基于PLC和組態(tài)王的船用油水分離器仿真裝置研究

張 旭　王宗濤　童 鑫（天津理工大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，天津　300384）

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基于PLC和組態(tài)王的船用油水分離器仿真裝置研究

張 旭王宗濤童 鑫
（天津理工大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，天津300384）

摘要：基于西門子S7-200和組態(tài)王軟件，開發(fā)一種船用油水分離器的仿真裝置。通過(guò)設(shè)計(jì)組態(tài)軟件界面和PLC控制程序，該仿真裝置可以模擬船用油水分離器的油水分離過(guò)程，自動(dòng)排油過(guò)程，反沖洗過(guò)程以及油分濃度超標(biāo)報(bào)警等功能，該仿真裝置實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)遠(yuǎn)程控制，運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、功能齊全、可視化效果突出，可用于船用油水分離器的模擬訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞：油水分離器；組態(tài)軟件；仿真裝置

1 引言

在船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，船舶機(jī)艙中產(chǎn)生的含油污水對(duì)海洋會(huì)造成極大的污染，若正確使用船用油水分離器則可以減少海洋污染的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前國(guó)際上對(duì)船舶排放標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求，其中針對(duì)船舶排放的污油水含量應(yīng)低于15ppm。對(duì)于油水分離器的維護(hù)和保養(yǎng)有不少的研究，此外也有不少關(guān)于油水分離器仿真裝置的研究。本文基于西門子PLC和組態(tài)軟件Kingview，設(shè)計(jì)了一套船用油水分離器仿真裝置，該仿真裝置可以模擬油水分離過(guò)程，自動(dòng)排油過(guò)程，反沖洗過(guò)程以及油分濃度超標(biāo)報(bào)警等功能。

2 船用油水分離器仿真裝置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 船用油水分離器仿真裝置的功能設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的仿真裝置可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和本地操作，其中遠(yuǎn)程操作在組態(tài)軟件上面進(jìn)行操作，本地操作在控制箱進(jìn)行操作，二者的操作過(guò)程相同。啟動(dòng)系統(tǒng)后，如果是系統(tǒng)首次運(yùn)行，需要進(jìn)行人工操作和測(cè)試，然后將系統(tǒng)轉(zhuǎn)入自動(dòng)運(yùn)行模式。仿真裝置可以根據(jù)污水柜的實(shí)際情況決定是否進(jìn)行油水分離，同時(shí)根據(jù)分離出來(lái)的油分含量判斷是否可以進(jìn)行排放入海。仿真裝置采用LED指示燈代替真實(shí)油位，如果油水界面達(dá)到最低處則進(jìn)行自動(dòng)排油。如果污水柜的污水達(dá)到低水位，油水分離停止，直到水位上升到高位才進(jìn)行重新工作，仿真裝置采用定時(shí)的方式進(jìn)行反沖洗功能，定時(shí)時(shí)間到開始沖洗，沖洗時(shí)間結(jié)束后又返回沖洗前的工作。

圖1　軟件的操作界面

表1　仿真裝置的PLC定義及符號(hào)

系統(tǒng)的主要操作包括：（1）啟動(dòng)→手動(dòng)/自動(dòng)選擇；（2）自動(dòng)模式→油水分離→油分濃度小于15ppm，排放入海/否則返回污水柜→集油室為高油位，進(jìn)行排油操作/集油室為低油位，繼續(xù)油水分離→定期進(jìn)行反沖洗；（3）手動(dòng)模式→打開放氣旋塞/注入清水→進(jìn)行油水分離測(cè)試、報(bào)警測(cè)試、排油測(cè)試、反沖洗測(cè)試→測(cè)試完畢切換至自動(dòng)模式；（4）系統(tǒng)需要停止運(yùn)行時(shí)，切換至手動(dòng)模式，進(jìn)行手動(dòng)排油、進(jìn)行反沖洗、最后注入清水保養(yǎng)。

2.2 仿真裝置操作界面設(shè)計(jì)

仿真裝置的軟件的操作界面如圖1所示，其中左邊為系統(tǒng)運(yùn)行圖，右邊為操作控制箱。污水柜的水進(jìn)入油水分離器圓筒，分離出來(lái)的污油進(jìn)入集油室頂部并被排入到污油柜，分離后的水中油分含量低于15ppm，就可以排放入海，否則重新返回污水柜。系統(tǒng)設(shè)有清水系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)清水閥進(jìn)入分離器圓筒進(jìn)行排油或者反沖洗操作。操作控制箱設(shè)有啟動(dòng)、停止、測(cè)試、自動(dòng)/手動(dòng)、油水分離、排油、反沖洗等按鈕。由于該仿真裝置采用了組態(tài)王作為上位機(jī)，PLC作為下位機(jī)，用戶在軟件界面上對(duì)操作控制箱的同時(shí)，系統(tǒng)將將信號(hào)傳送到PLC的過(guò)程映射區(qū)，由PLC完成相應(yīng)的操作，同時(shí)組態(tài)王也可以讀取PLC過(guò)程映射區(qū)的數(shù)據(jù)，使得上下位機(jī)的通訊得到同步，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的運(yùn)行。

2.3 PLC符號(hào)定義如下

根據(jù)船用油水分離器的基本原理和操作流程，規(guī)劃了仿真裝置的PLC符號(hào)及定義，見表1。

3 船用油水分離器仿真裝置的系統(tǒng)測(cè)試

3.1 油水正常的分離過(guò)程

在油水分離過(guò)程中，利用螺桿泵抽吸含油污水，該過(guò)程要求關(guān)閉排油閥、沖洗水出口閥、清水進(jìn)口閥，含油污水經(jīng)過(guò)污水進(jìn)口閥門進(jìn)入油水分離器，依次經(jīng)過(guò)重力分離和聚結(jié)分離后排出油水分離器圓筒。根據(jù)油分濃度監(jiān)測(cè)裝置所檢測(cè)的油分含量來(lái)決定是否排放入海：如果其油分濃度低于15ppm，并且滿足排放要求，可以將分離出來(lái)的水直接排放到舷外；如果油分濃度高于15ppm，分離出來(lái)的水禁止排放，并且系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通知輪機(jī)員進(jìn)行停機(jī)操作。在油水分離過(guò)程中，被分離出來(lái)的污油在集油室的頂部聚集，隨著油水分離的時(shí)間推移，油水界面會(huì)逐漸下移。正常油水分離過(guò)程組態(tài)控制如圖2所示。

圖2　正常油水分離過(guò)程

圖3　油分濃度超標(biāo)的模擬

圖4　排油過(guò)程圖

圖5　反沖洗過(guò)程

圖6　仿真裝置三維圖及實(shí)物

3.2 油分濃度超標(biāo)的演示功能

本軟件設(shè)計(jì)了油分濃度超標(biāo)的演示功能，按下操作控制箱的測(cè)試按鈕，系統(tǒng)停止向弦外排放，分離出來(lái)的水不能排放入海，直接返回到污水柜。油分濃度超標(biāo)的功能演示如圖3所示。

3.3 排油過(guò)程

隨著集油室的油水界面不斷下降，油位探測(cè)器的兩個(gè)電極均被油浸沒，系統(tǒng)將產(chǎn)生排油信號(hào)，停止單螺桿泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)閉沖洗水出口閥，打開自動(dòng)排油閥和清水進(jìn)口閥。帶壓力的清水由聚結(jié)過(guò)濾元件的下部進(jìn)入油水分離器，向外“擠壓”積聚在頂部的污油，將污油從自動(dòng)排油閥趕出至污油柜，隨著油水界面的不斷上移，油位探測(cè)器的兩個(gè)電極均被浸沒在水中，系統(tǒng)結(jié)束排油過(guò)程，重新進(jìn)入油水分離過(guò)程。排油過(guò)程如圖4所示。

3.4 反沖洗過(guò)程

當(dāng)油水分離器運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間以后，水中的雜質(zhì)不可避免地積聚在聚結(jié)過(guò)濾元件上，導(dǎo)致聚結(jié)過(guò)濾元件臟污，降低污水處理能力。因此，油水分離器在運(yùn)行一定時(shí)間后，將定時(shí)進(jìn)行反沖洗操作。系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉自動(dòng)排油閥，停止單螺桿泵運(yùn)行，打開沖洗水出口閥及清水進(jìn)口閥，帶壓力的清水由聚結(jié)過(guò)濾元件底部進(jìn)入，由下至上沖洗聚結(jié)過(guò)濾元件后經(jīng)沖洗水出口閥排回艙底水柜，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚結(jié)過(guò)濾元件的清洗。反沖洗過(guò)程結(jié)束后，系統(tǒng)重新進(jìn)入油水分離過(guò)程。反沖洗過(guò)程如圖5所示。

4 船用油水分離器仿真裝置的制作

在制作之前，采用CAD制圖軟件的三維功能設(shè)計(jì)了主體架構(gòu)，以便后續(xù)工作的開展。裝置由污油柜、清水柜、油水柜、控制柜、分離器本體幾大部分組成。三維圖、實(shí)物仿真裝置如圖6所示。

選用西門子的CPU224XP和EM223模塊作為仿真裝置的核心，制作一個(gè)具有控制功能和信號(hào)采集的控制柜。控制柜上有啟動(dòng)按鈕，啟動(dòng)指示燈，手動(dòng)分油，手動(dòng)加水，手動(dòng)排油，手動(dòng)反沖洗按鈕，有自動(dòng)，手動(dòng)，遠(yuǎn)程三種模式選擇轉(zhuǎn)換，有分油指示燈，排油指示燈，反沖洗指示燈。通過(guò)控制電磁閥、LED燈、跑馬燈的工作，該仿真裝置可以實(shí)現(xiàn)分油、排油、反沖洗等相應(yīng)的功能。

結(jié)語(yǔ)

本文基于組態(tài)軟件Kingview和西門子PLC，開發(fā)的船用油水分離器仿真裝置可以模擬船用油水分離器的油水分離過(guò)程，自動(dòng)排油過(guò)程，反沖洗過(guò)程以及油分濃度超標(biāo)報(bào)警等功能。該仿真裝置運(yùn)行可靠，具有良好的可視化和可操作性能，可用于船用油水分離器的模擬訓(xùn)練。

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中圖分類號(hào)：U664

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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