船舶生活污水处理仿真系统设计

童　鑫，王宗涛

(天津理工大学海运学院，天津　300384)



船舶生活污水处理仿真系统设计

童鑫，王宗涛

(天津理工大学海运学院，天津300384)

摘要：基于组态王Kingview和PLC仿真，设计一种船舶生活污水处理仿真系统。该仿真系统可以模拟船舶生活污水处理装置的污水处理过程、自动排水过程、应急排水过程以及浓度超标报警等功能。系统运行可靠，可视化效果良好。同时设计了该仿真系统与硬件的接口，为进一步开发船舶生活污水仿真装置提供设计基础。

关键词：船舶生活污水；污水处理；组态王；仿真系统

船舶生活污水是指由船员、旅客及船舶所载的动物日常生活所形成的废水[1-2]。随着海洋开发和航运业的发展，海洋环境的污染越来越严重，如何防治和减少船舶运行对海洋环境的污染，正逐步受到人们的重视。在国际海事组织(IMO)颁布的《MARPOL73/78 公约》附则 IV——“防止船舶生活污水污染规则”的基础上，针对船舶生活污水排放的各种地方性标准不断出台，要求对船舶生活污水进行更加有效的处理[3-6]。

本文利用组态王软件Kingview和PLC(Programmable logic controller)仿真开发一种船舶生活污水处理仿真系统。组态王软件具有良好的人机界面，为用户提供丰富的应用设计工具和便利的集成开发环境，可以通过RS232接口与PLC进行通信，并监控PLC的所有存储器、控制器及I/O接口的状态[7-9]。利用组态王软件的画面设计功能制作仿真系统的主体框架和管路布局，调用软件自带图素中的阀门并安放在管道的相应位置；建立组态王数据词典并和画面元件关联，编写命令语言程序；通过组态王运行系统完成该仿真系统的测试。

1船舶生活污水处理

1.1处理方法

生活污水的处理方法主要有：1)物理处理法。通过离心分离和筛滤截留等物理作用分离、回收废水中不溶解的呈悬浮状态的污染物的废水处理法[10]。2)化学处理法。通过化学反应和传递介质作用分离、去除废水中呈溶解、胶体状态的污染物或将其转化为无害物质的废水处理方法[11]。3)生物处理法。通过微生物的代谢作用，使废水中呈溶液、胶体以及微细悬浮状态的有机污染物，转化为稳定、无害物质的废水处理方法[12]。4)生物接触氧化法。通过栖附在生物接触氧化池内填料上的生物膜与氧气的生物氧化作用，将废水中的有机物氧化分解，达到净化目的，是一种介于活性污泥法与生物滤池之间的生物膜法工艺[13]。对于大多数船舶来说，广泛采用的方法是生物处理法。

1.2处理原理

本文基于生物处理法进行船舶生活污水处理装置仿真系统的设计。某船舶生活污水的处理采用生物处理法，利用好氧菌为主的活性污泥对污水中的有机物进行分解处理，装置如图1所示[14]。该装置主要分为曝气室、沉淀池和消毒室3部分。

1—低水位浮子开关；2—高水位浮子开关；3—控制柜；4—超高水位浮子开关；5—氯化器；6—空气压缩机；7—撇渣器；8—浮渣返回；9—污泥返回；10—通气管；11—污水进口；12—滤网；13—沉淀池；14、15—曝气室；16—消毒室；17—排出泵图1　某船生活污水处理装置

生活污水由曝气室14顶部的进水口送入，压缩空气经过安装在池底内的几个扩散器供入污水中，搅拌污泥，使进入池内的污水与活性污泥充分混合完全接触，保证好氧菌生存所需要的氧气。经过曝气室14后，污水中的有机物通过好氧菌新陈代谢转化为二氧化碳和水，同时产生新的活性污泥。二氧化碳通过排气系统排出。活性污泥分为2部分:一部分水分较多、颗粒较小，这部分污泥进入曝气室15再次进行分解，然后进入消毒室16；另一部分颗粒较大的污泥进入沉淀池，在沉淀池中水和活性污泥分离，活性污泥一部分定期排出，一部分通过提升管9返回曝气室14，以保证曝气室中活性污泥浓度一定。消毒室的作用是使处理后的水通过药物杀菌消毒处理后排出[15]。处理后的水达标后排入大海，否则需进行二次处理。

1.3注意事项

船舶生活污水生物处理装置应该连续运行，不能停止供风，如果停止供风会导致活性污泥中的好氧菌缺氧死亡，还应该定期检查曝气室中活性污泥的浓度，一般船上要求每3个月检查1次。装置的进水量不应超过装置的额定容量，同时在使用过程中还应该及时补充消毒剂，通常在船舶上每3个月补充1次，且按每人每月20 g的量投放[16]。

2仿真系统的设计

2.1基本原理和操作流程

采用生物处理法，设计原理及流程如图2、3所示。由图2可知，系统主要有曝气室、沉淀池、消毒室、膜过滤和激光杀菌室5部分组成。空气经安装在外部的风机供入曝气室。沉淀池中的污泥通过空气提升管提升回流到曝气室进行二次处理。经过曝气室净化的水再经消毒室杀菌消毒，通过激光处理掉好氧菌，通过膜过滤进一步净化，最后经检测装置检测合格后排入大海，否则就进行二次处理。在处理过程中风机要一直运行，保证供风。

如图3所示，启动系统后，首先进行手动/自动模式的判断：若为手动模式，先手动启动风机供氧，进行培菌操作，一段时间后按下相应的按钮进行手动排水、手动消毒、手动激光杀菌、手动膜过滤等操作；若为自动模式，风机自行启动后开始相应的操作，消毒室的液位慢慢上升，到达设定的高水位时打开电磁阀进行排水，排出的水经过激光杀菌和膜过滤及检测装置后判断其去向。

图2　仿真系统设计原理图　　　　　　　　　　　　　　　　　图3　仿真系统设计流程图

2.2系统操作界面设计

利用组态王软件开发工具制作的操作界面如图4所示，左边为仿真系统运行画图，右边为操作控制箱。污水进入曝气室，经过曝气处理后进入消毒室，通过激光杀菌和膜过滤排出。由于系统采用组态王Kingwiew中自带的PLC仿真，用户在系统界面上操作控制箱的同时，系统将信号传送到PLC的变量中，这为进一步开发船舶生活污水处理模拟装置提供了接口。

图4　仿真系统操作界面图

2.3数据词典

组态王开发界面的数据词典是系统的心脏，定义好数据词典并和相应的设备关联可以实现动画仿真。根据船舶生活污水处理的基本原理和操作流程，定义好仿真系统的数据词典，配合命令语言程序完成界面的功能。该仿真系统数据词典的名称和含义见表1。

3仿真系统的测试

3.1系统启动过程

准备就绪后，给系统供电，按下启动按钮(按下时按钮为绿色，未按下时按钮为红色)，启动指示灯亮，污水由进水口流入，曝气室液位慢慢上升，当曝气室液位到达一定位置后，经过曝气室里好氧菌处理的水流进消毒室，消毒室液位也慢慢上升。图5为启动时的控制柜状态，图6为启动时的曝气室状态。

表1　数据词典

图5　启动时控制柜状态　　　　　　　　　　　　　　　　图6　启动时曝气室状态

3.2系统手动功能

按下操作控制箱的启动按钮后，按下手动按钮，进入手动模式。在上位机控制面板上手动启动风机、手动排水、手动膜过滤处理、手动激光杀菌、手动启动检测装置。图7为手动模式下启动风机的情况，风机启动时，对应的管道产生流动效果，提升管提升沉淀池一部分废物至曝气室形成回流，消毒室液位上升，当消毒室液位上升到20%时低位传感器变为红色，到达80%时高位传感器变为红色，此时应按下手动排水按钮进行排水，否则报警指示灯会被点亮。

在排水过程中，电磁阀打开，泵按钮变为绿色表示启动，相应的排水管道产生流动效果(见图8)，如果按下手动激光杀菌和膜过滤按钮，就可以进行膜过滤和激光杀菌操作(见图9)，最后流出的液体通过检测装置进行检测，检测合格后排放入海，不合格的回流进行二次处理。

图7　手动启动风机　　　　　　　　　　图8　排水管道液体流动　　　　　　　　　　图9　手动开启膜过滤

3.3自动功能

系统启动后，按下自动按钮可以进入自动模式，自动模式控制柜状态如图10所示。在自动模式下，排水、膜过滤、激光杀菌和检测功能都自动进行。当消毒室液位上升到高液位时，系统打开电磁阀和启动泵，启动膜过滤、激光杀菌和检测；当液位下降到低液位时，系统停止。如果消毒室液位上升达到高位时没有进行排水，报警指示灯将点亮；同样如果当液位降低到低位时还在进行排水，延时一段时间后报警指示灯也会点亮，说明系统有故障,需要人工处理。

3.4应急功能

在装置运行过程中难免会发生故障，此时需要排出污水以便进行系统维护。由于应急操作的优先级别最高，按下应急按钮后，应急指示灯点亮，报警指示灯闪烁，进行应急排水。应急排水时不进行激光杀菌、膜过滤和检测，污水直接排出。图11为应急模式下管道流动效果图，此时泵运行，电磁阀打开。

图10　自动模式控制柜状态　　　　　　　　　　　　　　　　图11　应急模式管道阀门状态

4结语

1)设计的船舶生活污水处理仿真系统包括主界面和控制柜界面，通过操作控制柜界面上的按钮，仿真系统主界面的状态会按照命令语言程序的要求进行系统仿真。系统可以模拟船用生活污水处理的启动过程、手动操作、自动操作、膜过滤、激光杀菌、检测和应急排放报警等功能。

2)考虑到与船舶实际操作更加接近，系统设计有远程和旁机两种控制模式，在远程模式时，可以在上位机完成相应的控制。旁机的优先级别最高，可以在下位机操作面板上进行操作。

3)仿真系统的操作方式与真实的船舶生活污水处理装置保持一致，为教学和日常训练提供了便利。该仿真系统中的计时器记录仿真装置的启动次数和运行时间，可为系统维护提供依据。

参考文献：

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(责任编辑：杨秀红)

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

文章编号：1672-0032(2015)04-0062-06

中图分类号：U664.92

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2015.04.012

作者简介：童鑫(1992—)，男，贵阳人，本科生，专业为船舶电子电气工程.

基金项目：天津市市级大学生创新创业训练计划项目(201410060039)；天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究计划基金项目(B01-0818)；天津理工大学校级大学生创新创业训练计划项目(X2015019)

收稿日期：2015-11-06