浮船坞监控系统挠度参数设计

1、浮船坞监控系统挠度参数设计摘 要： 海上修船平台浮船坞是一种依靠自身底部各水箱内水位高度来控 制其浮沉的修船平台。 它为大中型船只的正常运行提供了可靠的保证， 是修船业 的必备工具之一。据资料显示，我国有望在 2015-2020 年间成为世界第一造船 大国，这表明我国的修船业有巨大的发展前景， 开发功能齐全的浮船坞参数监控 系统已迫在眉睫。 本次设计任务是为浮船坞的挠度参数提供一个监控系统， 能够 实时监控浮船坞各在运行过程中船坞甲板挠度参数的变化， 实现浮船坞工作时自 动升降。要实现对挠度参数的实时监控， 首先我们需要建立挠度参数的数学模型。 根据建立的数学模型， 选择相应器件， 设计出合理

2、的硬件结构以实现对参数的监 控。在本次设计中，我们选择了 1151DP 型变送器， ADLink 公司的 PCI9113A 数据采集卡， 工业 PC 机作为主机。软件方面，我选用了 VC+ 开发平台，对 程序进行了分模块的设计。包括采样模块，挠度显示模块，报警模块等。经过调 试和测试，该系统能满足设计要求，对浮船坞的安全生产有重要的意义。 关键词： 浮船坞； 监控系统； 挠度Abstract ：Marine ship repair platform - is a floating dock at the bottom of the tank on their own to control th

3、e water level rise and fall of the repair of its platform. It is the normal operation of medium and large vessels provide a reliable guarantee is an essential tool for ship repair industry. According to statistics, China is expected between 2015-2020 as the world's largest shipbuilding country,

4、which indicates that China's ship repair industry has great prospects for development, development of fully functional parameters of the floating dock monitoring system is imminent. This design task is the deflection parameter for the floating dock to provide a monitoring system capable of real-

5、time monitoring floating dock in the shipyard during the operation of deck deflection parameter changes, to achieve automatic movements when floating dock is working. To achieve real-time monitoring of the deflection parameters, first we need to build a mathematical model of deflection parameters. A

6、ccording to the mathematical model, select the appropriate device, the hardware design and reasonablestructure to the parameter of the monitor. In this design, we chose 1151DP Pressure Transmitter, ADLink company PCI9113A data acquisition cards, industrial PC, as the host. Software, I use the VC + +

7、 development platform for process sub-module design. Including the sampling module, deflection display module, alarm module. Through the debugging and testing, the system can meet the design requirements, safety on the floating dock has an important significance. Keywords: floating dock; monitoring

8、system; flexibility目录摘 要 0Abstract 1第 1 章 绪论 41.1 航运发展介绍 41 2修船业的发展概况 51.3 数字化港口及其建设状况 6第 2 章浮船坞及其发展 92.1 浮船坞在修船业的功能与地位 92.2 浮船坞的工作过程 92.3 本课题目的与意义 102.4 本课题的主要任务 10第 3 章 纵横倾参数数学模型分析 113.1 浮船坞需要监测参数分析与建模 113.2 压载水仓的控制分析 12第 4 章挠度参数监控系统总体设计 154.1 浮船坞监控系统的硬件组成 154.2 传感器的选择 164.3 数据采集卡的选择 184.4 系统主机的选择

9、 204.5 浮船坞监控系统模块设计 214.5.1 采样模块 214.5.2 报警模块 214.5.3 显示模块 22第 5 章监控系统软件设计 235.1 系统开发平台及开发工具的选择 235.2 软件结构与流程图 235.3 数据采集卡的驱动程序设计及数据采集程序设计 255.3.1 PCI-9113 硬件参数介绍 25第2页（共 51页）5.3.2 数据采集卡的驱动程序设计 265.3.3 数据采集软件程序设计 275.4数据存储模块的软件设计 295.5 数据处理模块的软件设计 315.5.1 挠度的数学计算分析 315.5.2 数据处理模块的软件实现 335.6 异常报警模块软件设

10、计 44第 6 章总结 47参考文献 49第 1 章 绪论1.1 航运发展介绍我国的航运分为内河航运、 沿海航运和远洋航运。 判断航运发展情况的标准 就是港口的发展状况。根据交通部制定的“十五”规划要求， 我国港口建设进展顺利。 “十五”计 划实施的前三年，我国沿海港口新建增加深水泊位 111个、中小泊位 41 个，形 成通过能力 2.8 亿吨。同时， 通过技术改造， 沿海港口净增通过能力 1.05 亿吨， 其中改造形成集装箱通过能力 945 万标箱。我国沿海港口基本形成三大港口群： 北方形成了以大连港、天津港、青岛港为中心港口，营口港、秦皇岛港、烟台港 为辅助性港口的环渤海港口群； 中部形成

11、了以上海港为中心， 宁波港、连云港港、 南通港、张家港港为辅助性港口的长江三角洲港口群； 南部形成了以香港港、 广 州港、深圳港为中心的珠江三角洲港口群。今年 4 月份，我国港口生产形势依然保持积极回升的态势。 港口生产经营情 况良好，货物吞吐量、外贸吞吐量、集装箱吞吐量等主要指标同比较快增长。港口货物吞吐量继续增长14 月份，全国规模以上港口完成货物吞吐量 247934万吨，同比增长 20.2%。 其中沿海港口完成 173198 万吨，同比增长 21%；内河港口完成 74736 万吨，同 比增长 18.6%。4 月份，全国规模以上港口完成货物吞吐量 65626万吨，其中沿 海港口完成 452

12、21 万吨，内河港口完成 20405 万吨。旅客吞吐量同比下降14 月份，全国规模以上港口完成旅客吞吐量 2950 万人次，同比下降 18.5%。 其中沿海港口完成 2192 万人次，同比下降 13.6%；内河港口完成 757 万人次， 同比下降 30%。4月份，全国规模以上港口完成旅客吞吐量 739 万人次。其中沿 海港口完成 578 万人次，内河港口完成 161万人次。外贸货物吞吐量继续较快增长14 月份，全国规模以上港口完成外贸货物吞吐量 80851 万吨，同比增长 27.2%。其中沿海港口完成 74023 万吨，同比增长 27.8%；内河港口完成 6828万 吨，同比增长 20.7%。

13、4 月份，全国规模以上港口完成外贸货物吞吐量 20653 万吨。其中沿海港口完成 18831万吨，内河港口完成 1822 万吨。 国际集装箱吞吐量保持较快增长14月份，全国规模以上港口完成国际标准集装箱吞吐量4368.06万TEU同比增长22.4%。其中，沿海港口完成3941.96万TEU同比增长22.1%;内河港 口完成426.10万TEU同比增长26% 4月份，全国规模以上港口完成国际标准 集装箱吞吐量1162.85万TEU其中沿海港口完成1048.28万TEU内河港口完成 114.57 万TEU1 2 修船业的发展概况金融危机引发的国际航运业萧条， 直接对我国修船业造成冲击， 特别是以承

14、 修外轮为主的企业受到的冲击更大。 从今年上半年的统计数据看， 我国修船企业 整体上表现为修船数量未减少，修船产值却大幅下降，同比平均降幅约30。但分析近期的市场形势，一些积极的因素已经显现出来，对此，我认为，修船企 业应积极采取措施，健全风险防范机制，尽量收窄近期的业绩下滑幅度。进人 2009 年后，修船市场仍在低谷徘徊，这给我国修船企业带来 巨大挑战。 从上半年主要企业的业绩表现来看， 基本可以分为三类。 第一类是业 绩增长或产值降幅较小的企业。 如，山海关船舶重工有限公司上半年完成修船产 值 1 亿元，同比增长 28%，修理船舶 93 艘，油船单改双任务排到 2010 年上半年。 此外，

15、友联船厂（蛇口）有限公司完成产值 10.06 亿元，同比下降 5.6%;中船 澄西船舶修造有限公司完成产值 11.34 亿元，同比下降 8.25%;上海船厂船舶有 限公司完成产值 2.83 亿元，同比下降 9.18。第二类企业表现居中，如北海船 舶重工有限公司完成修船产值 5.87 亿元，同比下降 24.6%，修理船舶 82艘，同 比增加 5艘;中海工业公司完成产值 9.2 亿元，同比下降 29。第三类企业产 值下降幅度较大，在 40左右。那么，修船业未来的发展形势将会怎样？这成为业界普遍关心的问 题。我认为，修船业下一步仍存在着很大的机遇。首先，国际航运业将逐渐走出 萧条。上半年，鹿特丹港和

16、安特卫普港集装箱吞吐量同比分别下降15和1 8 . 5 。但是，这两大港口负责人均认为，国际集装箱运输已经触底，干散货运 输也将逐渐回暖。其次，船东将老旧船舶送去拆解的势头有所放缓。上半年，世 界拆船量达到 1434万轻吨， 2008年11月至 2009年5月，全球平均月拆船量为 270 万轻吨，但 6、7 月份拆船量分别降至 145万轻吨和 153 万轻吨。这表明， 船东正在观望，等待航运业的复苏。而在我国， 25 年以上船龄的船舶占到总运 力的 35%，但多数船东并不愿尽早将其送去拆解， 这也给我国修船企业带来机遇。另据了解， 欧、美航运公司目前有大量船舶急需进厂修理 但由于 船东手中现金

17、不足， 维修计划不得不一再推迟。 可以预见，航运业一旦出现转机， 我国以承修外轮为主的大中型企业将受益匪浅。 我认为，我国修船企业当前应适 时对产品结构、 产业结构、产能结构进行调整和升级， 对现有资源进行重新整合， 尽量做到挖潜改造、物尽其用。笔者了解到，目前，山船重工小坞扩建后改作造 船，新落成的 30 万吨造船坞今年将先期用于修船；广州船坞两个小坞扩建后将 用于造工程船，舟山金海重工修船设施均用于造船，北海船舶重工、中船澄西、 中海工业则实现了修造并举，中远船务实行海工装备、修船、改装、造船并举。 随着一系列产能结构和产品结构调整措施的实行， 我国修船业挺过危机、 走出低 谷的日子将不再

18、遥远。国外船坞动态参数监控系统在制船业和大型轮船维修中应用比较广泛船坞 动态参数监控系统又以浮箱式闸门为典型。 外委内瑞拉古里水电站和英国帕克尔 水电站的溢洪道检修门， 美国麻雀点和布勒默顿船坞的船坞工作门都采用。 但目 前国外浮箱式闸门最具代表性的应用是荷兰新沃特伟赫河上的阻浪闸工程。 1991 年，荷兰同家交通、 公共设施和水利部在通过缜密的可行性调查和严格的技术和 经济可行性论证之后，批准在荷兰角附近的新沃特伟赫河上建造可活动阻浪闸。 设计闸门仅在高水位时合拢，合拢次数预计为平均每 10 年一次或两次。基本要 求是在有洪水威胁时，闸门应保证降低鹿廉特丹地区水位1.6m，降低多德赫特地区0

19、.6m，从而缓和对鹿特丹地区堤坝高度的要求。1.3 数字化港口及其建设状况港口信息化、数字化是指在生产、 流通及服务等各项企业活动中充分利用现 代信息技术、资源和环境 , 通过信息资源的深入开发和广泛利用，逐步提高港口 集约化经营程度 , 不断提高生产、经营、管理、决策的效率和水平，进而提高港 口经济效益和企业竞争力的过程。港口信息化建设是企业的一场革命， 是带动企业各项工作创新和升级的突破 口。信息化以信息产业在国民经济中的比重， 信息技术在传统产业中的应用程度 和国家信息基础设施建设水平为主要标志。江泽民在十六大报告中明确提出 “信息化是我国加快实现工业化和现代化的 必然选择。坚持以信息化

20、带动工业化，以工业化促进信息化”的观点。港口进行信息化建设的目的是降低可控成本， 提高管理水平，增加企业效益， 增强港口的核心竞争力。港口集装箱作业看似简单， 实际上却牵涉到船舶进出港、 集装箱装卸、 集装 箱运输、大型装卸机械控制、堆场计划、作业进度控制等一系列环节。从一个集 装箱入港，到下船、运输、落场存放、最终再运输上船，整个业务流程伴随产生 的数据多达几十条， 而每天需要处理的数据记录更高达数万条。 在如此之大的数 据量面前，再像以前那样采用完全手工管理的方式，显然不太现实。因此，加快 与完善港口信息化、数字化建设 , 强化企业管理就显的尤为重要。数字化建设实 现了对所有码头作业资源的

21、合理配置， 也直接带来了码头生产能力和经济效益的 大幅提升。获得 2004 年度天津市科技进步二等奖的“集装箱网络自动化操作管理系 统”，由天津港集装箱码头有限公司研究开发， 这套系统还包括计算机网络系统、 无线数据通讯系统、 无线视频监控系统、 集装箱码头操作管理系统等， 集合了计 算机、网络、无线、信息处理等高新技术，并按照地区集装箱运输环境特点，对 码头业务流程进行重组，成功开发了 EDI、海关放行等多种接口软件，实现了码 头双箱作业、无线混频通讯、无线视频监控、高精度实时定位等多种功能，使天 津港成为国际上为数不多的采用双箱作业工艺， 并能实现生产过程可视可控的港 口之一。天津港集装箱

22、码头实行数字化管理后， 船舶装卸效率较过去提高了 15%， 6000 箱大船在港时间不超过 24 小时，对外服务水平、货运质量大幅度提升，港 口与船公司、 海关、 代理之间的信息环境得到有效改善， 不仅对促进天津港集装 箱运输发展发挥了积极的作用， 其完善的管理模式、 先进的系统构架也已经被国 内港口同行业借鉴，具有较高的应用和推广价值。随着国家经济建设的发展， 近年来港口业务发展迅速， 无论是内陆港， 还是 进出口港都对港口业务建设的数字化提出了越来越高的要求， 数字化港口是港口 业务发展的方向。港口、码头及货场，由于大型吊车，运输道路和货物通道不能 敷设电缆， 使用步话机报告货位和货号极易

23、产生差错， 而通过无线局域网络可以 第7页（共 51页）把货物情况和资料直接传输到计算机中进行处理， 大大提高了工作效率和服务质 量，避免了不必要的差错。 码头因为复杂的地理位置和特殊功能造成了传统网 络利用上的不便。 而无线局域网具有高移动性、 强保密性、 抗干扰性和架设与维 护便捷等特点， 其中支持移动计算是无线局域网与有线网络的最大区别。 在位置 变动频繁、成长快速、各类突发性事件，以及不方便铺设有线网络的情况下，用 无线局域网解决问题是最明智的方法。2005 年年上海口岸电子单证日均传输量达 14.2 万份，同比增长 109，占 全口岸单证量 7 成以上；上海口岸税费电子化支付 570

24、 亿元，同比增长 45， 支付比例占总额一半。这标志着上海国际航运中心正迅速实现“全数字”通关。第 2 章 浮船坞及其发展2.1 浮船坞在修船业的功能与地位浮船坞对大、中型船舶维修企业而言 , 是其必不可少的主要基础设施之一， 它是船舶维修的海上浮动平台。 它必须具有大型船舶的基本航海性能， 包括浮性、 稳性、不沉性等； 浮船坞的下潜和浮起是通过对一个或多个单独水舱的注、 排水 来进行的，因此水舱的设计、建造、布置具有一定的复杂性；其上的主要机械设 备及辅助机械设备， 相对于干船坞而言更加复杂。 这些设备不仅要保证待修船舶 的安全入坞，还要保证浮船坞自身的安全；且使用、管理、维护也更加复杂。一

25、 般的浮船坞的设备组成由其使命任务、 自持力程度、 工作环境和船坞的结构特点 决定。包括有注（排）水系统、空气（注）排和测量系统、船用装置、船用系统、 动力装置、 工艺设备和其它专门设备。 因为有了浮船坞， 才保证了大中型船只的 正常工作。2.2 浮船坞的工作过程浮船坞是可以在水上沉浮和移动的船坞。 两端可以敞开， 横截面呈槽型的箱 式结构。坞体是由坞墙、坞底组成，并配备必要的修船和造船的设施。浮船坞中 央监控装置具有测量、遥控、监测和报警多种功能，如对浮船坞挠度变形监测、 四角吃水和纵横倾监测、 压载水舱液位测量及对压载阀和排水泵的遥控等。 此外， 通过对浮船坞的各水密舱的充水和排水， 实现

26、船坞的上浮与下沉， 从而将修理船 舶托出水面或沉人水中。船舶要修时，进入浮船坞，其方法是：先在浮船坞水舱 内灌水，使浮船坞下沉至坞内水深满足进坞船只吃水要求时， 用设在坞墙顶上的 绞车将待修船牵引进坞。同时，将待修船舶对准中心轴线后，四面系缆固定。然 后，抽去浮船坞水舱内的水。此时，使船坞上浮，直至坞底板顶面露出水面。这 样，待修船舶也随着坞底板露出水面。于是，便可开始船舶修理工作。我国也建 有很多浮船坞，如 3000 吨级的“越秀山”浮船坞， 10 万吨级的“飞龙山”浮船 坞，30 万吨级的“中海峨眉山”浮船坞等。2.3 本课题目的与意义浮船坞的上浮和下沉控制， 以往都是由操作人员根据各水舱

27、的液位和浮船坞 左右舷首中尾六点吃水情况，人工调节各水舱的支管阀和进口和出口阀的开度， 调整各水舱的水量， 使浮船坞能够平稳地浮沉。 近几年， 越来越多的废钢船被改 建成浮船坞，其成本低，建造周期短，但水舱分布不如新浮船坞，给沉浮操作增 加了难度。 随着计算机技术和自动化技术的不断发展， 研制浮船坞自动沉浮控制 系统已经非常迫切。 所以，我们就必须先开发出一种能够对浮船坞各参数进行实 时监控的系统，这就是本次设计的目的与意义。2.4 本课题的主要任务本次设计任务旨在开发一种船坞的动态参数监控系统， 对船坞的挠度参数进 行实时有效地监测， 并能够进行超限声光报警。 该系统进行传刚起的选型设计和

28、工业板卡的选型， 从系统的角度对监测结构进行分析和设计， 并设计出驱动程序 和监控软件。 功过现场操作人员能够根据系统所显示的内容进行相应的处理， 并 能够对压载水箱进行控制， 而且实时监控船坞甲板的变形量， 超限报警， 保障了 浮船坞的安全生产。通过该系统的设计加深学生对机电系统测控技术、 传感器原理、 工业测控系 统以及软件编程等知识的理解和应用， 锻炼学生在设计中全面运用所学的工业测 设与控制原理、可视化语言编程等方面的能力。第3章纵横倾参数数学模型分析3.1浮船坞需要监测参数分析与建模在船坞的内壁左右两侧布置一根水管， 每根水管中安装5个压力传感器，每 个传感器之间的距离应该相等，当船

29、体没有发生变形时，各压力传感器输出的值 应该相同，挠度为零，这是理想的情况。但在船坞工作过程中不可能完全做到这 一点，于是便产生了挠度。挠度的测量原理是（如图3.1所示），在船甲板上的密封箱中安装若干个压 差型变送器，并将其零点调准；在左右坞墙内侧壁上分别固定安装两水平管， 并 用横道使其连通，在两水平管上各垂直连接若干根支管， 管中盛装有一定高度的 清水；在各支管上取一出水口分别用柔性导压管与固定在抬船甲板上的各变送器 的高压侧入口接通。11订1 JLJ亠n r a图3.1测点布置示意图上图中，1为坞墙；2位水管；3为软管；4为变送器；5为抬船甲板而挠度的产生（如图3.2所示）以首尾两测点的

30、水位连线为基准，中间各测 点的水位与该直线相应点有一相对高差 h （水位差），而（himax- himin ）即为船 坞的挠度。图3.2各测点水位差由于五根传感器是均匀的分布在同一水管内的，故当船体处于平衡状态下， 工作曲线要变形。这个时候船体虽然发生了倾斜，但船未发生变形，挠度值仍然 为零。而实际工作曲线可能为几个值，而值中最大的就是该船最大的挠度量。 对 于一条具体的船来说，在船的主要尺度的等确定后，该船的最大挠度就确定了， 这个就是该船的极限指标。挠度模型根据计算机检测到的船坞甲板两边均匀分布的各 5个点的压力值 进行计算，分析各点的压力是否相等或相差多少， 以此作为挠度也就是船坞甲板

31、弯曲变形的依据。设船坞挠度的压差变送器检测的值分别为 Ll,L2,L3,L4,L5,Rl,R2,R3,R4,R5分别 代表船坞左右舷各5个点的压力值，应用拉格朗日差值公式n=工矗W）k=0其中应用已知的10个点计算出该船坞挠度曲线的数学模型， 式中yk为计算机检 测到的值，Xk,刃为船坞甲板上分布传感器的实际距离。3.2压载水仓的控制分析浮船坞上的压载舱位于船坞的底部，舱的高度一般不高于5m ,数量视船坞排 水量大小而定，每个压载舱的底部开一个排水口 ，各排水口上装一只闸阀，左右舷 各半的压载舱通过总管道汇入各自的排水泵旁。当排水泵开启向外抽水时 ，船坞 开始上浮；当打开进口阀门压载舱进水时，

32、船坞开始下沉。第12页（共51页）原有系统在测量水位时 ,只装了一根测量深度的传感器 , 将其信号引出到测量仪 表, 读出仪表指示数值即为实际水位高度。由于压载舱高度有限, 当压载舱开始进水时,水位高度低于该限定值， 当船坞下沉深度超过该限定值时 ,仪表指示值就 不准了。这是因压载舱中水装满后 , 水会通过排气孔上溢至外部水面高度 , 实际测 出的高度与外部水面高度是一样的 , 不能代表压载舱中实际的水位高度。另外由 于每根液位传感器是利用差压原理进行测量的 , 它的参考压力是外部大气压 , 当 外部大气压发生变化或波动时 ,尽管压载舱中水位未变 , 但仪表指示值已经发生 变化,显然这种测量方

33、法存在缺陷。 为了解决这个难题 ,我们在压载器 , 将这两根 传感器感应的信号同时引至测量仪表 , 利用两根传感器测量差值指示读数 ,这样, 无论船坞下沉至何深度 , 仪表指示值总是正确的。 这种方法称之为差压测量法 ,原理分析如下:, 测量仪表的读数是由下部传感器感 应的信号值减去上部传感器感应的信号值再进行标度变换后得出的。 设压载舱中 水位高度为 H , 下部传感器感应的信号为 PD ,上部传感器感应的信号为 PU ,空 气压力为P0 ,标度值为K ,那么水位高度H = ( ( PD - P0) - ( PU - P0) ) K 即 H = ( PD - PU) K (2)由于两根传器的

34、通气孔是随电缆引至测量仪表 的, 故两个传感器的参考压力是一样的 , 当外界气压发生变化时 , 两个传感器的参 考压力也同时发生相应的变化 ,对测量结果几乎不产生影响。 证明如下,设外界气 压由于某种原因产生了一个压力增量厶P ,将其代入公式(1)得H = ( ( PD- ( P0+ P) ) - ( PU - ( P0 + P) ) K 即 H = ( PD - PU) K (3)从以上推导可以看出,公式(3) 与公式(2) 完全相等,也就是说压载舱中水位高度 H 与外 界参考气压P0大小无关，与参考压力的变化 P也无关，只与两根传感器敏感 出来的信号大小有关。根据这一原理 , 就能准确地测

35、量出各压载舱中的水位高度。在“长兴”号浮 船坞上 , 共有 24 个压载舱 , 由于每个压载舱顶部出气口的位置基本是在同一平 面上,因此,只要在一个舱内安装上下两根传感器 ,其余的舱全部在底部安装一根 传感器 , 然后将所有传感器的电缆引至同一测量仪表 , 这样各个传感器的参考压 力点就处于同一位置。用多路电子开关切换方式测出各舱的底部传感器的信号 PD ( n) 和一个舱顶部传感器的信号 PU ,然后分别将各舱传感器的信号减去 PU 再乘以标度值 K , 就可以得出各压载舱的水位高度。由于船坞中央控制系统对本测量装置要求较高， 因此本装置必须符合以下基 本条件：1）能准确测量24个压载舱的水

36、位高度并在显示器上显示出来。 能对各测点的报警值进行检查与修改。2）对各测量点的变化具有快速反应能力。3）具备与主机交换信息的能力，使主机与本机的显示内容同步。4）必须具备掉电保持功能。5）在任何情况下，不允许出现死机现象，因此本装置必须设有“看门狗”电路来避免这一现象。第4章挠度参数监控系统总体设计4.1 浮船坞监控系统的硬件组成浮船坞监控系统硬件系统的设计，主要从技术要求、工作状况、后续扩展、 开发方便、减小噪声等方面来考虑。根据技术要求，确定模拟采样点的个数（10个。模拟信号是由1151DP型压差变送器，经DEF 2100型双隔离配电器送至接 口板PCI-9113A，其信号为15V电压对

37、应水位差为02m结合船坞的实际工作过程，主要是在船只进坞和出坞的情况下，即就是在浮 船坞下沉和上浮的过程中，其工作参数的监测是十分重要的。如果没有有效的监 测措施，就不能根据船坞的倾斜状态和坞体变形状态来正确控制各个水舱的进出 水，从而使船舶进出船坞受到严重影响，降低了工作效率，还会导致船坞长度或宽度方向的应力不均，产生安全事故。以往的浮船坞的浮沉过程都是操作人员根 据各水舱的液位及船坞左右舷的首中尾六点的吃水情况进行判断和控制的，因此本研究的目的主要是对船坞的挠度参数进行实时监测，开发出一套船坞挠度的监测系统，用于对船坞进行监测和控制，根据参数指导船坞操作人员进行压载水舱 的进水和排水操作，

38、并且进行超限报警。船坞挠度的监测系统的硬件结构图如图 4.1所示。工业控制计算机數据采-集卡双爲离需Lt压差变送器I双隔离器皿2压力变送器H图4.1系统结构图4.2 传感器的选择在选择传感器前，我们需要了解浮船坞传感器检测点的分布。如下图4.2所示是浮船坞传感器检测点分布图：左坞墙X1 nX2 nX3X4X5 n浮船甲板右坞墙图4.2浮船坞浮态检测点分布图我们选用的是DEP-2100型配电器，它是DDZ型的电动单元组合仪表的一个单元，它的设置为现场的变送器提供一个隔离电源，同时又将变送器4-20mA直流信号转换成与之隔离的1-5vDC直流信号，实现变送器、二次仪表、电源之 间的双向隔离。主要的

39、技术特性：精度：土 0.2% （精度是指输入电流与输出电压转换线形度）输入信号：420mADC输出信号：15vDC（或420MAD做辅助信号）输入通道：2个负载电阻：w 500Q （在输出15VDC言号时）环境温度：040C相对湿度：10%85% 电源电压：24V.DC土 5% 工作振动：w 25HZ全振幅w 0.1MM 外磁场：不大于400A/M配电电压：18.528.5vDC （对应 420MADf 消耗功率：2.5W重量：2公斤外型尺寸：44*175*360M M （宽*高*深）1151DP型变送器的工作原理图见图 4.3信号A :振荡控制放大器B :电流控制放大器图4.3 1151DP

40、型变送器电气原理框图在使用并安使用时应注意：导压管是流程取压口和变送器之间的连接管， 它必须把取压口处的压力传给 变送器，在传输压力的过程中，引起误差的原因可能有：1）管路泄露2）摩擦损失（特别是在使用洁-净剂时）3）液体管路中存在的空气（压头误差）4）气体管路中积累的液体（压头误差）采用下列方法可以减小误差：1）导压管应尽可能的短些，2）在测量液体或蒸汽时，导压管应以不小于 1： 12的倾斜度，从变送器向上一 直接到工艺管道。3）在测量空气的时候导压管应以不小于 1： 12的倾斜度，从变送器向下连接到 流程管道。4）液体导压管路的布设应避免高点，气体导压管的布设应避免低点。5）为了避免摩擦的

41、影响，应采用足够大口径的导压管。6）要保证液体导压管中不存在空气。7）在高压测量时，要保证导压管有足够大的耐压强度。信号端子设置在电器盒的一个单独舱室里， 在接线时，可以拧下铭牌上标有 “端子侧”（terminal side ）的那一边的表盖，上面的端子是信号端子，下面的 端子是测试或指示表连接端子， 测试端子上的电流和信号线上的电流一样， 都是 420 毫安，的直流，因此，可用来连接指示表头或供测试端用，电源通过信号 线连接到变送器，不需要再加其他的接线。千万不要将电源 - 信号线接到测试端 子。否则电源将会烧坏连接在测试端上的一只二极管，如果二极管万一被烧坏， 可将两测试端子短接，变送器便

42、可以正常工作。信号线不需要屏蔽， 但采用胶合线效果最佳， 信号线不要与其他的电源线一 起穿金属管或放在同一明线槽中，也不要在强电设备附近通过。变送器电器盒上的穿线孔， 应当密封或者堵住， 以避免电器壳内潮气的积累。 如果穿线孔不密封，在安装的时候，应使穿线孔朝下，以便容易排除液体。信号线可以浮空或者在信号回路中的任何一点接地， 变送器外壳可以不接地 或者接地，电源不一定要稳压，即使电源有 1V 的峰值的波纹，对输出信号的影 响几乎可以不计。因为变送器通过电容耦合接地，所以检查绝缘电阻时，不能用高压兆欧表，电路检查应采用不大于100V的电压。变送器的最大输出电流不超过 30mA DC4.3 数据

43、采集卡的选择选择一款合适的数据采集卡，应该从以下几个方面来考虑： 第一步，选择接口方式。数据采集卡的接口方式是指该卡与 PC连接的总线方式，或者该卡提供的接 口方式。常见的接口方式有 PCI, Compact PCI,USB, PCMCIA,CAN, 无线，网卡； 还有较老式的方式如串口 UART/LPT/SP，并口 COM ISA/EISA，PC/AT从数据传输可靠和速度角度考虑， 首选 PCI 总线接口方式。 在工业领域， 为 了达到99.9999999%的数据可靠性，需要选择 Compact PCI总线接口方式，常有 3U和5U两种物理形式。USB总线由于支持即插即用，传输速度快，携带方

44、便等优点，成为未来的发 展方向。PCMCIA1便携式电脑和设备中的标准接口 ，所以有一定的市场。无线技术的飞速发展 , 数据传输速度不断发展 , 给数据采集卡提供了更加方 便快捷的 移 动传输 方 式. 通常 的 传输 协 议有 : 红 外 IRDA, 蓝牙，BLUET00TH,NFC,GPRS,WLAN,3G,H等PDA GPRS式传输现在有很大的市场第二步，确定输入和输出指标。 这些指标有输入和输出的模拟量精度和速率 , 输入和输出的数字量电平和要 求,输入和输出的数字传输协议方式。模拟量米样有咼精度和咼速率两个方向，有的将二者结合起来，属于较咼的 要求。数字量有TTL,CMOS咼压电平等

45、,特殊场合,需要光电隔离,ESD,EMI保护。传 输协议通常为UART也有并行方式。第三步，选择接口协议处理器。 如果你的数据米集卡不需要处理器就能够满足要求,你可以现在动手设计了。否则 , 继续努力 !接下来考虑的是接口协议处理器 .PCI, USB, PCMCIA,CAN, 网卡都有专门的 接口芯片当然你也可以选择FPGA加上软件协议IP核,同样能实现你的目标,但 是难度很大 .第四步，选择米集卡处理器。对于功能强大的数据米集卡 , 你需要选择专用的处理器来预处理米集的数据 单片机,FPGA, DSP, ARM都是你可以挑选的对象。单片机由于便宜 ,易于开发,开发的资料齐全 ,工程师众多,

46、很适合初学者你 的.FPGA设计方便，具有速度和效率的优势，也是不错的选择。DSP是专门为数据处理而设计，速度快,可以实现非常复杂的算法，是最好的 选择.ARM的功能过于复杂，适合于设计好的人机界面的场合。有些器件将接口协议处理器和米集卡处理器集成在一体 , 这些芯片应该有更 好的使用价值。第五步，选择数据米集电路。 很多公司提供米样芯片 :ADI,TI,MAXIUM,NS 等等。 第六步，选择驱动软件和数据米集处理软件的编写语言。使用 WDM,w in driver 等编写驱动软件.使用 VB, VC, Labview, C/C+, Borland C+ Builder, Java 等编写数

47、据控制处理软件。综上所述，我选择了 Adlink公司的PCI-9113A数据采集卡作为本次设计的数据米集卡其设计原理如下图4.4。尽管AD板的采集对象是比较缓慢的变化对象，但 要求至少1S内刷新16个通道，若用双积分方式则增设采样保持电路，为了消除计算机数字对模拟信号的干扰，使用 A/D芯片工作的开发环境，A/D板不直接社 用计算机上的土 12V的电源，而是通过逆变器把12V变成土 15V,并将其输出地 与计算机数字地分开。图4.4A/D板原理4.4 系统主机的选择此系统主机采用工业控制计算机，采用工业控制计算机的好处有：机箱厚、 防尘（内压比外压大，灰尘不易进入）、抗干扰性强等。cpu的配置

48、选一般的PC机的配置，如可以采用Intel p4 EE 3.73 GHz ，其接口类型：Socket 775/生产 工艺:0.09um/主频:3730MHz/二级缓存：L2 2048 K/前端总线：1066MHz。船坞甲 板的挠度变形由压力变送器送到计算机内部进行处理。计算机的PCI插槽内安装PCI总线的A/D转换板卡，传感器测得的模拟量经过 A/D转换成数字量后被计算 机识别，计算机将此数据进行保存、计算、分析处理。船坞的挠度检测采用十个 点（这是根据成本和测试精度两者兼顾以及船坞实际尺度来定的点数），在船坞左右舷的坞墙上，结合本系统安装了连通管，提供压差变送器的感知压力，该压 力的变化反映

49、了甲板挠度的变化，而压差变送器安装在船坞甲板下面，用于测量 甲板的吃水深度。4.5 浮船坞监控系统模块设计如图4.5是监控系统的总模块图4.5监控系统模块设计图采样模块通过调用 extern int ad-samp(unsigned int*ad-buff,int ch)函数，可读出各种通道传入缓冲区的信息。为了充分利用A/D的分辨率，尽可能使用满当值， 即1-5V，对应的数字10-4096，得出水位差0-2m或水深0-15m的信息。在采样 模块中，第一要要考虑随机误差对信号的干扰，如温度、振动、船坞下沉及上浮 瞬时负载变化等的影响，故需要软件滤波。第二要考虑后续开发。如果通道数增 加，软件处

50、理，只需改下地址，即只需修改外部函数中的相应数字即可。报警模块监测系统实时测得船坞的挠度等参数值，根据坞船的工作规范，当挠度0.1%坞长；横倾1.5o;纵倾1 o时应及时报警。报警通过调用Void n-bell(float afloat b,float c)函数来完成。在建立该模块时，应考虑报警上限值内缩，留有一定安全裕度，以便操作人员采取措施，另外为了避免当 测量值在极限值附近摆动造成频繁报警，股在上限值附近设定一个回差带。第21页(共51页)4.5.3 显示模块通过调用 Voidn-hz(int x2,int y2,int dx2,int dy2, intcolo2,char*str,in

51、t t1) 即可获得。用于将船坞甲板的变形即挠度显示到屏幕 上，以曲线的方式，提供给操作管理者直观的变形情况。第5章监控系统软件设计5.1 系统开发平台及开发工具的选择本次设计我选用的是windows XP作为开发平台。该监测系统可使用多种语 言进行开发，我米用的是 VC+它是一种可视化编程工具。C+语言是从C语言 的基础上发展而来的，是 C语言的超集。C+与 C语言相比，最主要的优越性是 C+米用面向对象的方法来设计和建立程序，这使得程序能更形象地模拟显示， 从而使程序更易理解、表达和维护。在开发工具安装后，应该对界面和参数进行 设置。5.2 软件结构与流程图软件结构图如下所示：图5.1软件

52、结构图流程图如下所示:图5.2软件流程图5.3 数据采集卡的驱动程序设计及数据采集程序设计5.3.1 PCI-9113 硬件参数介绍Adlink公司的PCI9113A的特性：1）32位PCI总线。即插即用2）32 通道单端或 16 通道差动输入3）卡上的带有低通滤波器用于信号调理或者衰减4）隔离电压： 2500Vrms5）12 位 A/D 转换器6）可编程增益 1 、10、 1007）采样频率可大100HZ（大通道）8）双极性或者单极性输入范围9）触发模式：软件模式。定时模式10）卡上带有可存贮 1024 个数据的 FIFO11 ）通道自动扫描12）紧凑的卡半长卡结构13）DB-3 7连接器参

53、数设置为：1 ）输入通道数（跳线选择） 32 位单端， 16 位差动2）A/D转换器与分辨率：12位ADS774或其他等效的转换器3）转换类型：依次逼近4）输入阻抗：10MQ （无信号调理）由卡上低同滤波器监控。5）精度： 0.015% of FSR +1 LSB6）光耦合器隔离电压： 2500V rms7）输入范围：（跳线设置范围，可变成增益 *1 ，10、100）20V范围 双极性： +10V，+1v，+0.1V10V范围 双极性： +5V +0。 5V、 +0.05V单极性： 010V、01V、 0 0.1V8）采样频率：最大100KHZ（单通道）9）非线性度 ：± 1 LSB

54、10）触发模式：软件触发，定时器触发11）数据传输方式：查询、中断、FIFO半满中断、FIFO查询 一般特点：1）连接器：DB-37孔式接头2）操作温度：0C -55 C3）存贮温度：-20 C -80 C4）湿度： 595%，无凝结5）电源功耗：典型 +5V， 960毫安6）尺寸： 173mm*102mm5.3.2 数据采集卡的驱动程序设计首先应该在VC环境中初始化和注册该数据采集卡，如下：ApDoc->range=AD_B_5_V;/AD_U_5_VpDoc->channelNo=0;/ 通道数 pDoc->card_number=0;CString s; if(pDoc

55、->card=Register_Card(PCI_9114DG,pDoc->card_number)<0)/ 只能注册一次s.Format("Register_Card Error %d",pDoc->card); AfxMessageBox(s);/exit(1);pDoc->err = AI_9114_Config(pDoc->card, TRIG_INT_PACER);if (pDoc->err!=0) s.Format("AI_9114_Config error=%d", pDoc->err); A

56、fxMessageBox(s);/exit(1);5.3.3 数据采集软件程序设计/ 一次数据采集过程CString s; for(pDoc->channelNo=0;pDoc->channelNo<18;pDoc->channelNo+) pDoc->err=AI_ReadChannel(pDoc->card, pDoc->channelNo, pDoc->range, &(pDoc->analog_inputpDoc->channelNo);if(pDoc->err!=0)s.Format("err=%d

57、AI Value=%f", pDoc->err,pDoc->analog_inputpDoc->channelNo);/ AfxMessageBox(s);/*for(pDoc->channelNo=0;pDoc->channelNo<18;pDoc->channelNo+) pDoc->err=AI_VReadChannel(pDoc->card, pDoc->channelNo, pDoc->range, &pDoc->V_inputpDoc->channelNo);if(pDoc->err!=0)s.Format("err=%d AI V Value=%f", pDoc->err,pDoc->V_inputpDoc->channelNo);AfxMess