基于PLC的船用油水分離監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱 芳

(無錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫214000)

0 引 言

船舶運(yùn)輸在現(xiàn)代生活中發(fā)揮著越來越重要的作用，如同汽車運(yùn)輸一樣，在海洋運(yùn)輸過程中向海水中排放的廢棄物越來越多，各種廢棄物對海洋環(huán)境的污染也越來越大。在現(xiàn)代國際公約規(guī)定中，為了控制海洋環(huán)境的惡化，對船舶廢物排放標(biāo)準(zhǔn)提出了新的要求，船舶排放的污油水含量應(yīng)低于15 ppm。為達(dá)到此要求，需設(shè)計(jì)精度高的油水分離系統(tǒng)，控制船舶廢棄油污水的排放。本文基于可編程邏輯控制器(Programmable Logic Con －troller，PLC)，設(shè)計(jì)一款油水分離監(jiān)控系統(tǒng)。相對于其他控制器，PLC 不僅體積小、功能強(qiáng)，同時(shí)還兼具抗干擾能力強(qiáng)、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，在船用油水分離監(jiān)控系統(tǒng)中能較好地完成預(yù)期功能［1］。

所謂油水分離器，是指把在船舶航行過程中所產(chǎn)生的油污水，進(jìn)行有效的油和水分離，降低污水中油的含量，減少對海洋的污染。油水分離之后，通過監(jiān)控油污水排放時(shí)所含有的油量，確定所排出油污水中油的含量低于國際公約和國內(nèi)法律規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)對海洋環(huán)境的保護(hù)。

傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，雖能夠完成油水分離，但工作靈敏度無法與PLC 相比。并且在船體控制系統(tǒng)中，由于使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，使得控制系統(tǒng)中的連線較多，并且在觸點(diǎn)開閉過程中存在機(jī)械磨損、電弧燒傷等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著觸點(diǎn)的工作壽命，所以對于繼電控制器來說其可靠性和可維護(hù)性較差。船舶航行在海洋這一特殊環(huán)境，對系統(tǒng)的功能要求精度和可靠性都較高，為保證船舶在海洋航行過程中的安全，基于各方面性能工作狀態(tài)來考慮，本文采用PLC 的油水分離監(jiān)控系統(tǒng)，能有效實(shí)現(xiàn)分離油水的目的。

1 油水分離裝置工作原理

船舶油水分離器的工作原理如圖1 所示，其中涉及了工作整體流程和所需設(shè)備。船舶油水分離的整體工作流程大體可以分為啟動前準(zhǔn)備、運(yùn)行和終止3 個(gè)過程。

圖1 油水分離器工作原理圖Fig.1 The working schematic diagram of oil-water separator

1)準(zhǔn)備

啟動前，船員應(yīng)先觀察并檢查油水分離器是否有嚴(yán)重銹蝕現(xiàn)象;同時(shí)需要進(jìn)行查看所有的排放通道，確定所有油污水需經(jīng)過油水分離器之后，才能排往舷外的旁通管路;查看設(shè)備是否齊全和合格，包括專用配套分離泵以及泵的排量是否達(dá)標(biāo);檢查報(bào)警功能;檢查油濃度監(jiān)測裝置是否能夠正常工作，顯示有效檢測數(shù)據(jù);檢查艙底水泵運(yùn)行狀況;在油水分離器正常工作之前，還需要查看分離筒，確定分離筒內(nèi)已經(jīng)注滿水，并確定筒內(nèi)溫度已經(jīng)符合目標(biāo)要求等基本程序。

2)運(yùn)行

對于運(yùn)行過程，在上述檢查均正常的情況下，打開相應(yīng)的工作閥門，如:污油出口、污水進(jìn)口、日用海水/淡水進(jìn)口、分離后水的排出及旁通閥門與電源開關(guān)，以及放氣旋塞使水進(jìn)入罐內(nèi)充滿后應(yīng)關(guān)閉。打開三通閥門，即可在控制系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)下開始油水的分離。

3)終止

當(dāng)檢測系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，在PLC 所制定的程序下，若監(jiān)測系統(tǒng)及顯示表盤(LABVIEW)顯示其油量成分濃度大于15 ppm，則繼續(xù)進(jìn)行油水分離，若小于15 ppm，則此操作下的傳感器會立即發(fā)送信號到控制器，控制器便自動終止操作，這樣一個(gè)油水分離操作完成。

2 油水分離監(jiān)控系統(tǒng)組成

根據(jù)船舶油水分離監(jiān)控系統(tǒng)的功能，整個(gè)系統(tǒng)可以分為控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)3 個(gè)模塊。它們既是相互獨(dú)立的個(gè)體，又彼此相互關(guān)聯(lián)。控制系統(tǒng)要對每時(shí)每刻分離裝置的工作變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以防止隨時(shí)有故障發(fā)生。監(jiān)控系統(tǒng)主要是對油水分離時(shí)含油量的監(jiān)控，控制其在額定范圍內(nèi)可以正常運(yùn)行，一旦超出范圍則停止運(yùn)行，并將信號傳輸給報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行提示，再由控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，防止故障的發(fā)生。

整個(gè)油水分離裝置的硬件主要由油量濃度監(jiān)控器、傳感器、PLC、數(shù)據(jù)通訊協(xié)議等部分組成。如圖2 所示，其中PLC 為整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制器，通過PLC 控制溫度傳感器、壓力傳感器、和船底水泵等部件，然后采集裝置中的油污水，并經(jīng)PLC 的A/D轉(zhuǎn)換模塊，獲取罐內(nèi)溫度、壓力、油量成分濃度、油位高度等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)獲取之后，經(jīng)過數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，經(jīng)過信息轉(zhuǎn)換后顯示在監(jiān)控面板上，獲取油水監(jiān)控分離器的數(shù)據(jù)。用PLC 來完成分油時(shí)序控制，使船用油水分離裝置正常工作。整個(gè)油水分離器3 個(gè)部分可以分別獨(dú)立工作，PLC 可以對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分離流程控制。例如對供水閥的控制過程中，可以同時(shí)完成對分離筒內(nèi)注水、對艙底水電磁閥的調(diào)控等。完成對三通閥的控制，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)中所測污水中油的濃度，與規(guī)定排放濃度進(jìn)行比較，確定小于這個(gè)濃度之后完成對污水的順利排放。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of the monitor system

3 PLC 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件功能設(shè)計(jì)

該監(jiān)控軟件能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測同時(shí)進(jìn)行，具有功能完善、操作簡便、可視性好的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)其功能，應(yīng)具備以下功能:

1)油水分離過程狀態(tài)參數(shù)與各裝置運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測與顯示。船舶油水分離監(jiān)控系統(tǒng)可采集和顯示工作時(shí)的基本參數(shù)與運(yùn)行狀態(tài)，并將其集中顯示于監(jiān)控界面，方便對工作參數(shù)和分離裝置工作狀態(tài)的監(jiān)管。

2)信息顯示。在上位機(jī)監(jiān)控界面中，專門設(shè)置有故障信息顯示頁面，并有儲存功能，通過故障信息，能夠確定故障的具體信息還有故障的歷史信息。故障信息應(yīng)包括故障類型、發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)間等有效數(shù)據(jù)。對一些重要的數(shù)據(jù)會在短時(shí)間內(nèi)記錄多次，以便更好地分析工作狀態(tài)和解決問題。

3)故障監(jiān)測、報(bào)警與處理。實(shí)時(shí)監(jiān)測油水分離的狀態(tài)及工作參數(shù)，判斷故障的發(fā)生及發(fā)生的故障類型，并通過聲光信號進(jìn)行報(bào)警。本系統(tǒng)的主要故障報(bào)警類型有油量濃度提示報(bào)警、三通閥門故障報(bào)警和裝置啟動失敗故障報(bào)警等幾種。界面設(shè)置有消聲、復(fù)位按鈕［2］。

3.2 控制主板設(shè)計(jì)

該檢測系統(tǒng)的核心控制器采用的是日本三菱公司所生產(chǎn)的型號為FXON－40MR 的PLC。擁有輸入點(diǎn)數(shù)24 點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)16 點(diǎn)。機(jī)型為整體式結(jié)構(gòu)。該控制電路的接線方式如圖3 所示。

輸入信號主要有:艙底泵的啟動/終止按鈕分別為X000 和X001;X004 和X005 分別為一級/二級分離油水界面的觸點(diǎn);X006 為含有濃度小于15ppm 的觸點(diǎn);X007 為油駁動泵啟動按鈕;X010 為故障復(fù)位按鈕;X011 為故障消聲按鈕;X012 為維修周期復(fù)位按鈕;X013 為監(jiān)控復(fù)位按鈕;整個(gè)系統(tǒng)中還應(yīng)有油水分離啟動/終止按鈕，分別用X002 和X003 表示。

圖3 PLC 控制系統(tǒng)接線圖Fig.3 The connection diagram of PLC control system

輸出信號主要有:艙底泵電機(jī)運(yùn)行控制用Y000輸出;Y001 為艙底泵工作指示;Y002 為控制清水閥;Y003 為清水閥工作指示;Y004 為專用泵電機(jī)運(yùn)行控制;Y005 為專用泵工作指示;Y006 和Y010分別為一、二級分離筒排油電磁閥控制輸出;Y007和Y011 分別為一、二級分離筒排油電磁閥工作指示;Y012、Y013、Y014、Y015、Y016、Y017 分別為排水控制閥、回水控制閥、廢油駁運(yùn)泵電機(jī)運(yùn)行控制、故障報(bào)警燈、蜂鳴器、維修周期指示燈。

4 PLC 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)對油水順利分離的監(jiān)控，就需要加工所采集到的信號，使其成為應(yīng)用理論與實(shí)踐技術(shù)。PLC 的目的就是將連續(xù)的模擬信號進(jìn)行處理，要實(shí)現(xiàn)控制，還需要對采集到的信號予以編程。一旦分離油水時(shí)出現(xiàn)異常狀況，報(bào)警器就會立即報(bào)警，軟件設(shè)計(jì)方面就需要點(diǎn)亮指示燈及蜂鳴器，并將信息傳輸給上位機(jī)，在電腦上進(jìn)行可視化檢測，更加簡單智能化［3］。

監(jiān)控軟件PLC 能通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制油水分離的過程。通過數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷與控制執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)儀器控制功能，輸出數(shù)據(jù)與狀態(tài)，顯示和存儲信息等功能。在監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，需要判斷確定船舶油水分離的工作狀態(tài)，針對出現(xiàn)的各種問題通過控制模塊分析并解決，具體工作流程如下:

1)程序運(yùn)行之后，首先要進(jìn)行程序的初始化，此操作為程序能正常運(yùn)行提供足夠的準(zhǔn)備條件，在程序初始化完成之后，開始下一步的狀態(tài)監(jiān)控循環(huán)。

2)當(dāng)裝置運(yùn)行之后，對各裝置部件的工作狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)核實(shí)，然后可以直接開始油水分離工作。

3)裝置啟動之后，油水分離器開始正常運(yùn)轉(zhuǎn)。首先需要打開分離筒的空氣閥，并開啟供水閥，通過啟動艙底的水泵，往分離筒內(nèi)輸送污水，輸送完污水之后，調(diào)節(jié)泵的壓力，并關(guān)閉空氣閥，在整個(gè)過程中，還需通過溫度傳感器，確定筒內(nèi)溫度是否符合油水分離器的正常工作要求。若不符合要求，需要將蒸汽通入筒內(nèi)，并進(jìn)行加熱。之后排放油水，整體過程全在控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)聯(lián)合下運(yùn)作。發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)可以自動進(jìn)行判斷并處理，以盡快解決問題，完成油水分離的工作。

4)在檢測油分濃度的系統(tǒng)下，若排出污水的油分濃度大于規(guī)定的15 ppm 時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)送信號使得蜂鳴報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，并使系統(tǒng)自動得到反饋以適當(dāng)速度(防止過快產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，長時(shí)間會損壞裝置)關(guān)閉三通閥。

5)油水分離裝置工作時(shí)，系統(tǒng)會實(shí)時(shí)對整個(gè)裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，如有裝置突然損壞、出現(xiàn)裝置啟動故障，系統(tǒng)均會第一時(shí)間進(jìn)行預(yù)警提示。從而可以實(shí)現(xiàn)裝置工作安全、整體系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的良好效果。

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)控功能判斷油污水中所含油分濃度值在顯示器上顯示過于異常(如其濃度多分大于或小于規(guī)定值時(shí))，該系統(tǒng)會給與提示狀況信息。提示船員盡快排查故障原因［4］。

5 系統(tǒng)控制特點(diǎn)

該系統(tǒng)主要由PLC 控制柜、液位變送器和變頻泵3 部分組成。該油水分離系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)可簡化為如圖4 所示。

圖4 油水分離系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The control structure oil and water separation system

通過PLC 的模擬擴(kuò)展模塊采集液位變送器輸出的液位信號，轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量來控制計(jì)算輸出控制量。再通過變頻器將離心泵的轉(zhuǎn)速改變，已達(dá)到改變離心泵的流量從而控制分離器的液位。該系統(tǒng)還設(shè)有清水裝置，清理一段時(shí)間工作后的裝置，防止油品黏連，方便下次使用。

該系統(tǒng)設(shè)有很多報(bào)警裝置，給操作帶來可靠性和安全性。如檢測油份濃度報(bào)警裝置就是該系統(tǒng)最主要的一個(gè)體現(xiàn)。有了報(bào)警系統(tǒng)也可以使船員在操作過程中有目的可循。系統(tǒng)還可以記錄并儲存相關(guān)數(shù)據(jù)，以方便船員定期監(jiān)測時(shí)應(yīng)用。該系統(tǒng)自動性能良好，可自動排抽污水和油分，自動檢測油分濃度等?？傊撓到y(tǒng)的特性極大地方便了船員，操作簡便，運(yùn)行可靠，安全性性高［5］。

6 結(jié) 語

本文在國際公約和國內(nèi)法規(guī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際情況，參考一般船舶機(jī)艙油水分離器的要求，設(shè)計(jì)了一種基于PLC 的船用油水分離裝置的監(jiān)控系統(tǒng)，利用PLC 控制精度高、性能安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，通過溫度傳感器、壓力傳感器等設(shè)備對整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過數(shù)據(jù)通信協(xié)議傳輸上位機(jī)進(jìn)行反饋，完成油水分離數(shù)據(jù)有效監(jiān)控，防止船舶廢棄物的肆意排放對海洋造成的污染，在很大程度上可以起到保護(hù)海洋環(huán)境的作用。

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