黄河防汛船体安全预警系统设计

2011-12-08徐宝强刘建强王晓杰李凤杰袁国强孟令冰曹春梅

黄河水利职业技术学院学报 2011年4期

徐宝强，刘建强，王晓杰，李凤杰，袁国强，孟令冰，曹春梅

(1.开封黄河河务局,河南开封 475004；2.郑州大学，河南郑州 450001)

0 引言

随着现代船舶技术的飞速发展，船舶设备和系统的结构越来越复杂，功能日臻完善，自动化程度不断提高，不仅同一系统的各组成部分之间互相关联，而且不同系统之间的联系也日益紧密，因此对系统可靠性和安全性的要求也越来越高。现代船舶应配备功能强大、技术先进的自动监控系统，以确保船舶各系统有机协同、安全可靠地运行。黄河防汛船船体安全预警系统就是其中一种。船体安全预警系统作为船舶自动监控系统的一个重要部分，其主要功能是：实时掌握船舶运行状态和趋势，人员在出现工作异常时声光系统立即报警，呼叫操作人员及时处理报警故障，以确保船舶航运的安全[1]。

1 船体预警系统的构成和布设

1.1 安全预警系统的构成

本系统通过相应的模块将所有的传感器信号予以处理[2]，然后再将处理后的结果传回监测主站，由监测主站进行统一管理，从而实现全船高效率实时监测报警[3]。本系统的数据采集部分由若干I/O 模块、监测计算机、底层传感器以及RS-485 通信线路组成。

图1 防汛船船体安全预警系统的构成Fig.1 Components of flood control ship body safety early warning system

如图1 所示，底层传感器与具有数字输入输出、模拟输入输出等功能的I/O 模块相连接。所有模块再用RS-485 网络连接起来，将其作为数据的发送、接收媒介。网内每个模块需要设置一个地址号，通过通信接口实现与监测计算机的通信，从而达到监测的目的。

图2 防汛船安全预警系统平面布置图Fig.2 Flood control ship safety early warning system layout

1.2 安全预警系统的布设

如图2 所示，在船体容易受到撞击的部位装上压力传感器，并对不同部位传感器分别进行统计、编号，传感器类型为压阻式压力式。传感器安装在船体钢板内侧，用以测量钢板在外力作用下的应力变形。在船体受到撞击或碰撞后、钢板濒临破坏前，由终端设备向船员发出报警信号，并标明具体部位。船员在收到信号后，便能迅速采取措施，保证船只安全。

2 传感器的选择及注意事项

2.1 传感器的选择

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，它广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控等诸多行业。力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。

压阻式压力传感器的主要由电阻应变片元件组成。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件（电阻应变片的结构如图3 所示）。电阻应变片由基体材料、金属应变丝（或应变箔）、绝缘保护片和引出线等部分组成。金属电阻应变片的工作原理是：吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，其电阻值也会发生改变。假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小、截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻上的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。

图3 电阻应变片的结构示意图Fig.3 Structure of strain gauge

通常是将应变片通过特殊的黏和剂紧密地黏合在产生力学应变的基体上，当基体受力、发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥（如图4[2]所示），并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU）显示或执行机构。

图4 圆形应变片及电桥模型Fig.4 Circle foil gauge and bridge model

在船只容易受到撞击的部位，分别装上压力传感器。当一个或多个传感器遭到碰撞时，压力信号转换成电信号，各路电的信号经电路放大器分别放大后，根据实际测验结果和需要，调整比较器的阀值。当撞击强度超过一定的压力后，比较器有一正信号输出。该信号经过信号处理器处理后，可识别是来来自哪个部位的信号。再经过电路放大器将信号放大，就可驱动喇叭进行报警，并由数码管显示撞击部位的信号，进行编码，即确定船只的撞击部位。电源的作用是为整个电路系统供电。

2.2 选用传感器注意事项

(1)压力传感器的应用技术。由于该传感器装在船只的底部，且撞击时的压力很大，因此，在选用器件时，既要考虑到安装方便，更要注意传感器的量程及使用条件(尤其要防水)。

(2)小信号电路放大器。最好选用对数放大器，以便使电路不易饱和，对小信号又有足够的放大量。因为是弱信号放大，因此更应注意电路的干扰问题。

(3)信号处理器。信号处理器的作用是对各个比较器的输入信号进行识别、编码、确定发生故障的部位，从而进行报警。

(4)数字信号放大器。其作用是进行功率放大，以驱动喇叭工作的数码管显示。

(5) 系统测量技术。在各部件工作正常的情况下，系统联试技术十分关键，电路的匹配，压力传感器阀值大小的确定等，都要按照实际测量数据确定，只有这样，才能满足实际工用需要。

根据以上原则，开封河务局水上抢险队的防汛船选用AS10 系列硅压阻式压力传感器。该传感器将扩散硅压力敏感芯片封装到不锈钢外壳中，外加压力从不锈钢膜片通过硅油传递到敏感芯片上，敏感芯片不直接接触被测介质，形成压力测量的全固态结构，因此可以应用于各种恶劣的腐蚀性介质环境。

性能参数如下：

电桥电阻25℃:3KΩ～6KΩ；

供电电源:恒流最大4mA、恒压最大10V；

使用温度:-45℃～125℃；

补偿范围:-10℃～70℃；

振动：20g/（20～5000Hz）；

耐用性周期：＞100×106FS；

外壳和膜片:不锈钢316L；

密封圈: 丁晴φ16×1.7mm、氟化橡胶φ16×1.7mm；

注入油:硅油、橄榄油（卫生型）；

精度：0.1、0.3、0.5 级可选；

零点：±2mV；

零点温漂：0.02%FS/℃；

灵敏度温漂：0.02%FS/℃。

3 应用效果

3.1 与传统方法比较的优点

黄河防汛船在抗洪抢险期间，主要依靠船长多年在黄河上行船的经验判别河势及船员手持探水杆判断水深，来确保航行安全。船体在航行中易受到撞击而发生渗水或漏洞情况，但此种情况往往不易觉察，一般采取以下方法来确保安全：间隔一段时间检查各舱是否有积水；在出现积水后及时用水泵抽排，并用水泥快速封堵。但情况严重时将威胁船只的安全。本文所讲的安全预警系统是通过在船体不同部位安装压力传感器，在船只控制台按照控制终端设备，能够快速准确地监测到船体破坏、变形的情况，及早采取应对措施，做到防患于未然，使船只安全性得到提高。

3.2 应用效果

开封河务局水上抢险队目前有3 艘防汛船，均为1977 年投入使用，船只设计使用年限为15 年，现已超期服役19 年。船只整体状况较差，存在较大安全隐患，尤其船体钢板严重锈蚀，最薄处仅为4mm，在执行水上抢险、迁安救护、凌汛期间极易发生船体漏洞。当船只在河道中航行时，常会遇到以下危险情况：树桩等漂浮物的撞击；凌汛期间浮冰的撞击；在靠近丁坝抢险过程中，当坝体根石探测不明时，船体易撞击到水下根石；因船体钢板已严重锈蚀，当受到较大的撞击力时会产生漏洞。在黄河“2003.8”洪水蔡集抢险期间，船体碰撞出多个漏洞，给船只及人员安全带来极大威胁。黄河防汛船船体安全预警系统由开封河务局水上抢险队研发，通过在船体容易撞击的部位钢板内侧分别装上压力传感器，用以测量钢板在承受外力作用下的应力变形，在钢板濒临破坏前，由终端设备向船员发出报警信号，并标明具体部位，船员在收到信号后便能迅速采取措施保证船只安全。该系统在该抢险队3 艘防汛船上安装运用，在黄河2009-2010 年度防汛抢险中取得了良好的效果，为船只的安全运行提供了保障。