一种舰船液位测控系统的设计与应用

李国刚 胡庆华 孙均梅

⒈杭州德力西集团有限公司，浙江 杭州 310023；2.杭州德力西集团有限公司，浙江 杭州 310023；⒊河北电力勘测设计研究院上海分院 上海 310023

一种舰船液位测控系统的设计与应用

李国刚1胡庆华2孙均梅3

⒈杭州德力西集团有限公司，浙江 杭州 310023；2.杭州德力西集团有限公司，浙江 杭州 310023；⒊河北电力勘测设计研究院上海分院 上海 310023

介绍了一种可可广泛应用于舰船液位监控和测量的自动控制系统，该系统将先进的计算机控制技术、嵌入式微机控制技术、 传感器技术、精确测量技术结合在一起，以工控机组态作为上位机进行监控，触摸屏作为人机操作界面；分析了舰船液位测控设备的设计流程及控制系统的功能，建立了控制系统组成结构，研究了系统硬件设计和软件设计中的主要要求及实现方法。该系统在实际应用中稳定可靠，自动化程度高，操作简便、直观，取得了很好的效果。

舰船液位监控和测量设备；自动控制系统；嵌入式微机控制技术；传感器技术；液位报表；历史数据检索

引言

衡，保证安全行驶。

舰船液位测控系统主要应用于舰船液位的测量和监控。主要是测量监视舰船上的多个油舱、水舱和其他液体的液位高度以及各个被测舱体的温度值，根据测量的数值，结合容器的形状，箱体的体积，实时显示各个被测容器的容量、高度、温度，通过液晶显示器形象直接的显示出各个容器中油或水用量的变化。

可对液位高度低度报警的自由设定，即低位报警和高位报警。当液位超过警戒线时，通过多种形式在显示器上显示。同时启动声光报警系统提醒用户。根据燃料的使用情况，可自动按照程序调配燃料，可通过调度台发调拨指令，通过控制系统打开电磁阀启动电泵，进行油舱燃料的调配。

另外，舰船液位测控系统可自动监视船舱不同位置的吃水线深度，实现自动调配压载舱的水量，以维持船体平

1 总体设计方案

液位测控系统采用分布式控制原理，分为采集控制层、测控层、和监控层。测控层由专用测控装置组成，每个装置可独立完成一个或多个液态容器的测控工作，测控装置有人机接口功能，用户可通过键盘显示接口设置低液位告警和高液位告警门槛值。液晶显示器实时显示检测的液位信息。每个测控装置可就地安装在被测容器附近，测控装置通过光纤通道及网络适配器和后台机相连，后台机实现数据的综合处理、历史记录、报表打印等工作。后台控制系统也有遥控功能，操作员可通过后台发出控制命令。液位测控系统一台测控装置可独立完成一个容器或多个容器的测控工作。

2 组成原理

图1 系统设计方案

图2 液位系统组成原理图

图3 硬件系统框架图

液位测控系统分为上位机和下位机两个部分，下位机主要完成液位的测量和控制输出（主要由液位传感器和采集处理装置组成），上位机完成液位的监视、液体容量的计算和阀门开关的动作逻辑控制。上、下位机之间通过RS485总线连接，可根据舰船结构要求对二者进行分开放置。

液位传感器：是将容器内的液位高度，采用压力转换原理，将液位参数转换成电压值信号，即高度值转换成0～5V电压值。

采集处理装置：包括采集模块和控制输出模块两部分。采集模块将液位传感器得到的电压信号转换成对应的高度参数值（A/D转换）。采集模块有硬件和软件滤波功能，得到比较稳定的数值。采集模块通过RS485总线将多路液位高度值传送至主控计算机，控制输出模块是用于系统对各个液料的分配和调整，主要是发出开关指令，通过继电器动作，使主舱与副舱之间相连的电磁阀及电泵打开或断开来调节不同舱与舱之间的液料量。

主控计算机：在主控计算机上，有下位机得到的高度值，根据容器形状，通过编制的相关软件，求出各个容器的容积，高度函数V=f(h),将各种容器的液体容积计算出来；各个容器的高度在上位机的显示器上动态柱体显示、数字显示和容量的数字显示；监视各个模块的工作状态，工作不正常是发出故障报警信号；还在界面上显示油罐附近的环境温度；当高度值达到最低或最高警戒线时，从开关量输出模块发出告警指令，由外接的继电器接通声光报警装置。

3 硬件设计方案简述

3.1 硬件设计说明

舰船液位系统装置硬件部分主要包括：采集板、开出板、中央处理器、显示屏等几个部分组成。装置的主要插件采用嵌入式控制系统作为主控制核心部件，基于32位ARM技术的通用硬件平台，高性能16位A/D转换芯片微处理器为核心，模拟量输入和开关量输出部分采用先进的滤波和隔离回路。同时对所采集的每一液位数据通过软件进行数字信号处理，保证了在舰船航行过程中，液体和容积测量的准确性和稳定性。采用专用航空插头与传感器的输出进行连接，同时选用4～20毫安电流输出的船用传感器。

同时采集和开关量控制采用两种专用插件分别完成各自的任务，硬件可靠性高，自检能力强，使得单板及整套系统的抗干扰能力很强，通过快速瞬变干扰国际标准的Ⅳ级，达到了国内领先的水平。采集板和控制板设计均为插拔式，具有锁紧机构可靠的特点，接线为后接线方式，各插件之间采用背板连接的方式，装置可集中组屏或直接安装，可根据舰船的不同监视要求进行配置。

3.2 装置背后端子定义及其接线方式设计

本系统的装置背后信号线连接统一采用军用航空接头。对于不同类型的信号采用不同规格的接头，以避免误插导致模块烧坏；另外，还具有防水防震防盐雾功能。该装置背部共有7个接线头，自左至右依次为1个电源接头、4个模拟输入接头，8个开关量输出接头。

3.3 模拟量测量回路设计

图4 模拟量测量回路原理图

图5 控制回路原理图

图6 监测主界面

压力和液位变送器过来的4～20mA电流信号，首先变换为0～5V或0～10V的电压信号，在经过隔离放大和滤波后，再送至A/D转换芯片进行模数转换。CPU中央处理器对转换的结果进行采集计算。同时，所采集数据、告警和油罐编号等相关信息，通过内部总线或RS485总线传至计算机处理。

3.4 控制回路设计

上位机在对采集的船舱液位信号进行判断处理后，如果液位超出高位报警或低于低位报警值，就会按照预先设置的逻辑通过通信总线向设备发出控制信号，设备通过判断来启动相应的继电器，发出声光报警或阀门控制信号。

3.5 上位机

上位机采用12.1’高亮度液晶触摸屏式工业平板电脑。供电电源为24V直流。此平板电脑带有一个高质量的TFT LED显示屏，使用的处理器为CruoeTM 5400。CruoeTM 5400是一款低功耗的x86兼容处理器，工作频率是500MHZ。自带RS232、RS422和RS485接口，与其它装置的通信非常方便。

3.6 软件设计方案简述

软件设计主要包括两个部分。其一，就是界面的设计；其二，对采集的数据分析处理。软件设计工作要根据具体的控制对象而进行，不同的舰船所含有的容器各不相同，形状各异，所以在设计软件之前，一定得知道被控制对象的规格和容器的数量，需要的测量精度，和报表类型等等一些最基本的要求。但是，基本的界面可以作统一规划，如显示主界面，设定值修改界面，上层控制动作界面等。

3.7 监测主界面设计

主界面上直接显示各个容器的液位高度，通过液位的高度和具体容器的形状计算出每个容器中的液体体积，再换算成重量。对不同类液体，用不同颜色表示。对同一类液体，列出总报表，显示各类液体的总量。可可以根据当前的航行速度，实时提醒用户，每一类液体还能使用多长时间。同时显示每一油舱当前设置的高、低告警位置。当某一采集模块有问题时，可通过相应指示灯进行指示，表明这一模块与上位机通信不上，对油舱和阀门的操作采用触摸方式。

按键功能设计：

翻页按键：切换至下一页进行监视，这在监测的油舱和水舱数量较多、一页布置不下时进行操作；

增加按键：操作该按键，可以从当前页面默认选中的油舱按顺序切换至下一油舱，被选中的油舱会进行颜色指示；

减少按键：其功能与“增加”按键类似，按该键选中上一油舱；

确定按键：进行选中的油舱或水舱详细信息界面，包括当前油或水高度、重量、类型，同时可进行高低告警液位设置；

开/关阀按键：对选中的油舱、水舱的阀门进行操作，进行油舱间的输油或水舱的调水控制。

一般“1#”油舱为主油舱，是监测的重点，同时可连通其他副油舱向其进行输油。

颜色设计：

根据所装油、水的不同，进行相应的液体颜色设置。液体颜色设置为：燃油—橙色；水—蓝色；污油、污水—深咖啡色。其他颜色可根据客户要求进行定义。

每一油（水）舱当加油（水）超过其高位警戒线或超过其低位警戒线时，就会发出声光报警信息，同时油（水）舱液面变红闪烁，进行提示。经一段延时后，恢复原液体颜色。

3.8 控制动作界面设计

当主油舱油位低于低警戒线的时候，可根据设定程序进行自动或手动输油。输油前打开主油舱与副油舱之间的阀门及油泵，开始从副油舱向主油舱输油。同时阀门的开关状态由绿色变成红色，输油结束阀门的开关状态由红色恢复绿色，输油状态由流线图表示。

3.9 记录和打印功能设计

测控装置可循环记录一年的操作和报警信息，后台计算机对油舱的操作和报警信息进行自动永久保存，生成报表信息，实现历史数据检索,方便查阅和故障处理；同时进行信息打印和数据联网功能，可与舰船的信息管理系统进行连接，实现信息共享。

4 结束语

开发生产系列舰船液位监控系统，广泛应用于各种容器液位的监控，特别是不规则的容器液位的监控测量。该产品拥有独立的自主产权，各项指标均达到国际同行业先进水平，产品完全可以替代进口，今后，该技术将广泛应用于中国各大、中型舰艇、船舶、公安巡逻艇、大型商船中，市场潜力较大，具有很好的应用前景。

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This paper Introduced a widely used cocoa Ship level monitoring and measurement of automatic control system, the system will be an advanced computer control technology, embedded computer control technology, sensor technology, precision measurement technology combined to IPC configuration As a PC monitor, touch screen as the manmachine interface. Liquid level measurement and control equipment of the ship design process and control system functions, the establishment of a control system structure of the system hardware and software design of the main requirements and implementation. The system is stable and reliable in practical applications, high degree of automation,easy operation, intuitive, and achieved very good results.

Ship level monitoring and measuring equipment;automatic control system; embedded computer control technology; sensor technology; level statements; historical data retrieval

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.16.030

李国刚，从事后台监控系统的设计及应用工作。