（机械电子工程专业论文）vlcc货油装卸主系统安全运行监控研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 货油主系统是超大型油船的主要工作部分，为了使货油装卸过程安全可靠，本文主 要对超大型油船货油压载系统的泵阀以及电力系统中的应急电源进行了监控研究，开发 出新型的电流检测装置，设计了相应的监测控制软件。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”，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船a p m v l c c 。 本文对应急电源及货油压载系统监测系统的研究主要分为检测装置的硬件开发和 监控软件的设计两部分。本文利用霍尔元件的霍尔效应，开发出双侧式霍尔电流传感器， 分析设计了传感器的结构，设计了传感器调理电路和实验系统，对霍尔电流传感器进行 了标定实验。标定结果表明：传感器的线性度好，满足设计要求。应用该传感器和数据 采集卡组建了数据采集系统。本文分析了货油系统管路的泵阀工作状态逻辑，为货油装 卸主系统的软件设计奠定了理论基础。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 设计了监测系统的软件，包括数据采集模块、数据显示模块、数据存储 模块和声音报警模块。设计了应急电源监测软件的数据库，用于存储和管理实时数据和 故障报警信息。通过本文设计的监测系统可以实时监测货油主系统设备的运行状态及运 行参数，当系统发生故障后，系统自动发出声音报警，并进行报警信息的存储。 结果表明，本文设计的货油主系统安全运行监测系统工作正确，精度较高，达到了 预期的目标。 关键词：超大型油船；应急电源；监测系统；霍尔传感器；l a b y i e w 张种：v l c c 货油装卸主系统安全运行监测研究 t h em o n i t o rr e s e a r c ho fr u n n i n gs a f e l ya b o u tc a r g o l o a d i n g u n l o a d i n gm a i ns y s t e mo fv l c c a b s t r a c t t h em a i ns y s t e mo fc a r g oi st h em a i np a r to fv l c c i no r d e rt oi n s u r et h es a f e t yw h i l e l o a d i n g a n du n l o a d i n gi n c a r g or u n n i n g ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e sp u m p sa n d v a l v e so f c a r g o b a l l a s ts y s t e ma n du p so fe l e c t r i c a ls y s t e m ，d e v e l o p san e we q u i p m e n to fc u r r e n t m e a s u r a t i o na n dd e v e l o p sam o n i t o r i n gs o f t w a r ef o rt h e m t h i st h e s i sd e r i v e sf r o mt h e s 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 fc a r g ol o a da n du 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 fc a r g om 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 dt e c h n o l o g y ”s u b j e c t ， w h i c hi s s 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 lp r o j e c tf o rd e v e l o p i n gg r e a tt e c h n i c a l e 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 r d a n i s ha e n o l l e r m a e r s k c o b yd n sc o i nt h i s p a p e r , t h er e s e a r c ho fm o n i t o r i n gs y s t e mo fu p sa n dc a r g o b a l l a s ts y s t e m i n c l u d e sm a i n l yt w op a r t s ：h a r d w a r ed e v e l o p m e n to fm e a s u r a t i o ne q u i p m e n ta n ds o f t w a r e d e s i g n i n go fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n g d e v e l o p st h ec u r r e n ts e n s o ro fb o t hs i d e so nt h e b a s i so f h a l le f f e c to f h a l lc o m p o n e n t ，d e s i g n t h es t r u c t u r ea n da d j u s t i n gc i r c u i to f s e n s o ra n d e x p e r i m e n ts y s t e m ，e x p e r i m e n t a l i z e st h ed e m a r c m e dc i r c u i to ft h es e n s o r t h er e s u l ti n d i c a t e s t h a tt h es e n s o rh a v eag o o dl i n e a r i t ya n da c c o r d sw i t hd e s i g nr e q u i r e m e n t c o l l e c t sad a t a c o l l e c t i o ns y s t e m ，b yu s i n gt h es e n s o ra n dd a t ac o l l e c t i o nc a r d a n a l y z e st h el o g i c a ls t a t u so f p u m p sa n dv a l v e so f t h ec a r g os y s t e m ，w h i c he s t a b l i s h e st h eb a s eo fd e s i g n i n gt h em o n i t o r i n g s o f t w a r eo fc a r g om a i ns y s t e m t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs o f t w a r ei sd e v e l o p e du s i n g t h el a b v i e w , w h i c hi sa d v a n c e dv i r t u a li n s t r u m e ms o f t w a r ep l a t f o r mi nt h ef i e l do fm e a s u r e a n dc o n t r 0 1 t h ef u n c t i o no fs o i h a r ei n c l u d e s m a i n l y ：d a t ac o l l e c t i o nm o d u l e ，d a t a p r o c e s s i n gm o d u l e ，d a t ad i s p l a ym o d u l e ，d a t as t o r a g em o d u l ea n ds o u n da l a r mm o d u l e a tt h e s a i i l et i m e ，d e s i g n sad a t a b a s ew h i c hi su s e dt os t o r ea n dm a n a g et h er e a r - t i m ed a t aa n d i n f o r m a t i o no fa l a r m t h es y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e r , m o n i t o r st h er e a l t i m er u n n i n gs t a t u s a n dp a r a m e t e r so ft h ec a r g os y s t e m ，g i v e sa l ls o u n da l a r ma u t o m a t i c a l l ya n ds a v e sa n dp r i n t s t h ei n f o r m a t i o no fa l a r mw h e nt h e r ea r ea n ym a l f u n c t i o ni nt h es y s t e m t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h em o n i t o r i n gs y s t e mo ft h ec a r g om a i ns y s t e mw o r k sc o r r e c t l y , h a sag o o dp r e c i s i o na n da c h i e v e st h ee x p e c t a n tg o a l k e yw o r d s ：v l c c ；u p s ；m o n i t o r i n gs y s t e m ；h a l ls e n s o r ；l a b v i e w i v 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 导师签名 巡堕年生月丑日 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。 大连理工大学硕士学位论文 1 引言 1 1 课题的来源及意义 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予专题“货油装卸操作系统程序研究开发”， 本课题的工程依托是大连新船重工为丹麦a e n o l l e r m a e r s k 公司设计建造的超大 型油船a p mv l c c 。本课题由大连理工大学和大连新船重工联合完成。 超大型油船v l c c ( v e r yl a r g ec r u d ec a n e r ) 是海上油田开发中的重要设备之一，用 于对开采的石油进行油水气处理、储存和外输。超大型油船是许多高新科技的集合体， 因此技术含量极高。 电力系统是大型油船的能源供应系统，可以说没有电力就没有能够工作的大型油 船。由于油船电气设备工作环境较差，一旦发生故障，若不及时排除，将对人身安全和 设备安全产生极大的威胁。超大型油船的货油主系统是超大型油船能否完成其主要工作 的部分，因此货油主系统有着十分重要的地位。同时，压载系统负责调节空船时的船体 受力，能够使超大型油船在没有装载货油的时候仍然保持平稳状态。 本课题( ( v l c c 货油装卸主系统安全运行监测研究就是为了发现超大型油船货油 压载系统以及应急电源设备的故障，并及时排除故障这一目的而设立的。本课题的研究， 对于提高我国在大型超大型油船应急电源设备及货油压载系统安全监测软件的研究水 平，提高我国在大型船舶领域的设计水平，增强国际竞争力，具有重要的现实意义和应 用价值。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 1 2 1 油船发展概况 人类最早使用船舶运输液体货物是公元2 3 世纪间的古希腊人。那时的古希腊人 将酒和橄榄油之类的液体货物装在陶罐内，再将陶罐装在船上以海运方式穿梭于地中海 各港1 2 i 之间。然而运输的时间证明用陶罐装船运输，无法克服其不易固定和易碎的缺点。 于是，作为替代盛装容器的木桶出现了。 随着生产力的发展、科技的进步，人们发现并懂得了石油的巨大利用价值，尤其是 内燃机的发明和推广，以及开采和提炼石油工艺的不断进步，石油机器制品已经越来越 成为发展工业所必不可少的能源。但是，油田分布的不均匀，石油开采和提炼工业的发 展不均衡，又造成了某些缺乏石油资源的国家和地区迫切需要石油及其制品，而另一些 张舯；- v l c c 货油装卸主系统安全运行监测研究 国家则能够供应，这样就产生了石油及其制品的运输问题。 随着工业的发展，货油的需求日增和运输距离的加长，促使航运界开始积极研究油 船改进的实质性问题。1 8 8 6 年，人们成功地设计并建造了一艘专为装载货油的蒸气机船 “格鲁克福”( g l u c k a u f ) 轮，其船体被分隔成多个油舱，船壳充当容器，机舱设于船 尾。“格鲁克福”轮全长3 0 0 1 1 ，载重2 3 7 0 t ，它可以算是现代油船的鼻祖。 本世纪随着石油在世界各地的大量开采和应用，油船又有了长足的发展，尤其是第 二次世界大战更加速了油船的发展。在当时建造了一批1 6 5 0 0 d w t 的t 2 型油船。进入 五六十年代，油船的设计和建造又向大型化和超大型化发展，特别是1 9 5 7 年中东战争 以后，埃及关闭了苏伊士运河，从中东运出的石油机器制品的船舶必须绕过好望角才能 到达西欧和美国，航程大大增加，如果仍然限于一万到几万吨级的船来运输，显然是很 不经济的。于是1 6 至4 0 万吨级的巨型油船( v l c c v e r yl a r g ec r u d ec a r r i e r ) 及4 0 至6 0 万吨级的超级油船( u l c c - u l t r al a r g ec r u d ec a r d e r ) 应运而生【1 1 。 自7 0 年代末以来，油船在趋于大型化的同时又加强了安全性和防污性，并相应的 采取了一系列的措施，如惰气保护系统、采用原油洗舱、设置专用压载舱，以及为最大 限度的减少因海损事故对海洋环境造成的污染而确定了对新建造的油船需要设计双侧 底、双层船壳或带中间甲板的双层弦侧结果等技术要求。此外，油船的货油装卸、导航 和舵设备等系统均有较大改进，人员安全设施也不断地得到改善，自动化程度越来越高， 少数先进油船作业已经完全实现了计算机控制。 1 2 2 我国大型油船的开发现状 我国拥有漫长的海岸线，与此同时，也相应具有丰富的近海油气田资源。中国海上 油气勘探主要集中于渤海、黄海、东海及南海北部大陆架，预测石油资源量为2 7 5 3 亿 吨，天然气资源量为1 0 6 万亿立方米。目前原油的发现率仅为1 8 5 ，天然气发现率为 9 2 ，极具开发潜力。目前，我国石油生产的三大主力中石油、中石化与中海油( c n o o c 、 都进入了海洋开发市场。其中，中海油是唯一一家拥有超大型油船船舶的公司。中海油 成立于1 9 8 2 年，是享有对外合作开采油气业务专营权的国家公司，主要业务为组织海 上石油、天然气的勘探开发与相关化工产品的冶炼加工和销售。目前，中海油已拥有5 8 座海上平台、1 0 艘f p s o 、陆地终端5 个，单点系泊系统1 1 个。 由于我国自行拥有的超大型油船数量有限，所以到目前为止。我国只有5 家船厂涉 足过超大型油船的建造与改装。我国建造过超大型油船的船厂有沪东造船厂、江南造船 厂和大连新船重工。1 9 9 0 年，中国第一艘超大型油船“南海发现号”投产。这艘超大型 油船用于中海油与a c t 集团合作开发的惠州2 1 1 油田，这是一艘装有快速解脱转塔式 大连理工大学硕士学位论文 系泊装置的2 5 万吨超大型油船，由新加坡船厂改装完成。沪东造船厂建造的均为5 2 0 0 0 吨级超大型油船，这也是我国最早建造的超大型油船。这两艘船分别为“渤海友谊”号 和“渤海长青”号，前者用于渤海渤中2 8 1 油田( 现已移至曹妃甸1 - 6 油田) ，于1 9 8 9 年5 月2 5 日投产：后者用于渤海渤中3 4 2 4 e 油田，于1 9 9 0 年6 月1 0 日交付使用。该 船型长2 2 1 m ，型宽3 1 m ，型深1 7 6 m ，满载吃水1 0 5 m ，载重量为5 1 2 0 0 t ，原油加工能 力为1 8 0 f f d ，储油能力为4 0 0 0 m a h 。1 9 9 3 年，由江南造船厂为渤海绥中3 6 1 油田建造 的7 5 5 0 0 t 超大型油船投产。该船每天生产4 0 0 0 t 油，储油能力8 1 2 0 0 m 3 ，卸载能力为 4 0 0 0 m 3 h 。1 9 9 3 年，“南海盛开”号改装为超大型油船在陆丰1 3 1 油田投入使用。这艘 船装有可解脱式转塔系泊系统，可在台风来临前解脱，在台风过后重新连接。由上海7 0 8 研究所和大连造船新厂设计、建造的1 5 万吨级超大型油船“渤海世纪”号和“南海奋 进”号则是我国自行设计与建造的第二代超大型油船。“渤海世纪”号于2 0 0 1 年7 月2 8 日交付使用，该船采用永久系泊方式，作业于秦皇岛3 2 6 油田。“南海奋进”号超大型 油船则装备于南海的文昌1 3 1 1 3 2 油田，该船于2 0 0 2 年7 月2 4 日交付使用。这艘超 大型油船所在水域是世界公认的三大恶劣海域之一，设计要求该船必须保证能在百年一 遇的强台风条件下作业。该超大型油船所采用的内转塔式单点系泊系统，是当今国际上 超大型油船系泊系统的主流形式，目前世界上只有少数国家能够掌握这种技术。先进的 性能和设备，使“南海奋进”号超大型油船成为迄今为止我国自行设计和建造的技术含 量最高的超大型油船。 除为中海油建造2 艘超大型油船之外，大连新船重工还为美国c o n o c o 公司建造 了2 0 万吨b e l a n k 超大型油船的船体部分。此外，中海油在西江3 0 1 与3 0 3 油田拥有 一艘超大型油船，在南海流花1 1 - 1 油田也拥有一艘超大型油船。山海关船厂则是国内 第一家承按超大型油船改装工程的船厂，也是迄今为止唯一的一家。1 9 9 8 年，山海关船 厂按照美国船级社和美国石油协会标准，成功地将巴西国家石油公司的两条2 8 万吨超 级油船改装成集采油、储油、加工、卸油为一体的单点系泊式超大型油船( p 3 3 、p 3 5 ) 。 整个工程包括2 4 0 0 0 t 钢结构、4 6 0 0 t 管子、7 0 0 0 0 0 m 电缆敷设、7 0 0 0 0 0 m 大舱及船体涂 装( 其中舱室特涂4 0 0 0 0 0 m ) 、全部生活区内舾装和2 3 0 0 台设备安装，整个工程耗用了分 别来自英、美、法、日、韩、德乃至以色列等国家和地区的5 0 0 多万件材料。目前，p 3 3 、 p 3 5 漂浮在巴西玛利姆油上，运行状态良好，单船日生产能力为5 0 万顿，开采处理原 油5 0 万桶，压缩天然气2 0 0 0 0 0 0 m 3 ，处理输出天然气1 5 0 0 0 0 0 m 3 ，使用期限2 0 年，业 主对整个工程十分满意。作为国内目前最具现代化的船厂之一及其拥有的大型造船设 施，上海外高桥造船有限公司成立之初就将海洋工程船舶列为重点目标市场之一。2 0 0 2 年上半年，上海外高桥造船公司将由于触礁造成重大损伤的“南海奋进”号修复，从而 张种：v l c c 货油装卸主系统安全运行监测研究 首次涉足于这一市场。此外，2 0 0 2 年1 月1 8 日，上海外高桥造船有限公司与中国海洋 石油总公司签定了建造一艘1 5 万吨级超大型油船的合同。该船原油年处理能力为4 5 0 万吨，配备了7 5 0 0 k w 的发电机5 台，船体局部结构上进行了抗强台风和抗恶劣海况的 特殊处理，能承受百年一遇的风暴。这艘超大型油船将装备于南海番禹4 - 2 5 一l 油田， 预计于2 0 0 4 年7 月1 日建成，9 月1 日投入油田生产。该船是世界第二艘采用内转塔单 点永久系泊超大型油船，第一艘是“南海奋进”号。这表明我国的超大型油船设计与建 造水平又迈上了一个新台阶1 2 j 。 1 2 3 船舶自动化的发展概况 自动控制就是在无人参与的情况下，利用控制装置( 控制器) 使被控对象或过程自动 的按预定的运行规律去运行。自动控制现在已经越来越广泛的应用到各种工程专业中， 自动控制水平往往是衡量技术先进水平的重要标志之一。从学科发展来看，自动控制吸 收了很多专业技术和科学的成就，理论和实践得到了很快的发展；另一方面，现代的各 种工程学科又包含着本专业的自动控制技术，也即自动控制理论和技术在该工程中应用 的专门知识。 随着自动控制在各种工业中获得应用。发展和成熟，船舶自动控制技术也得到很快 发展，并成为二次大战结束以后，船舶技术发展的几个主要方面之一。所谓船舶自动化 使船舶操纵与机舱设备运转过程自动化的简称，具体地说，就是在船舶需要人工操作与 管理的设备上配备一些船用自动化装置，全部或部分的代替操作管理人员的直接劳动， 使船舶操纵与设备运转过程在不同程度上自动地进行，这种采用船用自动话装置来操纵 与管理设备的形成，称为船舶自动化。 船舶上使用自动控制已经有很长的历史。2 0 世纪5 0 年代以来，船舶自动化经历了 单元自动化，机舱集中监测与控制，以及主机驾驶室遥控等几个阶段，随后，由于大规 模集成电路的出现和微处理机在自动化方面的实船应用，船舶从自动化，从机舱自动化 朝向全面自动化的方向发展【3 1 。 船舶监测报警系统是机舱自动化的重要组成部分。它实时监测主机、辅机等的重要 机电参数，当被监测量越限时，在船上指定的各个部位发出声光报警。按照中国船级社 铜质海船入级与建造规范的定义，报警是指当受监控的机电设备或系统超出预定参 数范围时所发出的听觉和视觉信号【4 。 目前，国外己有多个厂商开发出机舱监测报警系统，例如b & w 公司的柴油工况监 控系统、s a a b 公司的油舱液位监控系统、s e a n a 公司的货油舱在线监测系统、i p h 公 司的货油监控系统、u z u s h i o 公司的电力综合管理系统、s t e i ns o h n 公司的报警监 4 一 大连理工大学硕士学位论文 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。 国内也有多家单位开发过机舱监测报警系统，但一般都是适应旧船改造或单一船型 的单套生产，产品在技术含量和扩展能力上明显落后于国外。例如，上海海运学院于1 9 9 8 年采用西门子公司s i m a t i cs 7p l c 为一大型船舶改造了机舱小型巡回监测报警系统。 青岛北洋电气厂开发了s b y l 监测报警系统，系统采用了模块化结构 5 j 。大连海事大 学开发了机舱网络系统，主站设在机舱值班室，各从站( 监测与控制站) 设在机舱各部位。 机舱网络系统包括机舱报警、柴油机工况监测、主机遥控以及锅炉控制、电站控制、冷 却水温度控制、燃油温度控制等【6 】。 机舱监控系统的发展共经历了四个发展阶段： 1 ) 单项自动调节监控； 2 ) 电、气动及中小规模集成电子模块组合逻辑监控和中小型计算机集中监控； 3 1 以微机为基础的主从式分布结构监控： 4 1 以微机为基础的局部网络监控和机舱监控系统与全船自动化系统联网。 1 2 4 霍尔电流传感器概述 新型的霍尔传感器是本文研究的一个重点，主要用于应急电源工作电流监测和货油 压载泵阀工作电流监测。 霍尔电流传感器是近十几年发展起来的测量控制电流的新一代工业用电量传感器， 是一种新型的高性能电气检测元件。霍尔电流传感器由于具有精度高、线性好、频带宽、 响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点，因而被广泛应用于变频调速装 置、逆变装置、u p s 电源、逆变焊机、变电站、电解电镀、数控机床、微机监测系统、 电网监控系统和需要隔离检测大电流、电压的各个领域中。在电力电子产品中，对大电 流、电压进行精确的检测和控制也是产品安全可靠运行的根本保证。 霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、次级线圈和放大电路等组成。 现有的电流传感器有两种工作方式，即磁平衡式和直测式。 ( 1 ) 直测式电流传感器( 开环式c h f t 系列) 众所周知，当电流通过一根长导线时，在导线周围将产生一磁场，这一磁场的大小 与流过导线的电流成正比，它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有一信号输 出。这一信号经功率放大器放大后直接输出，一般的额定输出标定为4 v 。 ( 2 ) 磁平衡式电流传感器( 闭环式c h b 系列) 磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，即主回路被测电流i p 在聚磁环处所产生的 磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，从而使霍尔器件处于检测零磁通的 张狲：v l c c 货油装卸主系统安全运行监测研究 工作状态。磁平衡式电流传感器的具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线 上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动相应的功 率管并使其导通，从而获得一个补偿电流i s 。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁 场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减 小。当i p 与匝数相乘所产生的磁场与i s 和匝数相乘所产生的磁场相等时，i s 不再增加， 这时的霍尔器件起指示零磁通的作用，此时可以通过i s 来测试i p 。当i p 变化时，平衡受 到破坏，霍尔器件有信号输出，即重复上述过程，最后重新达到平衡。被测电流的任何 变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经放大后，立即 就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需 的时间不到1us ，这是一个动态平衡的过程。 ( 3 ) 磁平衡( 补偿) 式接线法 磁平衡( 补偿) 式电流传感器输出信号均为电流。若需要电压输出方式，可在m 端与电源地之间根据所需电压太小外接取样电阻，其典型接线方法如图1 1 所示。传感 器的3 个接线端子分别为：正电源输入接“+ ”端，负电源输入接“”端，“m ”端为信 号输出端。 图1 1 磁平衡式电流传感器接线法 f i g 1 1c o n n e c t i o nm e t h o do f m a g n e t i z a b l eb a l a n c ec u r r e n ts e n s o r ( 4 ) 直测式接线法 静睁簪 c h 斗- xx 硼m xxx 船锶睁* 善圳盯 大连理工大学硕士学位论文 直测式电流传感器的输出信号为电压方式，在额定工作条件下，其标准输出信号为 _ 4 v 。传感器上有零点和增益电位器，一般不需再作调整。直测式电流传感器的接线方 法因产品系列的不同而有所不同，图1 2 为直测式电流传感器的接线图 7 】。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题的主要任务是对船舶货油压载主系统以及应急电源设备安全监测系统进行 研究。监测系统通过采集由传感器输出并经过信号调理电路的实时信号，进行监测货油 压载主系统泵阀以及应急电源设备的工况和状态；当系统发生故障时，监测系统发出声 音报警，并将报警信息记录到数据库中，提供故障诊断和分析，从而实现配电设备的自 动监测与报警。主要研究内容包括： 、 1 监测系统总体方案设计； 2 双侧式霍尔电流传感器和信号调理电路设计以及标定实验； 3 数据采集系统设计及软件平台选择： 4 应急电源监测系统软件设计与数据库设计； 5 分析货油压载管系，根据预定的货油装卸顺序，设计货油主系统泵阀控制逻辑； 6 货油压载主系统研究与监测软件设计。 张狮：v l c c 货油装卸主系统安全运行监测研究 2 应急电源与压载、货油监控系统总体方案设计 超大型油船货油装卸主系统的安全运行监测是本文研究的课题。在货油装卸中影响 安全的因素较多，需要研究的监测内容也较多，本文主要研究货油装卸主系统中的应急 电源安全运行监测和货油压载系统泵阀的安全运行监控，围绕本文的研究任务，主要研 究内容包括：新型霍尔电流传感器及其信号调理电路的的设计与开发，数据采集系统的 设计以及软件平台的选择，货油压载系统泵阀的控制逻辑设计与监控软件开发，应急电 源系统监测软件研究。 2 1 双侧式霍尔电流传感器 根据货油装卸主系统需要对工作电流进行监测的要求，本文开发了一种双侧式霍尔 电流传感器，主要进行结构设计，信号调理电路设计。 2 1 1 霍尔电流传感器结构设计 霍尔电流传感器是当电流通过长直导线时，在导线周围即有磁场产生，磁场的大小 与流过导线的电流成正比，这一磁场可以通过高导磁磁材料聚集，然后用霍尔元件来检 测，由于磁场与霍尔元件输出有很好的线形关系，因此利用霍尔元件铡得的信号大小可 以直接反映电流的大小。 图2 1 直接检测式霍尔电流传感器 1 ) 聚磁环2 ) 一被测电流导线3 ) - m 螈4 ) 一霍尔元件 f i g 2 1d i r e c t d e t e c t i n g h a l l c u r r e n ts e l 1 s o r 1 ) o l l e t c i n gm a g n e t i s mr i n g2 ) c u r r e n tl e a d3 ) p o w e rs u p p l y4 ) h a l lc o m p o n e n t 本文设计的霍尔电流传感器是一种直接检测式传感器，其结构原理如图2 i 所示。 还有一种零磁通或磁场平衡式霍尔电流传感器1 8 1 ，本文不使用，因此不再赘述。 - 8 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2 信号调理电路的设计 来自传感器的电信号一般不能用数据采集设备来测量，最主要的问题是它们大多数 输出电压非常小，且极易受噪声影响。因此在将它们转换为数字量之前需要先进行放大、 滤波或整流等处理，这项工作叫信号调理，其电路叫做信号调理电路。本文设计了信号 放大电路、整流滤波电路与调零电路。 放大电路是一种最常用的信号调理电路。对电信号进行放大的两个好处是它可以改 进信号数，模转换的精度并可以减少噪声。但是在数据采集模块中对信号进行放大，信号 就带着进入导线的噪声一起放大，因此，同时需要滤波电路，将噪声部分滤出，以保证 测量信号的准确性，然后进行模数转换和测量。调零电路是一般仪器仪表所必须的部分， 是仪器仪表能够根据不同场合进行归零调整的部分。 2 1 3 传感器的实验研究 对于制造的传感器，不同的元器件或工艺可能导致相同的传感器出现相区别的特 性，因此，每个生产出来的传感器都应该单独进行标定，以便在应用时获得更加准确的 数据。 因此本文预计做两部分实验：一个是将传感器双侧中的两个霍尔元件输入输出关系 进行单独标定；另一个是采用蓝津公司虚拟仪器实验台作为电源，用滑动变阻器模拟应 急电源的现场负载，得出现场工作情况下霍尔电流传感器的特性参数。 2 2 数据采集系统设计及监测系统的软件选择 2 2 1 数据采集卡的选择 从传感器经过调理电路出来的信号是模拟信号，而计算机只能处理数字信号，因此 必须将模拟信号转化为数字信号，以便计算机进行处理。数据采集卡就是实现模拟信号 数字化的设备，主要完成信号的采样、量化和编码。 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 卡的主要性能指标有：( 1 ) 采样率、( 2 ) 分辨率、( 3 ) 量程、( 4 ) 通道、( 5 ) n 步采样、( 6 ) 模拟 输出、( 7 ) 数字输入输出、( 8 ) 触发。对一些功能丰富的数据采集卡，还有定时计数等其 它功能，相应地还有其它相关指标，这里不再叙述。 考虑到以上问题，本文选用p c i 6 0 1 4 数据采集卡。p c i 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1 0 0 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。 张狮：v l c c 货油装卸主系统安全运行监测研究 2 2 2 软件平台的选择 w i n d o w sx p 性能稳定，操作简单，可以方便的实现人机交互，它将信息以图形化 的方式全面、形象、直观地呈现在用户面前，并且为应用程序开发提供了丰富的接口， 并支持多种可视化开发工具，例如，v i s u a lc + + 、蓝滓d r v i 、n il a b v i e w 等，因而 w i n d o w sx p 是比较理想的系统平台。 表2 1 各类开发工具的特点 t a b l e2 1c h a r a c t e r i s t i co f a l l k i n d so f d e v e l o p m e n t t o o l s 开发工具特点 具有用于数据采集、仪器、网络和分析的完全集成化的库 的图形化环境；可编译性能强 具有交叉平台兼容性；自动化 n il a b v i e w 的测试对接软件。 用于仪器控制、数据采集和分析的交互式基编译软件包： l a b w i n d o w s c v i 接口标准，与各种仪器及接口板均能够适应；用于快速样机开 发的代码产生工具和内部编译器；用于g p i b 、v x i 、串行、d a q 、 分析、t c p 和用户控制界面的集成库。 m i c r o s o r v i s u a lc 抖易学、使用简单；面向对象可视化编程软件：它的图形控件工 b o f l a n dc + + b u l i d e r 具能生成复杂的多窗口用户界面，不必编写复杂的代码；可创 b o r l a n d d e l p h i建自i 苎, a c t i v e x 控件或组件，以及多线程和安全的a c t i v e x 控件。 应用软件开发环境的选择，可因开发人员的喜好不同而不同，但最终都必须提供给 用户一个界面友好、功能强大的应用程序。目前，较流行的虚拟仪器软件开发环境大致 有两类：一类是文本式的编程语言，如c ，l a b w i n d o w s l c v i ，v i s u a lc + + 等；另一类是 图形化的编程语言，代表性的如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。各种编译软件的 特点比较见表2 1 。通过比较，本系统采用n il a b v i e w 作为开发平台。 2 3 软件的总体设计 根据监测系统的特点和要求，采用模块化、通用化的设计思想，本文选用目前在测 控领域比较先进的虚拟仪器软件平台l a b v i e w 上，开发一种基于数据库的监测软件， 通过数据库实现监测点的数据存储和管理，实现软件的高效开发、使用和维护。 本文设计的监测系统软件的主要功能是对数据采集卡采集的数据进行存储与显示。 软件可以划分出数据采集模块、数据显示模块、数据记录模块、声音报警模块和数据库 模块。 大连理工大学硕士学位论文 实时显示模块将直接把检测到的数据，传递给虚拟仪表，在屏幕上进行显示。根据 报警极限设置比较目前监测数据与相应的报警极限，如果在监测参数越限情况下，系统 将把报警信息送到报警模块，启动声光报警装置报警，并把报警信息写入报警数据库中。 2 4 应急电源监测系统设计 船舶自动化是现在船舶发展的主要方向之一。几十年来，世界各国在这方面都给予 了相当程度上的重视。随着世界航运事业、造船和造机工业、电子和控制技术的发展， 从七十年代末到现在，计算机自动化监控系统和设备已经得到广泛的应用和推广。在船 舶上各种以计算机为核心的设备所占比重也越来越大，这些设备运行和控制的方式各有 不同，但对电源的要求却是一致的，即要求不间断地提供高性能指标和高可靠性的电源。 u p s 正是这样一种装置，当电网不正常或发生中断故障时。它仍能向负载提供符合要求 的电源，保证负载能连续不断地正常工作 9 】。 u p s 及d c 电源是应急电源的主要设备，保证两者的安全就可以保证应急电源在需 要时能稳定的供给充足的电力。 在电源监测研究中，本文需要在l a b v i e w 平台上完成l i p s 监测软件、d c 监测软 件、数据库查询软件和数据库的设计。 2 5 船舶货油压载系统监控软件设计 2 5 1船舶货油主系统泵阀逻辑分析 本文较详细的分析了货油主系统管路图，按照货油装卸计划，分析设计了货油管路 泵阀的开关逻辑，得出逻辑表，作为货油装卸控制软件设计时的理论依据。 2 5 2 监测软件的设计 ( 1 ) 货油系统自动控制程序 监测软件主要有3 个部分，货油主系统自动控制程序、货油泵状态参数监测程序、 货油泵控制程序。 由货油的装载计划可知，货油舱装卸程序分为一次加载、二次加载、一次卸载、二 次卸载和关闭5 种方式，本文需要对每种方式设计出泵阀开闭情程序。 本文设计的货油系统自动控制程序具有手动控制功能。 ( 2 ) 货油压载泵状态参数监测程序 货油压载系统共有6 个泵，其中主货油泵3 台、货油扫舱泵1 台、压载泵2 台，对 张狮：v l c c 货油装卸主系统安全运行监测研究 于6 台货油泵的速度、流量、d i s h ( 货油泵出口压力) 、s u c ( 货油泵入口压力) 、舱壁填 料函温度、泵轴承温度、泵外壳温度、泵的振动、压力等表征运行情况的参数进行监测。 ( 3 ) 货油泵控制程序 相对于货油泵的监测，货油泵的控制同样重要。对于泵速的控制和泵运行状态的监 测来说，本程序设计了两种模式：手动模式和自动模式。手动模式主要能控制泵的启动 和停止，并能够手动进行调速。 2 5 3 压载系统监控研究 与货油系统相同，压载系统同样需要先进行管路分析。图2 2 所示为压载主系统管 路图。按照预定的压载水装卸瞬息分析压载系统泵阀的开关逻辑，作为变成是的理论依 据。完成压载系统监控软件设计。 图2 , 2 压载主系统管路图 f i 9 2 2p i p e l i n ef i g u r eo f b a l l a s tm a i ns y s t e m 萄歉鲭罗 强 大连理工大学硕士学位论文 3 双侧式霍尔电流传感器与调理电路的实验研究 双侧式霍尔电流传感器主要用来监测货油主系统中的应急电源工作电流和货油压 载泵阀的工作电流。 3 1 霍尔传感器基本原理 3 1 1 霍尔元件基本工作原理 在霍尔元件的控制电流端通以电流，并在霍尔片平面的法线上施于磁感应强度为b 的磁场，当霍尔元件为n 型半导体时，其载流子为电子，电子在磁场作用下运动时，由 于受到与其运动方向和磁场方向皆垂直的力的作用，而使电子的运动轨迹产生了弯曲， 这个力叫洛仑兹力。由于电子受到洛仑兹力的作用，其结果在霍尔片长轴方向的同一侧 充以正电荷，而在领一侧充以负电荷，这些电荷的建立就建立起一个叫霍尔电场的反电 场，当这个反电场足够大，并能平衡外施磁场对电子的影响时，充电就结束。这时电场 力f b 和洛仑兹力f l 大小相等，方向相反。以后电子就在两电极的半导体材料中直线运 动，这种现象就称为霍尔效应。在这个过程中建立的电场称为霍尔电场e h ，相应的电 势就成为霍尔电势u h 。霍尔电势的产生示如图3 1 所示。 图3 1 霍尔效应原理图 f 瑭3 1s c h e m a o f h a l le f f e c t 3 1 2 霍尔元件基本电路 根据霍尔效应原理，霍尔元件的基本电路如图3 2 所示。控制电流由电源e 提供。 r 为调节电阻，以保证元件得到所需要的控制电流i 。霍尔元件的输出接负载r l ，它可 以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻。元件在磁场和控制电流i 的作用下，在负 载上便会得到输出电压u r f l 0 1 。 张种：v l c c 货油装卸主系统安全运行监测研究 图3 2 霍尔元件基本电路 f i g 3 2b a s ec i r c u i to f h a l lc o m p o n e n t 由于霍尔元件具有在静止状态下感受磁场的能力，且结构简单，形小体轻，频带宽 ( 可从直流到微波) ，动态特性好、动态范围大，寿命长和可进行非接触测量等优点，故 在检测技术、自动控制技术和信息处理等方面得到日益广泛应用。若保持控制电流不变， 则可用霍尔元件测量磁感应强度和磁场强度等；若固定磁场不变，则可用霍尔元件测量 电流等，若控制电流和磁感应强度皆为变量时，可用霍尔元件制成乘法器、电功率计以 及各种运算器等。 3 2 双侧式霍尔电流传感器结构设计 当电流通过导线时，在导线周围即有磁场产生，磁场的大小与流过导线的电流成正