碼頭供水管路伴熱帶控制的設計與實現

李 勃，馬源駿，李辰庚，楊昆永

（渤海大學，遼寧錦州 121000）

0 引言

船舶作為海上重要的交通工具，承擔著世界80%～90%的貨運量。然而，在氣溫寒冷且潮濕的地區，碼頭設備常會出現嚴重凍損現象，特別是船舶需要加注淡水的情況下，當冰凍情況嚴重時，不但會拖延船舶航期，還會造成船舶企業經營效益的虧損。

1 供水管路伴熱帶的電路設計

目前，對碼頭淡水管路采取的防凍措施主要有加裝棉套或使用其他材料實行包裹，保溫方式太過原始和落后，保溫效果不明顯。對碼頭淡水管路存在的問題進行深入研究，通過設計電伴熱帶控制箱，解決了碼頭淡水管路結冰無法給船舶加注淡水的技術難題[1～6]。

根據港口碼頭淡水管路設施以及船舶的實際情況，考慮環境、時間等因素，考慮電伴熱帶控制箱可選用時間條件與溫度條件共同控制，使該裝置具有良好的應用前景與實際應用效果。通過對原始落后保溫方式的進一步改進，對增強電能與熱能的高效轉換具有重大意義。

設計碼頭電伴熱帶控制箱配備時間控制與溫度控制兩種操作模式。選擇溫控開關，預先對溫度進行設定。當溫度小于設定值時，根據溫控開關WK 程序設置，低溫開關WKL 自動閉合，K1、K2 得電，達到低溫時電伴熱帶自動開啟保溫的效果，當溫度高于設定值時，根據溫控開關WK 程序設置，WKH 斷開，K1、K2 失電，達到溫度適宜時電伴熱帶自動關閉的效果。選擇時控開關，可以根據實地情況設置開始與結束時間，根據時控開關ST 程序設置，ST 觸點會在設定開始時間到達后自動閉合，K1、K2 得電，伴熱帶工作，對供水管路進行加熱。到達設定結束時間時，ST 觸點會根據程序自動斷開，伴熱帶停止對供水管路加熱。其中K1、K2 并聯觸點是并聯關系，可增大開關容量，避免電流過大而燒毀觸點。電伴熱帶控制箱原理如圖1 所示。

圖1 電伴熱帶控制箱電路

2 DS18B20 溫度傳感器

DS18B20 為單總線原件，測量溫度范圍為-55～+125 ℃。實際應用時面對平的一面，左側連接GND 右側連接VCC，將中間的總線連接到單片機I/O 即可，注意傳感器極性不能接反，否則會導致傳感器發熱，讀數不正常甚至燒毀傳感器。

DS18B20 封裝圖如圖2 所示，在程序編寫時，首先對傳感器進行初始化檢驗，即按照數據手冊要求將總線拉低至少480 μs，再拉到總線，此時等待接收DS18B20的應答脈沖。如果接收到應答脈沖，則表明傳感器可以正常工作；反之，則說明傳感器損壞或者初始化失敗或者傳感器安裝錯誤無法使用。編寫程序時應注意時序問題，應嚴格按照數據手冊中要求的時序圖進行延時操作，否則可能導致讀寫失敗，傳感器讀寫均為按位操作，以讀為例，單片機每給傳感器1 個脈沖，傳感器回給單片機1 位數據，循環8 次即可讀出1 字節數據，最終根據設置的傳感器轉換精度乘對應的系數即可得到最終的實際溫度。

圖2 DS18B20 封裝圖

由圖3 傳感器DS18B20 程序框圖可知，當發出復位脈沖檢查應答后，則發送跳過ROM 指令和溫度轉換指令，經延時，再發出復位脈沖檢查應答，再次發送跳過ROM 指令和溫度轉換指令，經整合讀出的溫度數據并CRC 檢驗正確，則移入溫度暫存器。

圖3 DS18B20 程序框圖

利用Keil μVision 對該供水管輅伴熱帶溫度控制系統進行程序編寫，再利用PROTEUS 進行電路仿真，其仿真結果如圖4 所示。

圖4 溫度仿真

3 實物圖

通過上述的仿真、測試等環節，對該伴熱帶進行實物的設計與組裝。要求電路設計簡單，功能可靠。電路板的布局焊接以及設備的安裝調試均符合相關電氣標準。特別注意數顯表在安裝時，按照盤面開孔尺寸在盤面上打出用來安裝儀表的矩形方孔，將儀表嵌入盤面開孔內，在儀表安裝槽內插入安裝支架，推緊支架后擰緊螺釘，使儀表與盤面結合牢固[7～10]。安裝時大氣壓力、溫度、相對濕度符合相關電氣標準的要求，安裝實物如圖5 所示。

圖5 電伴熱帶控制箱實物

進而可以利用電伴熱帶控制箱將電能轉換為熱能傳遞給供水管路，可以實現定時開啟和溫度控制的雙重功能。通過單片機控制，也能實現根據溫度改變自動調整伴熱帶輸出功率。使單位時間、同一長度的該系統的發熱量為恒定，不會因為環境多變而引起的溫度變化，使電伴熱帶裝置整體性能更良好、更穩定。通過對溫度的精準控制，自主適應性高，不會因為發熱絲與母線焊點因接觸點不牢固引起脫落、位移、短路，導致出現局部發熱溫度低甚至不發熱情況。電伴熱帶發熱體是金屬絲，其耐熱等級高，發熱量不會因為介質溫度高、運行時間長而導致減弱，大大延長使用壽命[11～12]。

4 結束語

將電伴熱帶技術應用在碼頭供水管路中，實現供水管路的保溫、防凍作用，溫度傳感器控制以單片機為核心，實現了精準控制，提高了電能與熱能的高效轉換。該碼頭供水管路伴熱帶控制系統對船舶的營運時效性具有重要意義。