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。通過設(shè)計組態(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程，自動排油過程，反沖洗過程以及油分濃度超標(biāo)報警等功能，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

在船舶營運(yùn)過程中，船舶機(jī)艙中產(chǎn)生的含油污水對海洋會造成極大的污染，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。當(dāng)前國際上對船舶排放標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求，其中針對船舶排放的污油水含量應(yīng)低于15ppm。對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程，自動排油過程，反沖洗過程以及油分濃度超標(biāo)報警等功能。

2 船用油水分離器仿真裝置的系統(tǒng)設(shè)計

2.1 船用油水分離器仿真裝置的功能設(shè)計

本文所設(shè)計的仿真裝置可以進(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，二者的操作過程相同。啟動系統(tǒng)后，如果是系統(tǒng)首次運(yùn)行，需要進(jìn)行人工操作和測試，然后將系統(tǒng)轉(zhuǎn)入自動運(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，同時根據(jù)分離出來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，仿真裝置采用定時的方式進(jìn)行反沖洗功能，定時時間到開始沖洗，沖洗時間結(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

系統(tǒng)的主要操作包括：（1）啟動→手動/自動選擇；（2）自動模式→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）手動模式→打開放氣旋塞/注入清水→進(jìn)行油水分離測試、報警測試、排油測試、反沖洗測試→測試完畢切換至自動模式；（4）系統(tǒng)需要停止運(yùn)行時，切換至手動模式，進(jìn)行手動排油、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

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、停止、測試、自動/手動、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操作控制箱的同時，系統(tǒng)將將信號傳送到PLC的過程映射區(qū)，由PLC完成相應(yīng)的操作，同時組態(tài)王也可以讀取PLC過程映射區(qū)的數(shù)據(jù)，使得上下位機(jī)的通訊得到同步，可以實(shí)時監(jiān)控裝置的運(yùn)行。

2.3 PLC符號定義如下

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符號及定義，見表1。

3 船用油水分離器仿真裝置的系統(tǒng)測試

3.1 油水正常的分離過程

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

圖2　正常油水分離過程

圖3　油分濃度超標(biāo)的模擬

圖4　排油過程圖

圖5　反沖洗過程

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)計了油分濃度超標(biāo)的演示功能，按下操作控制箱的測試按鈕，系統(tǒng)停止向弦外排放，分離出來的水不能排放入海，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 排油過程

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

3.4 反沖洗過程

當(dāng)油水分離器運(yùn)轉(zhuǎn)一段時間以后，水中的雜質(zhì)不可避免地積聚在聚結(jié)過濾元件上，導(dǎo)致聚結(jié)過濾元件臟污，降低污水處理能力。因此，油水分離器在運(yùn)行一定時間后，將定時進(jìn)行反沖洗操作。系統(tǒng)會關(guān)閉自動排油閥，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)過濾元件底部進(jìn)入，由下至上沖洗聚結(jié)過濾元件后經(jīng)沖洗水出口閥排回艙底水柜，實(shí)現(xiàn)對聚結(jié)過濾元件的清洗。反沖洗過程結(jié)束后，系統(tǒng)重新進(jìn)入油水分離過程。反沖洗過程如圖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，制作一個具有控制功能和信號采集的控制柜?？刂乒裆嫌袉影粹o，啟動指示燈，手動分油，手動加水，手動排油，手動反沖洗按鈕，有自動，手動，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

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程，自動排油過程，反沖洗過程以及油分濃度超標(biāo)報警等功能。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：U664

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

基金項(xiàng)目：天津市市級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項(xiàng)目（編號201410060035）；天津市普通高等學(xué)校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革研究計劃“輪機(jī)工程專業(yè)“卓越計劃”體系建設(shè)的研究與實(shí)踐”（編號B01-0818）。