李 勃，楊昆永，李洪博

（渤海大學(xué)，遼寧錦州 121000）

0 引言

船舶航行信號(hào)燈又稱為號(hào)燈，分為紅、綠、白3 色，垂直安裝在船舶桅桿的兩舷側(cè)。航行信號(hào)燈包括舷燈、桅燈、錨燈、尾燈、拖帶燈、閃光燈、莫氏燈、失控?zé)?、受限燈等，其他船可以根?jù)航行燈和信號(hào)燈的顏色、位置、明暗等識(shí)別本船的位置、狀態(tài)、航行意圖，從而避免碰撞。正確配置航行信號(hào)燈對(duì)船舶安全航行至關(guān)重要，其需要以《1972 年國(guó)際海上避碰規(guī)則》及其修正案為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并遵循我國(guó)海事局頒布的《船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則》中關(guān)于航行信號(hào)燈的要求與解釋[1]。

船舶航行信號(hào)燈是船舶正常航行的重要保證，特別是在船舶類別、航行動(dòng)態(tài)、船舶避碰等方面具有重要作用。然而，大部分老舊船舶的航行信號(hào)燈控制系統(tǒng)采用開關(guān)控制，不但占用較大的駕駛臺(tái)空間，而且成本較高，性能不穩(wěn)定。采用集成電路板控制技術(shù)取代開關(guān)控制，在降低故障發(fā)生頻率的同時(shí)，能有效提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

隨著港口工程船舶使用年限的增長(zhǎng)，船舶部分設(shè)備進(jìn)入疲勞老化狀態(tài)。特別是航行信號(hào)燈工作環(huán)境惡劣，電氣設(shè)備及其組件時(shí)常出現(xiàn)不同程度的老化現(xiàn)象，這將對(duì)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生巨大隱患，如果不及時(shí)解決，將影響船舶的通航安全。

1 航行信號(hào)燈的設(shè)計(jì)要求

以港口工程船舶為例，由于船齡長(zhǎng)達(dá)26 年，加之設(shè)備維護(hù)不佳，造成部分零部件難以購(gòu)買、控制系統(tǒng)維修困難等問題。根據(jù)國(guó)際與國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)則與規(guī)范的要求，參照航行信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和使用方式的新趨勢(shì)，對(duì)航行信號(hào)燈控制系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和改造。

通過對(duì)收集的相關(guān)資料進(jìn)行分析與論證，改造方案為航行燈和信號(hào)燈控制箱內(nèi)部控制系統(tǒng)采用集成電路板控制，控制系統(tǒng)由兩路電源單獨(dú)供電，一路為主配電板和應(yīng)急電源提供，另一路由駕駛臺(tái)照明配電箱供電（例如：錨燈、白晝信號(hào)燈），各供電電路均配有控制按鈕及熔斷器。當(dāng)航行燈故障時(shí)，應(yīng)發(fā)出聲光報(bào)警并且相應(yīng)的故障指示燈閃亮。控制系統(tǒng)的核心是單片機(jī)，還需要外圍驅(qū)動(dòng)，從而能夠按照控制系統(tǒng)的要求對(duì)指示燈和蜂鳴器進(jìn)行控制。

外部控制面板使用按鈕開關(guān)式LED 指示燈，同時(shí)在外部控制面板上增加了一般功能指示燈，便于操作員使用和觀察。通過對(duì)航行信號(hào)燈改造項(xiàng)目的可行性分析，不斷修改和改進(jìn)設(shè)計(jì)原理，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，理論設(shè)計(jì)完成后進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行改造階段。

2 航行信號(hào)燈的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制器的核心是以單片機(jī)（AT89C51）為主控芯片，該芯片是一種低功耗、高性能微控制器。參照單片機(jī)工作原理，采用C 語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)主程序邏輯精準(zhǔn)判斷。系統(tǒng)主程序是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的主要循環(huán)程序，能夠執(zhí)行各種控制信息；I/O 口子程序用于接收/輸出開關(guān)量信號(hào)，控制各種使能端[2]。信號(hào)存儲(chǔ)、處理子程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記錄、運(yùn)算、計(jì)時(shí)等功能。

控制系統(tǒng)由輸入設(shè)備、收發(fā)器驅(qū)動(dòng)器、輸出設(shè)備、通信接口等模塊組成。輸入設(shè)備硬件接口和軟件接口可以高效、快速地執(zhí)行按鍵信息輸入功能任務(wù)。用戶操作信號(hào)燈時(shí)，開燈時(shí)的按鈕操作、電源系統(tǒng)的供電情況都是通過信號(hào)燈控制器的輸入設(shè)備輸入系統(tǒng)。輸入單元由檢測(cè)裝置、輸入單片機(jī)接口電路和隔離裝置組成，檢測(cè)裝置通過運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)[3]。燈亮?xí)r，將檢測(cè)電壓與可調(diào)基準(zhǔn)電壓輸入運(yùn)算放大器進(jìn)行比較，如果負(fù)載燈電路正常，則運(yùn)算輸出邏輯為“1”，否則輸出邏輯為“0”。隔離裝置通過光耦合器實(shí)現(xiàn)。輸入接口電路由總線隔離器和濾波電容器組成[4]。輸入設(shè)備的軟、硬件濾波技術(shù)與控制器輸入部分的濾波技術(shù)相同。為了保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路，將保險(xiǎn)絲連接到電路上，保護(hù)負(fù)載燈和驅(qū)動(dòng)電路板。同時(shí)，輸出設(shè)備通過單片機(jī)接口線路控制繼電器動(dòng)作，使負(fù)載燈通電或斷電。使用Proteus 搭建仿真系統(tǒng)，并對(duì)電路板繪制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下設(shè)備優(yōu)化。航行信號(hào)燈Proteus 仿真如圖1 所示。

圖1 航行燈和信號(hào)燈Proteus 仿真

根據(jù)船舶電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，其航行信號(hào)燈控制系統(tǒng)采用多路電源供電，并且在多路電源中可以實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)切換，航行信號(hào)燈控制器供電電路如圖2 所示。供電優(yōu)先級(jí)是主配電板的AC 220 V電源優(yōu)于充放電板的DC 24 V 電源。正常情況下，航信信號(hào)燈的電源由AC 220 V 主配電板經(jīng)整流后變?yōu)镈C 24 V 供控制器使用。同時(shí)，控制屏還設(shè)有調(diào)光、試驗(yàn)、消聲、蜂鳴器等，起散熱作用的風(fēng)扇安裝在控制器外殼上。

圖2 航行和信號(hào)燈控制器供電電路

船舶航行信號(hào)燈屬于船舶外部的信號(hào)燈。其視覺信號(hào)直接關(guān)系到船舶的航行與安全。以本工程船舶為例，羅列出航行燈和信號(hào)燈的名稱、電壓等級(jí)、燈的顏色、規(guī)格等信息。船舶的航行燈和信號(hào)燈信息見表1。

表1 航行信號(hào)燈信息

在駕駛臺(tái)航行信號(hào)燈的控制面板上，通信接口發(fā)送和接收所有照明控制信號(hào)和燈亮成功與否的反饋信號(hào)。航行信號(hào)燈控制面板如圖3 所示，主要功能有：

圖3 航行信號(hào)燈控制面板

（1）電源：當(dāng)控制系統(tǒng)的AC 220 V 控制電源接通后，“主電源”指示燈亮；當(dāng)控制系統(tǒng)的AC 220 V 控制電源斷電后，“主電失電”指示燈亮，同時(shí)“應(yīng)急電源”指示燈亮。電源電路的直流工作電壓由穩(wěn)壓電源模塊提供。

（2）蜂鳴器：如果航行信號(hào)燈一盞電燈壞后，控制器面板上的指示燈會(huì)閃爍，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，指示駕駛?cè)藛T及時(shí)查找故障并處理。

（3）調(diào)光：可以在控制器面板上調(diào)節(jié)各指示燈的亮度，防止船舶夜間航行時(shí)燈光減弱，影響駕駛員的視線。調(diào)光電路通過零檢測(cè)電路的光耦驅(qū)動(dòng)雙向晶閘管，實(shí)現(xiàn)燈具的調(diào)光控制[5]。

（4）試燈：按下測(cè)試燈按鈕后，控制器面板上的所有指示燈都將亮起，方便駕駛?cè)藛T測(cè)試各指示燈線是否正常、各燈是否損壞。

（5）消聲：如果一盞燈的線路出現(xiàn)故障，控制器面板上的相應(yīng)指示燈將閃爍，蜂鳴器將發(fā)出報(bào)警，若按下“消聲”按鈕，則將警報(bào)消除。

3 主要改造要點(diǎn)

（1）航行信號(hào)燈控制系統(tǒng)的控制單元將繼電器控制改為集成電路板控制，減少故障發(fā)生頻率，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

（2）增加航行信號(hào)燈控制系統(tǒng)電力線路上的熔斷器。在改造過程中，將現(xiàn)有線路連接到新的控制系統(tǒng)接線后，將在此接線上增加熔斷器。能在線檢測(cè)燈具的斷線、短路狀態(tài)。每個(gè)燈的控制電路有兩個(gè)保險(xiǎn)絲，提高系統(tǒng)電路的安全性。

（3）航行信號(hào)燈控制系統(tǒng)的控制面板將撥碼開關(guān)改為按鈕開關(guān)，在充當(dāng)開關(guān)的同時(shí)還能讓駕駛員直觀地看到當(dāng)前控制系統(tǒng)各燈的工作狀態(tài)。

（4）這次改造補(bǔ)充航行信號(hào)燈控制系統(tǒng)的功能，使用ZP-50 A/50 V 散熱片式二極管，降低了二極管的損壞概率；將原來AC 110 V系統(tǒng)，改為DC 24 V 系統(tǒng)，使系統(tǒng)更安全與穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

船舶航行信號(hào)燈是與船舶運(yùn)輸、安全直接相關(guān)的一種視覺信號(hào)，保障船舶正常運(yùn)行和船員財(cái)產(chǎn)的生命安全是船舶航運(yùn)業(yè)內(nèi)人士共同關(guān)注的問題，性能好的航行信號(hào)燈控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地反映船舶的位置、種類、方向和情況?；诟劭诠こ檀埃瑢?duì)航行信號(hào)燈系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)船改造，以低功耗的集成模塊替代原系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)、自診斷、切換電源、故障報(bào)警等多個(gè)功能，有效解決傳統(tǒng)航行信號(hào)燈存在布置難、接線多、不穩(wěn)定等問題，使駕駛員能更加直觀地了解航行信號(hào)燈的運(yùn)行情況，為船舶的安全性提供重要保障。