船舶生活污水處理仿真系統設計

童　鑫，王宗濤

(天津理工大學海運學院，天津　300384)

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船舶生活污水處理仿真系統設計

童鑫，王宗濤

(天津理工大學海運學院，天津300384)

摘要：基于組態王Kingview和PLC仿真，設計一種船舶生活污水處理仿真系統。該仿真系統可以模擬船舶生活污水處理裝置的污水處理過程、自動排水過程、應急排水過程以及濃度超標報警等功能。系統運行可靠，可視化效果良好。同時設計了該仿真系統與硬件的接口，為進一步開發船舶生活污水仿真裝置提供設計基礎。

關鍵詞：船舶生活污水；污水處理；組態王；仿真系統

船舶生活污水是指由船員、旅客及船舶所載的動物日常生活所形成的廢水[1-2]。隨著海洋開發和航運業的發展，海洋環境的污染越來越嚴重，如何防治和減少船舶運行對海洋環境的污染，正逐步受到人們的重視。在國際海事組織(IMO)頒布的《MARPOL73/78 公約》附則 IV——“防止船舶生活污水污染規則”的基礎上，針對船舶生活污水排放的各種地方性標準不斷出臺，要求對船舶生活污水進行更加有效的處理[3-6]。

本文利用組態王軟件Kingview和PLC(Programmable logic controller)仿真開發一種船舶生活污水處理仿真系統。組態王軟件具有良好的人機界面，為用戶提供豐富的應用設計工具和便利的集成開發環境，可以通過RS232接口與PLC進行通信，并監控PLC的所有存儲器、控制器及I/O接口的狀態[7-9]。利用組態王軟件的畫面設計功能制作仿真系統的主體框架和管路布局，調用軟件自帶圖素中的閥門并安放在管道的相應位置；建立組態王數據詞典并和畫面元件關聯，編寫命令語言程序；通過組態王運行系統完成該仿真系統的測試。

1船舶生活污水處理

1.1處理方法

生活污水的處理方法主要有：1)物理處理法。通過離心分離和篩濾截留等物理作用分離、回收廢水中不溶解的呈懸浮狀態的污染物的廢水處理法[10]。2)化學處理法。通過化學反應和傳遞介質作用分離、去除廢水中呈溶解、膠體狀態的污染物或將其轉化為無害物質的廢水處理方法[11]。3)生物處理法。通過微生物的代謝作用，使廢水中呈溶液、膠體以及微細懸浮狀態的有機污染物，轉化為穩定、無害物質的廢水處理方法[12]。4)生物接觸氧化法。通過棲附在生物接觸氧化池內填料上的生物膜與氧氣的生物氧化作用，將廢水中的有機物氧化分解，達到凈化目的，是一種介于活性污泥法與生物濾池之間的生物膜法工藝[13]。對于大多數船舶來說，廣泛采用的方法是生物處理法。

1.2處理原理

本文基于生物處理法進行船舶生活污水處理裝置仿真系統的設計。某船舶生活污水的處理采用生物處理法，利用好氧菌為主的活性污泥對污水中的有機物進行分解處理，裝置如圖1所示[14]。該裝置主要分為曝氣室、沉淀池和消毒室3部分。

1—低水位浮子開關；2—高水位浮子開關；3—控制柜；4—超高水位浮子開關；5—氯化器；6—空氣壓縮機；7—撇渣器；8—浮渣返回；9—污泥返回；10—通氣管；11—污水進口；12—濾網；13—沉淀池；14、15—曝氣室；16—消毒室；17—排出泵圖1　某船生活污水處理裝置

生活污水由曝氣室14頂部的進水口送入，壓縮空氣經過安裝在池底內的幾個擴散器供入污水中，攪拌污泥，使進入池內的污水與活性污泥充分混合完全接觸，保證好氧菌生存所需要的氧氣。經過曝氣室14后，污水中的有機物通過好氧菌新陳代謝轉化為二氧化碳和水，同時產生新的活性污泥。二氧化碳通過排氣系統排出。活性污泥分為2部分:一部分水分較多、顆粒較小，這部分污泥進入曝氣室15再次進行分解，然后進入消毒室16；另一部分顆粒較大的污泥進入沉淀池，在沉淀池中水和活性污泥分離，活性污泥一部分定期排出，一部分通過提升管9返回曝氣室14，以保證曝氣室中活性污泥濃度一定。消毒室的作用是使處理后的水通過藥物殺菌消毒處理后排出[15]。處理后的水達標后排入大海，否則需進行二次處理。

1.3注意事項

船舶生活污水生物處理裝置應該連續運行，不能停止供風，如果停止供風會導致活性污泥中的好氧菌缺氧死亡，還應該定期檢查曝氣室中活性污泥的濃度，一般船上要求每3個月檢查1次。裝置的進水量不應超過裝置的額定容量，同時在使用過程中還應該及時補充消毒劑，通常在船舶上每3個月補充1次，且按每人每月20 g的量投放[16]。

2仿真系統的設計

2.1基本原理和操作流程

采用生物處理法，設計原理及流程如圖2、3所示。由圖2可知，系統主要有曝氣室、沉淀池、消毒室、膜過濾和激光殺菌室5部分組成。空氣經安裝在外部的風機供入曝氣室。沉淀池中的污泥通過空氣提升管提升回流到曝氣室進行二次處理。經過曝氣室凈化的水再經消毒室殺菌消毒，通過激光處理掉好氧菌，通過膜過濾進一步凈化，最后經檢測裝置檢測合格后排入大海，否則就進行二次處理。在處理過程中風機要一直運行，保證供風。

如圖3所示，啟動系統后，首先進行手動/自動模式的判斷：若為手動模式，先手動啟動風機供氧，進行培菌操作，一段時間后按下相應的按鈕進行手動排水、手動消毒、手動激光殺菌、手動膜過濾等操作；若為自動模式，風機自行啟動后開始相應的操作，消毒室的液位慢慢上升，到達設定的高水位時打開電磁閥進行排水，排出的水經過激光殺菌和膜過濾及檢測裝置后判斷其去向。

圖2　仿真系統設計原理圖　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3　仿真系統設計流程圖

2.2系統操作界面設計

利用組態王軟件開發工具制作的操作界面如圖4所示，左邊為仿真系統運行畫圖，右邊為操作控制箱。污水進入曝氣室，經過曝氣處理后進入消毒室，通過激光殺菌和膜過濾排出。由于系統采用組態王Kingwiew中自帶的PLC仿真，用戶在系統界面上操作控制箱的同時，系統將信號傳送到PLC的變量中，這為進一步開發船舶生活污水處理模擬裝置提供了接口。

圖4　仿真系統操作界面圖

2.3數據詞典

組態王開發界面的數據詞典是系統的心臟，定義好數據詞典并和相應的設備關聯可以實現動畫仿真。根據船舶生活污水處理的基本原理和操作流程，定義好仿真系統的數據詞典，配合命令語言程序完成界面的功能。該仿真系統數據詞典的名稱和含義見表1。

3仿真系統的測試

3.1系統啟動過程

準備就緒后，給系統供電，按下啟動按鈕(按下時按鈕為綠色，未按下時按鈕為紅色)，啟動指示燈亮，污水由進水口流入，曝氣室液位慢慢上升，當曝氣室液位到達一定位置后，經過曝氣室里好氧菌處理的水流進消毒室，消毒室液位也慢慢上升。圖5為啟動時的控制柜狀態，圖6為啟動時的曝氣室狀態。

表1　數據詞典

圖5　啟動時控制柜狀態　　　　　　　　　　　　　　　　圖6　啟動時曝氣室狀態

3.2系統手動功能

按下操作控制箱的啟動按鈕后，按下手動按鈕，進入手動模式。在上位機控制面板上手動啟動風機、手動排水、手動膜過濾處理、手動激光殺菌、手動啟動檢測裝置。圖7為手動模式下啟動風機的情況，風機啟動時，對應的管道產生流動效果，提升管提升沉淀池一部分廢物至曝氣室形成回流，消毒室液位上升，當消毒室液位上升到20%時低位傳感器變為紅色，到達80%時高位傳感器變為紅色，此時應按下手動排水按鈕進行排水，否則報警指示燈會被點亮。

在排水過程中，電磁閥打開，泵按鈕變為綠色表示啟動，相應的排水管道產生流動效果(見圖8)，如果按下手動激光殺菌和膜過濾按鈕，就可以進行膜過濾和激光殺菌操作(見圖9)，最后流出的液體通過檢測裝置進行檢測，檢測合格后排放入海，不合格的回流進行二次處理。

圖7　手動啟動風機　　　　　　　　　　圖8　排水管道液體流動　　　　　　　　　　圖9　手動開啟膜過濾

3.3自動功能

系統啟動后，按下自動按鈕可以進入自動模式，自動模式控制柜狀態如圖10所示。在自動模式下，排水、膜過濾、激光殺菌和檢測功能都自動進行。當消毒室液位上升到高液位時，系統打開電磁閥和啟動泵，啟動膜過濾、激光殺菌和檢測；當液位下降到低液位時，系統停止。如果消毒室液位上升達到高位時沒有進行排水，報警指示燈將點亮；同樣如果當液位降低到低位時還在進行排水，延時一段時間后報警指示燈也會點亮，說明系統有故障,需要人工處理。

3.4應急功能

在裝置運行過程中難免會發生故障，此時需要排出污水以便進行系統維護。由于應急操作的優先級別最高，按下應急按鈕后，應急指示燈點亮，報警指示燈閃爍，進行應急排水。應急排水時不進行激光殺菌、膜過濾和檢測，污水直接排出。圖11為應急模式下管道流動效果圖，此時泵運行，電磁閥打開。

圖10　自動模式控制柜狀態　　　　　　　　　　　　　　　　圖11　應急模式管道閥門狀態

4結語

1)設計的船舶生活污水處理仿真系統包括主界面和控制柜界面，通過操作控制柜界面上的按鈕，仿真系統主界面的狀態會按照命令語言程序的要求進行系統仿真。系統可以模擬船用生活污水處理的啟動過程、手動操作、自動操作、膜過濾、激光殺菌、檢測和應急排放報警等功能。

2)考慮到與船舶實際操作更加接近，系統設計有遠程和旁機兩種控制模式，在遠程模式時，可以在上位機完成相應的控制。旁機的優先級別最高，可以在下位機操作面板上進行操作。

3)仿真系統的操作方式與真實的船舶生活污水處理裝置保持一致，為教學和日常訓練提供了便利。該仿真系統中的計時器記錄仿真裝置的啟動次數和運行時間，可為系統維護提供依據。

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(責任編輯：楊秀紅)

Simulating System Design for Marine Sewage Treatment Plant

TONGXin，WANGZongtao

(MaritimeCollege，TianjinUniversityofTechnology，Tianjin300384,China)

Abstract:Based on Kingviewon and PLC simulation,a simulation system of marine domestic sewage treatment is designed. The system can simulate the sewage treatment process, automatic discharging process, emergency discharging process and concentration unconformity alarming of marine domestic sewage treatment plant. The system features in reliable operation and good visual effects. Hardware interface is also designed to provid basis for further development of marine domestic sewage treatment simulation devices.

Key words:marine sewage treatment plant;sewage treatment;Kingview;simulation system

文章編號：1672-0032(2015)04-0062-06

中圖分類號：U664.92

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2015.04.012

作者簡介：童鑫(1992—)，男，貴陽人，本科生，專業為船舶電子電氣工程.

基金項目：天津市市級大學生創新創業訓練計劃項目(201410060039)；天津市普通高等學校本科教學質量與教學改革研究計劃基金項目(B01-0818)；天津理工大學校級大學生創新創業訓練計劃項目(X2015019)

收稿日期：2015-11-06