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摘要：保持船舶的平稳是船舶运行的首要所在，实际是通过前后、左右的压载舱注水排水补偿船舶重心偏移以实现船舶平衡。为此，需要研究开发压载舱的液位测量和控制。本文设计了一套能够模拟有关液位测量和阀门控制的实验系统，利用液位传感器对模拟的压载舱及船舶四角吃水进行了信号采集，通过PLC实现了与上位机的通信和对阀门的控制，利用组态软件开发了上位机监控界面，通过界面可实时监测液位和设备的运行状态，模拟船舶装卸货的过程，控制阀门和泵，调节液位。
关键词：液位测量;PLC;实时数据
1 绪论
船舶的液位测量在保持船舶的平稳、船舶吃水、货油舱油位测量等方面举足轻重，为此很多企业研究机构对液位测量进行了研究与开发，比如挪威的KMSS公司、英国的Transas公司和丹麦的DAMCOS公司。国外的技术虽然先进，然而国内近些年的研究已初见成效，该系统一直依赖进口的局面已经被渐渐打破，大大地填补了国内这方面的空白。华东理工大学结合高精度液位测量技术研究了卡尔曼滤波在储罐液位监测系统中的应用;江苏大学基于WebAccess对船舶液位遥测系统进行了研究与设计;上海交通大学则另辟蹊径，研究液货船上的阀门遥控和液位遥测系统，并取得了可喜的成果。
本文根据船舶平衡的要求，设计了一个模拟船舶压载舱液位测量与控制的实验装置。总体目标如下，采用PLC作为下位机与上位机进行通信，结合测得的液位数据，根据不同舱的液位高低以及船舶的平衡指标，实现对阀门的控制。通过对上位机组态王软件的开发，以及上位机、下位机的通信，实现液位显示和对阀门的控制。除此之外，上位软件还具备报警与液位信息记录功能，以便后期的维护。
2 系统测控硬件设计
船舶在装卸货过程中，船上货物载重量的变化会使其吃水深度或前后左右发生变化，严重影响船舶的平衡性;船舶的海上航行，平衡也有严格的要求。一般船舶设计了压载水舱以控制船舶吃水深度与平衡。压载水舱分布在艏尖舱、艉尖舱、双层底舱、舷侧边舱或深水舱内。船舶的压载水系统通过压载泵吸入或排出舱内的水，使船舶保持平衡。船舶左侧失压时，船舶向右侧倾斜，这时，向船舶左侧压载舱内注水，船舶就会渐渐恢复平衡。
然而实际的压载舱液位测量和控制规模很庞大，直接开展有关研究风险高、成本大，为此，本文设计了一套能够模拟有关液位测量和阀门控制的实验系统。
2.1 系统的总体设计与原理
本实验系统由液位测量子系统、阀门控制子系统、异常报警子系统及数据存储子系统组成。
液位测量系统是通过压力、温度等传感器实时获取货油舱和压载舱内的压力、温度、液位等数据。在本小型实验系统中，用水箱进行模拟，中间的小水箱一分为二，模拟左右两个压载舱，外面的大水箱则模拟大海的环境.在两个模拟压载舱中放一个液位传感器，传感器采取投入式的安装方式。在其将液位值转换为压力值后，然后通过相应的总线将压力值转化为4mA～20mA的输出电信号，通过使用卡尔曼滤波设定的筛选信号程序，将误差较大的跳变信号以及一些噪声信号筛除，再送入对应的数据采集模块，在数据采集模块里经过变换后输出，输出的数字量信号通过TCP/IP协议与上位机进行通信，在控制器对信息进行计算、分析、处理后，显示在人机交互界面上，用户则可以在界面上监察各个压载舱的液位值及报警状态。
实际船舶中的吃水测量是将传感器分别安装在船底部，位于船中部压载泵舱的左舷和右舷、船艏、船艉。本实验装置只进行四角吃水的测量，将液位传感器安装在小水箱外侧的前后左右部位。用户可以在人机交互界面上查看四角吃水的状态以及船舶横纵倾的状态，一旦报警系统响起，可以及时调整。
阀门控制系统由阀门和水泵组成，通过设计的软件实现对阀门的控制。阀门控制系统与液位测量系统结合使用，用户在组态界面上可结合相关的压力、液位等参数控制阀的开、关以及阀门的开度，从而达到控制压载舱水的目的。
2.2 阀门单元及传感器单元
本实验中阀门控制系统的阀主要采用的是开关阀和比例阀。比例阀用于调节开度，调节管道中的流量，比例阀一般是由阀门主体和执行器组成，安装在需要控制管道流量的管路上。
本实验装置中的液位测量系统的传感器单元部分用来模拟测量货油舱、压载舱等舱内的液位、温度以及吃水信号，主要采用的设备有压力传感器、温度传感器以及液位开关等，这些传感器主要在传感器层。
压力传感器的使用在船舶上是相当广泛的，本系统选择霍力柯尔HPT604压力式液位传感器，具有24V的直流电压，420mA的输出电流，可用于测量01m的液位;且体积较小、重量较轻，还有良好的稳定性、耐腐蚀性、迟滞性以及线性等。其采用了所测得的液体静压和该液体的高度成比例的原理。液位传感器的正极通过接线端子与PLC的供电端相连，负极与PLC模拟量输入模块的端口相连，实现PLC对液位信号的处理。
2.3 中间控制模块
本系统选择西门子S71200系列PLC及其相应的扩展模块作为中间控制模块，进行信号的采集与控制，此控制模块在实时采集数据方面性能十分的优越，并且采用循环嵌套模式，能够满足各种自动化要求，对于船舶上的液位遙测和阀门遥控系统十分适用。
本系统采用主站PLC与从站PLC的布置方式，本控制模块采用了两台PLC，两台PLC是模拟实际的船舶一般需要多台PLC进行联合控制的情况。PLC主站通过交换机与监控机进行通信，主站与从站之间采用TCP/IP进行通信，从站的数字量输入/输出模块用来采集阀门的开关状态、泵的运行状态以及液位信号。模拟量输入模块对各个舱的液位、温度以及泵的进出口压力的模拟信号进行采集;数字输出控制继电器对阀门进行遥控，如图2所示：
3 PLC程序的设计与实现 编程软件采用西门子公司开发的高集成度工程组态系统STMATIC STEP 7 Basic，来用于S71200软件的开发，STEP 7 Basic的操作直观、使用方便、上手简单，可通过人机界面实现模块化、分层设计。
在软件中编写程序，使得由电流信号转换为数字信号的数字量经过编译的一系列指令转换为所需的液位值并存储在寄存器MD30和MD70中。
本模拟装置中的两台PLC通过交换机与PC机连接，两台PLC需要通过TCP/IP协议进行通信。两台PLC之间传输数据需要通过通信指令TSEND_C和TRCV_C，一台PLC调用TSEND_C发送数据，另一台调用TRCV_C接收数据。只能在程序循环OB中调用这两个指令。打开编程軟件创建新项目，将两台PLC和PC机连接到以太网设备中，设置IP地址和子网掩码，在MBO中定义时钟位。在发送站PLC_1的项目树中添加以太网发送数据指令TSEND_C，生成背景数据块;在接收站PLC_2的项目树中添加以太网读取数据指令TRCV_C，生成背景数据块。
上位机和下位机之间通过基于以太网卡的TCP/IP协议进行通信。
有关软件流程如图3。同时，上位机将显示以及存储采集到的实时数据，并将执行情况反馈到人机交互界面上。
上位机软件主要提供船舶压载舱的实时参数供用户查看，从而对系统进行操作，也可简称其为监控软件。监控软件可全面监测系统的状态，用户可通过人机交互界面对下位机发出执行指令控制设备的运行。
4 装置运行结果
在设计开发完成后，对本实验装置进行调试与改进，保证阀门和泵的正常运行，压力传感器能够精确的测得液位。首先，设定每个舱的标准水位，模拟船在平稳行驶过程中的状态，此时，阀门与泵处于关闭状态。如果船舶右侧的货舱装进了货物，为了保持船舶的平衡，需往左侧的压载舱进行压水，根据组态界面显示的液位值对左侧压载舱的液位进行设定;然后打开阀门和泵，当液位达到设定值时，泵停止进水。图4即上位机监控画面。
本模拟装置在水管的结构设计里最初采用了总管式的设计方案，在测试的过程中发现当水流流过左侧阀门时，压力过但大，造成了泄露的现象，右侧舱室进水缓慢。因此为了减小左侧阀门处的压力，将结构改为了支管式分布，结构改造后，左右两个舱室进水速度一致，系统稳定性提升。
5 总结
本文分析了船舶压载舱液位测量与控制实现船舶平衡的原理，设计了一套模拟的液位测量与阀门控制实验系统，完成了系统软硬件的开发，通过对阀门的控制实现对各个舱位液位的有效调节，成功模拟了压载舱的液位测量，以及给定液位的控制。
参考文献：
[1]薛爱丽.“海洋石油201”的压载控制和液位遥测系统介绍[J].船海工程，2012，41（02）：8487.
项目：江苏省产学研合作项目，编号：BY2018208，横向课题：复合型船用液位遥测与阀门遥控系统的研发
关键词：液位测量;PLC;实时数据
1 绪论
船舶的液位测量在保持船舶的平稳、船舶吃水、货油舱油位测量等方面举足轻重，为此很多企业研究机构对液位测量进行了研究与开发，比如挪威的KMSS公司、英国的Transas公司和丹麦的DAMCOS公司。国外的技术虽然先进，然而国内近些年的研究已初见成效，该系统一直依赖进口的局面已经被渐渐打破，大大地填补了国内这方面的空白。华东理工大学结合高精度液位测量技术研究了卡尔曼滤波在储罐液位监测系统中的应用;江苏大学基于WebAccess对船舶液位遥测系统进行了研究与设计;上海交通大学则另辟蹊径，研究液货船上的阀门遥控和液位遥测系统，并取得了可喜的成果。
本文根据船舶平衡的要求，设计了一个模拟船舶压载舱液位测量与控制的实验装置。总体目标如下，采用PLC作为下位机与上位机进行通信，结合测得的液位数据，根据不同舱的液位高低以及船舶的平衡指标，实现对阀门的控制。通过对上位机组态王软件的开发，以及上位机、下位机的通信，实现液位显示和对阀门的控制。除此之外，上位软件还具备报警与液位信息记录功能，以便后期的维护。
2 系统测控硬件设计
船舶在装卸货过程中，船上货物载重量的变化会使其吃水深度或前后左右发生变化，严重影响船舶的平衡性;船舶的海上航行，平衡也有严格的要求。一般船舶设计了压载水舱以控制船舶吃水深度与平衡。压载水舱分布在艏尖舱、艉尖舱、双层底舱、舷侧边舱或深水舱内。船舶的压载水系统通过压载泵吸入或排出舱内的水，使船舶保持平衡。船舶左侧失压时，船舶向右侧倾斜，这时，向船舶左侧压载舱内注水，船舶就会渐渐恢复平衡。
然而实际的压载舱液位测量和控制规模很庞大，直接开展有关研究风险高、成本大，为此，本文设计了一套能够模拟有关液位测量和阀门控制的实验系统。
2.1 系统的总体设计与原理
本实验系统由液位测量子系统、阀门控制子系统、异常报警子系统及数据存储子系统组成。
液位测量系统是通过压力、温度等传感器实时获取货油舱和压载舱内的压力、温度、液位等数据。在本小型实验系统中，用水箱进行模拟，中间的小水箱一分为二，模拟左右两个压载舱，外面的大水箱则模拟大海的环境.在两个模拟压载舱中放一个液位传感器，传感器采取投入式的安装方式。在其将液位值转换为压力值后，然后通过相应的总线将压力值转化为4mA～20mA的输出电信号，通过使用卡尔曼滤波设定的筛选信号程序，将误差较大的跳变信号以及一些噪声信号筛除，再送入对应的数据采集模块，在数据采集模块里经过变换后输出，输出的数字量信号通过TCP/IP协议与上位机进行通信，在控制器对信息进行计算、分析、处理后，显示在人机交互界面上，用户则可以在界面上监察各个压载舱的液位值及报警状态。
实际船舶中的吃水测量是将传感器分别安装在船底部，位于船中部压载泵舱的左舷和右舷、船艏、船艉。本实验装置只进行四角吃水的测量，将液位传感器安装在小水箱外侧的前后左右部位。用户可以在人机交互界面上查看四角吃水的状态以及船舶横纵倾的状态，一旦报警系统响起，可以及时调整。
阀门控制系统由阀门和水泵组成，通过设计的软件实现对阀门的控制。阀门控制系统与液位测量系统结合使用，用户在组态界面上可结合相关的压力、液位等参数控制阀的开、关以及阀门的开度，从而达到控制压载舱水的目的。
2.2 阀门单元及传感器单元
本实验中阀门控制系统的阀主要采用的是开关阀和比例阀。比例阀用于调节开度，调节管道中的流量，比例阀一般是由阀门主体和执行器组成，安装在需要控制管道流量的管路上。
本实验装置中的液位测量系统的传感器单元部分用来模拟测量货油舱、压载舱等舱内的液位、温度以及吃水信号，主要采用的设备有压力传感器、温度传感器以及液位开关等，这些传感器主要在传感器层。
压力传感器的使用在船舶上是相当广泛的，本系统选择霍力柯尔HPT604压力式液位传感器，具有24V的直流电压，420mA的输出电流，可用于测量01m的液位;且体积较小、重量较轻，还有良好的稳定性、耐腐蚀性、迟滞性以及线性等。其采用了所测得的液体静压和该液体的高度成比例的原理。液位传感器的正极通过接线端子与PLC的供电端相连，负极与PLC模拟量输入模块的端口相连，实现PLC对液位信号的处理。
2.3 中间控制模块
本系统选择西门子S71200系列PLC及其相应的扩展模块作为中间控制模块，进行信号的采集与控制，此控制模块在实时采集数据方面性能十分的优越，并且采用循环嵌套模式，能够满足各种自动化要求，对于船舶上的液位遙测和阀门遥控系统十分适用。
本系统采用主站PLC与从站PLC的布置方式，本控制模块采用了两台PLC，两台PLC是模拟实际的船舶一般需要多台PLC进行联合控制的情况。PLC主站通过交换机与监控机进行通信，主站与从站之间采用TCP/IP进行通信，从站的数字量输入/输出模块用来采集阀门的开关状态、泵的运行状态以及液位信号。模拟量输入模块对各个舱的液位、温度以及泵的进出口压力的模拟信号进行采集;数字输出控制继电器对阀门进行遥控，如图2所示：
3 PLC程序的设计与实现 编程软件采用西门子公司开发的高集成度工程组态系统STMATIC STEP 7 Basic，来用于S71200软件的开发，STEP 7 Basic的操作直观、使用方便、上手简单，可通过人机界面实现模块化、分层设计。
在软件中编写程序，使得由电流信号转换为数字信号的数字量经过编译的一系列指令转换为所需的液位值并存储在寄存器MD30和MD70中。
本模拟装置中的两台PLC通过交换机与PC机连接，两台PLC需要通过TCP/IP协议进行通信。两台PLC之间传输数据需要通过通信指令TSEND_C和TRCV_C，一台PLC调用TSEND_C发送数据，另一台调用TRCV_C接收数据。只能在程序循环OB中调用这两个指令。打开编程軟件创建新项目，将两台PLC和PC机连接到以太网设备中，设置IP地址和子网掩码，在MBO中定义时钟位。在发送站PLC_1的项目树中添加以太网发送数据指令TSEND_C，生成背景数据块;在接收站PLC_2的项目树中添加以太网读取数据指令TRCV_C，生成背景数据块。
上位机和下位机之间通过基于以太网卡的TCP/IP协议进行通信。
有关软件流程如图3。同时，上位机将显示以及存储采集到的实时数据，并将执行情况反馈到人机交互界面上。
上位机软件主要提供船舶压载舱的实时参数供用户查看，从而对系统进行操作，也可简称其为监控软件。监控软件可全面监测系统的状态，用户可通过人机交互界面对下位机发出执行指令控制设备的运行。
4 装置运行结果
在设计开发完成后，对本实验装置进行调试与改进，保证阀门和泵的正常运行，压力传感器能够精确的测得液位。首先，设定每个舱的标准水位，模拟船在平稳行驶过程中的状态，此时，阀门与泵处于关闭状态。如果船舶右侧的货舱装进了货物，为了保持船舶的平衡，需往左侧的压载舱进行压水，根据组态界面显示的液位值对左侧压载舱的液位进行设定;然后打开阀门和泵，当液位达到设定值时，泵停止进水。图4即上位机监控画面。
本模拟装置在水管的结构设计里最初采用了总管式的设计方案，在测试的过程中发现当水流流过左侧阀门时，压力过但大，造成了泄露的现象，右侧舱室进水缓慢。因此为了减小左侧阀门处的压力，将结构改为了支管式分布，结构改造后，左右两个舱室进水速度一致，系统稳定性提升。
5 总结
本文分析了船舶压载舱液位测量与控制实现船舶平衡的原理，设计了一套模拟的液位测量与阀门控制实验系统，完成了系统软硬件的开发，通过对阀门的控制实现对各个舱位液位的有效调节，成功模拟了压载舱的液位测量，以及给定液位的控制。
参考文献：
[1]薛爱丽.“海洋石油201”的压载控制和液位遥测系统介绍[J].船海工程，2012，41（02）：8487.
项目：江苏省产学研合作项目，编号：BY2018208，横向课题：复合型船用液位遥测与阀门遥控系统的研发