基于触摸屏和PLC技术的内河船舶生活灰水处理控制系统开发

王　琪

(南通航运职业技术学院 轮机工程系，江苏 南通 226010)



基于触摸屏和PLC技术的内河船舶生活灰水处理控制系统开发

王琪

(南通航运职业技术学院 轮机工程系，江苏 南通 226010)

针对现有船舶生活污水处理装置重黑水处理轻灰水处理，且设备成本高、占据空间大及自动化程度低等问题，设计和开发内河船舶生活灰水处理装置，基于PLC和触摸屏技术设计控制系统，系统仿真运行结果表明，该系统操作简单、控制可靠且成本低廉，符合内河船舶设备控制规范要求。

触摸屏；PLC技术；内河船舶；生活灰水处理装置；控制系统

我国目前对内河船舶生活污水主要采用的处理方法是在船上直接安装生活污水处理装置或安装生活污水收集装置，通过达标处理排入江河或集中到岸上处理[1-3]。污水处理装置多采用生化法处理装置，通用做法是将灰水混合入黑水实施处理为主，装置体积偏大、初始投入和维护成本较高，制约着其在内河船舶的应用和推广。为此，基于内河船舶管理现状，在实现性能指标符合排放标准的同时，综合考虑成本和维护管理因素，提出运用PLC和触摸屏技术开发控制装置。

1　系统原理

内河船舶生活污水具有污水总量不大、水流变化的间歇性、易随船体摇摆而震荡和操作空间狭窄等特点。通过对传统的生化处理方式比较，选用当前陆上生活污水处理厂广泛使用的超滤膜技术，针对生活灰水处理开发设计灰水净化和回用系统，该系统结构原理图见图1。

图1　内河船舶生活灰水处理系统结构原理

灰水进入膜处理室后经超滤膜组件在自吸泵的作用下将灰水抽吸至压力水柜。该出水一方面可作为回用水供船舶清洗、杂用外，还可为膜处理室内的超滤模组提供反冲洗用水，有效实现了船舶污水的回用，节约了水源。此外考虑到在回用水量需求减少的因素，系统还设计了基于RO膜净水处理器，可将过量的回用水RO膜组件净化为纯水水质排出舷外，并设有回流水口，使回流与膜处理室相通形成循环回路。根据膜处理室内长期使用易形成污泥，系统将膜处理与基于真空蒸馏黑水处理装置通过电磁阀相连，实现污泥的定期排放。此外为加强膜处理室内的生化反应需要，设有曝气泵并通过接于膜组件下方的曝气管相连，实现曝气的同时也形成的一定的震动，有效防止膜表面的污垢堆积。本设计实现了环保、节水和降低成本的目的。

本设计的核心部件为膜处理室内的浸没型帘式超滤膜生物反应器(menbrane bioreactor,MBR)。该反应器是生物处理方式与膜分离方式组合而成的一种高效污水处理新工艺。其工作原理是利用反应器生物处理单元中的氧性微生物消化分解污水中的有机污染物，利用膜的选择透过性节流污水中的特定大小的微粒、胶体，以及大分子物质，使出水中有机物质含量、悬浮固体颗粒量，以及大肠杆菌群含量满足相关法规的指标要求[4]。MBR工艺通过膜分离技术强化了生物反应器的功能，与传统的生物处理方法相比，具有生化效率高，抗负荷冲击能力强，出水水质稳定，占地面积小，排泥周期长，易实现自动控制等优点，是目前应用较为广泛的污水处理工艺[5-6]，其在内河船舶上的应用值得推广。

2　装置控制系统要求

基于以上结构原理分析，本系统在生活灰水净化处理的控制中主要应包括以下控制回路。

1)水位控制。采用双位控制模式，膜处理室内采用两组高度不同的帘式膜组件，可根据水位的不同设计成并联使用和单组使用模式，以避免抽吸泵在较低水位吸空，同时也降低了设备的体积，膜处理室结构见图2。

图2　膜处理室结构示意

膜处理室中设有3个水位监测探头H 、M、 L，当水位高于H时，电磁阀1、2打开，帘式膜组1、2投入运行，自吸泵启动进行灰水处理；随着水位降低，当低于M位时电磁阀1关闭，电磁阀2保持打开，帘式膜组2运行，膜组1停用；当水位下降到L位时，系统电磁阀、自吸泵停用，停止灰水处理，并一直维持到水位上升至H位时重新投入运行。

此外，压力水柜中设有高低水位监测探头，当处于高水位时，停止自吸泵运行，启动RO膜净水器增压泵将水净化后排出舷外，直至达到低水位。当水位处于低水位时，锁闭(停止)RO膜净水器增压泵。

2)曝气泵控制。采取间歇式爆气方式，正常运行期间每10 min，停2 min，工作8 min；自吸泵工作时为防止自吸泵吸入气体而停止曝气。

3)反冲洗控制。反冲洗控制采用压力水柜水源冲洗，冲洗方式有两种：①定时冲洗，根据计时器，按每15 d冲洗一次(冲洗时冲洗电磁阀打开，排水泵停用，冲洗时间2 min，可根据容积大小而定)；②根据流量计流量值确定的及时冲洗，当流量计的流量值低于设定值时，启动冲洗，(冲洗时冲洗电磁阀打开，自吸泵停用，冲洗时间可设定)。

4)压力控制。压力水柜采用空气压力供压，采用双位控制。大于0.25 MPa,停止供气；小于0.15 MPa,开始供气。

5)电磁阀控制。电磁阀主要包括膜处理室帘式膜组控制电磁阀、膜处理室排污电磁阀、舷外排水电磁阀和循环水电磁阀。其中，帘式膜组控制电磁阀主要根据水位的高低控制相应帘式膜组投入运行，以实现膜处理室的容积减小；膜处理室排污电磁阀主要实现膜处理室的定期排污，电磁阀开启条件，每15 d清洗过程开启一次(主要用于排污)或系统应急情况下排放，每次开启时间10 s；舷外排水电磁阀主要根据压力水柜水位过高或紧急状态等实际需要实施控制，打开排出船外；反冲洗电磁阀主要用于为膜处理组件供给发冲洗水。

6)控制模式选择。系统设置远程操作方式、自动操作方式和手动操作模式。为根据船舶实际操作和监控需要系统设置远程操作模式，同时基于系统工作可靠性考虑设置机旁手/自动控制模式，并配有相应按钮、指示灯和蜂鸣器。

3　控制系统的设计

3.1自动系统整体设计

灰水处理系统结合船舶机舱监测与报警系统(自动监控系统)设计规范的要求，遵循“工艺必需、先进实用、维护简便”的原则，其设计方案力求满足内河船舶生活灰水处理工艺的特性，保证污水处理生产的稳定和高效，减轻劳动强度。整个控制系统的组成见图3。

图3　生活灰水处理装置控制系统组成架构

本自动控制系统由S7-200系列PLC、西门子SMART700IE触摸屏和仪表检测系统等部分组成，PLC和触摸屏借助RS485进行通信。考虑到与内河船舶机舱监测与报警系统(自动监控系统)集成的需要，PLC配有工业以太网通信模块CP243-1，使PLC作为底层控制计算机(或下位机)与上层计算机网络(或上位机)实现数据共享，通信介质采用5类8芯的双绞线，通信速率10/100 Mb/s。

3.2PLC控制

S7-200CPU模块中配有EEPROM，可永久保存用户程序和一些重要的参数。船舶生活灰水处理装置PLC硬件有：开关量25个点，模拟量4个通道，其中I/O接口分配见表1。

表1　内河船舶生活灰水处理装置控制系统PLC I/O接口分配表

PLC控制系统的流程见图4，其软件功能采用S7-200 编程软件(STEP7_Micro/WIN) 实现。

3.3人机界面系统的设计

本控制系统的人机界面(human-machine interface,HMI)硬件采用西门子SMART700IE触摸屏。触摸屏可对PLC-200的数据进行采集，显示出现场设备的工作情况、对数据的记录情况以及对现场的操控[7]。共设计了3个控制界面：管路系统、操作控制盘台、系统运行参数记录。

HMI系统软件主要包括两部分，即运行于HMI硬件中的系统软件和运行于PC机Windows操作系统下的画面组态软件(WINCC flexible Standard__Smart Line _smart700画面组态软件)。首先应在PC机上运用画面组态软件编辑好“工程文件”；测试并保存已编辑好的“工程文件”；然后通过串行通讯口将PC机连接HMI，下载“工程文件”到HMI中；最后，采用DP线连接HMI和PLC，实现人机交互[8]。

4　系统仿真

为验证本控制系统设计的合理性，借助Matlab/Simulink平台对控制方案进行仿真。以膜处理室作为被控对象。由图2可知膜处理室实际为一个单容水箱，其出口侧安装了一台水泵，从而使膜处理室的流出水量与水位无关，且保持不变，即流出量的变化量q0=0。假定在某t0时刻流入膜处理室的流量与水泵的排水量相同都为Q，则膜处理室的水位H保持不变。若在流入量有一个增量qi时，静态平衡被破坏，但此时流出量仍为定值，则膜处理室的水位变化规律可表示为

(1)

式中：C——膜处理室的横截面积。

对式(1)两端求取拉普拉斯变换，可得膜处理室的传递函数：

(2)

式(2)表明，该膜处理室是一个具有积分环节特性的单容对象。其单位阶跃响应为

(3)

式中：ε——飞升速度，ε=1/C。

由式(3)可知，系统中膜处理室的特性为一条直线方程，是直线的斜率。当被控对象原来的平衡状态被扰动作用破坏后，如果不依靠自动控制或人工控制的外来作用，被控变量将一直变化下去，不可能达到新的平衡状态。因此本系统膜控制室是一个无自平衡能力的控制对象。基于此，借助Simulink软件强大的仿真功能，通过建模仿真对PLC控制程序设计方法加以检验，以确定其控制算法的正确性[9]。仿真结果见图5。图中的输入信号供水量是根据内河船舶生活灰水1 d中的3个主要时间段：(06：00～08：00,11：00～13：00,18：00～21：00)采用脉冲信号进行模拟,根据装置结构特点本系统液位H、N、L分别设置为1.0，0.6，0.4 m。通过观察液位变化、自吸泵运行状态、膜组件电磁阀1、2的运行状态等验证控制系统的有效性。仿真结果表明该系统设计符合内河船舶生活灰水处理装置的运行特点，与实际要求一致。同时也表明基于Simulink仿真软件实施PLC控制程序设计方法验证可以有效缩减系统工程调试时间，是一种较为高效的PLC复杂控制算法实现和验证的方法。

图4　内河船舶生活灰水处理装置PLC控制系统流程

图5　控制系统仿真试验结果

5　结论

系统设备尺寸小，管理便捷可靠，可实现与远程操作，有效提升了内河船舶自动化水平。仿真结果表明该系统控制方案能够针对内河船舶生活灰水处理的实际实施控制，但由于仿真只是针对设定了相关参数的具体系统，且未考虑船舶摇摆、膜污染、装置大小等相关因素的影响，在模型参数选择和精度控制方面还需要进一步优化，这些都将是下一步需要研究和关注的重点和难点。

[1] 胡芝悦,钟登杰,邓胡飞,等.船舶生活污水处理进展及发展趋势[J].重庆理工大学学报(自然科学),2014(12):64-70.

[2] 马爱丽.河北省水环境污染经济损失评估[D].石家庄:石家庄经济学院,2011.

[3] 邓健，杨献朝，陈立家，等.内河船舶生活污水排放监测系统开发及实验研究[J].武汉理工大学学报，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] 李玉乐.基于超滤膜技术对船舶生活污水处理装置的研究[D].厦门:集美大学，2010.

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[7] 令荣.基于PLC和触摸屏的开放式立体车库控制系统设计[D].兰州:兰州交通大学，2014.

[8] 廖常初,戴小波.Smart 700 IE触摸屏与S7-200通信的实现方法[J].自动化应用,2013(9):106-108.

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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年度江苏交通科技计划资助项目(2012C07)；2013年度江苏交通科技计划重大专项资助项目(2013Y03)；2015年度江苏省航海学会资助项目(2015B02)

王琪(1975—)，男，硕士，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:轮机自动化技术，船舶防污染技术

E-mail:wangqi@ntsc.edu.cn