1、毕业论文 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 船舶排油监控系统设计与实现 学 院： 学生姓名： 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 - 船舶排油监控系统的设计与实现 摘要 环境污染造成的危害己经引起了全球各界人士的高度关注，如何减少污染并对污染进行有效的监控也成为了人们研究的重点。海洋约占地球面积的 70%,因此许多人类活动的污染物也就无意中排到了海洋 ，其中以原油污染最为严重。船舶尤其是在海上航行的油轮，由于其航行时间长，跨跃海域大，产生的洗舱水及含油压载水等含有油污的水都会排放到海洋中，造成海水污染。虽然国际海事组织通过立法来禁止船舶含油污水
2、的任意排放，但是现在许多船舶因排油监控系统的不完善以及监管上存在的漏洞，把含油污水不经任何处理直接排入海洋的现象依然广泛存在。因此设计一套相对完善符合现实国际公约要求的排油监控系统对防止海洋原油污染具有重要意义。 本课题根据 MEPC.107(49)决议、 MEPC.108(49)决议以及 GB/T 12918-2009油船排油监控系统技术条件的要求，对排油监控系统的相关部件进行了改造设计。该系统通过控制单元对船舶油份浓度、流量、船速等信号的读取以及 CPU 的分析计算，从而达到含油污水自动排放的功能，除了能进行实时控制、打印及声光报警外，还实现了 SD 卡的在线数据储存，符合了现在的新国标及
3、国际公约的要求。本文重点设计了信号采集 A/D 转换和舷外开关电路部分，完成了对排油监控系统的主要功能实现的软、硬件设计。 关键词 ： 船舶；排油监控系统；单片机； SD 卡 毕业论文 - Abstract The harm caused by environmental pollution has caused a great concern of the words people from all walks of life, how to reduce pollution and pollution monitoring effectively become the focus of t
4、he study of people. Ocean about 70 percent of the earths surface, so many human activities contaminants inadvertently discharged to the ocean, which is the most serious oil pollution. Ship is at sea tankers, due to its long journey time, leap waters, washing water and hydraulic ballast water of oil-
5、containing water will discharge to the sea, causing pollution of the sea. Although the International Maritime Organization(IMO) also introduced a variety of laws and regulations to stop the wanton discharge of ship oily wastewater, but part of the ship due to the imperfect of the oil discharge monit
6、oring equipment and monitoring measures, oily wastewater without treatment directly into the ocean phenomenon is still wide spread. Therefore, to design a line with the international conventions, the specifications of the oil discharge monitoring system for the prevention of ship oily wastewater on
7、marine pollution significance. The subject according to the latest requirements of resolution MEPC.107(49)，MEPC.108(49)resolutions and GB/T12918-2009tanker oil discharge monitoring and control systems”, devised a relatively complete set of shipping the oil discharge monitoring systems. The system by
8、 reading the signal of the ship oil concentration、speed、 flow, after the calculation of single-chip analysis, to automatically control the emissions of oily wastewater, in addition to be able to complete the monitoring data display, printing and alarm functions, but also to achieve the SD card to mo
9、nitor the data stored in line with the requirements of the new GB and international convention. This article focused on the design of signal acquisition A/D conversion and out board switch circuit part, completed the design of software and hardware to achieve the main function of the oil discharge m
10、onitoring system. Key Words： Ship； An Oil Discharge Monitoring System； SCD； SD Card 毕业论文 - 目录 摘 要 .I Abstract .II 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题研究的背景及意义 . 错误 !未定义书签。 1.2 计算机监控系统的发展及其优点 . 错误 !未定义书签。 1.2.1 计算机监控系统的发展 . 错误 !未定义书签。 1.2.2 计算机监控系统的优点 .2 1.3 排油 监控系统功能简介 .3 第 2 章 船舶排油监控系统的总体设计 .5 2.1 取样系统及油分计 .5 2.2 中央
11、控制单元 .6 2.3 船速与流量指示系统 .7 2.4舷外排放控制装置 .7 第 3 章 控制模块硬件 电路设计与实现 .9 3.1 控制模块功能简介 .9 3.2 微处理器的外围硬件电路设计 .10 3.3 A/D 转换电路设计 .11 3.4 时钟接口电路设计 .13 3.5 监控数据存储电路设计 .15 3.5.1 SD卡简介 .15 3.5.2 SD卡与 STC12CSA60S2单片机接口电路设计 . 15 3.6开关量输入输出电路设计 . 15 第 4 章 船舶排油监控系统软件设计 .16 4.1 监控系统运行流程 . 错误 !未定义书签。 4.2 监控系统初始化 . 错误 !未定
12、义书签。 4.3 样本采集与处理程序设计 . 错误 !未定义书签。 4.4 SD 卡的初始化与读写程序设计 . 错误 !未定义书签。 第 5 章 对本设计的总结和展望 .24 毕业论文 - 致谢 .25 参考文献 .26 毕业论文 - 第 1 章 绪论 1.1 课题研究背景 早期传统的监控方法是让监测员到仪表现场手动监控，这种工作方式在实际中存在着许多缺点，操作员既不能准确的知道油水的浓度，同时也不能有效的记录数据，为许多船舶偷排提供了便利。随着全球贸易量的增大，进行海洋运输的船舶数量也在不断增多，特别是原油运输船舶的大幅度 增加，而船舶在通常的营运过程中，也不可避免的直接或间接把一些含油污水
13、引入海洋环境，这对于海洋环境造成了严重的威胁。 MEPC 第 32 届会议通过了附则修正案，对船舶机舱舱底油污水的排放标准改为在任何海域油份浓度均应小于 15 l0-6(15ppm)；对货油舱油污水排放的油量瞬时排放率由 60L/n mile改为 30L/n mile。同时， 国际海事组织 (IMO)海上环境保护委员会第 49 届会议将替代原来第 33届会议通过的修订的船舶机舱舱底水防污染设备指南和技术条件有关决议。此外原来的A.586(14)决议也将被 MEPC.108(49)修订的油船排油监控系统指南和技术条件有关决议替代。这些修订的有关排油监控系统与船舶防污染技术指南对于 2005 年
14、1 月 1 日以后建造的船舶以及船舶处于类似建造的有关装置都将适用，因此对船舶操作性排放标准也有了更高的要求 1。 修订的船舶机舱舱底水防污染设备指南和技术条件对船舶设备的要求与以前相比，主要相关变化如下：（ 1）在过去 MEPC.60(33)决议中通过的有关舱底水乳化混合液处理在现实中很难做到，此次在油水性能测试中增加了测试液“ C”，即油水乳化液。在程序设计上对油水乳化液有了 重新制定，相应的测试流程图和试验台架也做了进一步优化，而对船舶燃油和蒸馏燃油的余料测试程序则依然保持不变。（ 2）为了配合试验和检查条件，对船舶的取样装置和再循环系统有了新要求。（ 3）为了保证在世界范围内乳化液“
15、C”参数的一致性，严格制定试验程序。（ 4） 15ppm 油水油份浓度的相应报警时间由之前的 20s 内减少到的 5s 内。（ 5） 15ppm油水报警装置增加了实时记录装置，以记录监控装置具体的排油时间、日期、报警状态和具体的运行状态，该记录装置应能方便官方检查的显示或打印单元。（ 6）在船舶中为了防止船员刻意篡改 15ppm 的报警装置，除了采用装置对零位恢复能力读数、零点漂移和可重复性核查外，还应对每次 15ppm 油水报警的装置拆去封条。 修订的油船排油监控系统指南和技术条件对船舶所设装置的要求和以前相比，主要变化如下 :（ 1）新的指南和技术条件中只包含一类排油监控设备，其适用于 1
16、50 总吨及以上所有船舶；（ 2）为了对油水排放有更好的控制，提高了流量计和油分计的测量精度；（ 3）排油监控设备应能利用船舶位置指示装置记录船舶位置 (经度和纬度 )，并能将速度参数更准确输入；（ 4）随着现代原油品种和规格的变化，之前按 A.586(14)决议中“地理”名称分类的方式逐步被现在的按物理特性分类所取代，从而也为全球确定了统一的试验型式，方便了官方的统一检查。 虽然国际公约以及国内法对船舶含油污水排放的相关法律进行不断补充和完善，国际海事组织也对船舶排油进行严格的监督和执法，但是如何才能有效的让船舶排油按规定排放依然是当前的一个重要课题。许多船舶因排油监控设备的不完善以及监管上
17、存在的漏洞，随意将油污水排入海洋，甚至不经过排油监控系统，在公海上偷排含油污水已经是行业公开的秘密。而造成这种现象的很大一部分原因是很多船员认为油水分离器、排油监控装置使 用麻烦、操作过程复杂或整个排油监控系统极易出现故障，影响正常工作，所以许多船舶的工作人员就不使用油水分离器或排油监控设备，从而保持完好设备等待检查。按国际公约规定，使用毕业论文 - 油水分离器或排油监控系统均要将记录填写在油类记录簿。由于目前监控系统不能实时在线监控，大多数船舶就模拟油水排放过程，把虚假的数据填在油类记录簿中，以备各国海事组织检查和防止各级环保部门的处理，因此油水分离器和排油监控设备对于防止海洋污染没有起到实
18、质应用。 油水分离器及其监控系统使用现状可概括为：元件设备复杂、系统铺设困难，但其整个运转 率不高，油水排放信息严重虚填假报，系统设备的维修保养管理不完善，船舶含油污水对海洋环境的污染仍日趋严重。 针对这种情况，有必要改进排油监控系统的整体功能，让监控更加准确、方便，而且能够监控保存记录，方便监督检查，这对于海洋环境的保护具有重要意义 2。 1.2 计算机监控系统的发展及其优点 1. 2. 1 计算机监控系统的发展 以前，人们通过电信手段或工具一级级地汇报设备的运行参数及运行状态，这样就延误了处理的最佳时机，有可能造成不可弥补的损失。有了计算机监控系统，就可以实时掌控设备运行参数及状态，可以了
19、解系统 工程以致整个行业或更大范围所发生的一切并能快速作出反应等 12。 20 世纪 50 年代中期，经典的监控理论已经发展成熟和完备，并在不少工程技术领域中得到了成功的应用。在这个基础上的发展起来的模式计算机控制系统也达到了相当完善的程度，许多元件和系统都已经形成标准化和系列化产品，对一些较复杂的多输入和多输出的参数相互耦合的系统起到了积极的作用，为控制系统的分析、设计与综合奠定了强大的基础。 20 世纪 70 年代前期出现了集中式第一代控制系统，在网络的的发展基础上称之为远程联机阶段。 70 年代到 80 年代出现了以集 中式直接数字控制系统和监督控制系统为主的二代监控系统。 80 年代中
20、期科学家打造了集散型的三代多功能监控系统，他们打破了传统的单独计算机控制，出现联合多回路控制，让计算机控制更加强大，性能更优。 此时，监控系统虽然得到了很大的发展，但随着网络技术的发展和人们对不同控制系统 要求的提高，可以说广域网和互联网的开放式控制逐渐成熟问世。在一整套的计算机监测控制系统中，以计算机控制为主体，各项监测、执行、被测对象组成。在此过程中，计算机拥有了采集处理、监督、控制等为一体的功能系统。 20 世纪 80 年代以来，随着各种不确定 因素和信息的庞大复杂化，常规计算机已不能得到有效控制，此时人们提出了全新的智能监控理论，其中以 Astrom 提出的“模糊逻辑控制、神经网络和专
21、家控制三种智能控制方法”被大多数人接受，它是集现代信息处理、人工智能控制为一体的交叉学科。计算机智能控制在各种非线性、庞大信息数据、及时反馈控制等都得到了很好的处理，在现代科学的大力发展下，得到了极好的现实应用 3。 计算机智能监控系统已成为当代主流控制系统，尤其在单片机集成大规模发展的背景下，由其控制的监控系统得到了广泛的应用。 1. 2. 2 计算机监控系统的优点 1具有优良的操作性 计算机控制系统对操作人员专业知识要求越来越低，在集成了现代计算机的汇编和高级语言后，程序的查找修改都得到了很大的改善，尤其在监控界面不断优化的情况下，人们只要对数据进行初始设置就可以得到很好的控制，在硬件设备
22、的不断优化下，让系统更加稳定，监控更简便。 毕业论文 - 2.良好的通用、扩展性 在控制系统的标准化设计中， CPU 的工作速度、电源功率、内存容量、输入输出通道等指标都留有余量，只要系统需要扩充编排都可以得到很好的应用，在很大程度上发挥了计算机的通用性和灵活性，让计算机的价值得到了更好的优化。 3.可靠性 目前计算机生产控制采用集散控制系统，是以多台微处理器为核心的基本控制器分别控制被控对象，而上一级计算机则进行监督和管理。这种分散系统可使故障对整个系统的影响至最少，从而大大提高了系统的可靠性。同时随着系统的精度、速度、控制装置的体积合理度等不断的提高，系统可靠性得到进一步加强。 4.实时性
23、 计算机在工业控制中，对内部和外部的事件能及时响应，并能做出相应的处理，不丢失信息、不延误操作。对于随机事件，系统设置中断，并根据故障的轻重缓急，预先分配中断级别，一旦事故发生，保证优先处理紧急故障。因此，系统 的在线实时分析让计算机的控制得到了很好的稳定性。 1.3 排油监控系统功能简介 本文根据 MEPC.107(49)决议通过的修订的船舶机舱舱底水防污染设备指南和技术条件和 MEPC.108(49)决议通过的修订的油船排油监控系统指南和技术条件中对船舶排油监控 的要求来设计，把测量传感器输送的模拟信号通过数据采集和处理单元转化为数字信号，经过计算分析，与原先设定的信号进行分析比较来决定是
24、否排放含油污水，并能对超限的发出报警信号 4。本系统的主要结构单元有： (1)A/D 转换模块 在本设计中，把速 度传感器、油份浓度计等模拟量信号通过电流电压转换电路使其转化为 0 5V 的电压信号，其中把模拟量电流信号均假设为 4 20mA，然后把相应的电压信号送入A/D 模块转换为数字信号，交由单片机计算分析。本文选用的 CPU 是新一代的 STCI2CSA60S2单片机，它具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，同时相关指令完全兼容传统 8051，其自带 8 路模拟输入端口，地址线可以精确分配 A/D 转换，只要 P1ASF 特殊功能寄存器置为“ 1”，相应的 I/O 口就能以 250K/s
25、 的速度转设为 A/D 口，不需要专门的 A/D 转换芯片，从而减少了元 件使用量，简化了硬件电路设计，对系统的整体可靠性有了更好的保障。 (2)CPU 模块 CPU 模块把采集的数据与预先设定的相关参数进行分析计算，然后根据不同情况做出相关决策。根据 73/78 防污公约规定，船舶的排油监控系统必须时刻监督含油压载水和舱底水的状况，含油污水排放浓度应小于 15ppm，瞬间的油水排放应小于 30L/n mile,每次的排油总量不得超过上次载油总量（ T）的 1/30000。 瞬时排放率公式计算为 : C=(Q m)/V 10-3 式中 :C-瞬时排放率 (L/n mile)； Q 一含油污水排
26、放流量 ( 3/mh) ； m 一油份浓度 (ppm)； V-船舶航行速度 (n mile/h)； 排油总量公式计算为 : 30 ( ) 1 0ittL Q m t 式中 :L 一排油总量 (L)； 毕业论文 - t 一含油污水排放的累积时间 (h)； itimt时刻污水排放的油份浓度 (mg/L)； itiQt时刻排出的含油污水流量 ( 3m )； (3)监控数据存储及打印模块 按照国标和国际公约，排油监控系统需要记录存储并打印数据表格，这些数据包括油份浓度、瞬时含油量、排油总量等，此模块将采用微型数字打印机和 SD 卡来完成，通过先进的电子格式化打印和快速存储来有效的管理并记录数据。 (4
27、)其他功能模块 除了上述功能模块外，系统还包括时钟模块、显示模块等，通过对 LCD 实时显示，以及DS1302 时钟芯片提供的准确时钟信号，来有效的增强排油监控系统 的准确性，让监控更加方便。 第 2 章 船舶排油监控系统的总体设计 船舶排油监控系统的主要功能是专门监测与控制含油压载水、洗舱水以及舱底油污水在排放时的相关参数，通过控制模块计算分析含油浓度、瞬间排放率等参数，以此来决定舷外毕业论文 - 排放阀对油污水排放的开关 5。整体监控系统主要由取样系统和油分计、流量计、控制模块、船速测量模块等组成，它将对船舶的含油压载水、舱底污水等实时进行取样、分析、记录，如果满足各项要求则打开控制阀排入
28、海中，否则关闭，图 2.1 为排油监控系统总 体结构框图。 取样泵 流量计 控制模块 船速测量模块 油份浓度计 取样探针 控制阀 图 2.1 排油监控总体结构框图 2.1取样系统和油分计 (1)取样系统 要实现对含油污水中油份浓度的实时监控，必须经过取样系统把排油总管取出的油水样本输入到油份浓度计测量单元，取样系统由检测分析模块、取样泵、取样探针、转换模块和光导纤维所组成。 在本课题中取样系统将选取排油总管上具有代表性的油污水样本输入到油份浓度计的转换单元（光学测量室），把油份浓度信号转换为电平信号，相关数据通过光导纤维输入到采集模块，完成整体取样过程，最后把样本污水通过管道回 路送回油水舱。
29、根据相关公约要求，船舶排放含油污水、压载水以及含油舱底水的舷侧排放口不应低与水线，取样系统选取的样本污水采集点位置应符合舷外排出口的相关规定，取样探针和管路通道的材料应具有耐油、耐腐蚀、防火等特点，反应时间应不超过 20s。取样系统的探针、油分计和管系在取样过程中极易被污染，因此一般需自带永久清水冲洗装置来保证被测油份浓度的准确性，同时取样管道在选取时应尽量采用 不锈钢材料。为保障系统的安全，取样探针和管路都应有相应的连接和支撑，每处设置取样探针的地方都应安装一个截止阀，如果货物管道处设置取样探针 ，则应设置两个串联式截止阀，其中一个可以是选择遥控阀 。取样探针应尽可能位于便于拆装的排放管路的垂直位置，当安装在排放管路水平位置时，应时刻确保管路的液体处于饱和状态，取样探针的合理位置应位于管路直径的 1/4 处，油分计和取样探头之间的输送管路应足够短，以减少反应时间。取样泵的下游或可等效的主管机关处一般设置一个阀门，在油分计入口处进行手动取样。对于返回的取样水，在装有惰性气体的含油水舱的船舶中，应通过一定高度的 U 型水封管，其它的船舶则不允许自由流入污油水舱。 为了保障整个系统测量数据的准确性，对于取样系统和油 分计所组成的检测单元应进行定时清洗，经过时间继电器的定时，冲洗水泵将每 3 分钟对检测单元进行冲洗一次。 (2)油分计
