智能型液位传感器在海外大型工程半潜驳上的应用

陆红，申定安，梁卓能，申启杰，张绍中

（中交第四航务工程局有限公司，广东 广州 510231）

四航“东南号”是3 500吨级的工程半潜驳，1987年由日本SAKAI HEAVY建造，有27 a船龄。该船2009年调遣到位于西非海岸的安哥拉施工，2013年初又调遣到非洲喀麦隆工地。为满足出运2 500吨级大型混凝土沉箱的施工需要，在施工现场安排了一次船体主结构、压载水舱室、轮机、压载管系、电气设备等较全面的维修工作。由于该船比较老旧，经详细检查以及向船员了解原压载水舱及四角吃水液位监测系统的传感器已基本无法工作，电缆老化、转接盒霉变、驾控室操作台内的变换器线路板部分烧坏，整套系统的20个检测点位及显示仪表已经基本失效。压载舱液位监测系统是半潜驳下潜作业安全保障的重要系统，为满足现场施工的需要，必须在短时间内将该系统修理恢复。

1 原半潜驳液位监测系统概述

该半潜驳原有的液位监测系统有2个部分，共20个检测点，其中16个测点检测压载水舱的液位，另4个测点检测半潜驳四角吃水。原系统采用的是日本PL－2系列传感器、SB－15变换器（插卡式线路板）、稳压电源板及磁电式长条形指针仪表[1]。

原液位监测系统的传感器及部分电缆引线已基本老化、短路损坏，中间接线盒大部分积水锈蚀及霉变，从中间接线盒引出到操作室的电缆也部分老化，操作台内的变换器线路板有近10块损坏，为变换器提供24 V直流电源的稳压电路板烧毁2块，显示液位的磁电式条形指针仪表也有部分已经失效。

2 方案比选

方案I：按原船液位监测系统的元器件型号规格，选购同型号或功能相当的传感器和变换器线路板按恢复性修复方案进行。该修复方案不但费用比较高，且现场勘验、修复项目确定、元器件选购及制作加工、现场修复安装及调试的时间比较长，难以在短时间内修复该系统，无法满足施工生产的急需。

方案II：撇开原船的液位监测系统，按船上仅存的图纸资料以及现场实船测绘出的有关草图、参数及实物照片，在国内委托一家有经验的专业从事船舶机电及自动控制的公司，重新设计一套新的液位检测系统，并在国内制作加工好有关器件、数据采集单元、编程以及显示单元后，再前往喀麦隆施工现场进行安装和调试。该方案实施可靠性虽比方案I高，完成时间也可略短，并且由于是新设计，可控性方面比较强，但实施起来还是有不少困难，也难于满足现场的急需。

方案III：按船上仅存的图纸资料以及实船测绘获得的舱室草图、参数及实物照片，自行设计、制作、安装及调试一套新的液位监测系统。由于是自行设计，对原船的旧系统、压载舱室、布线走向比较了解，对现场实施安装的技术条件、工艺水平以及资源情况清楚，也减少了信息和测绘草图资料的传递环节，并从设计起始，就有针对性的考虑安装工艺细节，可做到边设计、边进行元器件比选和采购，同时现场安装的其他准备工作也可同步进行。由于是自行设计、安装及调试，可分步到位，计划首先完成监测系统功能性要求，在短时间内恢复液位监测系统的基本功能，并争取与现场进行的船体结构修理同步完成。

通过对上述3套方案实施中的具体技术及工艺问题、工期、技术能力、现场可控资源的认真分析，虽然按方案III自行实施有一定的技术难度，也需承担较大的责任，但凭借可以掌控的技术力量和多年船舶维修的经验及应急处理船机设备方面的技术能力，有信心在短时间内完成，满足现场施工的急需。

3 液位监测系统方案选择及设计

方案设计的第一步是选择液位监测系统的结构形式。为便于安装，新系统仍采用“投入式”结构的传感器为主器件检测舱室的液位。经了解和查阅有关的技术资料[2]，选择了新一代的以扩散硅压阻式传感器为管芯，集成有变换器电路、微处理芯片为一体的MPM4700型新型智能传感器[3]。该传感器为四线制，可同时输出1组4～20 mA的标准电流信号和RS486数字信号，结构紧凑、性能优良，外围线路极为简单。

由于该传感器同时提供了模拟信号和数字型号，为新设计的液位监测系统分步到位提供了条件。第一阶段液位监测系统的液位显示取用传感器输出的模拟信号，采用磁电式指针仪表制作液位显示单元，可基本达到监测16个压载舱室液位的功能性要求，满足现场施工生产的急需；第二阶段再按完整系统功能要求，分别取用传感器输出的模拟及数字两路信号，制作两套并行的显示单元，可独立的或同时显示压载舱室液位和四角吃水液位，使系统有一定的冗余度。液位监测系统工作原理框图见图1。

图1 液位监测系统工作原理方框图Fig.1 Operating principleof theliquid level monitoring system

由于工程工期比较紧，海外施工现场条件有限，船舶又比较老旧，布线工艺采用从各压载舱室引出的传感器电缆线直接进入压载泵舱，再直通操控室的布线方案，取消了中间接线盒。第一阶段先布设16个压载舱的线路，传感器的液位测量规格及引出电缆线长度匀按各舱室的位置及液位高度定制，并通过厂家提供的软件，编写传感器的地址码，为正式版的数显做好准备。每个传感器对号入座，布置于压载水舱内，并注意适当远离进出水管口，以减小进出水时水流对传感器的冲击。经计算传感器配套的电缆引线长度分别在42～95 m之间。

初级版的液位监测显示仪表采用磁电式指针表为基本元件，并利用工地现有的条件，设计和制作了一个模拟舱室物理位置布置、配有16个0～20 mA磁电式指针表和能够显示液位刻度值的监测显示仪表盒，满足了半潜驳下潜作业的基本要求。

4 现场安装调试

第一阶段的安装调试工作主要是按设计的布线图在压载舱壁上焊接不锈钢电缆水密套管、在压载舱室安放传感器、传感器引出电缆线的布设、电缆集线盒的制作和安装、初级版的液位监测显示仪表盒的制作以及系统调试等工作。

由于各舱室的液位高度及舱容有差别，每个仪表的显示盘面都根据不同的舱室进行重新设计及制作刻度值，并按不同舱室的舱容量，对应液位高度标识出压载水的重量，便于操作人员清楚、直观地掌握压载水的分布情况。

初级版显示仪表盒安装调试后，即安排了半潜驳的试潜作业，各压载舱室注入的水位高度（压载水量）一目了然，为半潜驳平稳、安全下潜作业提供了数据资料，整个试潜作业中，半潜驳四角吃水差控制在0.1～0.2 m内。之后“东南号”就顺利完成了喀麦隆码头工地的第一件混凝土大型沉箱的出运作业，满足了海外工程施工的急需。新系统的构思、设计、现场制作、安装调试前后耗时仅25 d。

5 使用效果及后续工作

初级版的液位监测系统在满足了施工生产的急需后，即安排了完整版的显示单元的设计、制作和安装。液位显示分为2个独立的系统并行工作，在使用中可做到互为效验和备用。一套仍采用磁电式仪表，设计1个550 mm×350 mm的仪表面板，布置16个压载水舱显示仪表及4个四角吃水条形仪表，数据信号采集于MPM4700传感器的4～20 mA模拟信号，读数精度为±5 cm。另一套数显装置的信号来自MPM4700传感器输出的标准RS485接口，采用C++语言编制液位系统程序软件，数字信号经计算机处理后，通过32′液晶屏同时显示液位柱状图和压载量，读数精度为±1.0 cm。另外，液位系统软件建有数据库，可实时输出和打印显示屏上的液位数据及当班的全部作业数据报表，改变了原来通过人工填写下潜作业记录的方式。

6 结语

目前压载水舱内的液位显示是获取舱内液位实时变化的基本技术手段。在半潜驳下潜作业中，舱室内的液位显示是操作人员注水下潜、排水上浮以及船舶浮态调整和控制的重要操作指引，是保证半潜驳正常施工作业和安全保障必需的监测系统，因此该系统出现故障后，应及时安排修复，特别是对那些老旧的半潜驳更加显得重要。

[1] 液面计·吃水计仕樣書工事番号SNO.42097[Z].大阪：日立造船株式会社，1987.Specificationsfor liquid level gaugeand draft gauge SNO.42097[Z].Osaka:Hitachi Zosen Corporation,1987.

[2] 贾伯年，俞朴，宋爱国.传感器技术[M].第3版.南京：东南大学出版社，2007.JIA Bo-nian,YUPu,SONGAi-guo.Sensor technology[M].3rd ed.Nanjing:Southeast University Press,2007.

[3]MPM4700型智能液位变送器V12.12.02[Z].宝鸡：麦克传感器有限公司，2012.MPM4700 intelligent liquid level transmitter V12.12.02[Z].Baoji:Micro Sensor Co.,Ltd.,2012.