智能投入式液位计在沉箱水位监测中的应用

         自古以来，水运方式一直是人类活动与运送物资的重要方式，人类的历史与航运的发展密不可分，中国明朝的郑和下西洋，15-16世纪的哥伦布发现新大陆等等无一不与航运有关。如今的二十一世纪，世界经济的持续发展及化进程的加深，港口作为连接世界各国的桥梁与纽带也迎来了新的发展机遇。码头建设朝大泊位、深水泊位方向发展，因此沉箱大型化发展趋势明显，沉箱高度、质量越来越大，大质量可达7 000 t。这些大型沉箱浮游稳定成为一个亟待解决的问题，对沉箱压载水监测也提出更高的要求。在沉箱出运过程中，沉箱格仓水位是控制沉箱浮运、下沉姿态的重要参数。若压载水控制不好，沉箱将失稳倾翻，造成安全事故和经济损失。但目前沉箱压载水监测仍沿用带刻度测绳悬吊浮球的方法，精度低、不连续，属高空作业，存在人身安全隐患。本文针对于智能投入式液位变送器在船泊码头的使用应用案例，向各位作个简单介绍。

　　1 智能液位计监测水位工作原理
　　智能液位计以微处理器为核心单元，具有检测、判断和信息处理功能。其测量水位的基本原理是利用半导体硅材料的压阻效应，实现液位压力与电信号的转换［2］。即把与液体深度成正比的液体静压力，通过液位计( 变送器) 转换成电流信号输出，从而建立输出电信号与液体深度的线性对应关系，实现对液位( 水位) 的测量。沉箱水位监测选用MPM4700 型智能液位计，该液位计以扩散硅压阻式传感器为管芯，集成变换器电路、微处理芯片为一体，其性能稳定，结构紧凑，外围线路简单。该液位计为四线制，可同时输出一组4 ～ 20 mA 的标准电流信号和ＲS486 数字信号［3］。MPM4700 型智能

　　2 智能液位计在沉箱水位监测中的布设
　　为了避免在沉箱顶部现场布线和减少高空作业时间，沉箱水位监测拟采用无线传输方式，智能液位计采集的沉箱水位数据信号通过无线发射和无线接收的方式，传输到电脑进行数据处理后，在屏幕上直观显示出大型沉箱不同格仓水位和仓外吃水深度。一个MPM4700 型智能液位计对应一个独立的无线发射单元，根据所监测的沉箱格仓数量来确定无线发射单元的数量。每个无线发射单元包括卷线盘、MPM4700 型智能液位计、485 转换器、无线发射器、无线发射天线、移动电源等;无线接收单元与笔记本电脑相连接，包括无线接收器、无线接收天线、移动电源。无线发射器和发射天线固定在卷线盘上，携带轻便，在沉箱出运施工平台吊装时，卷线盘绑扎在施工平台的人行通道旁，随施工平台吊升到沉箱顶部; 需要监测时施工人员通过卷线盘放线，智能液位计探头放入到沉箱格仓底部，打开无线发射单元的移动电源即可。以漳州后石港区3 号泊位工程沉箱为例，该工程沉箱为16 个格仓，沿前趾和后趾方向的相邻2 个格仓设置通水孔相互连通。因此，通过监测沉箱前趾4 个格仓和后趾4 个格仓的水位，就可以掌握整个沉箱的平衡状态。在沉箱水位监测时，总共布设9 个MPM4700 型智能液位计，平行前趾或平行后趾4 个格仓分别布设4 个液位计，
　　1 个液位计放在格仓外与沉箱底齐平以监测半潜驳下潜时沉箱的吃水深度( 图2) 。

　　3 智能液位计通讯设置及数据采集
　　MPM4700 型智能液位计的输出方式有模拟输出和数字通讯输出。为提高数据采集的准确度及可靠性，大型沉箱水位监测系统采用数字通讯输出方式采集传输信号。通讯设置及数据采集方便快捷，液位计在沉箱格仓布设完成后，开启无线发射单元电源，即可对液位计进行通讯设置( 图3) 。9 路液位计的电信号通过无线发射和无线接收，经过沉箱水位监测系统软件处理后，实时显示8 个格仓水位值和沉箱的吃水深度。通讯参数如下: ①设置串口号为无线接收器接入计算机占用的串口编号，波特率默认为9 600。②点击“设置串口”把修改过的串口设置好。如第①步串口参数没变化，则忽略此步骤。③把在线液位计的编号从左边框移到右边框，总共9 个液位计，其中格仓8 个，格仓外1 个。④设定“传输控制”参数，此处按默认设定即可。其中，错误发生次数表示通讯软件给液位计发出指令后，液位计没有响应的次数，则判定此液位计有故障。刷新周期表示系统软件隔多少毫秒把通讯软件中的数值刷新写入到大型沉箱水位监测系统软件。指令间隔表示通讯软件发给每个液位计指令的时间间隔。时间越短，指令下发速度越快。但并非时间越短越好，因为时间太快，液位计无法反应过来，从而导致通讯失败。指令间隔通常设置为400 ms 左右。⑤点击“启动”按钮与在线的各液位计进行通讯。⑥点击“启动KV 通讯”把各液位计采集的水位值写入大型沉箱水位监测系统软件。通讯软件启动后，若通讯参数设置正确，并且有液位计在线，则采集水位值，如图3 的A 区，表示1～9 号液位计对应的水位值; B 区表示各液位计的通讯故障状态，0 表示通讯正常，1 表示通讯故障。



　　4 工程应用
　　漳州后石港区3 号泊位码头工程采用重力式沉箱结构，该工程沉箱共15 件，单件质量4 365 t，沉箱长、宽、高分别为19. 8、21. 9 、25. 0 m; 沉箱分7 层浇筑，浇筑顶层时3# 格仓按设计图纸预留3 m 高的缺口。在漳州预制厂预制，沉箱安装施工现场距离预制厂约6. 3 km。沉箱采用气囊横移至出运通道，再纵移至出运码头前沿线上驳，采用8 000 t 半潜驳下潜安装。根据浮游稳定计算，沉箱各格仓压载水见图4。2#、6# 格仓为3. 98 m，3#、7#格仓为4. 34 m，其余格仓为3. 80 m，沉箱仓外吃水12. 15 m。根据当地水文站潮汐表，2015-04-17T20∶30 下潜坑潮位条件符合下潜要求，半潜驳在下潜区开始加水下潜; 下潜至沉箱吃水1. 8 m 时，同时开启沉箱的8 个注水阀门开始向沉箱格仓中注入压载水; 当沉箱吃水5 m 时半潜驳暂停下潜，起重船靠近半潜驳，工人将连接起重船吊钩的钢丝绳用卡环固定在沉箱顶部吊环上。半潜驳继续下潜至9 m 时再暂停下潜，等待吊缆就位。半潜驳继续下潜，在沉箱底与枕木支垫处于脱离的临界状态时，减缓半潜驳下潜速度，直至沉箱完全脱离浮船坞。此时启动吊机，使钢丝绳处于轻微受力状态。在半潜驳下潜及沉箱格仓注入压载水过程中，通过大型沉箱水位监测系统能够动态显示各格仓水位值及沉箱的吃水深度( 图5)

，提示施工人员调整阀门的注水速率，判断沉箱的平衡状态，若未达到稳定状态可以通过小幅度调整仓格注水，使沉箱达到浮游稳定要求并且处于平衡状态。当沉箱各格仓压载水注入完成后，关闭注水阀门，起重船操作人员启动后锚卷扬机，缓慢拖动沉箱出坞。

　　5 结论
　　1) 沉箱浮运安装时应用智能液位计监测水位，具有安全、准确、不分昼夜全程监测的特点，解决了人工测量精度低、不连续、存在高空作业安全隐患的问题，对工程安全和风险管理有较好的引导作用。
　　2) 漳州后石港区3 号泊位工程沉箱浮运安装过程中，应用基于MPM4700 型智能液位计的大型沉箱水位监测系统对15 件质量为4 365 t?件的大型沉箱压载水进行监测，满足工程昼夜安全施工的需要，取得了良好的效果。
　　3) 沉箱浮运安装过程中应用智能液位计监测水位，能实时掌握沉箱各格仓的水位情况及沉箱浮游稳定的平衡状态，也可为大型沉箱的远距离安全拖航提供借鉴。

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