WCMBR船用污水处理装置PLC控制系统设计

汪东明，何立冬，贺晓华*，赵云俊

（1．柳州职业技术学院，广西 柳州 545006；2．辽宁省有色地质局104队，辽宁 营口 115007）

[技术应用研究]

WCMBR船用污水处理装置PLC控制系统设计

汪东明1，何立冬2，贺晓华1*，赵云俊1

（1．柳州职业技术学院，广西 柳州 545006；2．辽宁省有色地质局104队，辽宁 营口 115007）

国际海事组织（IMO）关于船舶生活污水排放法规越来越严格，船舶生活污水处理技术急需提升。针对WCMBR船用污水处理装置，设计了一套基于PLC的控制系统，通过自动检测温度、液位，实现了污水处理过程的全自动化。该控制系统优化了污水处理的运行效果，减少了运行费用，具有良好的应用前景。

船用污水处理；PLC；自动控制

随着航运业的发展，船舶污水对环境的污染问题日益受到人们的重视，国际海事组织((IMO)颁布的MARPOL73/78公约要求对船舶生活污水进行更加有效地处理。该公约附则Ⅳ已对我国正式生效，其明确规定了各种类型和大小的船舶在任何区域排放船舶生活污水的标准和要求。因此，船用污水处理设备必须不断提高污水处理能力，才能满足相关技术要求。

1 WCMBR污水处理装置工作原理

船用生活污水处理技术主要有物化法、生化法以及电解法。物化法是指将化学药剂加入污水中进行循环、粉碎、沉淀、消毒处理。这种方法的优点是工艺简单易实现自动化，装置体积较小；缺点是没有进行生化反应，对有机物去除不够彻底，而且需要大量消毒剂。生化法是指通过建立和保持微生物生长的适宜条件，利用微生物群体来消化分解污水中的有机物，使之生成环境无害的无机物和二氧化碳和水，再通过沉淀固液分离，以此净化污水。其优点是微生物得以繁殖，成本低，效果好，结构简单；缺点是体积大，不间断运转，对含盐量敏感，不能和洗涤灰水混合。电解法是指通过电化学过程对污水进行氧化和消毒，在NaCLO的作用下，有机物被氧化，污水中的细菌被杀死，从而达到净化污水的目的。电解法的优点是装置小，处理流程快；缺点是操作维护复杂，运行费用较高，处理水色度较差。[1]

WCMBR污水处理装置采用的是生化法，能处理来自生活污水中大肠菌群、悬浮固体和生化需氧量，使其达到合格指标。其污水处理流程如图1所示。

图1 WCMBR污水处理流程图

生活污水首先进入污水池。当液位达到预设值，污水经粉碎后进入细菌分解池进行分解处理，处理后的污水经溢流管在沉淀池沉淀分离，然后进入膜池过滤，经紫外消毒后最终达到排放要求。污水处理过程中采用了曝气装置和生物菌床和MBR滤膜，因此WCMBR装置兼有活性污泥法和生物膜法的优点，可有效提高污水处理品质。在接触氧化法处理系统中，氧化室的供氧对生物处理过程的正常运行是非常重要的。本装置的能否正常运行取决于曝气供氧、菌池温度、污水液位、污泥分离等要素之间和平衡和配合，因此需要一套与之配套的自动控制系统来保证其正常工作。[2-3]

2 WCMBR污水处理控制系统的总体设计

由WCMBR污水处理装置的工作流程可知，为保证WCMBR污水处理装置能高效可靠的处理污水，必须对其工作过程进行自动控制。在船舶这种特殊的环境下，采用PLC控制系统可有效提高污水处理装置的可靠性。在WCMBR污水处理装置的工作流程中，PLC控制系统主要控制的要素有曝气供氧量、菌池温度、污水液位、管道切换等，对应的控制输入量主要是液位、温度、工作方式选择，主要的输出控制对象是泵和阀。同时，由于船舶在航行时主要使用交流电源，但在停航时主要使用直流电源，为了保证污水处理系统的不间断工作，选定的PLC应该采用直流电源，直流输入和继电器输出形式。[4]

3 WCMBR污水处理控制系统的硬件设计

在进行具体的PLC控制系统设计之前，需要详细分析污水处理装置的工作需求，确定输入输出信号的形式和数量，并形成I/O分配表。根据I/O分配表，选定S7-300系列的CPU 313C-2-DP和DI16/ DO 16可以满足需求。

以I/O分配表及选定的硬件元器件为基础，根据具体的控制需要，可以进行硬件电路图的绘制。PLC控制系统的硬件电路主要包括电源电路，主电路和PLC控制电路，PLC控制电路如下图所示。

图2 PLC控制电路图

4 WCMBR污水处理控制系统的软件设计

4.1 控制流程图

为了实现所需的控制逻辑，硬件电路确定之后，需要编写PLC控制程序。在编写PLC控制程序的过程中通常根据控制功能把整个程序分为多个功能部分。WCMBR污水处理装置的运行模式可以分为培菌运行模式、自动运行模式和批序模式。自动运行模式的流程图如图3所示。[5]

图3 自动模式流程图

4.2 PLC梯形图程序

根据确定好的流程图，可以进一步编写具体的梯形图程序。通常一个程序段只用来实现一个最小功能，通过若干程序段的组合来实现某一具体功能。这样编写的程序具有较好的可读性和可修改性。相关程序实例如图4所示。

4.2.1 保菌休眠计时程序

图4 保菌休眠计时程序

4.2.2 气泵工作程序

图5 气泵工作程序

5 WCMBR污水处理控制系统的仿真调试

编写好控制程序后，通常可先进行仿真运行，检查程序是否正确。当确认程序无误后再进行实际系统试机调试以达到最终的工作要求。

5.1 间歇运行程序仿真

Ⅰ级缓冲柜的污水进入Ⅱ级序批柜，Ⅰ级液位降至F1时P1停止运行。当Ⅱ级序批柜污水到达L1液位且粉碎泵不工作时气泵PQ1、PQ 2启动，进入培菌休眠模式。液位升至高液位R 2时程序无响应，气泵运行四小时后，气泵及PQ 1、PQ 2自动转入培菌保菌状态，即开20分停20分的 “间歇运行”，如图6所示。

图6 间歇运行程序仿真

5.2 粉碎泵自动启动程序仿真

污水刚进入缓冲柜时但仍然没有达到FI低水位，程序没有响应。污水继续注入低液位F1水位指示灯亮，液位不断升高，当液位升到启动液位F2水位指示灯亮时，M 4.0接通，粉碎泵P1自动启动，程序运行如图7所示。

图7 粉碎泵自动启动程序仿真

5.3 应急程序仿真

为了应对某些紧急情况，通常都需要编写应急程序。无论在任何模式下，按下应急排放按钮 （谨慎使用）都将进行应急排放，淤泥不经过膜组与消毒，直接从淤泥排放口排出。程序工作状态如图8所示。

图7 应急程序仿真

6 结论

WCMBR污水处理装置控制系统经合理设计与调试，保证了WCMBR污水处理装置的正常运行，减少了运行费用，达到了设计预期要求。采用PLC控制系统的WCMBR污水处理装置满足相关法规对船舶生活污水的标准和要求，具有良好的应用前景。

[1]于志民，徐燕铭.简析新型船用WCMBR型生活污水处理装置[J].中国水运(下半月)，2013（6）：91-92.

[2]黄嵘，林巍，周健.船用生活污水处理技术研究[J].机电设备，2014（3）：59-61.

[3]刘邵宏，童伟.船用生化膜生活污水处理装置的优化设计[J].机电工程技术，2015（11）：49-51.

[4]严诚，熊达青.PLC在船用膜法生活污水处理装置中的应用[J].科学与财富，2015（27）：250-251.

[5]殷峰，李玉章.舰船用膜法生活污水处理装置自动控制[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

汪东明，柳州职业技术学院机电工程系讲师，研究方向为机电工程与材料教学；何立冬，辽宁省有色地质局104队电气助理工程师，研究方向为电气运行与设计改造；*贺晓华，通讯作者，硕士,柳州职业技术学院机电工程系副教授，研究方向为机电一体化、机械CAD/CAE教学；赵云俊，硕士，柳州职业技术学院机电工程系讲师，研究方向为机电一体化、虚拟仪器教学。