林洪貴, 楊國(guó)豪, 李 凱

(1.集美大學(xué) 輪機(jī)學(xué)院， 福建 廈門 361021; 2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 廈門 361021)

船用油水分離器污水排放自動(dòng)監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林洪貴1，2, 楊國(guó)豪1，2, 李 凱1，2

(1.集美大學(xué) 輪機(jī)學(xué)院， 福建 廈門 361021; 2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 廈門 361021)

為滿足國(guó)際公約和國(guó)內(nèi)法規(guī)對(duì)船舶油污水的排放要求，利用紅外散射法和無線網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)出可以在技術(shù)手段上保障全面自動(dòng)監(jiān)管污水排放符合公約要求，并以單片機(jī)為核心控制器的油污水排放監(jiān)管系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高和自動(dòng)監(jiān)管等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的含油量、排放速率、排放量的綜合控制。

船舶工程;油水分離器；監(jiān)管系統(tǒng)；紅外散射法；無線網(wǎng)絡(luò)傳感器

隨著經(jīng)濟(jì)全球化不斷發(fā)展，海上貨物運(yùn)輸量不斷增加，越來越多的船舶投入營(yíng)運(yùn)，對(duì)海洋環(huán)境造成的污染日益嚴(yán)重。國(guó)際上早已有規(guī)定，船舶油污水的處理應(yīng)按照MARPOL 73/78公約附則I的要求進(jìn)行，外排油污水應(yīng)執(zhí)行《船舶污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3552—1983)；國(guó)際航線船舶生活污水應(yīng)符合MARPOL 73/78公約附則IV的相關(guān)要求。國(guó)內(nèi)航線船舶生活污水的處理應(yīng)按《船舶污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3552—1983)進(jìn)行。然而，受船員素質(zhì)、監(jiān)管手段、設(shè)備等因素影響，船舶油污水排放污染事件時(shí)有發(fā)生。因此，提出一種應(yīng)用紅外散射法和無線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)對(duì)船舶油污水排放進(jìn)行監(jiān)控以及根據(jù)公約要求進(jìn)行排放管理的自動(dòng)監(jiān)管系統(tǒng)。

船舶油污水、洗艙水、生活污水均須經(jīng)過處理才能排放。船用油水分離器是船舶機(jī)艙的重要防污染設(shè)備，在減輕海洋水域污染方面發(fā)揮著重要作用。國(guó)際海事組織(International Maritime Organization,IMO)在1992年3月召開的第32屆會(huì)議上通過的MARPOL 73/78公約附則I修正案要求：所有新建的400總噸及以上的船舶必須安裝油水分離器，并規(guī)定艙底水在任何海域排放的含油量應(yīng)≤0.015‰；對(duì)于油船,要求在離最近陸地50 n mile以外航行且航行中的瞬時(shí)排放率≤30 L/n mile,在一個(gè)壓載航次中總排放量不大于載油總?cè)萘康?/300 00。[1-3]污水排放自動(dòng)監(jiān)管系統(tǒng)是油水分離器的重要組成部分,用于監(jiān)測(cè)與控制排到舷外的污水的含油量、排放速率和排放量。檢測(cè)含油量的方法主要有紅外分光光度法、紫外光光度法、熒光分光光度法以及紅外散射法等。其中紅外分光光度法的測(cè)量準(zhǔn)確度高，但存在四氯化碳需精制、試劑需選購(gòu)、儀表有重現(xiàn)性等問題。油液中含有的共軛體系在紫外光區(qū)具有不同的特征吸收峰，用紫外分光光度法測(cè)量油液時(shí)會(huì)存在一定的干擾。熒光分光光度法的測(cè)量靈敏度高，但易受環(huán)境溫度和油的品質(zhì)的影響，測(cè)量誤差大。[4-8]相比之下，船上的油水混合液中含油量的檢測(cè)可以采用紅外散射法。因此，利用紅外散射法并結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心控制器的污水排放監(jiān)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水含油量、排放速率、排放量的綜合控制。

1 監(jiān)管系統(tǒng)的組成

污水排放自動(dòng)監(jiān)管系統(tǒng)由紅外傳感器(發(fā)射光和接受光部分)、流量傳感器、信號(hào)處理單元、單片機(jī)系統(tǒng)、藍(lán)牙模塊、網(wǎng)絡(luò)適配器等組成。監(jiān)管系統(tǒng)整體架構(gòu)見圖1。

圖1 污水排放監(jiān)管系統(tǒng)框圖

處于航行狀態(tài)的船舶要將艙底水排放到舷外時(shí)，污水排放自動(dòng)監(jiān)管系統(tǒng)利用紅外散射法對(duì)取樣污水的含油量進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到lt;0.015‰的排放標(biāo)準(zhǔn)后，開啟排污電磁閥，污水向舷外排放，流量計(jì)記錄排放速率。監(jiān)管系統(tǒng)通過PID(Proportional,Integral and Differential)算法調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門的開度，控制流量的排放速率。如果污水達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)，排污電磁閥關(guān)閉，污水流回艙底水柜，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。

監(jiān)管系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)讀取船舶的GPS(Global Positioning System)定位信號(hào)、船速信號(hào)等數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算出的含油量、流量，對(duì)排放污水進(jìn)行綜合控制。系統(tǒng)可以對(duì)排放污水的時(shí)間、含油量、排放速率、排放量等數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，需要時(shí)可供打印，還可與上位機(jī)進(jìn)行通信。

2 含油量測(cè)量系統(tǒng)

含油量測(cè)量是該系統(tǒng)的核心，設(shè)計(jì)時(shí)利用紅外散射法計(jì)算污水中的含油量。油類中所含的甲基和亞甲基等官能團(tuán)在紅外波3.4 μm處有強(qiáng)烈的吸收峰，而用作萃取劑的四氯化碳在3.4 μm波長(zhǎng)處基本不被吸收。這樣可以用四氯化碳萃取分離完的污水，得到抽樣油液。含油量測(cè)量系統(tǒng)采用2道入射光通道和2個(gè)受光傳感器，由電子開關(guān)選擇接收哪路透射光。當(dāng)入射光1工作時(shí)，受光傳感器1接收透射光線，受光傳感器2接收散射光線；當(dāng)入射光2工作時(shí)，剛好相反。設(shè)計(jì)2條入射光通道可保證監(jiān)測(cè)結(jié)果不受外部環(huán)境干擾，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。透射光和散射光經(jīng)信號(hào)處理電路進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，測(cè)量出透射光強(qiáng)度I透和散射光強(qiáng)度I散，再根據(jù)瑞利散射和比爾定律得到油液中的含油量P[9]為

(1)

式(1)中：C為常數(shù)，由信號(hào)處理電路來決定。

紅外散射法適于測(cè)量?jī)上嗔黧w中分散相的濃度，測(cè)量范圍為0%～2%，尤其在0%～1%范圍內(nèi)，傳感器反應(yīng)靈敏，其應(yīng)用條件是流體的連續(xù)相和分散相介質(zhì)均對(duì)紅外光具有弱吸收作用。油水分離器分離出的污水中，油分子以極小的液滴分散于水中，水分子和油分子對(duì)紅外光的吸收較弱，含油量要求≤0.015‰，因此含油量測(cè)量系統(tǒng)可選用紅外散射法。

3 無線網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)

對(duì)船舶機(jī)艙的電纜進(jìn)行后續(xù)改造是有困難和風(fēng)險(xiǎn)的，且采用有線電纜傳輸傳感器信息會(huì)帶來很多不便，因此，系統(tǒng)將IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)和藍(lán)牙協(xié)議結(jié)合，設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)。

IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)一直受各國(guó)廣泛關(guān)注。其將智能傳感器分成網(wǎng)絡(luò)適配模塊(NCAP)和智能變送器模塊(STIM)，其中網(wǎng)路適配模塊可將傳感器的檢測(cè)信息傳送至上位機(jī)或外部控制網(wǎng)絡(luò)。IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)通過一個(gè)電子數(shù)據(jù)表單TEDS和1個(gè)數(shù)字型TII接口，使得傳感器模塊具有即插即用的兼容性。

藍(lán)牙技術(shù)是一種低功率的短距離無線通信技術(shù)，一般來說，其通信范圍為0.1～10 m。如果增強(qiáng)傳輸功率，則其鏈接范圍可擴(kuò)展到100 m。運(yùn)用藍(lán)牙技術(shù)，不僅可以簡(jiǎn)化通信設(shè)備之間的通信線路，還可以簡(jiǎn)化通信設(shè)備與因特網(wǎng)(Internet)之間的通信線路，從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

無線集成網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)由智能變送器模塊(STIM)、藍(lán)牙模塊和網(wǎng)路適配模塊(NCAP)3部分組成。在STIM和藍(lán)牙模塊之間是IEEE 1451．2標(biāo)準(zhǔn)定義的數(shù)字型TII接口，藍(lán)牙模塊通過TII接口與STIM相連。 NCAP與Internet相連，承擔(dān)傳感器信息的通信及遠(yuǎn)程控制命令的發(fā)送和接收任務(wù)。這樣利用IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)和藍(lán)牙協(xié)議，通過STIM，TII接口，藍(lán)牙模塊，NACP，可對(duì)系統(tǒng)的含油量、排放速率、排放量等數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)管。系統(tǒng)中加入無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的方法也適用于船舶的其他傳感器。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1傳感器的選擇

監(jiān)管系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性主要取決于傳感器的選擇。選擇合適的傳感器對(duì)監(jiān)管系統(tǒng)十分重要。系統(tǒng)的光源紅外發(fā)射管選用HIR405型砷化稼(GaAs)發(fā)光二極管，受光傳感器選用2Cu2硅光敏二極管，流量傳感器選用渦街流量傳感器。

4.2信號(hào)處理單元

傳感器獲取的信號(hào)需經(jīng)信號(hào)處理單元轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電量信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)系統(tǒng)。紅外傳感器的信號(hào)處理包含發(fā)射光和受光2部分電路。為避免干擾信號(hào)影響，采用振蕩電路將發(fā)射光信號(hào)調(diào)制成頻率域信號(hào)。發(fā)射光信號(hào)變成頻率域信號(hào)后，產(chǎn)生的電信號(hào)變?yōu)榻涣餍盘?hào)。這種轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)的方式不僅可以避免處理微弱直流信號(hào)，而且有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

受光傳感器輸出的信號(hào)和渦街流量傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大后,利用窄帶濾波器選出，然后進(jìn)入相敏檢測(cè)器,進(jìn)一步抑制噪聲,再經(jīng)過低通濾波把交流電信號(hào)變?yōu)橹绷麟娦盘?hào),以便于后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換處理。帶通濾波后的信號(hào)雖然比較干凈,但仍存在一定的外界干擾。為提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度,系統(tǒng)采用相敏檢測(cè)器來進(jìn)一步提高信噪比。相敏檢測(cè)器擁有良好的窄帶選頻特性及選相特性，其除了能進(jìn)一步抑制與有效信號(hào)頻率不同的噪聲干擾之外,還能抑制與有效信號(hào)同頻率不同相位的信號(hào)。相敏檢測(cè)器的電路結(jié)構(gòu)見圖2，其中U1∶1為過零電壓比較器,Dl為檢波二極管，Q1為晶體三極管電子開關(guān)，U1∶2為差動(dòng)放大器, TLC 2274為四運(yùn)算放大器。

由三極管的特性知

(2)

差動(dòng)放大器中輸出的信號(hào)U0(t)為

(3)

三極管截止時(shí)，U1∶2為跟隨狀態(tài)；場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)，U1∶2為反相狀態(tài)，取Rf=R4，把式(3)代入式

圖2 監(jiān)控相敏檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)圖

(2)可得

(4)

由式(4)知，由相敏檢測(cè)電路的輸出信號(hào)Uo(t)可以檢測(cè)出輸入信號(hào)Us(t)。

A/D轉(zhuǎn)換電路采用的是AD公司的微轉(zhuǎn)換芯片ADuc812。ADuc812內(nèi)有一個(gè)8051兼容的微處理器，8 000字節(jié)的程序存儲(chǔ)器flash/EE,640字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器flash/EE,256字節(jié)的RAM,多達(dá)32根可編程的輸入/輸出線,一個(gè)SPI串行輸入/輸出口,兩個(gè)DAC和一個(gè)8通道12位的ADC。640字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于TEDS的存儲(chǔ)，SPI口和輸入/輸出的組合構(gòu)成了TII的接口，內(nèi)置8051的嵌入作為核心處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[10]。

4.3單片機(jī)的選擇

單片機(jī)是將CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、通信接口及其他控制部件等集成在一個(gè)芯片上的微型計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)中單片機(jī)主要完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、運(yùn)算、與上位機(jī)通信、與外部網(wǎng)路連接等任務(wù)，選用滿足性能要求、性價(jià)比高的8051單片機(jī)來完成。

4.4藍(lán)牙模塊的設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)外很多公司都推出了基于藍(lán)牙協(xié)議的開發(fā)系統(tǒng)。此處選用性能穩(wěn)定的愛立信藍(lán)牙開發(fā)系統(tǒng)EBDK來實(shí)現(xiàn)，其可用作藍(lán)牙技術(shù)的硬件和軟件的開發(fā)平臺(tái)。該藍(lán)牙模塊可方便、快速地開發(fā)出基于藍(lán)牙協(xié)議的無線發(fā)送和接收的系統(tǒng)模塊。

5 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)管系統(tǒng)的軟件主要通過8051單片機(jī)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。單片機(jī)的程序主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、時(shí)鐘讀取子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子程序、LCD顯示子程序、打印控制子程序、按鍵處理子程序等。監(jiān)管系統(tǒng)主程序的流程見圖3。

圖3 監(jiān)管系統(tǒng)主程序流程圖

6 結(jié) 語

所述的污水排放監(jiān)管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)污水含油量、排放速率、排放量的綜合控制，使污水排放得以監(jiān)管，符合國(guó)際公約和國(guó)內(nèi)法規(guī)對(duì)船用油水分離器排放的規(guī)定。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)的引入，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)管；GPS定位信號(hào)的引入，使得系統(tǒng)能夠記錄污水排放的位置，有利于海事部門的船舶進(jìn)行防污染檢查工作。監(jiān)管系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、靈敏度高、穩(wěn)定性好，能夠滿足惡劣海況下使用的要求。系統(tǒng)中的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器不僅可用于Internet的接入，還可用于有線接入方式不能勝任的場(chǎng)合，并提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。值得提出的是，利用紅外散射法檢測(cè)含大量乳化油的污水時(shí)，產(chǎn)生的誤差較大。此外，當(dāng)所含的油分質(zhì)量接近原油時(shí)，會(huì)對(duì)紅外線光源產(chǎn)生較強(qiáng)的吸收作用，致使系統(tǒng)靈敏度下降，此時(shí)應(yīng)對(duì)所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)修正，以保證監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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DesignofAutomaticSewageDischargeSupervisionSystemonMarineOily-WaterSeparator

LINHonggui1,2,YANGGuohao1,2,LIKai1,2

(1. Marine Engineering Institute, Jimei University, Xiamen 361021, China; 2. Fujian Province Key Laboratory of Marine Engineering, Xiamen 361021, China)

According to the international conventions and domestic regulations on ship sewage discharge, the microcontroller-based automatic sewage water discharge supervision system is designed using infra red scattering detection method and wireless sensor technology. The system features simple structure, stable operation, high reliability and automatic supervision and can comprehensively control the percentage of oil in the sewage, discharge rate and the amount of emissions.

ship engineering; oily-water separator; supervision system; infrared scattering method; wireless sensor

2014-04-08

福建省自然科學(xué)基金(2012J01229)

林洪貴(1964—),男，福建蒲田人，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事船舶電氣自動(dòng)化及虛擬仿真應(yīng)用研究。

E-mail:linhongui36@163.com

楊國(guó)豪(1963—),男，福建蒲田人，教授，碩士生導(dǎo)師，從事船舶電氣自動(dòng)化及虛擬仿真技術(shù)研究。E-mail:yghzzh@jmu.edu.cn

1000-4653(2014)03-0032-04

U664.9

A