專利名稱：液化氣船液貨控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種控制系統，尤其涉及液化氣船上應用的液貨控制系統。
背景技術：
液化氣是將石油氣在高壓下液化后裝入液罐內，裝卸貨物過程中的速度、流量、溫度、壓力等參數的監控尤其重要。卸貨控制部分主要是對卸貨過程進行控制，控制泵和壓縮機電機的轉速以控制卸貨的速度和流量。裝貨控制部分主要是在裝載貨物過程中起參數監控的作用。不管是裝貨、卸貨或者船舶航行過程中，外界環境、內部環境總要不斷地發生變化的。如裝貨卸貨過程中液位的變化、液罐壓力的變化、防靜電措施、氧氣含量的變化等都要實時監測。航行過程中，因為船舶航行于不同的區域，環境的溫度不斷發生變化。而且液罐的汽化程度、氣體中含氧量的多少、以及液位的變化都會影響到船舶的安全，所以客觀上需要一種控制系統，具備對各參數進行實時、準確監測的功能。液化氣船是高技術含量、高附加值、高危險性船舶，從整體上看，這類船舶數量近幾年迅速增加且今后還要呈上升趨勢，我國液化氣水上運輸事業起步較晚，船舶上尤其重要的液貨控制系統主要依靠進口。
發明內容
鑒于現有技術的上述問題，本發明的目的是提供一種完全實現對液化氣船的裝卸貨過程、航行過程進行自動控制的液化氣船液貨控制系統，可以自動監控裝卸貨過程中及航行過程中的各種參數、出現異常時實現報警自動保護以及集中監管系統運行狀況和模擬運行狀況。為了實現上述目的，本發明提供了一種，包括裝卸貨控制裝置，基于STM32103微處理器芯片，用于在裝卸貨過程中根據檢測到的參數自動控制深水泵和壓縮機；液位遙測裝置，基于STM32103微處理器芯片，用于檢測液罐的性能參數，當所述性能參數超過預設閾值時執行相應的預設動作，并將所述性能參數傳送給中控裝置，所述性能參數包括溫度、壓力和液位，所述執行相應的預設操作包括設備運行或停止；應急保護裝置，基于STM32103微處理器芯片，用于緊急切斷和安全保護；中控裝置，基于STM32103微處理器芯片，用于接收所述裝卸貨控制裝置、液位遙測裝置和應急保護裝置反饋的各種數據，集中監測控制。作為優選，所述裝卸貨控制裝置、液位遙測裝置、應急保護裝置和所述中控裝置之間通過CAN總線通信。作為優選，所述裝卸貨控制裝置包括設在第一液罐底部的第一深井泵和設在第二液罐底部的第二深井泵，所述第一深井泵和第二深井泵分別通過穿過整個貨艙深度的不銹鋼軸與電動機連接，所述不銹鋼軸每隔固定距離設置軸承支撐，所述電動機由變頻器控制。所述第一液罐和所述第二液罐之間設有液相調撥管。作為優選，所述液位遙測裝置包括高位報警裝置和高高位報警裝置，當液位處于 95 %高位或98 %高高位時發出報警信號。作為優選，所述液位遙測裝置還包括由聚四氟乙烯材料制成的浮力-位移轉換
ο作為優選，所述中控裝置具體包括工業計算機、STM32103微處理器芯片、深井泵控制柜和壓縮機控制柜，所述工業計算機用于集中控制所述裝卸貨控制裝置、液位遙測裝置和應急保護裝置。本發明的有益效果是，可以完全實現對液化氣船的裝卸貨過程、航行過程進行自動控制，且控制效果好、精度高、功能全和可靠性好等優點。
圖1是本發明的液化氣船液貨控制系統的結構示意圖。圖2是圖1中的裝卸貨控制裝置的結構示意圖。圖3是圖1中的液位遙測裝置的結構示意圖(兩個液罐)。圖4是圖1中的應急保護裝置的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明的實施例。本實施例的核心思想是通過CAN現場總線的形式，依托眾多的溫度、壓力、氧氣含量和液位壓力傳感器采集到盡可能多的點的參數，并且依據其參數所屬不同的模塊送到不同的STM32103微處理器芯片完成A/D轉換后，再由微處理器芯片進行處理，然后由計算機軟件進行分析，最后控制執行器動作或報警。所以本系統一方面具備了現場監測、控制和報警的功能；另一方面，數據還要同步送入到貨控室和駕控室，以方便船員在貨控臺和駕控臺進行操作和監控。首先參看圖1，液貨控制系統包括裝卸貨控制裝置，基于STM32103微處理器芯片，用于在裝卸貨過程中根據檢測到的參數自動控制深水泵和壓縮機；液位遙測裝置，基于STM32103微處理器芯片，用于檢測液罐的性能參數，當所述性能參數超過預設閾值時執行相應的預設動作，并將所述性能參數傳送給中控裝置，所述性能參數包括溫度、壓力和液位，所述執行相應的預設操作包括設備運行或停止；應急保護裝置，基于STM32103微處理器芯片，用于緊急切斷和安全保護；中控裝置，基于STM32103微處理器芯片，用于接收所述裝卸貨控制裝置、液位遙測裝置和應急保護裝置反饋的各種數據，集中監測控制。整套液貨控制系統使用了一臺工業計算機、五個STM32103ARM微處理器芯片，它們采用的是CAN現場總線連接方式，使得系統有很快的運行速度和較強的數據處理能力， 同時可以滿足多測點的要求。液貨控制系統局域網的傳輸媒體采用同軸電纜，它的最大數據率為50Mbps，最大數據率下最大距離是1km，實際聯網設備數目可達10臺，完全能滿足本系統的要求。
如圖2所示，兩臺同樣的直立、多級、離心式深井泵11和深井泵12分別裝于兩個液罐13、14底部，深井泵11、12由設在液貨艙甲板上的電動機15通過一根穿過整個貨艙深度的不銹鋼軸來驅動泵葉輪。由于軸很長，需要每隔一定距離設置一個軸承支撐以防止產生扭曲和振動。軸承用油潤滑，電動機15為防爆電機，一般采用變頻器16控制，其中變頻器在貨控室的控制柜中，它能使深井泵11、12無級調速。本裝卸貨裝置設LPG氣體壓縮機組 2臺，自配套帶有電動機、隔艙密封裝置、前液分離器、出口緩沖罐、壓力表、球閥、安全閥、壓縮機電氣控制箱等。LPG氣體壓縮機置于主甲板首部非封閉的壓縮機室中，通過隔艙傳動裝置與相鄰電動機室中的驅動電動機相聯。進出口的分離器和緩沖罐等也都置于壓縮機室中。貨物裝卸站位于兩罐之間。一根液相總管22和一根氣相總管23橫向貫通兩舷，每舷設有一個液相通岸接頭24和二個氣相通岸接頭25、26。緊靠接頭處分別設有相應的遙控緊急切斷閥。氣、液相接頭附近分別設有排空閥，通過管路與透氣總管相連接。液相總管上設有過濾器。氣、液相總管之間設有連通的管路及閥門，以作掃線時氣相加壓用。每舷的液相管底部尚設有一排出球閥(Dmo。液相總管22與二個液罐的液貨輸入和輸出管路相連接，氣相總管23與二個液罐及LPG氣體壓縮機的管路相連接。在液罐內部，液相管22直通到液罐底部，氣相管23僅在液罐頂部與氣室相通，掃艙管管端插入到液罐內積液槽中。二個液罐13、14之間設有液相調撥管，以供二罐13、14之間的液貨調撥之用。液化氣船的裝
卸貨過程為干燥--隋化——用貨物氣體將惰氣驅除貨艙——裝貨——卸貨。干燥/惰
性氣體系統27設有如下附件和安全裝置系統運行指示、清洗閥控制/清洗模式指示、惰氣輸送閥開啟/關閉指示、惰氣/干燥空氣壓力、氧氣容量、干燥單元運轉/停止指示、惰性氣體發生器故障報警和自動停機、冷卻系統故障報警和自動停機、惰氣出口壓力高故障報警和自動停機和氧氣含量高故障報警和自動停機等。干燥/惰性氣體系統27中設備的運行和停止由貨控室(放置有中控裝置)外的兩個液罐13、14旁的裝卸貨控制裝置控制，液罐13、14首次裝液貨，或人員進入液貨罐13、14內進行檢查作業，以及船舶進廠修理等時， 液罐13、14必須進行置換作業。即用惰性氣體驅除液罐內貨物蒸氣(或空氣)，使之達到安全標準。在液罐和船上氣、液相管路上都設有相應的閥門及管路，以供置換作業用。同時干燥/惰性氣體系統27運行過程中的數據由圖1中的CAN現場總線送到貨控室中的工業計算機，操作人員可以在位于貨控室中的工業計算機上方便地完成整個液貨的裝卸控制及壓載控制。貨控室中的工業計算機還提供整個液貨處理的模擬操作圖及壓載系統的模擬操作圖。每個液罐13、14上各裝有一臺LPG深井泵11、12，LPG深井泵11、12采用變頻啟動方式，其控制功能由裝卸貨控制裝置完成，同時也可由設在貨物控制室的工業計算機來操作， 深井泵11、12旁設置防爆型起停按鈕。卸貨時，當液罐13、14出現低液位或負壓時，相應的 LPG深井泵11、12應自動停機，同時發出負壓停機的報警信號。當緊急切斷閥易熔元件動作時，也能切斷運行中的LPG深井泵11、12。操作人員可以對液貨系統中的泵、遙控閥門及液壓動力單元進行遙控操作。具體地講，操作者可以在屏幕上監測每種設備的運行狀態，如深井泵11、12的起、停，低壓、過電流、超壓報警等；壓縮機的起、停，過電流、滑油高溫、出口高壓報警等，所有信息都以實時方式記錄入數據庫，最終完成顯示和報警的功能。裝貨作業中，由岸站計量液貨裝入量。船上液罐13、14上安裝的磁致伸縮式液位測量裝置觀、四可隨時反映液罐載貨量。此外還配有SG-3UB型五管式滑管液位計。卸貨由液罐13、14上配置的LPG深井泵11、12完成。如果某液罐的深井泵出現故障，其罐內液貨可用均壓調撥連通管引入另一罐后卸出；余氣可用壓縮機17、18中的一臺液化壓入另一罐內，再由另一罐的LPG深井泵卸出。液貨卸出后，液罐13、14內尚存有大量的貨物蒸氣。這時，可利用LPG 氣體壓縮機抽出壓送至岸站，使液罐13、14內蒸氣壓力減至0. 2 0. 4MPa。
如圖3所示，兩個液罐13、14分別裝有液位遙測裝置。該系統的功能是顯示每個液罐13、14內貨物的液位、壓力和溫度。液位遙測裝置的數據同時通過CAN現場總線送到貨控室中的工業計算機。其主要軟件功能包括在初始化子程序中，將狀態參數所占用的地址單元進行分配和清零處理，預置各狀態參數的上限和下限報警值；在采樣子程序中，對各狀態參數的模擬量進行數字化處理，并貯存在由初始化程序所指定的各地址單元中；在工程化處理子程序中，將采樣的數字量進行工程物理量的數字轉化與處理；在聲光報警程序中，可以列出報警清單，或者報警點位的布置位置，顯示報警值的大小；在各狀態參數顯示程序中，可以用清單列表或曲線對比或圖形等不同方式進行顯示，在貨控室中的工業計算機上通過菜單功能進行選擇或切換。當然，為了得到準確的液貨體積數據需要對船舶的橫傾和縱傾進行修正計算。修正計算根據縱傾角傳感器或吃水傳感器輸入的數據進行。液貨監測系統主機實際上就是安裝于貨物控制室中的工業計算機，其上可以顯示每個液罐13、 14的液位、壓力、底部和頂部溫度，具有上下限報警功能。每個液罐13、14都均設有高位和高高位報警裝置。液貨監測系統配套現場防爆顯示箱33、39，可以在每個液罐13、14氣室附近顯示液罐的液位、壓力、底部和頂部溫度。液貨監測系統配套駕駛室延伸報警板，當液貨系統的液位、壓力、底部和頂部溫度超限時，在貨物控制室報警的同時，延伸到駕駛室報警。 當液貨系統95%高位和98%高高位報警動作時，向駕駛室、貨物控制室和全船發出報警信號。每個液罐13、14氣室另設有氣壓式溫度計兩套34、35、40、41和機械式壓力表一套36、 42。在每個液罐13、14上設有二套獨立的液位測量裝置，一套為磁致伸縮式液位計觀、29， 可實時分別測量液罐13、14上、中、下各個高度的液位；另一套為SG-3UB型五管式滑管液位計30、31。在每個液罐13、14上設置一套浮子式液位測量裝置37、43，主要用于高液位和高高液位報警。當罐內液位達到充裝極限的95%時，報警系統發出高液位聲光報警信號，當液罐內液位達到充裝極限的98%時，發出高高液位聲光報警信號，從而防止液罐超裝。浮子式液位測量裝置37、43是帶伺服系統的浮力-位移轉換器，它有一個下垂式的砝碼盤，由聚四氟乙烯(PTFE)材料制成，砝碼盤的上端懸掛在由微處理器控制的伺服系統上。當液位上升時，浮力推舉砝碼盤也上升，作用在伺服系統上的下垂力小于砝碼盤自身的重力，伺服系統就提拉砝碼盤上升至下垂力略小于砝碼盤自身的重力時，伺服系統就停止提拉，此時砝碼盤正好懸浮在液體表面；反之，當液位下降時，伺服系統就使砝碼盤也下降直到砝碼盤正好懸浮在液體表面為止。由微處理器控制的伺服系統其快速性和精確性足以使砝碼盤跟隨液體表面上升或下降。由于伺服系統安裝在罐體外，砝碼盤及懸掛機構在罐體內，可以說使用浮力-位移轉換器的液位傳感器工作可靠、安全，并且精度高。儀器本身具有數碼顯示功能，其測量信號也可以遠傳至計算機。磁致伸縮式液位傳感器觀、四與防爆安全柵配套使用，防爆安全柵也裝在貨控室內，可以就地數字顯示液位和溫度，并具有遠傳功能。在液罐13、14的氣室上均設有就地讀數的機械壓力表36、42。每個液罐13、14上還裝有一個壓力傳感器46、47。壓力傳感器與防爆安全柵配套使用，表前配有不銹鋼針型閥，可帶壓維修。 可以就地數字顯示壓力，并具有遠傳功能。在每個液罐13、14上設有三套溫度測量裝置48、 49、50、51、52、53，一個48、49位于液罐的底部(由AT磁致伸縮液位傳感器觀、四帶)，另兩個50、51、52、53接近于液罐頂部，但低于最高允許液面。一只用于測量液罐液相溫度，一只用于測量VCM單體液相溫度。通過溫度變送器，與貨物控制室和駕駛室內的指示儀表組成溫度顯示和報警系統，當液罐內溫度高于45°C時，發出極限高溫報警。當液罐內溫度高于 32°C時，報警系統能發訊報警，由人工起動水霧泵進行灑水噴淋降溫。在每個液罐13、14上另設有兩套氣壓式溫度計兩套34、35、40、41。液罐13、14頂部溫度傳感器50、51、52、53與防爆安全柵44、45配套使用，可以就地數字顯示溫度，并具有遠傳功能。氣壓式溫度計34、 35、40、41就地顯示，可帶壓維修。同時，為了監視液貨系統的可能泄漏，在每個儲罐13、14 艙底部、每個儲罐透氣頭附近、廚房、空調機間、貨物控制室、機艙、壓縮機處和電動機室等 16處，設置了永久性氣體探測點。氣體監測設備設在貨控室。即當氣體濃度達到爆炸下限的30%時，發出報警信號，同時切斷液貨設備的工作。如果在兩分鐘內報警信號未引起注意，則自動接通居住甲板內走道及首壁報警電鈴，向全船發出緊急警報。同時船上還設有便攜式貨物氣體濃度探測儀、有毒氣體探測儀和氧氣探測儀，以便在液罐氣體裝換、船舶修理或有泄漏時供檢查使用。另，本船應設有2套適合所載運貨品的可攜式可燃氣體探測設備。如圖4所示，應急處理和安全保護系統包括遙控緊急切斷閥及其氣動子系統、安全閥及壓力釋放子系統、可燃氣體監測及報警子系統、消除靜電功能系統，例如2臺壓縮機 17、18設于主甲板的壓縮機房，其電動機(IlOkW)設在主甲板電動機室，通過隔艙傳動裝置驅動壓縮機運轉，壓縮機起動和電機艙風機聯鎖。壓縮機采用變頻啟動方式，其控制功能由裝卸貨系統完成，同時也可由設在貨物控制室的工業計算機來操作，機旁設置防爆型起停按鈕。電動機室設有壓縮機報警接線箱，當液罐出現超高液位及負壓時或緊急切斷閥易熔元件動作時，控制壓縮機17、18停機。為了消除各種裝置或系統可能產生的靜電，消除靜電危險，保障人身和設備的安全，本船將采取下列消除靜電措施。靜電接地箱一只，設于尾樓甲板，箱內接地螺栓采用M16X50mm，黃銅螺栓，共四只，均固定在40 X 3mm鍍錫紫銅排上， 其中一只銅螺栓供接岸電時接地電纜連接用，一只供輸液管道末端經接地電纜引入本箱后連接用，一只供LPG蒸汽管道最末端經接地電纜引入本箱后連接用，還有一只銅螺柱供連接本船船殼用，連接方式采用25mm2專用電纜一端接在本接地箱銅螺栓上，接地專用電纜的另一端引至機艙右舷距基線3米(即本船空載水線以下處)的銅螺柱上，該銅螺柱焊在銅質復板上，該銅質復板(150 X 150 X 4mm)焊在該處船殼板上，且在該處船殼板外側復焊一塊200X200X4mm不銹鋼板(不準涂漆)，以利與海水直接通地連接放電。本船靜電接地箱與岸上專用接地箱之間，采用25mm2專用電纜連接，船舶靠岸后應用接地電纜將船岸之間的接地箱連接起來，連接時先接岸上的一端，后接船上一端。拆卸時，先拆船上一端，后拆岸上一端。船上靜電接地箱布置在尾樓甲板。在裝貨之前，氮氣發生器開始工作，整個液貨控制系統也開始工作，即對液位、溫度、壓力和含氧量的監測開始運行，并將所有采集到的數據送到工業計算機，這樣現場和貨控室可同時進行監測和控制，同時駕控室的計算機也可進行監測。這樣，根據本專利的基于ARM的液化氣船液貨控制系統具有如下優點，控制效果好、精度高、功能全和可靠性好等優點。此外，為了保證系統安裝后的可靠工作，可在貨控室的工業計算機上做模擬試驗， 以檢測個繼電器、接觸器是否工作正常，溫度傳感器、液位和壓力傳感器工作是否正常，采集數據是否準確，整個控制系統是否有故障等。
雖然本實施例中是基于ARM搭建的液化氣船液貨控制系統，但是同樣可以采用繼電器-接觸器方式設計，也可以采用PLC。本專利的液貨控制系統除了用于液化石油氣運輸船舶(LPG)之外，還可應用于液化天然氣運輸船舶(LNG)，浙青船、化學品船、油船等，只不過對各溫度、壓力、液位等參數的設定值不同，而且要求的傳感器測點數目不同，對設備運行工作的溫度環境要求也不同，但工作原理和整個控制系統是不變的。以上實施例僅為本發明的示例性實施例，不用于限制本發明，本發明的保護范圍由權利要求書限定。本領域技術人員可以在本發明的實質和保護范圍內，對本發明做出各種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應視為落在本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種液化氣船液貨控制系統，包括裝卸貨控制裝置，基于STM32103微處理器芯片，用于在裝卸貨過程中根據檢測到的參數自動控制深水泵和壓縮機；液位遙測裝置，基于STM32103微處理器芯片，用于檢測液罐的性能參數，當所述性能參數超過預設閾值時執行相應的預設動作，并將所述性能參數傳送給中控裝置，所述性能參數包括溫度、壓力和液位，所述執行相應的預設操作包括設備運行或停止；應急保護裝置，基于STM32103微處理器芯片，用于緊急切斷和安全保護；中控裝置，基于STM32103微處理器芯片，用于接收所述裝卸貨控制裝置、液位遙測裝置和應急保護裝置反饋的各種數據，集中監測控制。
2.根據權利要求1所述的液化氣船液貨控制系統，其特征在于，所述裝卸貨控制裝置、 液位遙測裝置、應急保護裝置和所述中控裝置之間通過CAN總線通信。
3.根據權利要求1所述的液化氣船液貨控制系統，其特征在于，所述裝卸貨控制裝置包括設在第一液罐底部的第一深井泵和設在第二液罐底部的第二深井泵，所述第一深井泵和第二深井泵分別通過穿過整個貨艙深度的不銹鋼軸與電動機連接，所述不銹鋼軸每隔固定距離設置軸承支撐，所述電動機由變頻器控制。
4.根據權利要求3所述的液化氣船液貨控制系統，其特征在于，所述第一液罐和所述第二液罐之間設有液相調撥管。
5.根據權利要求1所述的液化氣船液貨控制系統，其特征在于，所述液位遙測裝置包括高位報警裝置和高高位報警裝置，當液位處于95%高位或98%高高位時發出報警信號。
6.根據權利要求5所述的液化氣船液貨控制系統，其特征在于，所述液位遙測裝置還包括由聚四氟乙烯材料制成的浮力-位移轉換器。
7.根據權利要求1所述的液化氣船液貨控制系統，其特征在于，所述中控裝置具體包括工業計算機、STM32103微處理器芯片、深井泵控制柜和壓縮機控制柜，所述工業計算機用于集中控制所述裝卸貨控制裝置、液位遙測裝置和應急保護裝置。
全文摘要
本發明公開了一種液化氣船液貨控制系統，包括裝卸貨控制裝置，基于STM32103微處理器芯片，用于在裝卸貨過程中根據檢測到的參數自動控制深水泵和壓縮機；液位遙測裝置，基于STM32103微處理器芯片，用于檢測液罐的性能參數，當所述性能參數超過預設閾值時執行相應的預設動作，并將所述性能參數傳送給中控裝置，所述性能參數包括溫度、壓力和液位，所述執行相應的預設操作包括設備運行或停止；應急保護裝置，基于STM32103微處理器芯片，用于緊急切斷和安全保護；中控裝置，基于STM32103微處理器芯片，用于接收所述裝卸貨控制裝置、液位遙測裝置和應急保護裝置反饋的各種數據，集中監測控制。使用本發明的液化氣船液貨控制系統，完全實現對液化氣船的裝卸貨過程、航行過程進行自動控制。
文檔編號G05B19/418GK102314173SQ20111015513
公開日2012年1月11日 申請日期2011年6月10日 優先權日2011年6月10日
發明者劉金鵬, 楊澤奎, 毛小兵, 蕭春, 陳然, 黎庶 申請人:武漢富高流體控制系統工程有限公司