船舶壓載水自動控制及監控報警系統開發研究

王　琦（濰坊科技學院，山東　壽光 262700）

船舶壓載水自動控制及監控報警系統開發研究

王琦
（濰坊科技學院，山東壽光 262700）

國際海事組織（IMO）通過的《國際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》要求，2017 年所有遠洋船舶必須安裝壓載水處理設備。根據壓載水管理系統 G8 導則的規定，設計一套基于 LabVIEW 和 PLC 的船舶壓載水自動控制系統對壓載水進行管理。其監控報警系統對壓載水操作期間進行全面監控，自動記錄主要設備的工作參數、工作地點、報警、操作等數據和信息，實現對系統的自動控制、在線監控及遠程操作。系統通過絕緣電阻、能源波動、能源故障、振動、交變濕熱、高低溫與耐電壓、浪涌抗擾度、靜電放電抗擾度及傳導與輻射量測試，滿足相關公約、規范以及國家標準和IEC標準規劃。

壓載水；自動控制；監控報警；性能測試

0　引　言

本文嚴格按照 IMO 頒布的《壓載水管理系統認可指南》G8 的要求設計，設計一套船舶壓載水處理控制系統。控制單元采用 TPC-1570H-C2AE 研華工控觸摸屏和 SIEMENS S7-300PLC 構成，控制單元依據船舶工作狀態發出指令，啟動系統，調整閥組開閉，使系統完成壓載、卸載和旁通；同時控制單元能夠按設定程序，自動檢測系統處理壓載水的流量，并根據實際測得的壓載水流量，自動調節紫外燈對壓載水的照射劑量，以保證劑量在設計工作范圍內。

1　裝置簡介

壓載水管理系統主要包括：過濾單元（自動反沖洗過濾器）、紫外殺菌單元（中壓高強汞紫外線燈）和控制單元。系統正常工作分為壓載和卸載 2 個流程。壓載時，海水首先經過過濾單元去除海水中大于50 μm 的微生物以及固體顆粒物。過濾單元能夠在不中斷過濾的情況下，按設定程序執行自動反沖洗，被過濾單元攔截的固體雜質及海洋生物會在過濾單元自動清洗時隨反沖洗水排回原海域，不會造成生物異地卸載。過濾后的壓載水經過紫外殺菌單元進行生物滅活處理后進入壓載艙。壓載過程中，由于船舶壓載泵的流量會根據船舶吃水和壓載水系統背壓而變化，當實際流量大于壓載泵的額定流量時，紫外殺菌單元中壓載水的流速會加快，照射時間變短，從而導致照射劑量下降，此時壓載水管理系統的控制單元通過流量計自動監測系統流量，并調節流量控制閥，使系統流量下降，保證壓載水受足夠劑量的紫外照射。如果實際流量低于額定流量，控制系統可以自動調低紫外殺菌單元電源輸出功率（光強變低），使照射劑量維持在設計工作范圍內。考慮到紫外殺菌方式的壓載水管理系統無殘余滅活能力，以及生物的光復活性，壓載水在壓載艙存放過程中海洋生物有可能復活、繁殖，因此，壓載水卸載時，壓載水將再次經過紫外線殺菌單元進行滅活處理（不再經過過濾單元），處理后排出舷外。系統裝置與原理如圖 1 所示。

圖 1　壓載水管理系統圖Fig. 1　Ballast water management system diagram

2　系統性能

本文設計壓載水管理系統嚴格按照《壓載水管理系統認可指南》G8 的要求設計，考慮到船舶在海洋周邊港口壓載的水質環境，過濾單元設計為自動反沖洗過濾方式，其特點為：過濾單元去除海水中大于 50 μm微生物以及固體顆粒物。過濾單元能夠在不中斷過濾的情況下，按設定程序自動或手動執行反沖洗，被過濾單元攔截的固體雜質及海洋生物會在過濾單元自動清洗時隨反沖洗水排回壓載海域，不會造成生物異地卸載。同時，系統可通過并聯的方式，擴大處理海水的流量。

系統紫外殺菌單元設計采用中壓高強紫外燈管，并均布在由 316 L 不銹鋼制作的紫外殺菌單元筒體內。紫外殺菌單元筒體內設有導流板和旋流板，可有效地減緩水流流經紫外殺菌單元筒體內的流速，減緩水流對燈管的沖擊，增加紫外線光強的照射時間，從而增加紫外線對海水的單位面積的照射劑量。紫外燈管的防護天然石英套管的清洗采用機械清洗盤自動進行，燈管的啟動和光照強度的調節、天然石英套管的清洗，整個過程由 PLC 依據流量計、光強探頭、溫度變送器、限位開關反饋的信息自動控制完成。同時，系統可通過并聯的方式，擴大處理海水的流量。

控制單元采用 TPC-1570H-C2AE 研華工控觸摸屏和 SIEMENS S7-300PLC 構成，控制單元依據船舶的工作狀態發出指令，啟動系統，調整閥組開閉，使系統完成壓載、卸載和旁通；同時控制單元能夠按設定程序，自動檢測系統處理壓載水的流量，并按實際測得的壓載水流量，自動調節紫外燈對壓載水的照射劑量，以保證劑量在設計工作范圍內。在系統不間斷的情況下，依從過濾單元上監測到的壓差信號和紫外殺菌單元上檢測到的紫外線光強信號或依系統設定的過濾單元和紫外殺菌單元工作時間以及根據現場實際情況發出對過濾單元和紫外殺菌單元的自動或手動清洗指令。系統能自動記錄并顯示紫外燈管的工作時間和測得的紫外線光照強度，提示用戶紫外燈管的工作狀態。當燈管損壞或燈管工作光強滿足不了設計要求時，控制系統在觸摸屏上顯示故障位置，并發出聲光報警。

3　控制系統設計

3.1系統主界面

主控界面上有“數據監測與故障應答”和“數據設定和狀態查詢”2 個區域。數據監測與故障應答區域包含壓載水管理系統的壓載、卸載、旁通 3 種工作模式的狀態查詢頁，對應工作狀態的參數顯示，如系統工作日期、時間、工作位置的經緯度、紫外線照射劑量（mJ/cm2）、過濾單元進/出口壓差，系統處理壓載水的流量、故障指示燈以及“故障消音”與“故障復位”按鈕。數據設定和狀態查詢區域包括：“操作模式”、“系統監控”、“閥門狀態”、“系統報警”、“系統檢查”、“故障記錄”、“軟件幫助”、“停止運行”共 8 個功能按鈕。主界面如圖 2所示。

圖 2　系統主界面Fig. 2　System main interface

3.2壓載模式

操作者按下系統控制箱上的啟動按鈕，系統啟動，并按預設程序打開舷外閥、關閉通壓載艙的閥，啟動壓載泵工作，打開紫外殺菌單元的紫外燈預熱 3～5 min，在此過程中，設備控制面板上的紫外燈預熱指示燈處于常亮狀態，在此過程結束時，該燈閃爍，表示壓載水可以正常進行壓載進入壓載艙，此時，系統會自動打開通壓載艙閥，關閉通舷外閥，在相應的閥門操作結束后，閃爍的指示燈將熄滅。紫外殺菌單元的紫外燈預熱完成后，系統會自動關閉通舷外閥，打開通壓載艙閥，此時，設備控制面板上的預熱指示燈關閉，被處理過的壓載水流入壓載水艙。整個過程均由系統自動完成，操作者無需獨立操作過濾單元和紫外殺菌單元。壓載模式控制系統如圖 3 所示。

圖 3　壓載模式Fig. 3　Ballast mode

3.3系統監控

操作者按下“記錄界面”按鈕，系統切換到記錄界面，顯示過濾單元累積運行的時間和累積運行次數，以及過濾單元清洗電機運行的實時時間，操作者在“起始界面”選取“設置界面”按鈕，系統切換到設置界面。操作者可以設置過濾單元相應的壓差啟動（默認值為 50 kPa）、高限報警（默認值 100 kPa）、保護時間（默認值 420 ms）、定時啟動（默認值1 000 min）的值，操作者選取所要設定數據的顯示框時，系統自動彈出小鍵盤，如圖 4 所示，通過鍵盤輸入需要設置的數值，按回車鍵確認，數據設置完成。

圖 4　系統監控界面Fig. 4　System monitoring

4　性能試驗

4.1性能檢測

壓載工作模式和卸載工作模式基本相同，壓載模式可涵蓋卸載模式，完成壓載模式下的功能和其他功能檢查，并對下述零部件性能進行檢查：

1）鎮流器：測試過程中能正常啟動點亮燈管。

2）清洗裝置：測試過程中清洗功能正常運行。

3）閥門：測試過程中所有閥門必須按照各工作模式程序設定運行。

4）溫度傳感器：測試過程中的示數與正常工況下記錄的數值偏差不超過 ± 5% FS 則評定溫度傳感器性能正常。

5）壓力傳感器：測試過程中壓力傳感器示數與正常工況下偏差不超過 ± 2% FS。

6）紫外線傳感器：紫外燈管正常啟動后，光強計的示數不低于 80%。

7）故障報警：測試過程中模擬故障時能作相應故障的提示或同時發出聲光報警。

4.2功能檢測

安裝工作流程完成對各閥的正確控制，壓載結束后對過濾單元、紫外殺菌單元進行清洗、冷卻工作，打開過濾單元和紫外殺菌單元下部的泄放閥，排空海水，隨后系統將停止工作，切斷供電電源。過程中系統工作正常，無報警。

4.3能源故障檢測

對電氣、電子部件的試驗應在額定工作電壓和頻率（交流設備）運行的情況下進行。

1）5 min 內切斷能源 3 次；

2）每次切斷時間 30 s。

試驗后鎮流器自動保護，重新上電操作能正常開啟。

4.4振動測試

1）將受試設備按實際使用狀況安裝在振動臺上，并通電工作；

2）按規定的頻率范圍和振幅，不超過 1 oct/min 掃頻速率掃描，檢查有無共振現象；

3）如無明顯共振點，則應在 30 Hz，加速度 ± 0.7 g下至少做 90 min 耐振試驗；

4）在每一記錄到的放大率 Q ≥ 2 的共振頻率上作90 min 耐振試驗。如測得的幾個共振頻率較為接近，則耐振試驗可采用掃頻試驗，持續時間為 120 min；

5）試驗應在 3 個互相垂直的軸線上。

4.5交變濕熱測試

1）試驗前，測試受試設備的絕緣電阻；

2）測試對象放入試驗箱的有效空間內，先在溫度為 25 ℃ ± 10 ℃，相對濕度為 60% ± 30% 的條件下進行預處理，使測試對象達到溫度穩定。

3）按照壓載模式周期循環 2 次。

4）測試對象應處于通電工作狀態，每個階段的高溫高濕前 2 h 和后 2 h 進行功能試驗。

5）功能試驗在最后 2 h 內進行，試驗前允許用手將被測對象上所有能接觸到的表面和部件上的水漬抹去。

6）控制柜恢復后按照規定測量絕緣電阻。

4.6高溫測試

1）將受試設備放入溫度為室溫的試驗箱的有效工作空間內，通電工作，然后將箱溫升高至 55 ℃ ± 2 ℃下保持 16 h。

2）在試驗溫度的最后 1 h 內進行功能試驗。

3）在恢復后進行功能試驗。

在試驗期間和試驗后，其功能試驗結果達到要求。

5　船舶壓載水岸基微生物檢測報告

為保證實驗測試的質量和科學性，上海海洋大學船舶壓載水檢測實驗室嚴格按照質量保證計劃以及“壓載水管理系統認可導則 G8”、“壓載水采樣導則G2”進行壓載水管理系統的岸基試驗，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進行。壓載水試驗系統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試驗需要進行培養。在試驗過程中，將培養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 為岸基實驗數據，由表可以看出，經過本壓載水處理系統后，絕大部分的微生物已經被滅殺，達到國際海事組織關于對壓載水的處理排放要求。

表 1　船舶壓載水岸基實驗數據Tab. 1　Ballast experiment data base waterfront

6　結　語

本文設計了滿足 MEPC.174（58）《壓載水管理系統認可指南（G8）》要求的壓載水管理系統部件少，易于操作、維護、調節和控制。設備經過性能測試，達到相關要求。處理效果經驗證，符合 IMO 壓載水處理要求。系統設計編程簡單，開發效率高，其數據傳輸速度快，正確率高，軟件界面形象生動，實現方便，可根據具體工作條件調整工作方式和工作參數，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［J］. 船舶，2008，19（6）：27-30.

［3］黨坤，殷佩海，孫培廷. 國內外船舶壓載水處理技術現狀［J］.航海技術，2004（2）：64-66.

［4］李芳，李偉. 船舶壓載水污染的處理方法研究進展［J］. 中國水運，2007，7（5）：12-13.

［5］謝承利，翁平，李小軍，等. 船舶壓載水處理技術應用綜述［J］.船海工程，2010，39（6）：86-90，98.

［6］張海勇，張波. 壓載水管理公約型式認可導則的修訂及對公約實施的影響［J］. 中國海事，2016（1）：37-41.

Development and research on automatic control and alarm monitoring of ship ballast system

WANG Qi
（Weifang University of Science and Technology，Shouguang 262700，China）

As required by ＜international convention for the control and management of ships ballast water and sediments＞ which is approved by IMO，all the ocean vessels should be equipped with ballast water treatment plants in 2017. According to G8 guide lines of ballast water management systems，a set of ship ballast water automatic control system based on LabVIEW and PLC is designed. It can monitor the Ballast water alarm monitoring systems and the process of Ballast water operations，and autographic record the data and information of the main devices such as working parameters，location，alarming，operations and so on. it realizes the function of automatic control，on-line monitoring and remote operation. The system meets the requirements of conventions and regulations，national standard and IEC standard by the following tests：insulation resistance，energy fluctuations，energy failure，vibration，alternate wet and heat，high-low temperature，breakdown voltage，surge immunity，esd immunity，conduction and radiation quantity.

ballast water；automatic control；alarm monitoring；performance test

U664.83

A

1672 - 7619（2016）08 - 0134 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2016.08.028

2016 - 06 - 13

王琦（1981 - ），女，碩士，講師，研究方向為計算機軟件技術。