王　琪

(南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)工程系，江蘇 南通 226010)

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基于觸摸屏和PLC技術(shù)的內(nèi)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(shù)學(xué)院 輪機(jī)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(shè)備成本高、占據(jù)空間大及自動化程度低等問題，設(shè)計和開發(fā)內(nèi)河船舶生活灰水處理裝置，基于PLC和觸摸屏技術(shù)設(shè)計控制系統(tǒng)，系統(tǒng)仿真運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作簡單、控制可靠且成本低廉，符合內(nèi)河船舶設(shè)備控制規(guī)范要求。

觸摸屏；PLC技術(shù)；內(nèi)河船舶；生活灰水處理裝置；控制系統(tǒng)

我國目前對內(nèi)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(dá)標(biāo)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(hù)成本較高，制約著其在內(nèi)河船舶的應(yīng)用和推廣。為此，基于內(nèi)河船舶管理現(xiàn)狀，在實現(xiàn)性能指標(biāo)符合排放標(biāo)準(zhǔn)的同時，綜合考慮成本和維護(hù)管理因素，提出運用PLC和觸摸屏技術(shù)開發(fā)控制裝置。

1　系統(tǒng)原理

內(nèi)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(dāng)前陸上生活污水處理廠廣泛使用的超濾膜技術(shù)，針對生活灰水處理開發(fā)設(shè)計灰水凈化和回用系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖見圖1。

圖1　內(nèi)河船舶生活灰水處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

灰水進(jìn)入膜處理室后經(jīng)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(nèi)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(shè)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(zhì)排出舷外，并設(shè)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(nèi)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(qiáng)膜處理室內(nèi)的生化反應(yīng)需要，設(shè)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(shè)計實現(xiàn)了環(huán)保、節(jié)水和降低成本的目的。

本設(shè)計的核心部件為膜處理室內(nèi)的浸沒型簾式超濾膜生物反應(yīng)器(menbrane bioreactor,MBR)。該反應(yīng)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(yīng)器生物處理單元中的氧性微生物消化分解污水中的有機(jī)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(zhì)，使出水中有機(jī)物質(zhì)含量、懸浮固體顆粒量，以及大腸桿菌群含量滿足相關(guān)法規(guī)的指標(biāo)要求[4]。MBR工藝通過膜分離技術(shù)強(qiáng)化了生物反應(yīng)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(fù)荷沖擊能力強(qiáng)，出水水質(zhì)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(yīng)用較為廣泛的污水處理工藝[5-6]，其在內(nèi)河船舶上的應(yīng)用值得推廣。

2　裝置控制系統(tǒng)要求

基于以上結(jié)構(gòu)原理分析，本系統(tǒng)在生活灰水凈化處理的控制中主要應(yīng)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(nèi)采用兩組高度不同的簾式膜組件，可根據(jù)水位的不同設(shè)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(shè)備的體積，膜處理室結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　膜處理室結(jié)構(gòu)示意

膜處理室中設(shè)有3個水位監(jiān)測探頭H 、M、 L，當(dāng)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(jìn)行灰水處理；隨著水位降低，當(dāng)?shù)陀贛位時電磁閥1關(guān)閉，電磁閥2保持打開，簾式膜組2運行，膜組1停用；當(dāng)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(shè)有高低水位監(jiān)測探頭，當(dāng)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(dá)到低水位。當(dāng)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(dāng)流量計的流量值低于設(shè)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(shè)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(yīng)簾式膜組投入運行，以實現(xiàn)膜處理室的容積減?。荒ぬ幚硎遗盼垭姶砰y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(yīng)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(shè)置遠(yuǎn)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(shè)置遠(yuǎn)程操作模式，同時基于系統(tǒng)工作可靠性考慮設(shè)置機(jī)旁手/自動控制模式，并配有相應(yīng)按鈕、指示燈和蜂鳴器。

3　控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1自動系統(tǒng)整體設(shè)計

灰水處理系統(tǒng)結(jié)合船舶機(jī)艙監(jiān)測與報警系統(tǒng)(自動監(jiān)控系統(tǒng))設(shè)計規(guī)范的要求，遵循“工藝必需、先進(jìn)實用、維護(hù)簡便”的原則，其設(shè)計方案力求滿足內(nèi)河船舶生活灰水處理工藝的特性，保證污水處理生產(chǎn)的穩(wěn)定和高效，減輕勞動強(qiáng)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(gòu)

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(jìn)行通信。考慮到與內(nèi)河船舶機(jī)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(wǎng)通信模塊CP243-1，使PLC作為底層控制計算機(jī)(或下位機(jī))與上層計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(或上位機(jī))實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，通信介質(zhì)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(guān)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(nèi)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(jī)界面系統(tǒng)的設(shè)計

本控制系統(tǒng)的人機(jī)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(jìn)行采集，顯示出現(xiàn)場設(shè)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(shè)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(jī)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(yīng)在PC機(jī)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(jī)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(jī)交互[8]。

4　系統(tǒng)仿真

為驗證本控制系統(tǒng)設(shè)計的合理性，借助Matlab/Simulink平臺對控制方案進(jìn)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(cè)安裝了一臺水泵，從而使膜處理室的流出水量與水位無關(guān)，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(yīng)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(dāng)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(dá)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?；诖耍柚鶶imulink軟件強(qiáng)大的仿真功能，通過建模仿真對PLC控制程序設(shè)計方法加以檢驗，以確定其控制算法的正確性[9]。仿真結(jié)果見圖5。圖中的輸入信號供水量是根據(jù)內(nèi)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(jìn)行模擬,根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)特點本系統(tǒng)液位H、N、L分別設(shè)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(jié)果表明該系統(tǒng)設(shè)計符合內(nèi)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(shè)計方法驗證可以有效縮減系統(tǒng)工程調(diào)試時間，是一種較為高效的PLC復(fù)雜控制算法實現(xiàn)和驗證的方法。

圖4　內(nèi)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(jié)果

5　結(jié)論

系統(tǒng)設(shè)備尺寸小，管理便捷可靠，可實現(xiàn)與遠(yuǎn)程操作，有效提升了內(nèi)河船舶自動化水平。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)控制方案能夠針對內(nèi)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(shè)定了相關(guān)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(guān)因素的影響，在模型參數(shù)選擇和精度控制方面還需要進(jìn)一步優(yōu)化，這些都將是下一步需要研究和關(guān)注的重點和難點。

[1] 胡芝悅,鐘登杰,鄧胡飛,等.船舶生活污水處理進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)),2014(12):64-70.

[2] 馬愛麗.河北省水環(huán)境污染經(jīng)濟(jì)損失評估[D].石家莊:石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院,2011.

[3] 鄧健，楊獻(xiàn)朝，陳立家，等.內(nèi)河船舶生活污水排放監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)及實驗研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2014(9):125-129.

[4] WANG X J, SHEN Q H, JI Y Z. Research progress of ships waste treatment technology[J]. Applied mechanics and materials,2014(587):674-679.

[5] 李玉樂.基于超濾膜技術(shù)對船舶生活污水處理裝置的研究[D].廈門:集美大學(xué)，2010.

[6] 葛志祥,王琪.膜過濾技術(shù)在內(nèi)河船上的應(yīng)用探索[J].南通航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2013(1)：24-27.

[7] 令榮.基于PLC和觸摸屏的開放式立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計[D].蘭州:蘭州交通大學(xué)，2014.

[8] 廖常初,戴小波.Smart 700 IE觸摸屏與S7-200通信的實現(xiàn)方法[J].自動化應(yīng)用,2013(9):106-108.

[9] 張新敏,康燁,朱學(xué)軍.基于Simulink與S7-200 PLC的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究，2014(10):47-48.

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(xué)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(jī)自動化技術(shù)，船舶防污染技術(shù)

E-mail:wangqi@ntsc.edu.cn