基于Labview和PLC的船舶壓載水控制系統(tǒng)

包國治，王之民，陳 寧，白曉峰，龔 嫚

(江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

2004年，IMO (國際海事組織)通過了《船舶壓載水和沉積物控制和管理國際公約》，其目的為了達成國際上的一致， “通過控制和管理船舶壓載水和沉積物來防止、減少和最終消除有害水生物和病原體的傳播”［1］。壓載水違規(guī)排放可能擾亂生態(tài)平衡，為了應對由此造成的全球環(huán)境威脅，需要配置得到IMO 認可的壓載水處理系統(tǒng)。按照壓載水公約的要求，在2009年1月1日以后建成的新船，必須安裝專門的壓載水處理設備;從2012年起，所有的新船均應裝備合格有效的壓載水處理系統(tǒng)，而全部現(xiàn)有船舶則應在2016年底之前配備此項技術(shù)裝置［2］。

本文介紹一種滿足國際海事組織的《國際船舶壓載水和沉積物管理與控制公約》G8 準則要求的船舶壓載水處理裝置管理系統(tǒng)的組成及原理，設計1套船舶壓載水處理裝置控制系統(tǒng)，充分利用Labview強大的數(shù)據(jù)通信能力和PLC 穩(wěn)定可靠的工作能力，給出基于Labview和PLC的船舶壓載水控制系統(tǒng)的設計方法。詳細介紹控制系統(tǒng)的設計思路、組成和實現(xiàn)方法并對其與現(xiàn)有壓載水處理系統(tǒng)的嵌入性應用進行分析。

1 裝置簡介

本文研究設計的壓載水控制管理系統(tǒng)能夠滿足MEPC.174 (58)《壓載水管理系統(tǒng)認可指南》(G8)的要求，已經(jīng)通過國家海事局組織的環(huán)評認證和型式認可。

壓載水管理系統(tǒng)由反沖濾器、紫外線殺菌器、系統(tǒng)控制單元及閥件與管路組成，如圖1所示。船舶在注入壓載水時，細菌、藻類和大型的微生物通過反沖濾器濾掉絕大部分，殘余的少量細菌和藻類流經(jīng)紫外線殺菌器徹底滅活，達到國際海事組織對壓載水處理的要求。處理后的壓載水注入壓載水艙中［3］。

紫外線輻射對壓載水中的微生物和病原體有較好的殺滅作用，紫外輻射的原理為紫外線照射能使細胞核核酸產(chǎn)生光化學反應，致使DNA 不能夠正常復制，生物組織不能進行細胞分裂，這對于生命周期很短的微生物來說意味著經(jīng)過處理后的生物量將大大減少，如果時間足夠長，可以滅活絕大部分微生物。研究表明，紫外線殺滅海洋細菌、微生物既有效，又不會對環(huán)境產(chǎn)生污染，是一種實用性很強的方法，且對船舶管路、泵、涂層無副作用，但紫外光易被懸浮物質(zhì)和黃色物質(zhì)(即溶解性有機物)所吸收，且較大顆粒懸浮物能遮擋紫外光，導致滅活率下降，此外，如果壓艙水中含鐵量高，會因其沉積在紫外線燈管上影響處理效果。因此，紫外線殺菌器必須安裝在反沖洗過濾器后面，且在每次使用完后須對反沖濾器和紫外線燈管進行清洗。

圖1 壓載水管理系統(tǒng)圖Fig.1 Ballast water management system diagram

2 船舶壓載水控制單元

控制單元是整個系統(tǒng)運行與管理的中樞，采用TPC- 1570H- C2AE 研華工控機作為上位機，SIEMENS S7-300 作為下位機，具有自動化程度高，能夠依據(jù)船舶的作業(yè)方式自動啟動系統(tǒng)，調(diào)節(jié)閥門的作業(yè)形態(tài)，檢測過濾單元，依據(jù)對過濾單元的工作狀態(tài)，按照設定的清洗模式對過濾單元進行自動清洗;檢測紫外殺菌單元，依據(jù)紫外殺菌單元的工作狀態(tài)，按照設定的清洗模式對紫外殺菌單元進行自動清洗;自動記錄燈管的運行時間，對紫外燈管的運行壽命發(fā)出提示信號;檢測紫外燈管的工作狀態(tài)，對故障燈管在顯示屏上顯示故障位置，并發(fā)出聲光報警;自動檢測系統(tǒng)處理壓載水的流量，并按實際測得的壓載水流量，自動調(diào)節(jié)紫外燈對壓載水的照射劑量;系統(tǒng)具有操縱簡便靈活，安全可靠的特點，系統(tǒng)防護等級達IP55，并為用戶提供友好的用戶界面。

系統(tǒng)能夠能自動記錄系統(tǒng)主要設備的工作參數(shù)、報警、操作等24個月的歷史數(shù)據(jù)，并直接在觸摸屏上讀取或輸出。

2.1 數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)

2.1.1 PC 機上的OPC 服務器的建立

自動控制系統(tǒng)采用PLC 與上位機嵌入Labview組態(tài)軟件的方式，通信編寫基于客戶端/服務器模式的驅(qū)動程序與PLC 進行數(shù)據(jù)通信程序。Labview 編程的驅(qū)動程序是一種用以替代PLC 自帶的按位訪問PLC的OPC 軟件［4］，其特點為:可讀性強，不需按位訪問PLC，且其功能與PLC 自帶的OPC 一致，操作更方便。使用Labview 編程的目的就是把OPC 操作軟件變成用戶可隨意操作的程序，即實現(xiàn)由OPC軟件可以實現(xiàn)的功能。

PC 機上建立OPC 服務器，通過以太網(wǎng)，OPC服務器中的數(shù)據(jù)可與西門子PLC 中的數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)的影像關(guān)系。Labview 2011 DSC 通過引用共享變量與OPC 標簽連接的方法共享變量，可以與本地或網(wǎng)絡上的任1 臺電腦上的OPC 標簽綁定［5］。當程序綁定好后，用戶只需要把共享變量當作普通變量一樣操作就可以了。PC 機與PLC通信硬件連接如圖2所示。

圖2 PC 機與PLC 硬件連接Fig.2 Hardware connection between PC and PLC

2.1.2 GPS 通訊

GPS 主機和控制終端的數(shù)據(jù)交換協(xié)議一般是由生產(chǎn)廠商自行約定的，各廠商之間互不相同。為了在不同的GPS 導航設備中建立統(tǒng)一的海事無線電技術(shù)委員會(BTCM)標準，美國國家海洋電子協(xié)會(The National Marine Electronics Association，NMEA)制定了NMEA 協(xié)議，定義了不同電子設備之間的數(shù)據(jù)傳輸接口。其中NEMA-0183 協(xié)議是目前使用最為廣泛的一種。0183 協(xié)議定義了串行數(shù)據(jù)總線在4800 波特率下的電器信號要求，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議與時間、專用語句格式等。

Labview 對串口的操作是基于虛擬儀器軟件架構(gòu)(VISA)實現(xiàn)的。0183 協(xié)議定義的語句非常多，其中常用的GPS 語句包括GPGGA，GPGLL，GPGSA，GPGSV，GPRMC 等，包含了緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時間、航向以及維修狀態(tài)等信息。對于不同的應用，選取的語句也不同［6-7］。本控制系統(tǒng)是從GGA數(shù)據(jù)格式中提取UTC 時間、緯度、經(jīng)度，將字符型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成浮點型數(shù)據(jù)，UTC 時間轉(zhuǎn)化成8 區(qū)的本地時間、緯度，經(jīng)度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到標準單位量，GPS信息的讀取與表示程序代碼如圖3所示。

圖3 GPS信息的讀取與表示程序Fig.3 Program of GPS Information read and indicates

GPS 模塊讀取的時間、經(jīng)緯度與操作指令被寫入并保存到文本文件中，記錄內(nèi)容包括船舶壓載、卸載、旁通以及壓載水系統(tǒng)部件出現(xiàn)故障的時間、位置，以備檢查［8-9］。壓載水系統(tǒng)部件故障記錄程序代碼如圖4所示。

圖4 故障記錄程序Fig.4 Program of fault history

2.2 操作界面的設計

2.2.1 主控界面的設計

主控界面用于監(jiān)控、管理和記錄反沖濾器、紫外線殺菌器的工作狀態(tài)、船舶航行經(jīng)緯度等重要數(shù)據(jù)，調(diào)用各控制子界面的數(shù)據(jù)設定、操作的子程序，其主控界面如圖5所示。

主控界面上的經(jīng)緯度、紫外線劑量、液位、溫度、系統(tǒng)流量、反沖濾器壓差可以通過PLC 采集，并傳輸?shù)缴衔籔C 機實時顯示。當輪機員選擇相應的控制按鈕時，會調(diào)用相應子界面的子程序。

2.2.2 操作界面的設計

操作界面中的工作模式有壓載模式、卸載模式和旁通模式3 種。輪機員通過上面的紫外線燈“開”、“關(guān)”按鈕控制紫外線燈的工作狀態(tài)。當選擇相應按鈕時，系統(tǒng)會彈出相應的對話框，詢問輪機員是否打開或關(guān)閉紫外線燈，當輪機員選擇相應按鈕時，系統(tǒng)會調(diào)用相應的工作模式界面，供輪機員對壓載、卸載或旁通工作模式進行操作。

圖5 主控界面Fig.5 Main control panel

2.2.3 系統(tǒng)監(jiān)控界面的設計

為了保證壓載水的處理效果，系統(tǒng)需對反沖濾器和紫外線殺菌器進行實時監(jiān)控，在系統(tǒng)監(jiān)控界面上，輪機員可以設定反沖濾器和紫外線殺菌器清洗條件、清洗時間及清洗時間的間隔。

反沖濾器有3 種工作模式:壓差模式、定時模式、手動模式。系統(tǒng)運行前，輪機員根據(jù)需要選擇壓差模式或定時模式中的一種對反沖濾器進行實時監(jiān)控。當輪機員選取“壓差模式”按鈕后，控制程序會實時采集反沖濾器進出口壓差與設定壓差進行比較，當壓差大于設定值時，反沖濾器清洗電機工作，反沖濾器進行反沖洗;當輪機員選取“定時模式”按鈕后，系統(tǒng)會自動計時，到達設定時間后，反沖濾器清洗電機工作，反沖濾器進行反沖洗，清洗完成后，計時回“0”，重新開始;當輪機員選取“手動模式”按鈕時，反沖濾器清洗電機立即工作。輪機員選取“手動模式”清洗完成后，需要再重新選擇壓差模式或定時模式對反沖濾器進行監(jiān)控。

紫外線殺菌器同樣有強度模式、定時模式及手動模式3 種工作模式。系統(tǒng)運行前，輪機員根據(jù)需要選擇強度模式或定時模式中的一種對紫外線殺菌器進行實時監(jiān)控。當輪機員選取“強度模式”按鈕后，控制程序會實時采集紫外線殺菌器中紫外線的劑量并與設定紫外線劑量比較，當劑量小于設定值時，紫外線殺菌器內(nèi)清洗電機工作，清洗紫外線燈管的護套;當輪機員選取“定時模式”按鈕后，系統(tǒng)會自動計時，到達設定值后，紫外線殺菌器清洗電機工作，清洗紫外線燈管的護套，完成后，計時回“0”，重新開始;當輪機員選取“手動模式”按鈕后，紫外線殺菌器清洗電機立即工作。輪機員選取“手動模式”按鈕對紫外線殺菌器進行清洗，清洗結(jié)束后，需要重新選擇強度模式或定時模式對紫外線殺菌器進行實時監(jiān)控。

2.2.4 檢查界面的設計

當輪機員將控制柜上的“檢查/旁通模式”搖桿開關(guān)打到“檢查模式”，系統(tǒng)將調(diào)取“檢查模式”界面，如圖6所示。在系統(tǒng)運行之前對反沖濾器和紫外線殺菌器進行運行檢查。輪機員可以任意選擇界面上的“運行/停止”、 “開/關(guān)”或“打開/關(guān)閉”按鈕，控制PLC的相應有關(guān)事項的開、關(guān)輸出。界面上各單元的動作是分別受控制的，所以此界面可用來檢查各單元的電機和燈管的工作狀態(tài)。

圖6 檢查界面Fig.6 Check panel

2.2.5 閥門狀態(tài)界面的設計

當輪機員選取主界面或檢查界面上的“閥門狀態(tài)”按鈕后，系統(tǒng)會轉(zhuǎn)到閥門狀態(tài)界面。在此界面上，輪機員可以選取控制系統(tǒng)的進水閥、中間閥、卸載閥、旁通閥、出水閥的手動操作按鈕，檢測各閥的工作狀態(tài)。

2.2.6 報警界面的設計

為了保證壓載水防海生物管理系統(tǒng)的工作安全，在系統(tǒng)控制管理界面上設有一系列指示燈的報警界面，通過下位機PLC的檢測紫外線燈、反沖濾器和紫外線殺菌器的清洗電機工作狀態(tài)，PLC 采集的數(shù)據(jù)會實時傳輸?shù)綀缶缑嫦鄳甘緹羯稀．斚到y(tǒng)發(fā)生故障時及時報警，控制柜上的蜂鳴器也會啟動，輪機員可通過在主界面上選取“故障消音”按鈕，消除報警，然后打開報警界面，查看故障來源，解決故障，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性;當故障解除后，選取主界面上的“故障復位”按鈕，消除故障指示燈，操作系統(tǒng)重新投入工作。

2.3 壓載水管理系統(tǒng)操作流程

當壓載水管理系統(tǒng)運行時，輪機員首先將“系統(tǒng)監(jiān)控”、“系統(tǒng)報警”、“故障記錄”操作界面打開，設定好反沖濾器和紫外線殺菌器的運行參數(shù)和運行方式，并將其置于后臺運行狀態(tài)，對系統(tǒng)進行實時監(jiān)控。

輪機員在進行壓載或卸載之前，需將“系統(tǒng)檢查”和“閥門狀態(tài)”操作界面打開，手動操作各個閥件及反沖濾器和紫外線殺菌器的清洗電機，檢測其工作狀態(tài)，當各部件動顯示工作狀態(tài)正常后，方能進行壓載或卸載操作。

2.3.1 壓載過程操作

壓載操作界面上有控制壓載開始和結(jié)束的按鈕，當輪機員選取主控制界面上“壓載”按鈕或操作界面上的“壓載模式”按鈕后，系統(tǒng)會自動轉(zhuǎn)到壓載界面，輪機員可用手動打開海底閥、通舷外閥、壓載泵、關(guān)閉通艙閥及吸入閥。當操作完成后，輪機員選取“開始壓載”按鈕，系統(tǒng)會提示是否打開紫外線燈進行預熱，當系統(tǒng)檢測到液位計到達紫外殺菌器充滿海水信號后，輪機員選擇“是”按鈕，紫外線燈會開啟，控制界面上的預熱指示燈會點亮，預熱5 min 后，預熱指示燈變?yōu)殚W亮，表示壓載水可以正常流入，此時，輪機員打開通艙閥，關(guān)閉通舷外閥，在相應的閥門操作結(jié)束后，指示燈閃爍熄滅，壓載水經(jīng)處理器流入壓載艙。

壓載結(jié)束后，輪機員需打開通舷外閥，關(guān)閉通艙閥。當閥門操作結(jié)束后，海水依次通過海底閥→反沖濾器→紫外線殺菌器→舷外。閥門操作結(jié)束后，輪機員選取“壓載結(jié)束”按鈕，系統(tǒng)會關(guān)閉紫外線燈，繼續(xù)使海水流過紫外線燈管，對燈管進行冷卻，3 min 后，自動關(guān)閉紫外燈，同時反沖濾器和紫外線殺菌器的清洗電機會自動運行，進行清洗。當上述作業(yè)完成后，系統(tǒng)會通過PLC 關(guān)閉進水閥、中間閥、卸載閥、通艙閥，打開旁通閥，使系統(tǒng)處于旁通模式。在此過程結(jié)束后，系統(tǒng)會彈出對話框提示輪機員關(guān)閉壓載泵，當壓載泵關(guān)閉后，整個壓載過程結(jié)束，輪機員心情“停止運行”按鈕，關(guān)閉壓載界面，系統(tǒng)退回到主控界面或操作模式界面。

2.3.2 卸載過程操作

卸載界面上有控制卸載開始和結(jié)束的按鈕，當輪機員選取主控制界面上的“卸載”按鈕或操作界面上的“卸載模式”按鈕，系統(tǒng)會自動轉(zhuǎn)到卸載界面，輪機員打開海底閥、通舷外閥，關(guān)閉通艙閥，起動壓載泵，隨后，選取界面上“開始卸載”按鈕，系統(tǒng)會控制PLC 打開進水閥、中間閥、通艙閥，關(guān)閉卸載閥和旁通閥，此時，系統(tǒng)會提示是否打開紫外線燈進行預熱，與壓載相同，此時，當系統(tǒng)接收到液位測量信號后。輪機員選擇“是”按鈕，紫外線燈會開啟，控制界面上的預熱指示燈點亮，預熱5 min 后，預熱指示燈閃亮，表示壓載水可以正常卸載，此時，輪機員打開通艙閥，關(guān)閉海底閥，當此操作結(jié)束，閃爍的指示燈也將熄滅，壓載艙內(nèi)的壓載水經(jīng)過紫外殺菌器處理后排出舷外。

當卸載結(jié)束后，輪機員須打開海底閥，關(guān)閉通艙閥。使系統(tǒng)內(nèi)的海水流向改變，與系統(tǒng)預熱相同，水流依次通過海底門→反沖濾器→紫外線殺菌器→舷外。閥門操作結(jié)束后，輪機員選取“卸載結(jié)束”按鈕，系統(tǒng)會關(guān)閉紫外線燈，繼續(xù)通入海水使紫外線燈管冷卻3 min，同時，紫外線殺菌器的清洗電機會運行對其進行清洗。3 min 后冷卻結(jié)束，系統(tǒng)會通過PLC 關(guān)閉進水閥、中間閥、卸載閥、通艙閥，打開旁通閥，使系統(tǒng)處于旁通模式。在此過程結(jié)束后，系統(tǒng)會跳出對話框提示輪機員關(guān)閉壓載泵，壓載泵關(guān)閉后，整個卸載過程結(jié)束，輪機員選取“停止運行”按鈕，關(guān)閉卸載界面，系統(tǒng)退回到主控界面或操作模式界面。

2.3.3 船舶壓載水岸基微生物檢測報告

為保證實驗測試的質(zhì)量和科學性，上海海洋大學船舶壓載水檢測實驗室嚴格按照質(zhì)量保證計劃以及“壓載水管理系統(tǒng)認可導則G8”、“壓載水采樣導則G2”進行壓載水管理系統(tǒng)的岸基試驗，并對樣品進行采樣。

本試驗在上海海洋大學的船舶壓載水檢測室岸基試驗基地內(nèi)進行。壓載水試驗系統(tǒng)主要由壓載水處理設備、壓載泵、取樣裝置、壓載艙、對照艙、配水池、原水池等組成，可實現(xiàn)壓載水的壓載、儲存和排放功能，滿足認證試驗要求。

試驗中添加的海洋生物由上海海洋大學根據(jù)試驗需要進行培養(yǎng)。在試驗過程中，將培養(yǎng)到足夠濃度的浮游動物(主要為鹵蟲)、藻類(主要位綠藻和硅藻等)和異養(yǎng)細菌(大腸桿菌)加入到配水池中，使用氣泵通過曝氣裝置對水體進行充氣，使微生物保持活性，并能均勻的分布在水中。通過壓載泵同時將測試用的海水和微生物泵入試驗管路，使試驗流入水各類生物密度和種類達到G8 要求。

表1 為岸基實驗數(shù)據(jù)。由表1 可看出，經(jīng)過本壓載水處理系統(tǒng)后，絕大部分的微生物已經(jīng)被滅殺，達到國際海事組織關(guān)于對壓載水的處理排放要求。

表1 船舶壓載水岸基實驗數(shù)據(jù)Tab.1 The shore-based test data of ballest water

3 壓載水管理系統(tǒng)嵌入

船舶運營公司在選用壓載水處理系統(tǒng)時，首先考慮的是應保證其將來能順利地在船舶上安裝，同時也要考慮今后的維護與保養(yǎng)，包括與現(xiàn)有壓載系統(tǒng)的共用，取樣，控制和檢測等。對于現(xiàn)有船舶，處理系統(tǒng)的布置空間是一個很大的問題。通常壓載水管理系統(tǒng)的處理設備采用模塊化布置模式，通過管路將系統(tǒng)分布在整個機艙中，其控制系統(tǒng)采用PLC 作為下位機，使之具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、易于布置安裝、易于操作、維護、調(diào)節(jié)和控制［10］。

一般情況下，可將其安裝在機艙或泵艙，這樣，方便管系和電纜的布置，有利于嵌入現(xiàn)有壓載系統(tǒng)，輪機人員對設備維護保養(yǎng)也比較方便。對于機艙或泵艙空間狹小的船舶，也可將其安裝在主甲板上。

4 結(jié) 語

滿足MEPC.174 (58)《壓載水管理系統(tǒng)認可指南(G8)》要求的壓載水管理系統(tǒng)部件少，易于操作、維護、調(diào)節(jié)和控制。此外，采用虛擬儀器圖形化編程軟件LABVIEW和PLC 相結(jié)合實現(xiàn)對壓載水管理系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的編程，編程簡單，開發(fā)效率高，其數(shù)據(jù)傳輸速度快，正確率高，軟件界面形象生動，實現(xiàn)方便，可根據(jù)具體工作條件調(diào)整工作方式和工作參數(shù)，因此，具有較高的應用價值。

［1］IMO.International convention for the control and management of ships′ ballast water and sediments［s］.2004.

［2］李艇.船舶壓載水處理系統(tǒng)［J］.船舶，2008，19(6):27-30.LI Ting.Ballast water treatment systems［J］.Ship ＆ Boat，2008，19(6):27-30.

［3］孫玉科.船舶壓載水處理高效殺菌系統(tǒng)研究［D］.鎮(zhèn)江:江蘇科技大學，2012.

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