基于PLC的船用油水分离监控系统设计

朱 芳

(无锡科技职业学院，江苏 无锡214000)

0 引 言

船舶运输在现代生活中发挥着越来越重要的作用，如同汽车运输一样，在海洋运输过程中向海水中排放的废弃物越来越多，各种废弃物对海洋环境的污染也越来越大。在现代国际公约规定中，为了控制海洋环境的恶化，对船舶废物排放标准提出了新的要求，船舶排放的污油水含量应低于15 ppm。为达到此要求，需设计精度高的油水分离系统，控制船舶废弃油污水的排放。本文基于可编程逻辑控制器(Programmable Logic Con －troller，PLC)，设计一款油水分离监控系统。相对于其他控制器，PLC 不仅体积小、功能强，同时还兼具抗干扰能力强、控制精度高等优点，在船用油水分离监控系统中能较好地完成预期功能［1］。

所谓油水分离器，是指把在船舶航行过程中所产生的油污水，进行有效的油和水分离，降低污水中油的含量，减少对海洋的污染。油水分离之后，通过监控油污水排放时所含有的油量，确定所排出油污水中油的含量低于国际公约和国内法律规定的标准，以实现对海洋环境的保护。

传统的继电器控制系统，虽能够完成油水分离，但工作灵敏度无法与PLC 相比。并且在船体控制系统中，由于使用了大量的机械触点，使得控制系统中的连线较多，并且在触点开闭过程中存在机械磨损、电弧烧伤等现象，严重影响着触点的工作寿命，所以对于继电控制器来说其可靠性和可维护性较差。船舶航行在海洋这一特殊环境，对系统的功能要求精度和可靠性都较高，为保证船舶在海洋航行过程中的安全，基于各方面性能工作状态来考虑，本文采用PLC 的油水分离监控系统，能有效实现分离油水的目的。

1 油水分离装置工作原理

船舶油水分离器的工作原理如图1 所示，其中涉及了工作整体流程和所需设备。船舶油水分离的整体工作流程大体可以分为启动前准备、运行和终止3 个过程。

图1 油水分离器工作原理图Fig.1 The working schematic diagram of oil-water separator

1)准备

启动前，船员应先观察并检查油水分离器是否有严重锈蚀现象;同时需要进行查看所有的排放通道，确定所有油污水需经过油水分离器之后，才能排往舷外的旁通管路;查看设备是否齐全和合格，包括专用配套分离泵以及泵的排量是否达标;检查报警功能;检查油浓度监测装置是否能够正常工作，显示有效检测数据;检查舱底水泵运行状况;在油水分离器正常工作之前，还需要查看分离筒，确定分离筒内已经注满水，并确定筒内温度已经符合目标要求等基本程序。

2)运行

对于运行过程，在上述检查均正常的情况下，打开相应的工作阀门，如:污油出口、污水进口、日用海水/淡水进口、分离后水的排出及旁通阀门与电源开关，以及放气旋塞使水进入罐内充满后应关闭。打开三通阀门，即可在控制系统监控系统下开始油水的分离。

3)终止

当检测系统正常运行时，在PLC 所制定的程序下，若监测系统及显示表盘(LABVIEW)显示其油量成分浓度大于15 ppm，则继续进行油水分离，若小于15 ppm，则此操作下的传感器会立即发送信号到控制器，控制器便自动终止操作，这样一个油水分离操作完成。

2 油水分离监控系统组成

根据船舶油水分离监控系统的功能，整个系统可以分为控制系统、检测系统和报警系统3 个模块。它们既是相互独立的个体，又彼此相互关联。控制系统要对每时每刻分离装置的工作变化进行实时监控，以防止随时有故障发生。监控系统主要是对油水分离时含油量的监控，控制其在额定范围内可以正常运行，一旦超出范围则停止运行，并将信号传输给报警系统进行提示，再由控制系统进行控制，防止故障的发生。

整个油水分离装置的硬件主要由油量浓度监控器、传感器、PLC、数据通讯协议等部分组成。如图2 所示，其中PLC 为整个监控系统的核心控制器，通过PLC 控制温度传感器、压力传感器、和船底水泵等部件，然后采集装置中的油污水，并经PLC 的A/D转换模块，获取罐内温度、压力、油量成分浓度、油位高度等数据。数据获取之后，经过数据通讯协议，传输到上位机，经过信息转换后显示在监控面板上，获取油水监控分离器的数据。用PLC 来完成分油时序控制，使船用油水分离装置正常工作。整个油水分离器3 个部分可以分别独立工作，PLC 可以对整个系统进行分离流程控制。例如对供水阀的控制过程中，可以同时完成对分离筒内注水、对舱底水电磁阀的调控等。完成对三通阀的控制，根据监控系统中所测污水中油的浓度，与规定排放浓度进行比较，确定小于这个浓度之后完成对污水的顺利排放。

图2 监控系统结构图Fig.2 The structure of the monitor system

3 PLC 监控系统硬件设计

3.1 硬件功能设计

该监控软件能够实现现场控制和实时监测同时进行，具有功能完善、操作简便、可视性好的特点，为实现其功能，应具备以下功能:

1)油水分离过程状态参数与各装置运行状态的监测与显示。船舶油水分离监控系统可采集和显示工作时的基本参数与运行状态，并将其集中显示于监控界面，方便对工作参数和分离装置工作状态的监管。

2)信息显示。在上位机监控界面中，专门设置有故障信息显示页面，并有储存功能，通过故障信息，能够确定故障的具体信息还有故障的历史信息。故障信息应包括故障类型、发生时间、持续时间等有效数据。对一些重要的数据会在短时间内记录多次，以便更好地分析工作状态和解决问题。

3)故障监测、报警与处理。实时监测油水分离的状态及工作参数，判断故障的发生及发生的故障类型，并通过声光信号进行报警。本系统的主要故障报警类型有油量浓度提示报警、三通阀门故障报警和装置启动失败故障报警等几种。界面设置有消声、复位按钮［2］。

3.2 控制主板设计

该检测系统的核心控制器采用的是日本三菱公司所生产的型号为FXON－40MR 的PLC。拥有输入点数24 点，输出点数16 点。机型为整体式结构。该控制电路的接线方式如图3 所示。

输入信号主要有:舱底泵的启动/终止按钮分别为X000 和X001;X004 和X005 分别为一级/二级分离油水界面的触点;X006 为含有浓度小于15ppm 的触点;X007 为油驳动泵启动按钮;X010 为故障复位按钮;X011 为故障消声按钮;X012 为维修周期复位按钮;X013 为监控复位按钮;整个系统中还应有油水分离启动/终止按钮，分别用X002 和X003 表示。

图3 PLC 控制系统接线图Fig.3 The connection diagram of PLC control system

输出信号主要有:舱底泵电机运行控制用Y000输出;Y001 为舱底泵工作指示;Y002 为控制清水阀;Y003 为清水阀工作指示;Y004 为专用泵电机运行控制;Y005 为专用泵工作指示;Y006 和Y010分别为一、二级分离筒排油电磁阀控制输出;Y007和Y011 分别为一、二级分离筒排油电磁阀工作指示;Y012、Y013、Y014、Y015、Y016、Y017 分别为排水控制阀、回水控制阀、废油驳运泵电机运行控制、故障报警灯、蜂鸣器、维修周期指示灯。

4 PLC 监控系统软件设计

要实现对油水顺利分离的监控，就需要加工所采集到的信号，使其成为应用理论与实践技术。PLC 的目的就是将连续的模拟信号进行处理，要实现控制，还需要对采集到的信号予以编程。一旦分离油水时出现异常状况，报警器就会立即报警，软件设计方面就需要点亮指示灯及蜂鸣器，并将信息传输给上位机，在电脑上进行可视化检测，更加简单智能化［3］。

监控软件PLC 能通过数字或模拟式输入/输出控制油水分离的过程。通过数据处理、逻辑判断与控制执行，实现仪器控制功能，输出数据与状态，显示和存储信息等功能。在监控系统正常运行过程中，需要判断确定船舶油水分离的工作状态，针对出现的各种问题通过控制模块分析并解决，具体工作流程如下:

1)程序运行之后，首先要进行程序的初始化，此操作为程序能正常运行提供足够的准备条件，在程序初始化完成之后，开始下一步的状态监控循环。

2)当装置运行之后，对各装置部件的工作状态进行确认核实，然后可以直接开始油水分离工作。

3)装置启动之后，油水分离器开始正常运转。首先需要打开分离筒的空气阀，并开启供水阀，通过启动舱底的水泵，往分离筒内输送污水，输送完污水之后，调节泵的压力，并关闭空气阀，在整个过程中，还需通过温度传感器，确定筒内温度是否符合油水分离器的正常工作要求。若不符合要求，需要将蒸汽通入筒内，并进行加热。之后排放油水，整体过程全在控制系统和检测系统联合下运作。发生故障时系统可以自动进行判断并处理，以尽快解决问题，完成油水分离的工作。

4)在检测油分浓度的系统下，若排出污水的油分浓度大于规定的15 ppm 时，系统会发送信号使得蜂鸣报警器发出警报，并使系统自动得到反馈以适当速度(防止过快产生水击现象，长时间会损坏装置)关闭三通阀。

5)油水分离装置工作时，系统会实时对整个装置的运行状态进行监测，如有装置突然损坏、出现装置启动故障，系统均会第一时间进行预警提示。从而可以实现装置工作安全、整体系统经济运行的良好效果。

当系统监控功能判断油污水中所含油分浓度值在显示器上显示过于异常(如其浓度多分大于或小于规定值时)，该系统会给与提示状况信息。提示船员尽快排查故障原因［4］。

5 系统控制特点

该系统主要由PLC 控制柜、液位变送器和变频泵3 部分组成。该油水分离系统控制结构可简化为如图4 所示。

图4 油水分离系统控制结构图Fig.4 The control structure oil and water separation system

通过PLC 的模拟扩展模块采集液位变送器输出的液位信号，转化成为数字量来控制计算输出控制量。再通过变频器将离心泵的转速改变，已达到改变离心泵的流量从而控制分离器的液位。该系统还设有清水装置，清理一段时间工作后的装置，防止油品黏连，方便下次使用。

该系统设有很多报警装置，给操作带来可靠性和安全性。如检测油份浓度报警装置就是该系统最主要的一个体现。有了报警系统也可以使船员在操作过程中有目的可循。系统还可以记录并储存相关数据，以方便船员定期监测时应用。该系统自动性能良好，可自动排抽污水和油分，自动检测油分浓度等。总之，该系统的特性极大地方便了船员，操作简便，运行可靠，安全性性高［5］。

6 结 语

本文在国际公约和国内法规的基础上，结合实际情况，参考一般船舶机舱油水分离器的要求，设计了一种基于PLC 的船用油水分离装置的监控系统，利用PLC 控制精度高、性能安全可靠等优点，通过温度传感器、压力传感器等设备对整个系统的参数进行采集，并对数据进行处理，通过数据通信协议传输上位机进行反馈，完成油水分离数据有效监控，防止船舶废弃物的肆意排放对海洋造成的污染，在很大程度上可以起到保护海洋环境的作用。

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