500 t油船高精度计量监控系统的设计与实现

孙向勇

(江苏镇扬汽渡有限公司，江苏 镇江 212000)

0 引言

货油计量监控系统是油船自动化系统中的核心部分，对于油船的安全性和可靠性起着非常重要的作用。目前，国内货油计量系统能够实现数据采集、计算和显示等基本功能，但该系统是基于静态基础上进行计量的，通常由各种开关、指示灯及指示仪表等构成的模拟控制屏进行监控。此方式完全由人工操作,存在着监控功能单一、信息量小、统计计算的工作量大且容易出现误差等问题。而船舶货油计量是一个动态过程，因此如何在动态过程中提高测量精度、减小测量误差值得研究。

为此，本文以中国船级社发布的《智能船舶规范》(2020)和《船舶(油船)智能货物管理检验指南》(2018)为指导，设计某500 t油船的货油智能监控系统。该系统能够通过采集、分析、判断货油智能监控系统相关设备的监测数据，实现货油系统的仿真模拟显示、故障报警、进油供油的计量统计和报表存储等功能，一定程度上避免因人为疏忽和操作失误所导致的事故和统计误差。

1 系统方案设计与实现

某500 t油船高精度货油计量监控系统的设备主要包括：货油舱、货油舱管路、货油泵、管路阀门、各类传感器和其他辅助设备等。某500 t油船货油控制的管路结构见图1。

图1 进油供油管路结构

1.1 系统设备配置

500 t油船共有6个货油舱，每个货油舱各配有1个开关阀和1个扫油阀；进油管路和出油管路各配有1个流量计和开关总阀；流量计的进口和出口各配有1个开关阀，同时还配有1个旁通阀；在出油管路中装配有1个货油泵，在货油泵的进口和出口各配有1个开关阀。除图中显示的设备外，货油舱还配有雷达液位计、温度传感器和超高液位传感器。

1.2 油舱液位计的选型配置

货油计量监控系统中，货油舱的液位是核心参数。根据测量的液位，结合舱容表推算出货油容积，最后再根据货油密度计算出货油吨位。因此，液位计测量的稳定性、精度和安全性是液位计选型的主要指标。本文选用罗斯蒙特5408系列非接触式雷达液位变送器，测量液位精度在±2 mm以内。

根据500 t油船的舱容表，±2 mm液位精度对应的最大舱容为0.067 82 m，6个货油舱的最小容积为109.762 m，因此误差为0.618‰。根据500 t油船的技术规格要求，计量误差最高上限为3‰，雷达液位计选型完全符合要求。

1.3 系统结构设计

货油计量监控系统结构图见图2。下位机控制器采用S7-1200PLC，主要进行设备控制和数据采集。该系统包括1台泵、24个开关阀、6个雷达液位计、2台流量计、6个超高液位传感器及6个温度传感器等。整个系统采用工业以太网总线进行数据通信，通信效率、可靠性、维护性及实现方便程度都比较高。上位机采用LabVIEW，主要进行货油计量计算，并显示货油系统所有设备及管路的运行状态及参数。该软件属于高级语言，编程方便，调试周期短，效率高。数据库采用开源的MySQL数据库，进行进油和加油数据的存储统计，包括事件和报警数据的存储。

图2 货油计量监控系统结构

2 油舱液位测量修正

2.1 横纵倾修正

由于管路或结构的影响，雷达液位计很难安装在货油舱的重心位置，因此船舶在有横纵倾时实际测得的液位需要进行修正。

船舶横倾截面图见图3。图中：为横倾角度，通过传感器测得，船往左倾时<0；船往右倾时>0；为具体油舱的重心与雷达液位计安装位置的横向距离，通过实船测得；船舶在发生横倾时，实际测得的液位是，而实际的液位是，它们之间的高度差为，即为修正的高度。具体计算公式如下：

图3 船舶横倾截面图

=+

(1)

=tan

(2)

船舶纵倾截面图见图4。图中：为横倾角度，通过传感器测得；船往后倾时<0，船往前倾时>0。船舶在发生纵倾时，实际测得的液位是，而实际的液位是，它们之间的高度差为，即为修正的高度。具体计算公式如下：

图4 船舶纵倾截面图

=+

(3)

=tan

(4)

船舶在航行或靠岸时，横倾和纵倾都有，因此横纵倾修正公式如下：

=+tan+tan

(5)

式中：为修正后的液位；为实测的液位，==。

2.2 液面波动修正

油船在航行或停泊过程中，液面会受波浪和风力的影响。波浪和风力对液面波动的影响都是平缓周期变化的，周期随着波浪和风力的大小不停变化，即对液位的影响是平缓且随机的。本文采用递推滤波方法对液面波动进行修正，它对随机的周期干扰有很好的抑制作用，平滑度高，但是不易消除脉冲干扰，灵敏度低。而油船的液面不会有突然的阶跃变化，同时其测量的实时性要求不高，因此递推平均滤波方法非常适用于液货船的液面测量。

建立一个数据缓冲区，依次存放次采样数据。每采进一个新数据，就将最早采集的数据去掉，再求出当前缓冲区中的个数据的算术平均值。因此，每采样一次就可得到一个平均值，大大加快了数据处理的能力。具体算式如下：

(6)

式中：为第次采样滤波后的输出值；-为递推平均的数据。

3 进油计量及显示

进油控制流程见图5。

图5 进油控制流程图

当进油管路的阀门全部打开，控制显示界面显示“进油就绪”，填入加油站点提供的货油油品密度后，即可以开始进油。

进油管路阀门都打开，通过颜色变化区别阀门和管路的通断。在此基础上区分具体哪几个货油舱在进油，并显示该货油舱的液位、计量舱容及吨数。同时通过流量计显示进油的实时流量，并以此进行进油油量吨数计量。当6个货油舱到达油舱高位限位时，系统报警提示，加油结束。

4 供油计量及显示

供油控制流程见图6。

图6 供油控制流程图

在货油船对汽渡船供油之前，需要确保供油管路上的所有阀门是打开的。和进油管路一样，通过颜色区分阀门和管路的通断。

货油在不同环境下，其密度会有差别。本文在保证液位测量的高精准度的前提下，采用货油吨数闭环原则，对货油的密度进行自动测算。记录保存每次进油或供油后的加油量，并根据供油之前的实时舱容，推算出当前实时密度。实船密度计算见表1，计算结果符合实际油品密度。

表1 实船供油时密度计算

输入具体的供油量之后，在界面中进行“开泵”操作，系统通过流量计自动计量此次供油量，供油完成后，自动“停泵”。

5 结论

船舶货油计量过程是一个动态过程，需要实时考虑船舶横纵倾和波浪晃动的影响。本文采用以下方法提高货油计量的精度：

(1)通过船舶货油舱重心点、液位计测量点结合船舶横纵倾角度对油位进行修正。

(2)通过递推平均滤波算法减小波浪晃动对油位的扰动。

(3)通过货油质量闭环，推导出油品密度。

货油计量系统实船应用结果表明：进油供油的计量误差都在3‰以内，满足系统设计需求。因此本文所设计的高精度计量监控系统是有效可行的。