一種艦船液位測控系統的設計與應用

李國剛 胡慶華 孫均梅

⒈杭州德力西集團有限公司，浙江 杭州 310023；2.杭州德力西集團有限公司，浙江 杭州 310023；⒊河北電力勘測設計研究院上海分院 上海 310023

一種艦船液位測控系統的設計與應用

李國剛1胡慶華2孫均梅3

⒈杭州德力西集團有限公司，浙江 杭州 310023；2.杭州德力西集團有限公司，浙江 杭州 310023；⒊河北電力勘測設計研究院上海分院 上海 310023

介紹了一種可可廣泛應用于艦船液位監控和測量的自動控制系統，該系統將先進的計算機控制技術、嵌入式微機控制技術、 傳感器技術、精確測量技術結合在一起，以工控機組態作為上位機進行監控，觸摸屏作為人機操作界面；分析了艦船液位測控設備的設計流程及控制系統的功能，建立了控制系統組成結構，研究了系統硬件設計和軟件設計中的主要要求及實現方法。該系統在實際應用中穩定可靠，自動化程度高，操作簡便、直觀，取得了很好的效果。

艦船液位監控和測量設備；自動控制系統；嵌入式微機控制技術；傳感器技術；液位報表；歷史數據檢索

引言

衡，保證安全行駛。

艦船液位測控系統主要應用于艦船液位的測量和監控。主要是測量監視艦船上的多個油艙、水艙和其他液體的液位高度以及各個被測艙體的溫度值，根據測量的數值，結合容器的形狀，箱體的體積，實時顯示各個被測容器的容量、高度、溫度，通過液晶顯示器形象直接的顯示出各個容器中油或水用量的變化。

可對液位高度低度報警的自由設定，即低位報警和高位報警。當液位超過警戒線時，通過多種形式在顯示器上顯示。同時啟動聲光報警系統提醒用戶。根據燃料的使用情況，可自動按照程序調配燃料，可通過調度臺發調撥指令，通過控制系統打開電磁閥啟動電泵，進行油艙燃料的調配。

另外，艦船液位測控系統可自動監視船艙不同位置的吃水線深度，實現自動調配壓載艙的水量，以維持船體平

1 總體設計方案

液位測控系統采用分布式控制原理，分為采集控制層、測控層、和監控層。測控層由專用測控裝置組成，每個裝置可獨立完成一個或多個液態容器的測控工作，測控裝置有人機接口功能，用戶可通過鍵盤顯示接口設置低液位告警和高液位告警門檻值。液晶顯示器實時顯示檢測的液位信息。每個測控裝置可就地安裝在被測容器附近，測控裝置通過光纖通道及網絡適配器和后臺機相連，后臺機實現數據的綜合處理、歷史記錄、報表打印等工作。后臺控制系統也有遙控功能，操作員可通過后臺發出控制命令。液位測控系統一臺測控裝置可獨立完成一個容器或多個容器的測控工作。

2 組成原理

圖1 系統設計方案

圖2 液位系統組成原理圖

圖3 硬件系統框架圖

液位測控系統分為上位機和下位機兩個部分，下位機主要完成液位的測量和控制輸出（主要由液位傳感器和采集處理裝置組成），上位機完成液位的監視、液體容量的計算和閥門開關的動作邏輯控制。上、下位機之間通過RS485總線連接，可根據艦船結構要求對二者進行分開放置。

液位傳感器：是將容器內的液位高度，采用壓力轉換原理，將液位參數轉換成電壓值信號，即高度值轉換成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轉換成對應的高度參數值（A/D轉換）。采集模塊有硬件和軟件濾波功能，得到比較穩定的數值。采集模塊通過RS485總線將多路液位高度值傳送至主控計算機，控制輸出模塊是用于系統對各個液料的分配和調整，主要是發出開關指令，通過繼電器動作，使主艙與副艙之間相連的電磁閥及電泵打開或斷開來調節不同艙與艙之間的液料量。

主控計算機：在主控計算機上，有下位機得到的高度值，根據容器形狀，通過編制的相關軟件，求出各個容器的容積，高度函數V=f(h),將各種容器的液體容積計算出來；各個容器的高度在上位機的顯示器上動態柱體顯示、數字顯示和容量的數字顯示；監視各個模塊的工作狀態，工作不正常是發出故障報警信號；還在界面上顯示油罐附近的環境溫度；當高度值達到最低或最高警戒線時，從開關量輸出模塊發出告警指令，由外接的繼電器接通聲光報警裝置。

3 硬件設計方案簡述

3.1 硬件設計說明

艦船液位系統裝置硬件部分主要包括：采集板、開出板、中央處理器、顯示屏等幾個部分組成。裝置的主要插件采用嵌入式控制系統作為主控制核心部件，基于32位ARM技術的通用硬件平臺，高性能16位A/D轉換芯片微處理器為核心，模擬量輸入和開關量輸出部分采用先進的濾波和隔離回路。同時對所采集的每一液位數據通過軟件進行數字信號處理，保證了在艦船航行過程中，液體和容積測量的準確性和穩定性。采用專用航空插頭與傳感器的輸出進行連接，同時選用4～20毫安電流輸出的船用傳感器。

同時采集和開關量控制采用兩種專用插件分別完成各自的任務，硬件可靠性高，自檢能力強，使得單板及整套系統的抗干擾能力很強，通過快速瞬變干擾國際標準的Ⅳ級，達到了國內領先的水平。采集板和控制板設計均為插拔式，具有鎖緊機構可靠的特點，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，可根據艦船的不同監視要求進行配置。

3.2 裝置背后端子定義及其接線方式設計

本系統的裝置背后信號線連接統一采用軍用航空接頭。對于不同類型的信號采用不同規格的接頭，以避免誤插導致模塊燒壞；另外，還具有防水防震防鹽霧功能。該裝置背部共有7個接線頭，自左至右依次為1個電源接頭、4個模擬輸入接頭，8個開關量輸出接頭。

3.3 模擬量測量回路設計

圖4 模擬量測量回路原理圖

圖5 控制回路原理圖

圖6 監測主界面

壓力和液位變送器過來的4～20mA電流信號，首先變換為0～5V或0～10V的電壓信號，在經過隔離放大和濾波后，再送至A/D轉換芯片進行模數轉換。CPU中央處理器對轉換的結果進行采集計算。同時，所采集數據、告警和油罐編號等相關信息，通過內部總線或RS485總線傳至計算機處理。

3.4 控制回路設計

上位機在對采集的船艙液位信號進行判斷處理后，如果液位超出高位報警或低于低位報警值，就會按照預先設置的邏輯通過通信總線向設備發出控制信號，設備通過判斷來啟動相應的繼電器，發出聲光報警或閥門控制信號。

3.5 上位機

上位機采用12.1’高亮度液晶觸摸屏式工業平板電腦。供電電源為24V直流。此平板電腦帶有一個高質量的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 軟件設計方案簡述

軟件設計主要包括兩個部分。其一，就是界面的設計；其二，對采集的數據分析處理。軟件設計工作要根據具體的控制對象而進行，不同的艦船所含有的容器各不相同，形狀各異，所以在設計軟件之前，一定得知道被控制對象的規格和容器的數量，需要的測量精度，和報表類型等等一些最基本的要求。但是，基本的界面可以作統一規劃，如顯示主界面，設定值修改界面，上層控制動作界面等。

3.7 監測主界面設計

主界面上直接顯示各個容器的液位高度，通過液位的高度和具體容器的形狀計算出每個容器中的液體體積，再換算成重量。對不同類液體，用不同顏色表示。對同一類液體，列出總報表，顯示各類液體的總量。可可以根據當前的航行速度，實時提醒用戶，每一類液體還能使用多長時間。同時顯示每一油艙當前設置的高、低告警位置。當某一采集模塊有問題時，可通過相應指示燈進行指示，表明這一模塊與上位機通信不上，對油艙和閥門的操作采用觸摸方式。

按鍵功能設計：

翻頁按鍵：切換至下一頁進行監視，這在監測的油艙和水艙數量較多、一頁布置不下時進行操作；

增加按鍵：操作該按鍵，可以從當前頁面默認選中的油艙按順序切換至下一油艙，被選中的油艙會進行顏色指示；

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：進行選中的油艙或水艙詳細信息界面，包括當前油或水高度、重量、類型，同時可進行高低告警液位設置；

開/關閥按鍵：對選中的油艙、水艙的閥門進行操作，進行油艙間的輸油或水艙的調水控制。

一般“1#”油艙為主油艙，是監測的重點，同時可連通其他副油艙向其進行輸油。

顏色設計：

根據所裝油、水的不同，進行相應的液體顏色設置。液體顏色設置為：燃油—橙色；水—藍色；污油、污水—深咖啡色。其他顏色可根據客戶要求進行定義。

每一油（水）艙當加油（水）超過其高位警戒線或超過其低位警戒線時，就會發出聲光報警信息，同時油（水）艙液面變紅閃爍，進行提示。經一段延時后，恢復原液體顏色。

3.8 控制動作界面設計

當主油艙油位低于低警戒線的時候，可根據設定程序進行自動或手動輸油。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。同時閥門的開關狀態由綠色變成紅色，輸油結束閥門的開關狀態由紅色恢復綠色，輸油狀態由流線圖表示。

3.9 記錄和打印功能設計

測控裝置可循環記錄一年的操作和報警信息，后臺計算機對油艙的操作和報警信息進行自動永久保存，生成報表信息，實現歷史數據檢索,方便查閱和故障處理；同時進行信息打印和數據聯網功能，可與艦船的信息管理系統進行連接，實現信息共享。

4 結束語

開發生產系列艦船液位監控系統，廣泛應用于各種容器液位的監控，特別是不規則的容器液位的監控測量。該產品擁有獨立的自主產權，各項指標均達到國際同行業先進水平，產品完全可以替代進口，今后，該技術將廣泛應用于中國各大、中型艦艇、船舶、公安巡邏艇、大型商船中，市場潛力較大，具有很好的應用前景。

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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

李國剛，從事后臺監控系統的設計及應用工作。