1. 研究目的与意义
| 1.1研究背景 船舶在航行过程中需要配有压载舱，用来控制船只的吃水与纵倾度[1]。船舶压载水舱液位测量目的是为了按照船舶运行状况及时调驳压载水，以此保证船舶的航行性能[2]。阀门遥控系统主要适用于船舶上人员难以接近的处所内管路系统阀门的控制，如布置在管弄内的压载系统、舱底水系统和燃油驳运系统等[3]。船舶营运的过程中需要借助于对管系中的阀门进行开、闭控制，来实现船舶正常姿态和货物正常装卸，如果阀门控制发生故障，将对人员生命安全和船舶正常营运产生重大影响[4]。而想要直接开展研究风险大，成本高，所以需要一套能够模拟有关液位测量和阀门控制的实验系统[5]。 1.2国内外研究成果 随着船舶规范的提升和船舶自动化程度要求的提高，特别是在当前发展海洋经济、维护海洋权益、建设海洋强国的新时代，船舶设备的自动化，智能化是一种必然选择[6]。液位的准确测量是系统稳定准确工作的必要前提，阀门可靠的控制是船只性能的有力保证[7]。我国以往使用的阀门一直通过船员手动进行控制，这造成了自动化程度低、精度不高、操作不便等一系列问题[8]。为解决这一问题，近十年来，我国一直致力于发展船舶阀门控制技术，并取得了一定的成果。电子技术与液压传动技术相结合，使传统的液压传协与控制技术增加了活力，扩大了应用领域。实现机电一体化可以提高工作的可靠性，实现液压系统柔性化，智能化[9]。 目前国内的一些商船有较大的液位遥测要求，有关商船包括：散货船，集中箱船，木柴船。另外油船与化学品船也有液位遥测与控制方面的要求。液位测量主要有吹气式、浮子式、超声波式、压力传感器式、雷达式等多种方法，当前压力式和雷达式系统在该领域占主导地位[10]。 关于阀位遥测系统，主要用于压载水系统、消防系统、海水系统、舱底水系统和货油系统等。驱动方式主要分为液压式、电液式和气动式[11]。遥控阀门分为干式和湿式，湿式为浸泡在水里或油里的阀；同时又分为普通型和防爆型两种，防爆型的为此阀处于危险区域的阀[12]。使用时需取得防爆证书和船级社证书。阀件主体，主要以蝶阀为主，其他的还有少量的截止阀或截止止回阀[13]。 据悉，国内对于液位遥测和阀位遥测的需求很大，但是成本很高。这种情况下国外起步早且资金雄厚，不仅满足工业中恶略环境的要求，精度也比较高，已经实现了自动化、高精度等，并且形成了完整的测量体系与产品系列[14]。 例如德国科威尔LM系列磁致伸缩液位传感器，可测量50-2200mm水位，其基本结构由磁致伸缩（波导丝)、不锈钢管、可移动浮子三部分组成[15]。当传感器开始工作时，传感器电路中的电流将在波导丝上产生激励脉冲信号，该脉冲信号会沿波导丝传播，并在波导丝周围形成磁场。在传感器测杆外装配—浮子，在浮子内部配有永久磁环，脉冲电流与浮子产生的磁环磁场相互作用下，浮子周围磁场发生改变，从而使得磁致伸缩材料做成的波导丝在浮子所在的位置产生一个扭转波脉冲。这个脉冲以一定的速度沿波导丝传回，通过检测机可以检测出该脉冲。测量扭转波与脉冲电流的时间差就可以精确的知道浮子的位置，即所要检测液面的位置。其线性误差优于0.05%FS，传感器误差为150um，重复性误差优于0.02%FS[16]。 此外，美国，加拿大，比利时，瑞士等国家生产的各种高精度传感器，都已经进入我国的生产领域[17-20]。 近年来，我国经济稳定高速发展，测量行业逐渐受到重视，国家投入大量资金，许多企业和科研单位共同研制新型传感器，使得产品性能指标、可靠性有了质的飞跃。例如河南电子科技大学邓瑞涛等新型液位传感器的研究，通过变介电常数变化引起电容变化，设计电容式液位传感器，电容变化使得两极板电压变化，经过放大整流滤波，转换成频率输出，应用单片机进行检测，准确测量也为变化。而军工程学院陈振林提出的高精度线性补偿的方法，更加有利于测量精度的提高。 1.3研究意义与推广价值 随着我国经济发展，船舶运输作为我国重要的运输方式，要确保其航行性能，对待液位测量与阀门控制的态度必须重视起来。每一家造船公司都希望有着一套高效的，低成本的遥测系统。虽然我们国家的阀门生产业和传感器制造与国外的差距正在不断的缩小[21]，但基础的管理工作还需要狠下功夫。这时候一套适用的系统可以给船舶航行带来很多便利，具有相当的研究价值。
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2. 研究内容和问题
设计主要内容：实验设计了以PLC作为下位机通过液位测量计、压力传感器、温度传感器对液位、压力、温度进行测量；上位通过组态软件的开发，显示有关船舱的液位；通过上位与下位的通信，液位压力传感器测得的压力值，传输到模拟量输入模块后转换为一个数字量信息，最后存储在PLC中，在经过软件转换为可被操作者轻易读取的液位信息，人员可以通过人机交互页面实现对液压阀的控制，可使模拟船舱的液位控制在指定高度；对原有模拟装置的硬件（主要是液位测量部分）进行补充与完善。
设计目标：当压载舱中压力信息被采集到以后，通过PLC的转换程序改变为液位信息，在监控画面中实时显示；操作人员可通过一个人机交互页面来输入设定值；可以自主实现舱内液位平衡，减少人工操作阀门产生的人为误差。
拟解决的关键问题：应用PLC编写阀门控制及其与上位组态软件模块的通信，模拟船只卸货时压载舱调节环节，设计出能够控制进水量达到船体平衡的系统；解决船只卸货时压载舱调节时如何控制两端液位平衡的问题。3. 设计方案和技术路线
| 三 课题的研究方法、技术路线 1. 根据模拟装置液位测量的要求确定设计内容与目标； 具体要求：a.能够测量舱内液位信息并能够被操作者简单的读取； b.能够设计控制进水量达到模拟船只平衡。
2. 资料收集、整理、熟悉；充分了解国内外研究现状； 着重了解船只压载舱的结构构造以及模拟实验的基本思路。
图一.液位测量模拟装置 图二.压载舱解剖结构 3. 硬件选择 选择合适的液位传感器，PLC及模拟量输入模块，泵与电磁阀的选择。 4. 组态软件与PLC的通信实现； 液位压力传感器测得的压力值，传输到模拟量输入模块后转换为一个数字量信息，最后存储在PLC中，在经过软件转换为可被操作者轻易读取的液位信息。
4. PLC控制液压阀的实现和液压阀关闭、开度等信息的上位显示；
5. 上位组态软件系统的基本功能实现；
6. 与液位测量部分的联调
7. 资料整理、撰写论文。 |
4. 研究的条件和基础
| 设备方面：
1．实验室原有的船舱模拟装置，PLC控制柜已搭建；
2．海狮船舶公司的船用液位遥测与报警系统实验台，企业现成的液位计产品
学生技能要求方面：
1. 掌握液压机械系统的基本知识；
2. 传感器测量知识、PLC编程技术、上位组态软件编程技能等；
3. 有较强的实际动手能力，以及书面表达能力 |
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