500 t油船高精度計量監控系統的設計與實現

孫向勇

(江蘇鎮揚汽渡有限公司，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

貨油計量監控系統是油船自動化系統中的核心部分，對于油船的安全性和可靠性起著非常重要的作用。目前，國內貨油計量系統能夠實現數據采集、計算和顯示等基本功能，但該系統是基于靜態基礎上進行計量的，通常由各種開關、指示燈及指示儀表等構成的模擬控制屏進行監控。此方式完全由人工操作,存在著監控功能單一、信息量小、統計計算的工作量大且容易出現誤差等問題。而船舶貨油計量是一個動態過程，因此如何在動態過程中提高測量精度、減小測量誤差值得研究。

為此，本文以中國船級社發布的《智能船舶規范》(2020)和《船舶(油船)智能貨物管理檢驗指南》(2018)為指導，設計某500 t油船的貨油智能監控系統。該系統能夠通過采集、分析、判斷貨油智能監控系統相關設備的監測數據，實現貨油系統的仿真模擬顯示、故障報警、進油供油的計量統計和報表存儲等功能，一定程度上避免因人為疏忽和操作失誤所導致的事故和統計誤差。

1 系統方案設計與實現

某500 t油船高精度貨油計量監控系統的設備主要包括：貨油艙、貨油艙管路、貨油泵、管路閥門、各類傳感器和其他輔助設備等。某500 t油船貨油控制的管路結構見圖1。

圖1 進油供油管路結構

1.1 系統設備配置

500 t油船共有6個貨油艙，每個貨油艙各配有1個開關閥和1個掃油閥；進油管路和出油管路各配有1個流量計和開關總閥；流量計的進口和出口各配有1個開關閥，同時還配有1個旁通閥；在出油管路中裝配有1個貨油泵，在貨油泵的進口和出口各配有1個開關閥。除圖中顯示的設備外，貨油艙還配有雷達液位計、溫度傳感器和超高液位傳感器。

1.2 油艙液位計的選型配置

貨油計量監控系統中，貨油艙的液位是核心參數。根據測量的液位，結合艙容表推算出貨油容積，最后再根據貨油密度計算出貨油噸位。因此，液位計測量的穩定性、精度和安全性是液位計選型的主要指標。本文選用羅斯蒙特5408系列非接觸式雷達液位變送器，測量液位精度在±2 mm以內。

根據500 t油船的艙容表，±2 mm液位精度對應的最大艙容為0.067 82 m，6個貨油艙的最小容積為109.762 m，因此誤差為0.618‰。根據500 t油船的技術規格要求，計量誤差最高上限為3‰，雷達液位計選型完全符合要求。

1.3 系統結構設計

貨油計量監控系統結構圖見圖2。下位機控制器采用S7-1200PLC，主要進行設備控制和數據采集。該系統包括1臺泵、24個開關閥、6個雷達液位計、2臺流量計、6個超高液位傳感器及6個溫度傳感器等。整個系統采用工業以太網總線進行數據通信，通信效率、可靠性、維護性及實現方便程度都比較高。上位機采用LabVIEW，主要進行貨油計量計算，并顯示貨油系統所有設備及管路的運行狀態及參數。該軟件屬于高級語言，編程方便，調試周期短，效率高。數據庫采用開源的MySQL數據庫，進行進油和加油數據的存儲統計，包括事件和報警數據的存儲。

圖2 貨油計量監控系統結構

2 油艙液位測量修正

2.1 橫縱傾修正

由于管路或結構的影響，雷達液位計很難安裝在貨油艙的重心位置，因此船舶在有橫縱傾時實際測得的液位需要進行修正。

船舶橫傾截面圖見圖3。圖中：為橫傾角度，通過傳感器測得，船往左傾時<0；船往右傾時>0；為具體油艙的重心與雷達液位計安裝位置的橫向距離，通過實船測得；船舶在發生橫傾時，實際測得的液位是，而實際的液位是，它們之間的高度差為，即為修正的高度。具體計算公式如下：

圖3 船舶橫傾截面圖

=+

(1)

=tan

(2)

船舶縱傾截面圖見圖4。圖中：為橫傾角度，通過傳感器測得；船往后傾時<0，船往前傾時>0。船舶在發生縱傾時，實際測得的液位是，而實際的液位是，它們之間的高度差為，即為修正的高度。具體計算公式如下：

圖4 船舶縱傾截面圖

=+

(3)

=tan

(4)

船舶在航行或靠岸時，橫傾和縱傾都有，因此橫縱傾修正公式如下：

=+tan+tan

(5)

式中：為修正后的液位；為實測的液位，==。

2.2 液面波動修正

油船在航行或停泊過程中，液面會受波浪和風力的影響。波浪和風力對液面波動的影響都是平緩周期變化的，周期隨著波浪和風力的大小不停變化，即對液位的影響是平緩且隨機的。本文采用遞推濾波方法對液面波動進行修正，它對隨機的周期干擾有很好的抑制作用，平滑度高，但是不易消除脈沖干擾，靈敏度低。而油船的液面不會有突然的階躍變化，同時其測量的實時性要求不高，因此遞推平均濾波方法非常適用于液貨船的液面測量。

建立一個數據緩沖區，依次存放次采樣數據。每采進一個新數據，就將最早采集的數據去掉，再求出當前緩沖區中的個數據的算術平均值。因此，每采樣一次就可得到一個平均值，大大加快了數據處理的能力。具體算式如下：

(6)

式中：為第次采樣濾波后的輸出值；-為遞推平均的數據。

3 進油計量及顯示

進油控制流程見圖5。

圖5 進油控制流程圖

當進油管路的閥門全部打開，控制顯示界面顯示“進油就緒”，填入加油站點提供的貨油油品密度后，即可以開始進油。

進油管路閥門都打開，通過顏色變化區別閥門和管路的通斷。在此基礎上區分具體哪幾個貨油艙在進油，并顯示該貨油艙的液位、計量艙容及噸數。同時通過流量計顯示進油的實時流量，并以此進行進油油量噸數計量。當6個貨油艙到達油艙高位限位時，系統報警提示，加油結束。

4 供油計量及顯示

供油控制流程見圖6。

圖6 供油控制流程圖

在貨油船對汽渡船供油之前，需要確保供油管路上的所有閥門是打開的。和進油管路一樣，通過顏色區分閥門和管路的通斷。

貨油在不同環境下，其密度會有差別。本文在保證液位測量的高精準度的前提下，采用貨油噸數閉環原則，對貨油的密度進行自動測算。記錄保存每次進油或供油后的加油量，并根據供油之前的實時艙容，推算出當前實時密度。實船密度計算見表1，計算結果符合實際油品密度。

表1 實船供油時密度計算

輸入具體的供油量之后，在界面中進行“開泵”操作，系統通過流量計自動計量此次供油量，供油完成后，自動“停泵”。

5 結論

船舶貨油計量過程是一個動態過程，需要實時考慮船舶橫縱傾和波浪晃動的影響。本文采用以下方法提高貨油計量的精度：

(1)通過船舶貨油艙重心點、液位計測量點結合船舶橫縱傾角度對油位進行修正。

(2)通過遞推平均濾波算法減小波浪晃動對油位的擾動。

(3)通過貨油質量閉環，推導出油品密度。

貨油計量系統實船應用結果表明：進油供油的計量誤差都在3‰以內，滿足系統設計需求。因此本文所設計的高精度計量監控系統是有效可行的。