汪東明，何立冬，賀曉華*，趙云俊

（1．柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006；2．遼寧省有色地質(zhì)局104隊(duì)，遼寧 營(yíng)口 115007）

[技術(shù)應(yīng)用研究]

WCMBR船用污水處理裝置PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪東明1，何立冬2，賀曉華1*，趙云俊1

（1．柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545006；2．遼寧省有色地質(zhì)局104隊(duì)，遼寧 營(yíng)口 115007）

國(guó)際海事組織（IMO）關(guān)于船舶生活污水排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，船舶生活污水處理技術(shù)急需提升。針對(duì)WCMBR船用污水處理裝置，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的控制系統(tǒng)，通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)溫度、液位，實(shí)現(xiàn)了污水處理過(guò)程的全自動(dòng)化。該控制系統(tǒng)優(yōu)化了污水處理的運(yùn)行效果，減少了運(yùn)行費(fèi)用，具有良好的應(yīng)用前景。

船用污水處理；PLC；自動(dòng)控制

隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，船舶污水對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題日益受到人們的重視，國(guó)際海事組織((IMO)頒布的MARPOL73/78公約要求對(duì)船舶生活污水進(jìn)行更加有效地處理。該公約附則Ⅳ已對(duì)我國(guó)正式生效，其明確規(guī)定了各種類(lèi)型和大小的船舶在任何區(qū)域排放船舶生活污水的標(biāo)準(zhǔn)和要求。因此，船用污水處理設(shè)備必須不斷提高污水處理能力，才能滿足相關(guān)技術(shù)要求。

1 WCMBR污水處理裝置工作原理

船用生活污水處理技術(shù)主要有物化法、生化法以及電解法。物化法是指將化學(xué)藥劑加入污水中進(jìn)行循環(huán)、粉碎、沉淀、消毒處理。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，裝置體積較??；缺點(diǎn)是沒(méi)有進(jìn)行生化反應(yīng)，對(duì)有機(jī)物去除不夠徹底，而且需要大量消毒劑。生化法是指通過(guò)建立和保持微生物生長(zhǎng)的適宜條件，利用微生物群體來(lái)消化分解污水中的有機(jī)物，使之生成環(huán)境無(wú)害的無(wú)機(jī)物和二氧化碳和水，再通過(guò)沉淀固液分離，以此凈化污水。其優(yōu)點(diǎn)是微生物得以繁殖，成本低，效果好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是體積大，不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)含鹽量敏感，不能和洗滌灰水混合。電解法是指通過(guò)電化學(xué)過(guò)程對(duì)污水進(jìn)行氧化和消毒，在NaCLO的作用下，有機(jī)物被氧化，污水中的細(xì)菌被殺死，從而達(dá)到凈化污水的目的。電解法的優(yōu)點(diǎn)是裝置小，處理流程快；缺點(diǎn)是操作維護(hù)復(fù)雜，運(yùn)行費(fèi)用較高，處理水色度較差。[1]

WCMBR污水處理裝置采用的是生化法，能處理來(lái)自生活污水中大腸菌群、懸浮固體和生化需氧量，使其達(dá)到合格指標(biāo)。其污水處理流程如圖1所示。

圖1 WCMBR污水處理流程圖

生活污水首先進(jìn)入污水池。當(dāng)液位達(dá)到預(yù)設(shè)值，污水經(jīng)粉碎后進(jìn)入細(xì)菌分解池進(jìn)行分解處理，處理后的污水經(jīng)溢流管在沉淀池沉淀分離，然后進(jìn)入膜池過(guò)濾，經(jīng)紫外消毒后最終達(dá)到排放要求。污水處理過(guò)程中采用了曝氣裝置和生物菌床和MBR濾膜，因此WCMBR裝置兼有活性污泥法和生物膜法的優(yōu)點(diǎn)，可有效提高污水處理品質(zhì)。在接觸氧化法處理系統(tǒng)中，氧化室的供氧對(duì)生物處理過(guò)程的正常運(yùn)行是非常重要的。本裝置的能否正常運(yùn)行取決于曝氣供氧、菌池溫度、污水液位、污泥分離等要素之間和平衡和配合，因此需要一套與之配套的自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)保證其正常工作。[2-3]

2 WCMBR污水處理控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

由WCMBR污水處理裝置的工作流程可知，為保證WCMBR污水處理裝置能高效可靠的處理污水，必須對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制。在船舶這種特殊的環(huán)境下，采用PLC控制系統(tǒng)可有效提高污水處理裝置的可靠性。在WCMBR污水處理裝置的工作流程中，PLC控制系統(tǒng)主要控制的要素有曝氣供氧量、菌池溫度、污水液位、管道切換等，對(duì)應(yīng)的控制輸入量主要是液位、溫度、工作方式選擇，主要的輸出控制對(duì)象是泵和閥。同時(shí)，由于船舶在航行時(shí)主要使用交流電源，但在停航時(shí)主要使用直流電源，為了保證污水處理系統(tǒng)的不間斷工作，選定的PLC應(yīng)該采用直流電源，直流輸入和繼電器輸出形式。[4]

3 WCMBR污水處理控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行具體的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，需要詳細(xì)分析污水處理裝置的工作需求，確定輸入輸出信號(hào)的形式和數(shù)量，并形成I/O分配表。根據(jù)I/O分配表，選定S7-300系列的CPU 313C-2-DP和DI16/ DO 16可以滿足需求。

以I/O分配表及選定的硬件元器件為基礎(chǔ)，根據(jù)具體的控制需要，可以進(jìn)行硬件電路圖的繪制。PLC控制系統(tǒng)的硬件電路主要包括電源電路，主電路和PLC控制電路，PLC控制電路如下圖所示。

圖2 PLC控制電路圖

4 WCMBR污水處理控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 控制流程圖

為了實(shí)現(xiàn)所需的控制邏輯，硬件電路確定之后，需要編寫(xiě)PLC控制程序。在編寫(xiě)PLC控制程序的過(guò)程中通常根據(jù)控制功能把整個(gè)程序分為多個(gè)功能部分。WCMBR污水處理裝置的運(yùn)行模式可以分為培菌運(yùn)行模式、自動(dòng)運(yùn)行模式和批序模式。自動(dòng)運(yùn)行模式的流程圖如圖3所示。[5]

圖3 自動(dòng)模式流程圖

4.2 PLC梯形圖程序

根據(jù)確定好的流程圖，可以進(jìn)一步編寫(xiě)具體的梯形圖程序。通常一個(gè)程序段只用來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)最小功能，通過(guò)若干程序段的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)某一具體功能。這樣編寫(xiě)的程序具有較好的可讀性和可修改性。相關(guān)程序?qū)嵗鐖D4所示。

4.2.1 保菌休眠計(jì)時(shí)程序

圖4 保菌休眠計(jì)時(shí)程序

4.2.2 氣泵工作程序

圖5 氣泵工作程序

5 WCMBR污水處理控制系統(tǒng)的仿真調(diào)試

編寫(xiě)好控制程序后，通?？上冗M(jìn)行仿真運(yùn)行，檢查程序是否正確。當(dāng)確認(rèn)程序無(wú)誤后再進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)試機(jī)調(diào)試以達(dá)到最終的工作要求。

5.1 間歇運(yùn)行程序仿真

Ⅰ級(jí)緩沖柜的污水進(jìn)入Ⅱ級(jí)序批柜，Ⅰ級(jí)液位降至F1時(shí)P1停止運(yùn)行。當(dāng)Ⅱ級(jí)序批柜污水到達(dá)L1液位且粉碎泵不工作時(shí)氣泵PQ1、PQ 2啟動(dòng)，進(jìn)入培菌休眠模式。液位升至高液位R 2時(shí)程序無(wú)響應(yīng)，氣泵運(yùn)行四小時(shí)后，氣泵及PQ 1、PQ 2自動(dòng)轉(zhuǎn)入培菌保菌狀態(tài)，即開(kāi)20分停20分的 “間歇運(yùn)行”，如圖6所示。

圖6 間歇運(yùn)行程序仿真

5.2 粉碎泵自動(dòng)啟動(dòng)程序仿真

污水剛進(jìn)入緩沖柜時(shí)但仍然沒(méi)有達(dá)到FI低水位，程序沒(méi)有響應(yīng)。污水繼續(xù)注入低液位F1水位指示燈亮，液位不斷升高，當(dāng)液位升到啟動(dòng)液位F2水位指示燈亮?xí)r，M 4.0接通，粉碎泵P1自動(dòng)啟動(dòng)，程序運(yùn)行如圖7所示。

圖7 粉碎泵自動(dòng)啟動(dòng)程序仿真

5.3 應(yīng)急程序仿真

為了應(yīng)對(duì)某些緊急情況，通常都需要編寫(xiě)應(yīng)急程序。無(wú)論在任何模式下，按下應(yīng)急排放按鈕 （謹(jǐn)慎使用）都將進(jìn)行應(yīng)急排放，淤泥不經(jīng)過(guò)膜組與消毒，直接從淤泥排放口排出。程序工作狀態(tài)如圖8所示。

圖7 應(yīng)急程序仿真

6 結(jié)論

WCMBR污水處理裝置控制系統(tǒng)經(jīng)合理設(shè)計(jì)與調(diào)試，保證了WCMBR污水處理裝置的正常運(yùn)行，減少了運(yùn)行費(fèi)用，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期要求。采用PLC控制系統(tǒng)的WCMBR污水處理裝置滿足相關(guān)法規(guī)對(duì)船舶生活污水的標(biāo)準(zhǔn)和要求，具有良好的應(yīng)用前景。

[1]于志民，徐燕銘.簡(jiǎn)析新型船用WCMBR型生活污水處理裝置[J].中國(guó)水運(yùn)(下半月)，2013（6）：91-92.

[2]黃嶸，林巍，周健.船用生活污水處理技術(shù)研究[J].機(jī)電設(shè)備，2014（3）：59-61.

[3]劉邵宏，童偉.船用生化膜生活污水處理裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2015（11）：49-51.

[4]嚴(yán)誠(chéng)，熊達(dá)青.PLC在船用膜法生活污水處理裝置中的應(yīng)用[J].科學(xué)與財(cái)富，2015（27）：250-251.

[5]殷峰，李玉章.艦船用膜法生活污水處理裝置自動(dòng)控制[J].船海工程，2010（6）：50-52.

Design of PLC ControlSystem forWCMBRM arine Sewage Treatment Plant

WANG Dong-m ing1,HELi-dong2,HEXiao-hua1*&ZHAN Yun-jun1
(1 Liuzhou Vocational&TechnicalCollege,Liuzhou Guangxi545006,China; 2 Liaoning ProvincialBureau ofNonferrousMeteorology 104,Yingkou Liaoning 115007,China)

Because the InternationalMaritime O rganization (IMO)ismore andmore stricton the regulationsofship domestic sewage discharge,the ship'sdomestic sewage treatment technology need to upgrade.Aim ing at theWCMBR marine sewage treatmentdevice,a setof controlsystem based on PLC wasdesigned,which realized the fully automatic processofsewage treatmentby automatically detecting temperature and liquid level.The controlsystem optim izes the running effectof sewage treatment,reduces the running cost,and has good application prospect.

marine sewage treatment;PLC;automatic control

TP273.5

A

1671-1084（2017）02-0107-05

DOI 10.16221/j.cnki.issn1671-1084.2017.02.025

2016-12-01

汪東明，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系講師，研究方向?yàn)闄C(jī)電工程與材料教學(xué)；何立冬，遼寧省有色地質(zhì)局104隊(duì)電氣助理工程師，研究方向?yàn)殡姎膺\(yùn)行與設(shè)計(jì)改造；*賀曉華，通訊作者，碩士,柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化、機(jī)械CAD/CAE教學(xué)；趙云俊，碩士，柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系講師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化、虛擬儀器教學(xué)。