设计，很大程度是软件设计。 根据a p mv l c c 的防污监控系统原理和自身特点，本文采用模块化的思想设计了防污监控 系统的软件总体结构，如图2 6 所示。这里将防污监控系统的整个软件分解为若干模块。每个 模块各自代表了不同的分立操作。 a p mv l c c 的防污监控系统软件总体可分为三个部分：数字显示控制箱模块、中央控制工作 站模块和数据库管理模块。系统运行时，数字显示控制箱模块和中央控制工作站模块分别运行 于两台计算机t 。除了完成油分浓度上限设定、开关控制等相关功能外，数字显示控制箱模块 又包括：声音报警触发模块、数字信号输出模块和数据采集模块。数字显示控制箱模块与中央 控制工作站模块之间的相互联系所依靠的是网络监控功能的实现。中央控制工作站模块完成的 功能比较多，主要是获得船速等相关信号计算瞬间排放率和排油总量并输出控制信号，它包括 的软件模块有：排放率与排油总量设定模块、声音报警触发模块、定时触发与时间显示模块。 中央控制工作站模块需要完成数据库访问的功能，该功能的实现主要依赖于所选择软件开发平 台提供的数据库访问方式，以及所选的外部数据库管理系统。数据库管理模块所要完成的功能 包括：设定查询条件、完成查询并显示、数据删除等。数据库管理模块是与数据库交互最为频 繁的一个模块。 孙利强：大型油船防污和压载监控系统研究 上述分析只是概括的设计各模块的功能和防污监控系统的总体结构，具体到每个软 件模块的实现方法，将在本文后几章进行论述。 2 5 压载水装卸监控软件总体设计 本文设计的压载水装卸监控软件是一种集压载监控与模拟压载状态为一体的软件 系统。该软件系统总体可分为三大部分：压载水舱装卸控制软件模块、压载配载动态参 数计算软件模块和压载舱阀门状态监控软件模块，如图2 7 所示。整个系统的核心是压 载水液位状态信号，该信号可以通过软件模拟产生，也可以通过外部输入，将信号值通 过全局变量在整个系统中共享，使三个模块都可以同步访问。根据信号值的大小，三个 模块会完成相应的功能。压载水舱装卸控制软件模块主要是根据合理的压载方案输出控 制信号，压载配载动态参数计算软件模块主要完成动态参数的计算，如果是在模拟信号 输入状态下，可以提供压载仿真参数值，供设计人员参考。压载舱阀门状态监控软件模 块的任务主要是完成对压载舱各阀门信号的监视和控制。 压载水装卸监控软件的详细设计将在第6 章详细讨论。 l 2 一 大连理工大学硕士学位论文 图26 防污监控软件总体结构图 f i g 26m a i ns o f t w a r ef r a m e w o r k o f p o l l u t i o n p r o t e c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m 型型堡! 奎型垫塑堕望塑垦墼些塑墨堡婴塞 图2 7 压载水装卸监控软件总体结构 f 追2 7m a i ns o f t w a r ef r a m e w o r ko f b a l l a s tm o n i t o r i n gs y s t e m 2 6 开发软件和数据库的选择 通过2 4 节与2 5 节论述，已经将系统软件的功能及所要完成的任务规划出来，接 下来需要做的就是系统开发软件和数据库的选择，它们将对系统的性能的优劣产生很大 影响。 7 值得注意的是，随着计算机硬件功能的逐渐完善和多样化，标准化插件的不断增多， 电路系统模块化的进一步发展，基于微型计算机的测控系统的硬件系统将逐渐为软件系 统所部分取代。这时，从计算机的角度来看，不同的测控系统知识区别于不同的软件系 统，系统的更新和升级也主要是软件的更新和升级。因此，选择一种合适的软件开发平 台就显得至关重要。 2 6 1 开发软件的选择 美国n i 公司的l a b v i e w 开发软件为用户提供了一个简单易用的程序开发环境，特别 考虑了工程师和科学家们的需要而专门设计。l a b v i e w 提供的强大特性让用户可以非常 方便地连接各种各样的硬件产品和其它软件产品。目前较流行的测控系统开发环境大致 分为两类：一类是文本式的编程语言，如c ，l a b w i n d o w s c v l ，v i s u a lc + + 等：另一类 是图形化的编程语言，代表性的有h p v e e 等。与这些开发软件相比，l a b v i e w 具有以下几 点优势 1 6 ： ( 1 ) l a b v i e w 带有现成即用的函数库，用户可以用它集成各种独立台式仪器、数据采 集设各、运动控制和机器视觉产品、g p i b i e e e4 8 8 和串口r s 一2 3 2 设各、p l c s 等， 从而开发出一套完整的测量和自动化解决方案。而这个特点非常符合现代油船监控系统 的发展方向，因为大多数油船的系统设备都不会是同一厂家生产的，各种设备仅提供一 大连理工大学硕士学位论文 些标准接口供其他用户使用，这就需要一种兼容性很好的软件来将系统中各种设备集成 在一起协调工作，而l a b v i e w 就是最好的选择。 ( 2 ) l a b v i e w 支持多种操作系统平台。它可运行在w i n d o w s2 0 0 0 ，n t x p ，m e ，9 8 ，9 5 和嵌入式n t 环境下，同时还支持m a co s ，s u ns o l a r i s 与l i n u x 。通过l a b v i e w 实时 ( l a b v i e wr e a l - t i m e ) 模块，l a b v i e w 还能够编译代码，让程序在v e n t u r c o me t s 实时操 作系统中运行。现代油船的监控系统往往运行在不同的操作系统平台上，这就需要监控 系统的软件可在不同平台下进行编译和运行，所以l a b v i e w 这一特点本文选择它作为系 统软件开发平台的原因之一。 ( 3 ) l a b v i e w 为工程师和科学家们提供的最有力的特性就是图形化的编程环境。可以 使用l a b v i e w 在电脑屏幕上创建一个图形化的用户界面，通过这个图形界面，可以操作 仪器程序、控制硬件、分析采集到的数据、显示结果，还可以使用旋钮、开关、转盘、 图表等自定义前面板，用以代替传统仪器的控制面板、创建自制测试面板或图形化表示 控制和操作过程。标准流程图和图形化程序图的相似性使得l a b v i e w 能大大缩短了用户 的整个设计过程。只需将各个图标连在一起创建各种流程图表，即可完成监控仪器程序 的开发，而这也正好符合工程师和科学家们的原始设计理念。2 利用图形化编程，在保持 系统的功能与灵活性的同时，能大大加快开发速度。 ( 4 ) 灵活性与可调整性是l a b v i e w 的主要优势。工程师和科学家们需要并且要求系统 能够不断变化。同时，还需要可维护、可扩充的解决方案以便长