王　琦（濰坊科技學(xué)院，山東　壽光 262700）

船舶壓載水自動(dòng)控制及監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究

王琦
（濰坊科技學(xué)院，山東壽光 262700）

國(guó)際海事組織（IMO）通過(guò)的《國(guó)際船舶壓載水和沉積物控制與管理公約》要求，2017 年所有遠(yuǎn)洋船舶必須安裝壓載水處理設(shè)備。根據(jù)壓載水管理系統(tǒng) G8 導(dǎo)則的規(guī)定，設(shè)計(jì)一套基于 LabVIEW 和 PLC 的船舶壓載水自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)壓載水進(jìn)行管理。其監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)對(duì)壓載水操作期間進(jìn)行全面監(jiān)控，自動(dòng)記錄主要設(shè)備的工作參數(shù)、工作地點(diǎn)、報(bào)警、操作等數(shù)據(jù)和信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)控制、在線監(jiān)控及遠(yuǎn)程操作。系統(tǒng)通過(guò)絕緣電阻、能源波動(dòng)、能源故障、振動(dòng)、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(dǎo)與輻射量測(cè)試，滿(mǎn)足相關(guān)公約、規(guī)范以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃。

壓載水；自動(dòng)控制；監(jiān)控報(bào)警；性能測(cè)試

0　引　言

本文嚴(yán)格按照 IMO 頒布的《壓載水管理系統(tǒng)認(rèn)可指南》G8 的要求設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一套船舶壓載水處理控制系統(tǒng)。控制單元采用 TPC-1570H-C2AE 研華工控觸摸屏和 SIEMENS S7-300PLC 構(gòu)成，控制單元依據(jù)船舶工作狀態(tài)發(fā)出指令，啟動(dòng)系統(tǒng)，調(diào)整閥組開(kāi)閉，使系統(tǒng)完成壓載、卸載和旁通；同時(shí)控制單元能夠按設(shè)定程序，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)處理壓載水的流量，并根據(jù)實(shí)際測(cè)得的壓載水流量，自動(dòng)調(diào)節(jié)紫外燈對(duì)壓載水的照射劑量，以保證劑量在設(shè)計(jì)工作范圍內(nèi)。

1　裝置簡(jiǎn)介

壓載水管理系統(tǒng)主要包括：過(guò)濾單元（自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器）、紫外殺菌單元（中壓高強(qiáng)汞紫外線燈）和控制單元。系統(tǒng)正常工作分為壓載和卸載 2 個(gè)流程。壓載時(shí)，海水首先經(jīng)過(guò)過(guò)濾單元去除海水中大于50 μm 的微生物以及固體顆粒物。過(guò)濾單元能夠在不中斷過(guò)濾的情況下，按設(shè)定程序執(zhí)行自動(dòng)反沖洗，被過(guò)濾單元攔截的固體雜質(zhì)及海洋生物會(huì)在過(guò)濾單元自動(dòng)清洗時(shí)隨反沖洗水排回原海域，不會(huì)造成生物異地卸載。過(guò)濾后的壓載水經(jīng)過(guò)紫外殺菌單元進(jìn)行生物滅活處理后進(jìn)入壓載艙。壓載過(guò)程中，由于船舶壓載泵的流量會(huì)根據(jù)船舶吃水和壓載水系統(tǒng)背壓而變化，當(dāng)實(shí)際流量大于壓載泵的額定流量時(shí)，紫外殺菌單元中壓載水的流速會(huì)加快，照射時(shí)間變短，從而導(dǎo)致照射劑量下降，此時(shí)壓載水管理系統(tǒng)的控制單元通過(guò)流量計(jì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流量，并調(diào)節(jié)流量控制閥，使系統(tǒng)流量下降，保證壓載水受足夠劑量的紫外照射。如果實(shí)際流量低于額定流量，控制系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)低紫外殺菌單元電源輸出功率（光強(qiáng)變低），使照射劑量維持在設(shè)計(jì)工作范圍內(nèi)?？紤]到紫外殺菌方式的壓載水管理系統(tǒng)無(wú)殘余滅活能力，以及生物的光復(fù)活性，壓載水在壓載艙存放過(guò)程中海洋生物有可能復(fù)活、繁殖，因此，壓載水卸載時(shí)，壓載水將再次經(jīng)過(guò)紫外線殺菌單元進(jìn)行滅活處理（不再經(jīng)過(guò)過(guò)濾單元），處理后排出舷外。系統(tǒng)裝置與原理如圖 1 所示。

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

2　系統(tǒng)性能

本文設(shè)計(jì)壓載水管理系統(tǒng)嚴(yán)格按照《壓載水管理系統(tǒng)認(rèn)可指南》G8 的要求設(shè)計(jì)，考慮到船舶在海洋周邊港口壓載的水質(zhì)環(huán)境，過(guò)濾單元設(shè)計(jì)為自動(dòng)反沖洗過(guò)濾方式，其特點(diǎn)為：過(guò)濾單元去除海水中大于 50 μm微生物以及固體顆粒物。過(guò)濾單元能夠在不中斷過(guò)濾的情況下，按設(shè)定程序自動(dòng)或手動(dòng)執(zhí)行反沖洗，被過(guò)濾單元攔截的固體雜質(zhì)及海洋生物會(huì)在過(guò)濾單元自動(dòng)清洗時(shí)隨反沖洗水排回壓載海域，不會(huì)造成生物異地卸載。同時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)并聯(lián)的方式，擴(kuò)大處理海水的流量。

系統(tǒng)紫外殺菌單元設(shè)計(jì)采用中壓高強(qiáng)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(nèi)。紫外殺菌單元筒體內(nèi)設(shè)有導(dǎo)流板和旋流板，可有效地減緩水流流經(jīng)紫外殺菌單元筒體內(nèi)的流速，減緩水流對(duì)燈管的沖擊，增加紫外線光強(qiáng)的照射時(shí)間，從而增加紫外線對(duì)海水的單位面積的照射劑量。紫外燈管的防護(hù)天然石英套管的清洗采用機(jī)械清洗盤(pán)自動(dòng)進(jìn)行，燈管的啟動(dòng)和光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)、天然石英套管的清洗，整個(gè)過(guò)程由 PLC 依據(jù)流量計(jì)、光強(qiáng)探頭、溫度變送器、限位開(kāi)關(guān)反饋的信息自動(dòng)控制完成。同時(shí)，系統(tǒng)可通過(guò)并聯(lián)的方式，擴(kuò)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(gòu)成，控制單元依據(jù)船舶的工作狀態(tài)發(fā)出指令，啟動(dòng)系統(tǒng)，調(diào)整閥組開(kāi)閉，使系統(tǒng)完成壓載、卸載和旁通；同時(shí)控制單元能夠按設(shè)定程序，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)處理壓載水的流量，并按實(shí)際測(cè)得的壓載水流量，自動(dòng)調(diào)節(jié)紫外燈對(duì)壓載水的照射劑量，以保證劑量在設(shè)計(jì)工作范圍內(nèi)。在系統(tǒng)不間斷的情況下，依從過(guò)濾單元上監(jiān)測(cè)到的壓差信號(hào)和紫外殺菌單元上檢測(cè)到的紫外線光強(qiáng)信號(hào)或依系統(tǒng)設(shè)定的過(guò)濾單元和紫外殺菌單元工作時(shí)間以及根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況發(fā)出對(duì)過(guò)濾單元和紫外殺菌單元的自動(dòng)或手動(dòng)清洗指令。系統(tǒng)能自動(dòng)記錄并顯示紫外燈管的工作時(shí)間和測(cè)得的紫外線光照強(qiáng)度，提示用戶(hù)紫外燈管的工作狀態(tài)。當(dāng)燈管損壞或燈管工作光強(qiáng)滿(mǎn)足不了設(shè)計(jì)要求時(shí)，控制系統(tǒng)在觸摸屏上顯示故障位置，并發(fā)出聲光報(bào)警。

3　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)主界面

主控界面上有“數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與故障應(yīng)答”和“數(shù)據(jù)設(shè)定和狀態(tài)查詢(xún)”2 個(gè)區(qū)域。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與故障應(yīng)答區(qū)域包含壓載水管理系統(tǒng)的壓載、卸載、旁通 3 種工作模式的狀態(tài)查詢(xún)頁(yè)，對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)的參數(shù)顯示，如系統(tǒng)工作日期、時(shí)間、工作位置的經(jīng)緯度、紫外線照射劑量（mJ/cm2）、過(guò)濾單元進(jìn)/出口壓差，系統(tǒng)處理壓載水的流量、故障指示燈以及“故障消音”與“故障復(fù)位”按鈕。數(shù)據(jù)設(shè)定和狀態(tài)查詢(xún)區(qū)域包括：“操作模式”、“系統(tǒng)監(jiān)控”、“閥門(mén)狀態(tài)”、“系統(tǒng)報(bào)警”、“系統(tǒng)檢查”、“故障記錄”、“軟件幫助”、“停止運(yùn)行”共 8 個(gè)功能按鈕。主界面如圖 2所示。

圖 2　系統(tǒng)主界面Fig. 2　System main interface

3.2壓載模式

操作者按下系統(tǒng)控制箱上的啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)，并按預(yù)設(shè)程序打開(kāi)舷外閥、關(guān)閉通壓載艙的閥，啟動(dòng)壓載泵工作，打開(kāi)紫外殺菌單元的紫外燈預(yù)熱 3～5 min，在此過(guò)程中，設(shè)備控制面板上的紫外燈預(yù)熱指示燈處于常亮狀態(tài)，在此過(guò)程結(jié)束時(shí)，該燈閃爍，表示壓載水可以正常進(jìn)行壓載進(jìn)入壓載艙，此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)通壓載艙閥，關(guān)閉通舷外閥，在相應(yīng)的閥門(mén)操作結(jié)束后，閃爍的指示燈將熄滅。紫外殺菌單元的紫外燈預(yù)熱完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉通舷外閥，打開(kāi)通壓載艙閥，此時(shí)，設(shè)備控制面板上的預(yù)熱指示燈關(guān)閉，被處理過(guò)的壓載水流入壓載水艙。整個(gè)過(guò)程均由系統(tǒng)自動(dòng)完成，操作者無(wú)需獨(dú)立操作過(guò)濾單元和紫外殺菌單元。壓載模式控制系統(tǒng)如圖 3 所示。

圖 3　壓載模式Fig. 3　Ballast mode

3.3系統(tǒng)監(jiān)控

操作者按下“記錄界面”按鈕，系統(tǒng)切換到記錄界面，顯示過(guò)濾單元累積運(yùn)行的時(shí)間和累積運(yùn)行次數(shù)，以及過(guò)濾單元清洗電機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)時(shí)間，操作者在“起始界面”選取“設(shè)置界面”按鈕，系統(tǒng)切換到設(shè)置界面。操作者可以設(shè)置過(guò)濾單元相應(yīng)的壓差啟動(dòng)（默認(rèn)值為 50 kPa）、高限報(bào)警（默認(rèn)值 100 kPa）、保護(hù)時(shí)間（默認(rèn)值 420 ms）、定時(shí)啟動(dòng)（默認(rèn)值1 000 min）的值，操作者選取所要設(shè)定數(shù)據(jù)的顯示框時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)彈出小鍵盤(pán)，如圖 4 所示，通過(guò)鍵盤(pán)輸入需要設(shè)置的數(shù)值，按回車(chē)鍵確認(rèn)，數(shù)據(jù)設(shè)置完成。

圖 4　系統(tǒng)監(jiān)控界面Fig. 4　System monitoring

4　性能試驗(yàn)

4.1性能檢測(cè)

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(duì)下述零部件性能進(jìn)行檢查：

1）鎮(zhèn)流器：測(cè)試過(guò)程中能正常啟動(dòng)點(diǎn)亮燈管。

2）清洗裝置：測(cè)試過(guò)程中清洗功能正常運(yùn)行。

3）閥門(mén)：測(cè)試過(guò)程中所有閥門(mén)必須按照各工作模式程序設(shè)定運(yùn)行。

4）溫度傳感器：測(cè)試過(guò)程中的示數(shù)與正常工況下記錄的數(shù)值偏差不超過(guò) ± 5% FS 則評(píng)定溫度傳感器性能正常。

5）壓力傳感器：測(cè)試過(guò)程中壓力傳感器示數(shù)與正常工況下偏差不超過(guò) ± 2% FS。

6）紫外線傳感器：紫外燈管正常啟動(dòng)后，光強(qiáng)計(jì)的示數(shù)不低于 80%。

7）故障報(bào)警：測(cè)試過(guò)程中模擬故障時(shí)能作相應(yīng)故障的提示或同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。

4.2功能檢測(cè)

安裝工作流程完成對(duì)各閥的正確控制，壓載結(jié)束后對(duì)過(guò)濾單元、紫外殺菌單元進(jìn)行清洗、冷卻工作，打開(kāi)過(guò)濾單元和紫外殺菌單元下部的泄放閥，排空海水，隨后系統(tǒng)將停止工作，切斷供電電源。過(guò)程中系統(tǒng)工作正常，無(wú)報(bào)警。

4.3能源故障檢測(cè)

對(duì)電氣、電子部件的試驗(yàn)應(yīng)在額定工作電壓和頻率（交流設(shè)備）運(yùn)行的情況下進(jìn)行。

1）5 min 內(nèi)切斷能源 3 次；

2）每次切斷時(shí)間 30 s。

試驗(yàn)后鎮(zhèn)流器自動(dòng)保護(hù)，重新上電操作能正常開(kāi)啟。

4.4振動(dòng)測(cè)試

1）將受試設(shè)備按實(shí)際使用狀況安裝在振動(dòng)臺(tái)上，并通電工作；

2）按規(guī)定的頻率范圍和振幅，不超過(guò) 1 oct/min 掃頻速率掃描，檢查有無(wú)共振現(xiàn)象；

3）如無(wú)明顯共振點(diǎn)，則應(yīng)在 30 Hz，加速度 ± 0.7 g下至少做 90 min 耐振試驗(yàn)；

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(yàn)。如測(cè)得的幾個(gè)共振頻率較為接近，則耐振試驗(yàn)可采用掃頻試驗(yàn)，持續(xù)時(shí)間為 120 min；

5）試驗(yàn)應(yīng)在 3 個(gè)互相垂直的軸線上。

4.5交變濕熱測(cè)試

1）試驗(yàn)前，測(cè)試受試設(shè)備的絕緣電阻；

2）測(cè)試對(duì)象放入試驗(yàn)箱的有效空間內(nèi)，先在溫度為 25 ℃ ± 10 ℃，相對(duì)濕度為 60% ± 30% 的條件下進(jìn)行預(yù)處理，使測(cè)試對(duì)象達(dá)到溫度穩(wěn)定。

3）按照壓載模式周期循環(huán) 2 次。

4）測(cè)試對(duì)象應(yīng)處于通電工作狀態(tài)，每個(gè)階段的高溫高濕前 2 h 和后 2 h 進(jìn)行功能試驗(yàn)。

5）功能試驗(yàn)在最后 2 h 內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)前允許用手將被測(cè)對(duì)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(fù)后按照規(guī)定測(cè)量絕緣電阻。

4.6高溫測(cè)試

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

2）在試驗(yàn)溫度的最后 1 h 內(nèi)進(jìn)行功能試驗(yàn)。

3）在恢復(fù)后進(jìn)行功能試驗(yàn)。

在試驗(yàn)期間和試驗(yàn)后，其功能試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到要求。

5　船舶壓載水岸基微生物檢測(cè)報(bào)告

為保證實(shí)驗(yàn)測(cè)試的質(zhì)量和科學(xué)性，上海海洋大學(xué)船舶壓載水檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)格按照質(zhì)量保證計(jì)劃以及“壓載水管理系統(tǒng)認(rèn)可導(dǎo)則 G8”、“壓載水采樣導(dǎo)則G2”進(jìn)行壓載水管理系統(tǒng)的岸基試驗(yàn)，并對(duì)樣品進(jìn)行采樣。

本試驗(yàn)在上海海洋大學(xué)的船舶壓載水檢測(cè)室岸基試驗(yàn)基地內(nèi)進(jìn)行。壓載水試驗(yàn)系統(tǒng)主要由壓載水處理設(shè)備、壓載泵、取樣裝置、壓載艙、對(duì)照艙、配水池、原水池等組成，可實(shí)現(xiàn)壓載水的壓載、儲(chǔ)存和排放功能，滿(mǎn)足認(rèn)證試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)中添加的海洋生物由上海海洋大學(xué)根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行培養(yǎng)。在試驗(yàn)過(guò)程中，將培養(yǎng)到足夠濃度的浮游動(dòng)物（主要為鹵蟲(chóng)）、藻類(lèi)（主要位綠藻和硅藻等）和異養(yǎng)細(xì)菌（大腸桿菌）加入到配水池中，使用氣泵通過(guò)曝氣裝置對(duì)水體進(jìn)行充氣，使微生物保持活性，并能均勻的分布在水中。通過(guò)壓載泵同時(shí)將測(cè)試用的海水和微生物泵入試驗(yàn)管路，使試驗(yàn)流入水各類(lèi)生物密度和種類(lèi)達(dá)到 G8 要求。

表 1 為岸基實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由表可以看出，經(jīng)過(guò)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(dá)到國(guó)際海事組織關(guān)于對(duì)壓載水的處理排放要求。

表 1　船舶壓載水岸基實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab. 1　Ballast experiment data base waterfront

6　結(jié)　語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了滿(mǎn)足 MEPC.174（58）《壓載水管理系統(tǒng)認(rèn)可指南（G8）》要求的壓載水管理系統(tǒng)部件少，易于操作、維護(hù)、調(diào)節(jié)和控制。設(shè)備經(jīng)過(guò)性能測(cè)試，達(dá)到相關(guān)要求。處理效果經(jīng)驗(yàn)證，符合 IMO 壓載水處理要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)編程簡(jiǎn)單，開(kāi)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(dòng)，實(shí)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(yīng)用價(jià)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.

［3］黨坤，殷佩海，孫培廷. 國(guó)內(nèi)外船舶壓載水處理技術(shù)現(xiàn)狀［J］.航海技術(shù)，2004（2）：64-66.

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

［5］謝承利，翁平，李小軍，等. 船舶壓載水處理技術(shù)應(yīng)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(rèn)可導(dǎo)則的修訂及對(duì)公約實(shí)施的影響［J］. 中國(guó)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?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件技術(shù)。