分布式船舶艙底進水報警裝置的開發(fā)與應用

范則陽

（中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

0 引言

船舶在水中航行時，船艙底部不可避免的存在積水的情況，在事故或者撞擊情況下更會出現(xiàn)破損進水的情況，影響船舶的安全性。為了保障船舶的安全性，提醒船員在船艙艙底積水時進行疏水、在破損大量進水時采取相應的抗沉措施，迫切需要在船舶艙底安裝艙底進水報警裝置。

船舶艙底環(huán)境異常惡劣，船舶主機艙存在大量的油污，工作溫度高達50℃；船舶蓄電池艙存在強酸性的液體和爆炸性氣體，需要滿足防爆的要求[1]。如何保證在如此惡劣的環(huán)境下艙底進水報警裝置安全、可靠地檢測到進水情況是一項難題。本文針對這種情況，開發(fā)了一種分布式船舶用艙底進水報警裝置，并在船舶上進行實際應用。

1 設備簡介

艙底進水報警裝置采用先進的電子元器件，基于總線技術進行電路設計與開發(fā)。該裝置由單點報警指示器和有水信號傳感器兩部分組成，并通過分布式總線將各裝置的信息上傳至集控臺，供船員準確獲取船舶艙底進水情況。單點報警指示器安裝在艙室現(xiàn)場操作部位，可在艙室現(xiàn)場完成報警指示功能[2]。

有水信號傳感器外形如圖1所示。有水信號傳感器通過安裝卡安裝在船舶艙室底部，確保在惡劣的條件下可靠的輸出有水信號。

2 設備硬件開發(fā)

2.1 設計要求

船舶艙底進水裝置的設計，需滿足以下要求：

1）耐油污和耐酸性的有水信號傳感器

在船舶主機艙存在大量的油污，工作溫度高達50℃；在船舶蓄電池艙存在強酸性的液體。布置在這些區(qū)域的有水信號傳感器需滿足耐油污和耐酸性的要求，并確保在惡劣的條件下輸出有水信號可靠。

2）滿足蓄電池艙防爆的要求

船舶蓄電池艙蓄電池組在充放電過程中會產(chǎn)生爆炸性氣體——氫氣，安裝在蓄電池艙的電氣設備需滿足IICT1[3]防爆等級的要求。

3）靈活的信息傳輸方式

一般船舶艙室眾多，造成布置的艙底進水報警裝置傳感器數(shù)量較多。由于需要在船舶集控臺上顯示各個艙室進水情況，布置在各個艙室的艙底進水報警裝置與集控臺的接口形式尤為重要。若采用硬接線的方式則需要大量的電纜連接，造成成本的增加，也給船舶總體設計帶來了負擔。總線數(shù)據(jù)通信技術具有突出的可靠性、實時性和靈活性，能夠滿足大量數(shù)據(jù)交換。

2.2 單點報警指示器設計

單點報警指示器安裝在艙室現(xiàn)場操作部位，可在艙室現(xiàn)場完成報警指示功能，其核心是報警指示電路。

報警指示電路主要由三部分組成：供電電路、傳輸電路和報警電路。各部分的接口關系如圖2所示。

供電電路由本安電路和整流電路組成。本安電路是為有水傳感器供電的電路，主要由變壓器、整流濾波電路和防爆安全柵組成。通過防爆安全柵的作用，確保有水信號傳感器供電電路在任何情況下輸出電流不產(chǎn)生引起氫氣爆炸的能量，從而滿足本質(zhì)安全型的要求。

整流電路是為傳輸電路和報警電路供電的電路，主要由變壓器、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路組成。

傳輸電路是將有水信號傳感器的有水信號進行變換和隔離，將進水信號傳輸給報警電路和向船舶集控臺發(fā)送進水信號。主要由報警輸入電路、光電耦合器和CAN轉(zhuǎn)換板組成。

報警電路是輸出聲光報警電路，主要由聲警電路和光警電路組成。聲警電路由音響邏輯電路、音響電路和驅(qū)動電路組成。光警電路由閃光邏輯電路、閃光振蕩電路和驅(qū)動電路組成。

根據(jù)上述報警指示電路的設計，艙底進水報警裝置單點報警指示器防爆等級為[Exib]IIC。單點報警指示器安裝在船舶艙室安全區(qū)域，可進行試燈、報警消音操作。

2.3 有水信號傳感器設計

通常，檢測船舶艙底進水情況的傳感器有浮子液位計和電極式傳感器兩種。

浮子液位計可連續(xù)輸出艙底進水液位的高度。浮子液位計按照測量方式大致可分為機械浮子式、光電浮子式、超聲波式、激光式、振弦式等多種形式，它們各有優(yōu)缺點。機械浮子式和光電浮子式都是用浮子機械式運動來產(chǎn)生液位的信號輸出，其優(yōu)點是價格相對較低，缺點是機械加工復雜、運行阻力大、使用壽命短，不適合在有雜質(zhì)的復雜條件下工作；超聲波液位計和激光液位計測量精度較高且沒有機械部件，故可靠性較高，但它對反射目標有一定的要求，受環(huán)境因素影響較大，價格較高；振弦式液位計主要適用于小量程液位的測量場合[4]。

電極式傳感器是應用較為廣泛的一種方式，其主要工作原理是傳感器設有兩根導電電極，當艙底進水淹沒傳感器后，傳感器的兩根電極導通，檢測回路根據(jù)阻值變化進行邏輯處理后，輸出報警信息。這種感傳器的優(yōu)點是價格便宜，工作可靠，缺點是只能指示某個點的進水信息，不能指示船舶艙底進水液位的高度。

船舶在航行時，受風浪影響會產(chǎn)生傾斜、搖擺，機械浮子式和光電浮子式液位計不適宜在這種條件下使用。另外，船舶艙底一般存在油污以及雜質(zhì)等，不適合超聲波和激光液位計使用。因此根據(jù)船舶應用的特點以及考慮傳感器的工作環(huán)境，本裝置采用電極式傳感器的設計方案。有水信號傳感器組成如圖3所示。

有水信號傳感器為水密式結(jié)構(gòu)，其本體采用具有耐酸和耐腐蝕的聚四氟乙烯材料，導電電極采用不銹鋼，可以滿足耐油污和耐酸性的要求。傳感器的外形和電極的形狀均經(jīng)過多次試驗后制成，確保在惡劣的條件下可靠的輸出有水信號。傳感器通過安裝卡安裝在船舶艙室底部。

由于有水信號傳感器是安裝在蓄電池艙的危險區(qū)域，根據(jù)電極式傳感器的特點，將有水信號傳感器設計為本質(zhì)安全型。傳感器本體的聚四氟乙烯材料表面積是經(jīng)過嚴格計算，并經(jīng)過防爆認證試驗，確保滿足ExibIICT1防爆等級的要求。

注：①防護罩 ②安裝卡 ③電極 ④底座 ⑤密封填料⑥電纜

3 設備工作流程

設備工作流程如圖4所示。當傳感器的兩電極與水接觸后，兩電極間通過水導通，導通信號經(jīng)報警傳輸電路進行穩(wěn)定，并通過光電耦合器進行隔離。光電耦合器將一路信號輸入至報警電路的閃光和音響邏輯電路進行處理，并啟動閃光振蕩電路和音響電路，最后經(jīng)過驅(qū)動電路驅(qū)動發(fā)出聲光報警。光電耦合器將另一路信號輸入到CAN轉(zhuǎn)換板，CAN轉(zhuǎn)換板通過總線方式向船舶集控部位顯控臺發(fā)送艙底進水信息。其實現(xiàn)方式可以通過軟件固化下載到電路板中。

4 分布式應用網(wǎng)絡構(gòu)建

該裝置可廣泛應用于各種類型和各種噸位的船舶。采用CAN總線通訊技術，只需通過一根電纜即可完成信息的傳輸功能，系統(tǒng)組建方式非常靈活，擴展能力強。當需要增減有水報警點的數(shù)量時，只需修改通訊協(xié)議以及集控臺的顯控臺軟件即可。典型的分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

5 結(jié)束語

本文詳細論述了采用先進的電子元器件，基于總線技術進行設計與開發(fā)的艙底進水報警裝置。該裝置解決船舶艙底復雜環(huán)境下艙底進水情況的檢測和報警問題，具有工作可靠、信息傳輸方式靈活、擴展性能強的優(yōu)點，同時可滿足船舶蓄電池艙IICT1防爆等級的要求，已經(jīng)廣泛應用于各型船舶，并取得了良好的效果。

[1] 朱欽章，陳國華. LZOD 15 mg/l艙底水報警裝置及防蓄意操控對策. 中國航海，2007,（4）.

[2] 中國船舶工業(yè)總公司. 潛艇艙底進水報警裝置規(guī)范，1998.

[3] 國家技術監(jiān)督局. 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備 第1部分：通用要求, 2000.

[4] 舒大興，陳偉. MSP430在大量程浮子液位式液位計中的應用. 國外電子元器件， 2005,（3）：21-23.