基于觸摸屏和PLC技術的內河船舶生活灰水處理控制系統(tǒng)開發(fā)

王　琪

(南通航運職業(yè)技術學院 輪機工程系，江蘇 南通 226010)

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基于觸摸屏和PLC技術的內河船舶生活灰水處理控制系統(tǒng)開發(fā)

王琪

(南通航運職業(yè)技術學院 輪機工程系，江蘇 南通 226010)

針對現(xiàn)有船舶生活污水處理裝置重黑水處理輕灰水處理，且設備成本高、占據(jù)空間大及自動化程度低等問題，設計和開發(fā)內河船舶生活灰水處理裝置，基于PLC和觸摸屏技術設計控制系統(tǒng)，系統(tǒng)仿真運行結果表明，該系統(tǒng)操作簡單、控制可靠且成本低廉，符合內河船舶設備控制規(guī)范要求。

觸摸屏；PLC技術；內河船舶；生活灰水處理裝置；控制系統(tǒng)

我國目前對內河船舶生活污水主要采用的處理方法是在船上直接安裝生活污水處理裝置或安裝生活污水收集裝置，通過達標處理排入江河或集中到岸上處理[1-3]。污水處理裝置多采用生化法處理裝置，通用做法是將灰水混合入黑水實施處理為主，裝置體積偏大、初始投入和維護成本較高，制約著其在內河船舶的應用和推廣。為此，基于內河船舶管理現(xiàn)狀，在實現(xiàn)性能指標符合排放標準的同時，綜合考慮成本和維護管理因素，提出運用PLC和觸摸屏技術開發(fā)控制裝置。

1　系統(tǒng)原理

內河船舶生活污水具有污水總量不大、水流變化的間歇性、易隨船體搖擺而震蕩和操作空間狹窄等特點。通過對傳統(tǒng)的生化處理方式比較，選用當前陸上生活污水處理廠廣泛使用的超濾膜技術，針對生活灰水處理開發(fā)設計灰水凈化和回用系統(tǒng)，該系統(tǒng)結構原理圖見圖1。

圖1　內河船舶生活灰水處理系統(tǒng)結構原理

灰水進入膜處理室后經超濾膜組件在自吸泵的作用下將灰水抽吸至壓力水柜。該出水一方面可作為回用水供船舶清洗、雜用外，還可為膜處理室內的超濾模組提供反沖洗用水，有效實現(xiàn)了船舶污水的回用，節(jié)約了水源。此外考慮到在回用水量需求減少的因素，系統(tǒng)還設計了基于RO膜凈水處理器，可將過量的回用水RO膜組件凈化為純水水質排出舷外，并設有回流水口，使回流與膜處理室相通形成循環(huán)回路。根據(jù)膜處理室內長期使用易形成污泥，系統(tǒng)將膜處理與基于真空蒸餾黑水處理裝置通過電磁閥相連，實現(xiàn)污泥的定期排放。此外為加強膜處理室內的生化反應需要，設有曝氣泵并通過接于膜組件下方的曝氣管相連，實現(xiàn)曝氣的同時也形成的一定的震動，有效防止膜表面的污垢堆積。本設計實現(xiàn)了環(huán)保、節(jié)水和降低成本的目的。

本設計的核心部件為膜處理室內的浸沒型簾式超濾膜生物反應器(menbrane bioreactor,MBR)。該反應器是生物處理方式與膜分離方式組合而成的一種高效污水處理新工藝。其工作原理是利用反應器生物處理單元中的氧性微生物消化分解污水中的有機污染物，利用膜的選擇透過性節(jié)流污水中的特定大小的微粒、膠體，以及大分子物質，使出水中有機物質含量、懸浮固體顆粒量，以及大腸桿菌群含量滿足相關法規(guī)的指標要求[4]。MBR工藝通過膜分離技術強化了生物反應器的功能，與傳統(tǒng)的生物處理方法相比，具有生化效率高，抗負荷沖擊能力強，出水水質穩(wěn)定，占地面積小，排泥周期長，易實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點，是目前應用較為廣泛的污水處理工藝[5-6]，其在內河船舶上的應用值得推廣。

2　裝置控制系統(tǒng)要求

基于以上結構原理分析，本系統(tǒng)在生活灰水凈化處理的控制中主要應包括以下控制回路。

1)水位控制。采用雙位控制模式，膜處理室內采用兩組高度不同的簾式膜組件，可根據(jù)水位的不同設計成并聯(lián)使用和單組使用模式，以避免抽吸泵在較低水位吸空，同時也降低了設備的體積，膜處理室結構見圖2。

圖2　膜處理室結構示意

膜處理室中設有3個水位監(jiān)測探頭H 、M、 L，當水位高于H時，電磁閥1、2打開，簾式膜組1、2投入運行，自吸泵啟動進行灰水處理；隨著水位降低，當?shù)陀贛位時電磁閥1關閉，電磁閥2保持打開，簾式膜組2運行，膜組1停用；當水位下降到L位時，系統(tǒng)電磁閥、自吸泵停用，停止灰水處理，并一直維持到水位上升至H位時重新投入運行。

此外，壓力水柜中設有高低水位監(jiān)測探頭，當處于高水位時，停止自吸泵運行，啟動RO膜凈水器增壓泵將水凈化后排出舷外，直至達到低水位。當水位處于低水位時，鎖閉(停止)RO膜凈水器增壓泵。

2)曝氣泵控制。采取間歇式爆氣方式，正常運行期間每10 min，停2 min，工作8 min；自吸泵工作時為防止自吸泵吸入氣體而停止曝氣。

3)反沖洗控制。反沖洗控制采用壓力水柜水源沖洗，沖洗方式有兩種：①定時沖洗，根據(jù)計時器，按每15 d沖洗一次(沖洗時沖洗電磁閥打開，排水泵停用，沖洗時間2 min，可根據(jù)容積大小而定)；②根據(jù)流量計流量值確定的及時沖洗，當流量計的流量值低于設定值時，啟動沖洗，(沖洗時沖洗電磁閥打開，自吸泵停用，沖洗時間可設定)。

4)壓力控制。壓力水柜采用空氣壓力供壓，采用雙位控制。大于0.25 MPa,停止供氣；小于0.15 MPa,開始供氣。

5)電磁閥控制。電磁閥主要包括膜處理室簾式膜組控制電磁閥、膜處理室排污電磁閥、舷外排水電磁閥和循環(huán)水電磁閥。其中，簾式膜組控制電磁閥主要根據(jù)水位的高低控制相應簾式膜組投入運行，以實現(xiàn)膜處理室的容積減小；膜處理室排污電磁閥主要實現(xiàn)膜處理室的定期排污，電磁閥開啟條件，每15 d清洗過程開啟一次(主要用于排污)或系統(tǒng)應急情況下排放，每次開啟時間10 s；舷外排水電磁閥主要根據(jù)壓力水柜水位過高或緊急狀態(tài)等實際需要實施控制，打開排出船外；反沖洗電磁閥主要用于為膜處理組件供給發(fā)沖洗水。

6)控制模式選擇。系統(tǒng)設置遠程操作方式、自動操作方式和手動操作模式。為根據(jù)船舶實際操作和監(jiān)控需要系統(tǒng)設置遠程操作模式，同時基于系統(tǒng)工作可靠性考慮設置機旁手/自動控制模式，并配有相應按鈕、指示燈和蜂鳴器。

3　控制系統(tǒng)的設計

3.1自動系統(tǒng)整體設計

灰水處理系統(tǒng)結合船舶機艙監(jiān)測與報警系統(tǒng)(自動監(jiān)控系統(tǒng))設計規(guī)范的要求，遵循“工藝必需、先進實用、維護簡便”的原則，其設計方案力求滿足內河船舶生活灰水處理工藝的特性，保證污水處理生產的穩(wěn)定和高效，減輕勞動強度。整個控制系統(tǒng)的組成見圖3。

圖3　生活灰水處理裝置控制系統(tǒng)組成架構

本自動控制系統(tǒng)由S7-200系列PLC、西門子SMART700IE觸摸屏和儀表檢測系統(tǒng)等部分組成，PLC和觸摸屏借助RS485進行通信。考慮到與內河船舶機艙監(jiān)測與報警系統(tǒng)(自動監(jiān)控系統(tǒng))集成的需要，PLC配有工業(yè)以太網通信模塊CP243-1，使PLC作為底層控制計算機(或下位機)與上層計算機網絡(或上位機)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，通信介質采用5類8芯的雙絞線，通信速率10/100 Mb/s。

3.2PLC控制

S7-200CPU模塊中配有EEPROM，可永久保存用戶程序和一些重要的參數(shù)。船舶生活灰水處理裝置PLC硬件有：開關量25個點，模擬量4個通道，其中I/O接口分配見表1。

表1　內河船舶生活灰水處理裝置控制系統(tǒng)PLC I/O接口分配表

PLC控制系統(tǒng)的流程見圖4，其軟件功能采用S7-200 編程軟件(STEP7_Micro/WIN) 實現(xiàn)。

3.3人機界面系統(tǒng)的設計

本控制系統(tǒng)的人機界面(human-machine interface,HMI)硬件采用西門子SMART700IE觸摸屏。觸摸屏可對PLC-200的數(shù)據(jù)進行采集，顯示出現(xiàn)場設備的工作情況、對數(shù)據(jù)的記錄情況以及對現(xiàn)場的操控[7]。共設計了3個控制界面：管路系統(tǒng)、操作控制盤臺、系統(tǒng)運行參數(shù)記錄。

HMI系統(tǒng)軟件主要包括兩部分，即運行于HMI硬件中的系統(tǒng)軟件和運行于PC機Windows操作系統(tǒng)下的畫面組態(tài)軟件(WINCC flexible Standard__Smart Line _smart700畫面組態(tài)軟件)。首先應在PC機上運用畫面組態(tài)軟件編輯好“工程文件”；測試并保存已編輯好的“工程文件”；然后通過串行通訊口將PC機連接HMI，下載“工程文件”到HMI中；最后，采用DP線連接HMI和PLC，實現(xiàn)人機交互[8]。

4　系統(tǒng)仿真

為驗證本控制系統(tǒng)設計的合理性，借助Matlab/Simulink平臺對控制方案進行仿真。以膜處理室作為被控對象。由圖2可知膜處理室實際為一個單容水箱，其出口側安裝了一臺水泵，從而使膜處理室的流出水量與水位無關，且保持不變，即流出量的變化量q0=0。假定在某t0時刻流入膜處理室的流量與水泵的排水量相同都為Q，則膜處理室的水位H保持不變。若在流入量有一個增量qi時，靜態(tài)平衡被破壞，但此時流出量仍為定值，則膜處理室的水位變化規(guī)律可表示為

(1)

式中：C——膜處理室的橫截面積。

對式(1)兩端求取拉普拉斯變換，可得膜處理室的傳遞函數(shù)：

(2)

式(2)表明，該膜處理室是一個具有積分環(huán)節(jié)特性的單容對象。其單位階躍響應為

(3)

式中：ε——飛升速度，ε=1/C。

由式(3)可知，系統(tǒng)中膜處理室的特性為一條直線方程，是直線的斜率。當被控對象原來的平衡狀態(tài)被擾動作用破壞后，如果不依靠自動控制或人工控制的外來作用，被控變量將一直變化下去，不可能達到新的平衡狀態(tài)。因此本系統(tǒng)膜控制室是一個無自平衡能力的控制對象。基于此，借助Simulink軟件強大的仿真功能，通過建模仿真對PLC控制程序設計方法加以檢驗，以確定其控制算法的正確性[9]。仿真結果見圖5。圖中的輸入信號供水量是根據(jù)內河船舶生活灰水1 d中的3個主要時間段：(06：00～08：00,11：00～13：00,18：00～21：00)采用脈沖信號進行模擬,根據(jù)裝置結構特點本系統(tǒng)液位H、N、L分別設置為1.0，0.6，0.4 m。通過觀察液位變化、自吸泵運行狀態(tài)、膜組件電磁閥1、2的運行狀態(tài)等驗證控制系統(tǒng)的有效性。仿真結果表明該系統(tǒng)設計符合內河船舶生活灰水處理裝置的運行特點，與實際要求一致。同時也表明基于Simulink仿真軟件實施PLC控制程序設計方法驗證可以有效縮減系統(tǒng)工程調試時間，是一種較為高效的PLC復雜控制算法實現(xiàn)和驗證的方法。

圖4　內河船舶生活灰水處理裝置PLC控制系統(tǒng)流程

圖5　控制系統(tǒng)仿真試驗結果

5　結論

系統(tǒng)設備尺寸小，管理便捷可靠，可實現(xiàn)與遠程操作，有效提升了內河船舶自動化水平。仿真結果表明該系統(tǒng)控制方案能夠針對內河船舶生活灰水處理的實際實施控制，但由于仿真只是針對設定了相關參數(shù)的具體系統(tǒng)，且未考慮船舶搖擺、膜污染、裝置大小等相關因素的影響，在模型參數(shù)選擇和精度控制方面還需要進一步優(yōu)化，這些都將是下一步需要研究和關注的重點和難點。

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Development of Gray Water Treatment Control System for Inland Waterway Vessels Based on Touch Screen and PLC Technology

WANG Qi

(Dept. of Marine Engineering, Nantong Shipping College, Nantong Jiangsu 226010, China)

The existing ship domestic sewage treatment device has the following problems: emphasizing on black water rather than gray water treatment, high equipment costs, occupying large space, low degree of automation and so on. In order to solve these problems, the domestic gray water treatment device for the inland ship is developed. Its control system is designed based on PLC and touch screen technology. The simulation results show that the system has advantages of simple operation, reliable control and low cost, which can conform to the inland ship equipment control specifications.

touch screen; PLC technology; inland waterway ship; gray water treatment equipment; control system

2016-02-20

2016-03-20

2012年度江蘇交通科技計劃資助項目(2012C07)；2013年度江蘇交通科技計劃重大專項資助項目(2013Y03)；2015年度江蘇省航海學會資助項目(2015B02)

王琪(1975—)，男，碩士，副教授

U664.9

A

1671-7953(2016)04-0108-05

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.025

研究方向:輪機自動化技術，船舶防污染技術

E-mail:wangqi@ntsc.edu.cn