船舶生活污水處理仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

童　鑫，王宗濤

(天津理工大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，天津　300384)

?

船舶生活污水處理仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

童鑫，王宗濤

(天津理工大學(xué)海運(yùn)學(xué)院，天津300384)

摘要：基于組態(tài)王Kingview和PLC仿真，設(shè)計(jì)一種船舶生活污水處理仿真系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)可以模擬船舶生活污水處理裝置的污水處理過(guò)程、自動(dòng)排水過(guò)程、應(yīng)急排水過(guò)程以及濃度超標(biāo)報(bào)警等功能。系統(tǒng)運(yùn)行可靠，可視化效果良好。同時(shí)設(shè)計(jì)了該仿真系統(tǒng)與硬件的接口，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)船舶生活污水仿真裝置提供設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：船舶生活污水；污水處理；組態(tài)王；仿真系統(tǒng)

船舶生活污水是指由船員、旅客及船舶所載的動(dòng)物日常生活所形成的廢水[1-2]。隨著海洋開(kāi)發(fā)和航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，海洋環(huán)境的污染越來(lái)越嚴(yán)重，如何防治和減少船舶運(yùn)行對(duì)海洋環(huán)境的污染，正逐步受到人們的重視。在國(guó)際海事組織(IMO)頒布的《MARPOL73/78 公約》附則 IV——“防止船舶生活污水污染規(guī)則”的基礎(chǔ)上，針對(duì)船舶生活污水排放的各種地方性標(biāo)準(zhǔn)不斷出臺(tái)，要求對(duì)船舶生活污水進(jìn)行更加有效的處理[3-6]。

本文利用組態(tài)王軟件Kingview和PLC(Programmable logic controller)仿真開(kāi)發(fā)一種船舶生活污水處理仿真系統(tǒng)。組態(tài)王軟件具有良好的人機(jī)界面，為用戶提供豐富的應(yīng)用設(shè)計(jì)工具和便利的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以通過(guò)RS232接口與PLC進(jìn)行通信，并監(jiān)控PLC的所有存儲(chǔ)器、控制器及I/O接口的狀態(tài)[7-9]。利用組態(tài)王軟件的畫(huà)面設(shè)計(jì)功能制作仿真系統(tǒng)的主體框架和管路布局，調(diào)用軟件自帶圖素中的閥門(mén)并安放在管道的相應(yīng)位置；建立組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典并和畫(huà)面元件關(guān)聯(lián)，編寫(xiě)命令語(yǔ)言程序；通過(guò)組態(tài)王運(yùn)行系統(tǒng)完成該仿真系統(tǒng)的測(cè)試。

1船舶生活污水處理

1.1處理方法

生活污水的處理方法主要有：1)物理處理法。通過(guò)離心分離和篩濾截留等物理作用分離、回收廢水中不溶解的呈懸浮狀態(tài)的污染物的廢水處理法[10]。2)化學(xué)處理法。通過(guò)化學(xué)反應(yīng)和傳遞介質(zhì)作用分離、去除廢水中呈溶解、膠體狀態(tài)的污染物或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)的廢水處理方法[11]。3)生物處理法。通過(guò)微生物的代謝作用，使廢水中呈溶液、膠體以及微細(xì)懸浮狀態(tài)的有機(jī)污染物，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、無(wú)害物質(zhì)的廢水處理方法[12]。4)生物接觸氧化法。通過(guò)棲附在生物接觸氧化池內(nèi)填料上的生物膜與氧氣的生物氧化作用，將廢水中的有機(jī)物氧化分解，達(dá)到凈化目的，是一種介于活性污泥法與生物濾池之間的生物膜法工藝[13]。對(duì)于大多數(shù)船舶來(lái)說(shuō)，廣泛采用的方法是生物處理法。

1.2處理原理

本文基于生物處理法進(jìn)行船舶生活污水處理裝置仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。某船舶生活污水的處理采用生物處理法，利用好氧菌為主的活性污泥對(duì)污水中的有機(jī)物進(jìn)行分解處理，裝置如圖1所示[14]。該裝置主要分為曝氣室、沉淀池和消毒室3部分。

1—低水位浮子開(kāi)關(guān)；2—高水位浮子開(kāi)關(guān)；3—控制柜；4—超高水位浮子開(kāi)關(guān)；5—氯化器；6—空氣壓縮機(jī)；7—撇渣器；8—浮渣返回；9—污泥返回；10—通氣管；11—污水進(jìn)口；12—濾網(wǎng)；13—沉淀池；14、15—曝氣室；16—消毒室；17—排出泵圖1　某船生活污水處理裝置

生活污水由曝氣室14頂部的進(jìn)水口送入，壓縮空氣經(jīng)過(guò)安裝在池底內(nèi)的幾個(gè)擴(kuò)散器供入污水中，攪拌污泥，使進(jìn)入池內(nèi)的污水與活性污泥充分混合完全接觸，保證好氧菌生存所需要的氧氣。經(jīng)過(guò)曝氣室14后，污水中的有機(jī)物通過(guò)好氧菌新陳代謝轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，同時(shí)產(chǎn)生新的活性污泥。二氧化碳通過(guò)排氣系統(tǒng)排出?；钚晕勰喾譃?部分:一部分水分較多、顆粒較小，這部分污泥進(jìn)入曝氣室15再次進(jìn)行分解，然后進(jìn)入消毒室16；另一部分顆粒較大的污泥進(jìn)入沉淀池，在沉淀池中水和活性污泥分離，活性污泥一部分定期排出，一部分通過(guò)提升管9返回曝氣室14，以保證曝氣室中活性污泥濃度一定。消毒室的作用是使處理后的水通過(guò)藥物殺菌消毒處理后排出[15]。處理后的水達(dá)標(biāo)后排入大海，否則需進(jìn)行二次處理。

1.3注意事項(xiàng)

船舶生活污水生物處理裝置應(yīng)該連續(xù)運(yùn)行，不能停止供風(fēng)，如果停止供風(fēng)會(huì)導(dǎo)致活性污泥中的好氧菌缺氧死亡，還應(yīng)該定期檢查曝氣室中活性污泥的濃度，一般船上要求每3個(gè)月檢查1次。裝置的進(jìn)水量不應(yīng)超過(guò)裝置的額定容量，同時(shí)在使用過(guò)程中還應(yīng)該及時(shí)補(bǔ)充消毒劑，通常在船舶上每3個(gè)月補(bǔ)充1次，且按每人每月20 g的量投放[16]。

2仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1基本原理和操作流程

采用生物處理法，設(shè)計(jì)原理及流程如圖2、3所示。由圖2可知，系統(tǒng)主要有曝氣室、沉淀池、消毒室、膜過(guò)濾和激光殺菌室5部分組成。空氣經(jīng)安裝在外部的風(fēng)機(jī)供入曝氣室。沉淀池中的污泥通過(guò)空氣提升管提升回流到曝氣室進(jìn)行二次處理。經(jīng)過(guò)曝氣室凈化的水再經(jīng)消毒室殺菌消毒，通過(guò)激光處理掉好氧菌，通過(guò)膜過(guò)濾進(jìn)一步凈化，最后經(jīng)檢測(cè)裝置檢測(cè)合格后排入大海，否則就進(jìn)行二次處理。在處理過(guò)程中風(fēng)機(jī)要一直運(yùn)行，保證供風(fēng)。

如圖3所示，啟動(dòng)系統(tǒng)后，首先進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)模式的判斷：若為手動(dòng)模式，先手動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)供氧，進(jìn)行培菌操作，一段時(shí)間后按下相應(yīng)的按鈕進(jìn)行手動(dòng)排水、手動(dòng)消毒、手動(dòng)激光殺菌、手動(dòng)膜過(guò)濾等操作；若為自動(dòng)模式，風(fēng)機(jī)自行啟動(dòng)后開(kāi)始相應(yīng)的操作，消毒室的液位慢慢上升，到達(dá)設(shè)定的高水位時(shí)打開(kāi)電磁閥進(jìn)行排水，排出的水經(jīng)過(guò)激光殺菌和膜過(guò)濾及檢測(cè)裝置后判斷其去向。

圖2　仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3　仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

2.2系統(tǒng)操作界面設(shè)計(jì)

利用組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)工具制作的操作界面如圖4所示，左邊為仿真系統(tǒng)運(yùn)行畫(huà)圖，右邊為操作控制箱。污水進(jìn)入曝氣室，經(jīng)過(guò)曝氣處理后進(jìn)入消毒室，通過(guò)激光殺菌和膜過(guò)濾排出。由于系統(tǒng)采用組態(tài)王Kingwiew中自帶的PLC仿真，用戶在系統(tǒng)界面上操作控制箱的同時(shí)，系統(tǒng)將信號(hào)傳送到PLC的變量中，這為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)船舶生活污水處理模擬裝置提供了接口。

圖4　仿真系統(tǒng)操作界面圖

2.3數(shù)據(jù)詞典

組態(tài)王開(kāi)發(fā)界面的數(shù)據(jù)詞典是系統(tǒng)的心臟，定義好數(shù)據(jù)詞典并和相應(yīng)的設(shè)備關(guān)聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫(huà)仿真。根據(jù)船舶生活污水處理的基本原理和操作流程，定義好仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)詞典，配合命令語(yǔ)言程序完成界面的功能。該仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)詞典的名稱(chēng)和含義見(jiàn)表1。

3仿真系統(tǒng)的測(cè)試

3.1系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程

準(zhǔn)備就緒后，給系統(tǒng)供電，按下啟動(dòng)按鈕(按下時(shí)按鈕為綠色，未按下時(shí)按鈕為紅色)，啟動(dòng)指示燈亮，污水由進(jìn)水口流入，曝氣室液位慢慢上升，當(dāng)曝氣室液位到達(dá)一定位置后，經(jīng)過(guò)曝氣室里好氧菌處理的水流進(jìn)消毒室，消毒室液位也慢慢上升。圖5為啟動(dòng)時(shí)的控制柜狀態(tài)，圖6為啟動(dòng)時(shí)的曝氣室狀態(tài)。

表1　數(shù)據(jù)詞典

圖5　啟動(dòng)時(shí)控制柜狀態(tài)　　　　　　　　　　　　　　　　圖6　啟動(dòng)時(shí)曝氣室狀態(tài)

3.2系統(tǒng)手動(dòng)功能

按下操作控制箱的啟動(dòng)按鈕后，按下手動(dòng)按鈕，進(jìn)入手動(dòng)模式。在上位機(jī)控制面板上手動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)、手動(dòng)排水、手動(dòng)膜過(guò)濾處理、手動(dòng)激光殺菌、手動(dòng)啟動(dòng)檢測(cè)裝置。圖7為手動(dòng)模式下啟動(dòng)風(fēng)機(jī)的情況，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的管道產(chǎn)生流動(dòng)效果，提升管提升沉淀池一部分廢物至曝氣室形成回流，消毒室液位上升，當(dāng)消毒室液位上升到20%時(shí)低位傳感器變?yōu)榧t色，到達(dá)80%時(shí)高位傳感器變?yōu)榧t色，此時(shí)應(yīng)按下手動(dòng)排水按鈕進(jìn)行排水，否則報(bào)警指示燈會(huì)被點(diǎn)亮。

在排水過(guò)程中，電磁閥打開(kāi)，泵按鈕變?yōu)榫G色表示啟動(dòng)，相應(yīng)的排水管道產(chǎn)生流動(dòng)效果(見(jiàn)圖8)，如果按下手動(dòng)激光殺菌和膜過(guò)濾按鈕，就可以進(jìn)行膜過(guò)濾和激光殺菌操作(見(jiàn)圖9)，最后流出的液體通過(guò)檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)合格后排放入海，不合格的回流進(jìn)行二次處理。

圖7　手動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)　　　　　　　　　　圖8　排水管道液體流動(dòng)　　　　　　　　　　圖9　手動(dòng)開(kāi)啟膜過(guò)濾

3.3自動(dòng)功能

系統(tǒng)啟動(dòng)后，按下自動(dòng)按鈕可以進(jìn)入自動(dòng)模式，自動(dòng)模式控制柜狀態(tài)如圖10所示。在自動(dòng)模式下，排水、膜過(guò)濾、激光殺菌和檢測(cè)功能都自動(dòng)進(jìn)行。當(dāng)消毒室液位上升到高液位時(shí)，系統(tǒng)打開(kāi)電磁閥和啟動(dòng)泵，啟動(dòng)膜過(guò)濾、激光殺菌和檢測(cè)；當(dāng)液位下降到低液位時(shí)，系統(tǒng)停止。如果消毒室液位上升達(dá)到高位時(shí)沒(méi)有進(jìn)行排水，報(bào)警指示燈將點(diǎn)亮；同樣如果當(dāng)液位降低到低位時(shí)還在進(jìn)行排水，延時(shí)一段時(shí)間后報(bào)警指示燈也會(huì)點(diǎn)亮，說(shuō)明系統(tǒng)有故障,需要人工處理。

3.4應(yīng)急功能

在裝置運(yùn)行過(guò)程中難免會(huì)發(fā)生故障，此時(shí)需要排出污水以便進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。由于應(yīng)急操作的優(yōu)先級(jí)別最高，按下應(yīng)急按鈕后，應(yīng)急指示燈點(diǎn)亮，報(bào)警指示燈閃爍，進(jìn)行應(yīng)急排水。應(yīng)急排水時(shí)不進(jìn)行激光殺菌、膜過(guò)濾和檢測(cè)，污水直接排出。圖11為應(yīng)急模式下管道流動(dòng)效果圖，此時(shí)泵運(yùn)行，電磁閥打開(kāi)。

圖10　自動(dòng)模式控制柜狀態(tài)　　　　　　　　　　　　　　　　圖11　應(yīng)急模式管道閥門(mén)狀態(tài)

4結(jié)語(yǔ)

1)設(shè)計(jì)的船舶生活污水處理仿真系統(tǒng)包括主界面和控制柜界面，通過(guò)操作控制柜界面上的按鈕，仿真系統(tǒng)主界面的狀態(tài)會(huì)按照命令語(yǔ)言程序的要求進(jìn)行系統(tǒng)仿真。系統(tǒng)可以模擬船用生活污水處理的啟動(dòng)過(guò)程、手動(dòng)操作、自動(dòng)操作、膜過(guò)濾、激光殺菌、檢測(cè)和應(yīng)急排放報(bào)警等功能。

2)考慮到與船舶實(shí)際操作更加接近，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有遠(yuǎn)程和旁機(jī)兩種控制模式，在遠(yuǎn)程模式時(shí)，可以在上位機(jī)完成相應(yīng)的控制。旁機(jī)的優(yōu)先級(jí)別最高，可以在下位機(jī)操作面板上進(jìn)行操作。

3)仿真系統(tǒng)的操作方式與真實(shí)的船舶生活污水處理裝置保持一致，為教學(xué)和日常訓(xùn)練提供了便利。該仿真系統(tǒng)中的計(jì)時(shí)器記錄仿真裝置的啟動(dòng)次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間，可為系統(tǒng)維護(hù)提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓憲彬.我國(guó)實(shí)施《MARPOL73/78》附則Ⅳ對(duì)策研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2008.

[2]李忠誠(chéng).船舶生活污水處理技術(shù)及裝置的選項(xiàng)研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2008.

[3]李駿.我國(guó)防止船舶污染法律問(wèn)題研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2010.

[4]周在青.船舶防污染法規(guī)與事務(wù)[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2006：96-98.

[5]董良飛.船舶生活污水污染特征及控制對(duì)策研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2005.

[6]王曉中.船舶生活污水排放的新標(biāo)準(zhǔn)和處理工藝[J].科技資訊，2012(36)：144-145.

[7]北京亞控公司.組態(tài)王6.51使用手冊(cè)[M].北京：北京亞控公司，2005.

[8]穆亞輝.組態(tài)王軟件實(shí)用技術(shù)[M].鄭州：黃河水利出版社,2012.

[9]李月芬.基于PLC和組態(tài)王模擬鍋爐溫度控制系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2008，21(12)：18-20.

[10]胡芝悅，鐘登杰，鄧胡飛，等.船舶生活污水處理的進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014,28(12)：64-70.

[11]王曉中.船舶生活污水的排放規(guī)范和處理方式[J].科技資訊，2011(2)：119.

[12]蔡軍.船舶生活污水污染及治理方法[J].科技資訊，2007(18)：137-138.

[13]李月芬.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)，2015,44(11):48-51.

[14]梅雄，鐘成雄，俞海.試論船舶生活污水處理方法[C]//2008年全國(guó)安全管理與防治污染管理學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.哈爾濱：2008年全國(guó)安全管理與防治污染管理學(xué)術(shù)研討會(huì)，2008.

[15]陳勇.析船舶生活污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù)，2012(6):156-159.

[16]楊子江，楊冠堯.船舶管理[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2008：157-158.

(責(zé)任編輯：楊秀紅)

Simulating System Design for Marine Sewage Treatment Plant

TONGXin，WANGZongtao

(MaritimeCollege，TianjinUniversityofTechnology，Tianjin300384,China)

Abstract:Based on Kingviewon and PLC simulation,a simulation system of marine domestic sewage treatment is designed. The system can simulate the sewage treatment process, automatic discharging process, emergency discharging process and concentration unconformity alarming of marine domestic sewage treatment plant. The system features in reliable operation and good visual effects. Hardware interface is also designed to provid basis for further development of marine domestic sewage treatment simulation devices.

Key words:marine sewage treatment plant;sewage treatment;Kingview;simulation system

文章編號(hào)：1672-0032(2015)04-0062-06

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2015.04.012

作者簡(jiǎn)介：童鑫(1992—)，男，貴陽(yáng)人，本科生，專(zhuān)業(yè)為船舶電子電氣工程.

基金項(xiàng)目：天津市市級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410060039)；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(jì)劃基金項(xiàng)目(B01-0818)；天津理工大學(xué)校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(X2015019)

收稿日期：2015-11-06