基于Labview和PLC的船舶压载水控制系统

包国治，王之民，陈 宁，白晓峰，龚 嫚

(江苏科技大学 能源与动力学院，江苏 镇江212003)

0 引 言

2004年，IMO (国际海事组织)通过了《船舶压载水和沉积物控制和管理国际公约》，其目的为了达成国际上的一致， “通过控制和管理船舶压载水和沉积物来防止、减少和最终消除有害水生物和病原体的传播”［1］。压载水违规排放可能扰乱生态平衡，为了应对由此造成的全球环境威胁，需要配置得到IMO 认可的压载水处理系统。按照压载水公约的要求，在2009年1月1日以后建成的新船，必须安装专门的压载水处理设备;从2012年起，所有的新船均应装备合格有效的压载水处理系统，而全部现有船舶则应在2016年底之前配备此项技术装置［2］。

本文介绍一种满足国际海事组织的《国际船舶压载水和沉积物管理与控制公约》G8 准则要求的船舶压载水处理装置管理系统的组成及原理，设计1套船舶压载水处理装置控制系统，充分利用Labview强大的数据通信能力和PLC 稳定可靠的工作能力，给出基于Labview和PLC的船舶压载水控制系统的设计方法。详细介绍控制系统的设计思路、组成和实现方法并对其与现有压载水处理系统的嵌入性应用进行分析。

1 装置简介

本文研究设计的压载水控制管理系统能够满足MEPC.174 (58)《压载水管理系统认可指南》(G8)的要求，已经通过国家海事局组织的环评认证和型式认可。

压载水管理系统由反冲滤器、紫外线杀菌器、系统控制单元及阀件与管路组成，如图1所示。船舶在注入压载水时，细菌、藻类和大型的微生物通过反冲滤器滤掉绝大部分，残余的少量细菌和藻类流经紫外线杀菌器彻底灭活，达到国际海事组织对压载水处理的要求。处理后的压载水注入压载水舱中［3］。

紫外线辐射对压载水中的微生物和病原体有较好的杀灭作用，紫外辐射的原理为紫外线照射能使细胞核核酸产生光化学反应，致使DNA 不能够正常复制，生物组织不能进行细胞分裂，这对于生命周期很短的微生物来说意味着经过处理后的生物量将大大减少，如果时间足够长，可以灭活绝大部分微生物。研究表明，紫外线杀灭海洋细菌、微生物既有效，又不会对环境产生污染，是一种实用性很强的方法，且对船舶管路、泵、涂层无副作用，但紫外光易被悬浮物质和黄色物质(即溶解性有机物)所吸收，且较大颗粒悬浮物能遮挡紫外光，导致灭活率下降，此外，如果压舱水中含铁量高，会因其沉积在紫外线灯管上影响处理效果。因此，紫外线杀菌器必须安装在反冲洗过滤器后面，且在每次使用完后须对反冲滤器和紫外线灯管进行清洗。

图1 压载水管理系统图Fig.1 Ballast water management system diagram

2 船舶压载水控制单元

控制单元是整个系统运行与管理的中枢，采用TPC- 1570H- C2AE 研华工控机作为上位机，SIEMENS S7-300 作为下位机，具有自动化程度高，能够依据船舶的作业方式自动启动系统，调节阀门的作业形态，检测过滤单元，依据对过滤单元的工作状态，按照设定的清洗模式对过滤单元进行自动清洗;检测紫外杀菌单元，依据紫外杀菌单元的工作状态，按照设定的清洗模式对紫外杀菌单元进行自动清洗;自动记录灯管的运行时间，对紫外灯管的运行寿命发出提示信号;检测紫外灯管的工作状态，对故障灯管在显示屏上显示故障位置，并发出声光报警;自动检测系统处理压载水的流量，并按实际测得的压载水流量，自动调节紫外灯对压载水的照射剂量;系统具有操纵简便灵活，安全可靠的特点，系统防护等级达IP55，并为用户提供友好的用户界面。

系统能够能自动记录系统主要设备的工作参数、报警、操作等24个月的历史数据，并直接在触摸屏上读取或输出。

2.1 数据通信的实现

2.1.1 PC 机上的OPC 服务器的建立

自动控制系统采用PLC 与上位机嵌入Labview组态软件的方式，通信编写基于客户端/服务器模式的驱动程序与PLC 进行数据通信程序。Labview 编程的驱动程序是一种用以替代PLC 自带的按位访问PLC的OPC 软件［4］，其特点为:可读性强，不需按位访问PLC，且其功能与PLC 自带的OPC 一致，操作更方便。使用Labview 编程的目的就是把OPC 操作软件变成用户可随意操作的程序，即实现由OPC软件可以实现的功能。

PC 机上建立OPC 服务器，通过以太网，OPC服务器中的数据可与西门子PLC 中的数据建立关联的影像关系。Labview 2011 DSC 通过引用共享变量与OPC 标签连接的方法共享变量，可以与本地或网络上的任1 台电脑上的OPC 标签绑定［5］。当程序绑定好后，用户只需要把共享变量当作普通变量一样操作就可以了。PC 机与PLC通信硬件连接如图2所示。

图2 PC 机与PLC 硬件连接Fig.2 Hardware connection between PC and PLC

2.1.2 GPS 通讯

GPS 主机和控制终端的数据交换协议一般是由生产厂商自行约定的，各厂商之间互不相同。为了在不同的GPS 导航设备中建立统一的海事无线电技术委员会(BTCM)标准，美国国家海洋电子协会(The National Marine Electronics Association，NMEA)制定了NMEA 协议，定义了不同电子设备之间的数据传输接口。其中NEMA-0183 协议是目前使用最为广泛的一种。0183 协议定义了串行数据总线在4800 波特率下的电器信号要求，数据传输协议与时间、专用语句格式等。

Labview 对串口的操作是基于虚拟仪器软件架构(VISA)实现的。0183 协议定义的语句非常多，其中常用的GPS 语句包括GPGGA，GPGLL，GPGSA，GPGSV，GPRMC 等，包含了纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向以及维修状态等信息。对于不同的应用，选取的语句也不同［6-7］。本控制系统是从GGA数据格式中提取UTC 时间、纬度、经度，将字符型数据转换成浮点型数据，UTC 时间转化成8 区的本地时间、纬度，经度数据转换到标准单位量，GPS信息的读取与表示程序代码如图3所示。

图3 GPS信息的读取与表示程序Fig.3 Program of GPS Information read and indicates

GPS 模块读取的时间、经纬度与操作指令被写入并保存到文本文件中，记录内容包括船舶压载、卸载、旁通以及压载水系统部件出现故障的时间、位置，以备检查［8-9］。压载水系统部件故障记录程序代码如图4所示。

图4 故障记录程序Fig.4 Program of fault history

2.2 操作界面的设计

2.2.1 主控界面的设计

主控界面用于监控、管理和记录反冲滤器、紫外线杀菌器的工作状态、船舶航行经纬度等重要数据，调用各控制子界面的数据设定、操作的子程序，其主控界面如图5所示。

主控界面上的经纬度、紫外线剂量、液位、温度、系统流量、反冲滤器压差可以通过PLC 采集，并传输到上位PC 机实时显示。当轮机员选择相应的控制按钮时，会调用相应子界面的子程序。

2.2.2 操作界面的设计

操作界面中的工作模式有压载模式、卸载模式和旁通模式3 种。轮机员通过上面的紫外线灯“开”、“关”按钮控制紫外线灯的工作状态。当选择相应按钮时，系统会弹出相应的对话框，询问轮机员是否打开或关闭紫外线灯，当轮机员选择相应按钮时，系统会调用相应的工作模式界面，供轮机员对压载、卸载或旁通工作模式进行操作。

图5 主控界面Fig.5 Main control panel

2.2.3 系统监控界面的设计

为了保证压载水的处理效果，系统需对反冲滤器和紫外线杀菌器进行实时监控，在系统监控界面上，轮机员可以设定反冲滤器和紫外线杀菌器清洗条件、清洗时间及清洗时间的间隔。

反冲滤器有3 种工作模式:压差模式、定时模式、手动模式。系统运行前，轮机员根据需要选择压差模式或定时模式中的一种对反冲滤器进行实时监控。当轮机员选取“压差模式”按钮后，控制程序会实时采集反冲滤器进出口压差与设定压差进行比较，当压差大于设定值时，反冲滤器清洗电机工作，反冲滤器进行反冲洗;当轮机员选取“定时模式”按钮后，系统会自动计时，到达设定时间后，反冲滤器清洗电机工作，反冲滤器进行反冲洗，清洗完成后，计时回“0”，重新开始;当轮机员选取“手动模式”按钮时，反冲滤器清洗电机立即工作。轮机员选取“手动模式”清洗完成后，需要再重新选择压差模式或定时模式对反冲滤器进行监控。

紫外线杀菌器同样有强度模式、定时模式及手动模式3 种工作模式。系统运行前，轮机员根据需要选择强度模式或定时模式中的一种对紫外线杀菌器进行实时监控。当轮机员选取“强度模式”按钮后，控制程序会实时采集紫外线杀菌器中紫外线的剂量并与设定紫外线剂量比较，当剂量小于设定值时，紫外线杀菌器内清洗电机工作，清洗紫外线灯管的护套;当轮机员选取“定时模式”按钮后，系统会自动计时，到达设定值后，紫外线杀菌器清洗电机工作，清洗紫外线灯管的护套，完成后，计时回“0”，重新开始;当轮机员选取“手动模式”按钮后，紫外线杀菌器清洗电机立即工作。轮机员选取“手动模式”按钮对紫外线杀菌器进行清洗，清洗结束后，需要重新选择强度模式或定时模式对紫外线杀菌器进行实时监控。

2.2.4 检查界面的设计

当轮机员将控制柜上的“检查/旁通模式”摇杆开关打到“检查模式”，系统将调取“检查模式”界面，如图6所示。在系统运行之前对反冲滤器和紫外线杀菌器进行运行检查。轮机员可以任意选择界面上的“运行/停止”、 “开/关”或“打开/关闭”按钮，控制PLC的相应有关事项的开、关输出。界面上各单元的动作是分别受控制的，所以此界面可用来检查各单元的电机和灯管的工作状态。

图6 检查界面Fig.6 Check panel

2.2.5 阀门状态界面的设计

当轮机员选取主界面或检查界面上的“阀门状态”按钮后，系统会转到阀门状态界面。在此界面上，轮机员可以选取控制系统的进水阀、中间阀、卸载阀、旁通阀、出水阀的手动操作按钮，检测各阀的工作状态。

2.2.6 报警界面的设计

为了保证压载水防海生物管理系统的工作安全，在系统控制管理界面上设有一系列指示灯的报警界面，通过下位机PLC的检测紫外线灯、反冲滤器和紫外线杀菌器的清洗电机工作状态，PLC 采集的数据会实时传输到报警界面相应指示灯上。当系统发生故障时及时报警，控制柜上的蜂鸣器也会启动，轮机员可通过在主界面上选取“故障消音”按钮，消除报警，然后打开报警界面，查看故障来源，解决故障，从而提高系统的稳定性、安全性;当故障解除后，选取主界面上的“故障复位”按钮，消除故障指示灯，操作系统重新投入工作。

2.3 压载水管理系统操作流程

当压载水管理系统运行时，轮机员首先将“系统监控”、“系统报警”、“故障记录”操作界面打开，设定好反冲滤器和紫外线杀菌器的运行参数和运行方式，并将其置于后台运行状态，对系统进行实时监控。

轮机员在进行压载或卸载之前，需将“系统检查”和“阀门状态”操作界面打开，手动操作各个阀件及反冲滤器和紫外线杀菌器的清洗电机，检测其工作状态，当各部件动显示工作状态正常后，方能进行压载或卸载操作。

2.3.1 压载过程操作

压载操作界面上有控制压载开始和结束的按钮，当轮机员选取主控制界面上“压载”按钮或操作界面上的“压载模式”按钮后，系统会自动转到压载界面，轮机员可用手动打开海底阀、通舷外阀、压载泵、关闭通舱阀及吸入阀。当操作完成后，轮机员选取“开始压载”按钮，系统会提示是否打开紫外线灯进行预热，当系统检测到液位计到达紫外杀菌器充满海水信号后，轮机员选择“是”按钮，紫外线灯会开启，控制界面上的预热指示灯会点亮，预热5 min 后，预热指示灯变为闪亮，表示压载水可以正常流入，此时，轮机员打开通舱阀，关闭通舷外阀，在相应的阀门操作结束后，指示灯闪烁熄灭，压载水经处理器流入压载舱。

压载结束后，轮机员需打开通舷外阀，关闭通舱阀。当阀门操作结束后，海水依次通过海底阀→反冲滤器→紫外线杀菌器→舷外。阀门操作结束后，轮机员选取“压载结束”按钮，系统会关闭紫外线灯，继续使海水流过紫外线灯管，对灯管进行冷却，3 min 后，自动关闭紫外灯，同时反冲滤器和紫外线杀菌器的清洗电机会自动运行，进行清洗。当上述作业完成后，系统会通过PLC 关闭进水阀、中间阀、卸载阀、通舱阀，打开旁通阀，使系统处于旁通模式。在此过程结束后，系统会弹出对话框提示轮机员关闭压载泵，当压载泵关闭后，整个压载过程结束，轮机员心情“停止运行”按钮，关闭压载界面，系统退回到主控界面或操作模式界面。

2.3.2 卸载过程操作

卸载界面上有控制卸载开始和结束的按钮，当轮机员选取主控制界面上的“卸载”按钮或操作界面上的“卸载模式”按钮，系统会自动转到卸载界面，轮机员打开海底阀、通舷外阀，关闭通舱阀，起动压载泵，随后，选取界面上“开始卸载”按钮，系统会控制PLC 打开进水阀、中间阀、通舱阀，关闭卸载阀和旁通阀，此时，系统会提示是否打开紫外线灯进行预热，与压载相同，此时，当系统接收到液位测量信号后。轮机员选择“是”按钮，紫外线灯会开启，控制界面上的预热指示灯点亮，预热5 min 后，预热指示灯闪亮，表示压载水可以正常卸载，此时，轮机员打开通舱阀，关闭海底阀，当此操作结束，闪烁的指示灯也将熄灭，压载舱内的压载水经过紫外杀菌器处理后排出舷外。

当卸载结束后，轮机员须打开海底阀，关闭通舱阀。使系统内的海水流向改变，与系统预热相同，水流依次通过海底门→反冲滤器→紫外线杀菌器→舷外。阀门操作结束后，轮机员选取“卸载结束”按钮，系统会关闭紫外线灯，继续通入海水使紫外线灯管冷却3 min，同时，紫外线杀菌器的清洗电机会运行对其进行清洗。3 min 后冷却结束，系统会通过PLC 关闭进水阀、中间阀、卸载阀、通舱阀，打开旁通阀，使系统处于旁通模式。在此过程结束后，系统会跳出对话框提示轮机员关闭压载泵，压载泵关闭后，整个卸载过程结束，轮机员选取“停止运行”按钮，关闭卸载界面，系统退回到主控界面或操作模式界面。

2.3.3 船舶压载水岸基微生物检测报告

为保证实验测试的质量和科学性，上海海洋大学船舶压载水检测实验室严格按照质量保证计划以及“压载水管理系统认可导则G8”、“压载水采样导则G2”进行压载水管理系统的岸基试验，并对样品进行采样。

本试验在上海海洋大学的船舶压载水检测室岸基试验基地内进行。压载水试验系统主要由压载水处理设备、压载泵、取样装置、压载舱、对照舱、配水池、原水池等组成，可实现压载水的压载、储存和排放功能，满足认证试验要求。

试验中添加的海洋生物由上海海洋大学根据试验需要进行培养。在试验过程中，将培养到足够浓度的浮游动物(主要为卤虫)、藻类(主要位绿藻和硅藻等)和异养细菌(大肠杆菌)加入到配水池中，使用气泵通过曝气装置对水体进行充气，使微生物保持活性，并能均匀的分布在水中。通过压载泵同时将测试用的海水和微生物泵入试验管路，使试验流入水各类生物密度和种类达到G8 要求。

表1 为岸基实验数据。由表1 可看出，经过本压载水处理系统后，绝大部分的微生物已经被灭杀，达到国际海事组织关于对压载水的处理排放要求。

表1 船舶压载水岸基实验数据Tab.1 The shore-based test data of ballest water

3 压载水管理系统嵌入

船舶运营公司在选用压载水处理系统时，首先考虑的是应保证其将来能顺利地在船舶上安装，同时也要考虑今后的维护与保养，包括与现有压载系统的共用，取样，控制和检测等。对于现有船舶，处理系统的布置空间是一个很大的问题。通常压载水管理系统的处理设备采用模块化布置模式，通过管路将系统分布在整个机舱中，其控制系统采用PLC 作为下位机，使之具有结构紧凑、体积小、质量轻、易于布置安装、易于操作、维护、调节和控制［10］。

一般情况下，可将其安装在机舱或泵舱，这样，方便管系和电缆的布置，有利于嵌入现有压载系统，轮机人员对设备维护保养也比较方便。对于机舱或泵舱空间狭小的船舶，也可将其安装在主甲板上。

4 结 语

满足MEPC.174 (58)《压载水管理系统认可指南(G8)》要求的压载水管理系统部件少，易于操作、维护、调节和控制。此外，采用虚拟仪器图形化编程软件LABVIEW和PLC 相结合实现对压载水管理系统的控制系统的编程，编程简单，开发效率高，其数据传输速度快，正确率高，软件界面形象生动，实现方便，可根据具体工作条件调整工作方式和工作参数，因此，具有较高的应用价值。

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