基于PLC和组态王的船用油水分离器仿真装置研究

张 旭　王宗涛　童 鑫（天津理工大学海运学院，天津　300384）



基于PLC和组态王的船用油水分离器仿真装置研究

张 旭王宗涛童 鑫
（天津理工大学海运学院，天津300384）

摘要：基于西门子S7-200和组态王软件，开发一种船用油水分离器的仿真装置。通过设计组态软件界面和PLC控制程序，该仿真装置可以模拟船用油水分离器的油水分离过程，自动排油过程，反冲洗过程以及油分浓度超标报警等功能，该仿真装置实现了上位机远程控制，运行可靠、维护方便、功能齐全、可视化效果突出，可用于船用油水分离器的模拟训练。

关键词：油水分离器；组态软件；仿真装置

1 引言

在船舶营运过程中，船舶机舱中产生的含油污水对海洋会造成极大的污染，若正确使用船用油水分离器则可以减少海洋污染的风险。当前国际上对船舶排放标准提出了更高的要求，其中针对船舶排放的污油水含量应低于15ppm。对于油水分离器的维护和保养有不少的研究，此外也有不少关于油水分离器仿真装置的研究。本文基于西门子PLC和组态软件Kingview，设计了一套船用油水分离器仿真装置，该仿真装置可以模拟油水分离过程，自动排油过程，反冲洗过程以及油分浓度超标报警等功能。

2 船用油水分离器仿真装置的系统设计

2.1 船用油水分离器仿真装置的功能设计

本文所设计的仿真装置可以进行远程操作和本地操作，其中远程操作在组态软件上面进行操作，本地操作在控制箱进行操作，二者的操作过程相同。启动系统后，如果是系统首次运行，需要进行人工操作和测试，然后将系统转入自动运行模式。仿真装置可以根据污水柜的实际情况决定是否进行油水分离，同时根据分离出来的油分含量判断是否可以进行排放入海。仿真装置采用LED指示灯代替真实油位，如果油水界面达到最低处则进行自动排油。如果污水柜的污水达到低水位，油水分离停止，直到水位上升到高位才进行重新工作，仿真装置采用定时的方式进行反冲洗功能，定时时间到开始冲洗，冲洗时间结束后又返回冲洗前的工作。

图1　软件的操作界面

表1　仿真装置的PLC定义及符号

系统的主要操作包括：（1）启动→手动/自动选择；（2）自动模式→油水分离→油分浓度小于15ppm，排放入海/否则返回污水柜→集油室为高油位，进行排油操作/集油室为低油位，继续油水分离→定期进行反冲洗；（3）手动模式→打开放气旋塞/注入清水→进行油水分离测试、报警测试、排油测试、反冲洗测试→测试完毕切换至自动模式；（4）系统需要停止运行时，切换至手动模式，进行手动排油、进行反冲洗、最后注入清水保养。

2.2 仿真装置操作界面设计

仿真装置的软件的操作界面如图1所示，其中左边为系统运行图，右边为操作控制箱。污水柜的水进入油水分离器圆筒，分离出来的污油进入集油室顶部并被排入到污油柜，分离后的水中油分含量低于15ppm，就可以排放入海，否则重新返回污水柜。系统设有清水系统，经过清水阀进入分离器圆筒进行排油或者反冲洗操作。操作控制箱设有启动、停止、测试、自动/手动、油水分离、排油、反冲洗等按钮。由于该仿真装置采用了组态王作为上位机，PLC作为下位机，用户在软件界面上对操作控制箱的同时，系统将将信号传送到PLC的过程映射区，由PLC完成相应的操作，同时组态王也可以读取PLC过程映射区的数据，使得上下位机的通讯得到同步，可以实时监控装置的运行。

2.3 PLC符号定义如下

根据船用油水分离器的基本原理和操作流程，规划了仿真装置的PLC符号及定义，见表1。

3 船用油水分离器仿真装置的系统测试

3.1 油水正常的分离过程

在油水分离过程中，利用螺杆泵抽吸含油污水，该过程要求关闭排油阀、冲洗水出口阀、清水进口阀，含油污水经过污水进口阀门进入油水分离器，依次经过重力分离和聚结分离后排出油水分离器圆筒。根据油分浓度监测装置所检测的油分含量来决定是否排放入海：如果其油分浓度低于15ppm，并且满足排放要求，可以将分离出来的水直接排放到舷外；如果油分浓度高于15ppm，分离出来的水禁止排放，并且系统发出报警信号，通知轮机员进行停机操作。在油水分离过程中，被分离出来的污油在集油室的顶部聚集，随着油水分离的时间推移，油水界面会逐渐下移。正常油水分离过程组态控制如图2所示。

图2　正常油水分离过程

图3　油分浓度超标的模拟

图4　排油过程图

图5　反冲洗过程

图6　仿真装置三维图及实物

3.2 油分浓度超标的演示功能

本软件设计了油分浓度超标的演示功能，按下操作控制箱的测试按钮，系统停止向弦外排放，分离出来的水不能排放入海，直接返回到污水柜。油分浓度超标的功能演示如图3所示。

3.3 排油过程

随着集油室的油水界面不断下降，油位探测器的两个电极均被油浸没，系统将产生排油信号，停止单螺杆泵的运转，关闭冲洗水出口阀，打开自动排油阀和清水进口阀。带压力的清水由聚结过滤元件的下部进入油水分离器，向外“挤压”积聚在顶部的污油，将污油从自动排油阀赶出至污油柜，随着油水界面的不断上移，油位探测器的两个电极均被浸没在水中，系统结束排油过程，重新进入油水分离过程。排油过程如图4所示。

3.4 反冲洗过程

当油水分离器运转一段时间以后，水中的杂质不可避免地积聚在聚结过滤元件上，导致聚结过滤元件脏污，降低污水处理能力。因此，油水分离器在运行一定时间后，将定时进行反冲洗操作。系统会关闭自动排油阀，停止单螺杆泵运行，打开冲洗水出口阀及清水进口阀，带压力的清水由聚结过滤元件底部进入，由下至上冲洗聚结过滤元件后经冲洗水出口阀排回舱底水柜，实现对聚结过滤元件的清洗。反冲洗过程结束后，系统重新进入油水分离过程。反冲洗过程如图5所示。

4 船用油水分离器仿真装置的制作

在制作之前，采用CAD制图软件的三维功能设计了主体架构，以便后续工作的开展。装置由污油柜、清水柜、油水柜、控制柜、分离器本体几大部分组成。三维图、实物仿真装置如图6所示。

选用西门子的CPU224XP和EM223模块作为仿真装置的核心，制作一个具有控制功能和信号采集的控制柜。控制柜上有启动按钮，启动指示灯，手动分油，手动加水，手动排油，手动反冲洗按钮，有自动，手动，远程三种模式选择转换，有分油指示灯，排油指示灯，反冲洗指示灯。通过控制电磁阀、LED灯、跑马灯的工作，该仿真装置可以实现分油、排油、反冲洗等相应的功能。

结语

本文基于组态软件Kingview和西门子PLC，开发的船用油水分离器仿真装置可以模拟船用油水分离器的油水分离过程，自动排油过程，反冲洗过程以及油分浓度超标报警等功能。该仿真装置运行可靠，具有良好的可视化和可操作性能，可用于船用油水分离器的模拟训练。

参考文献

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中图分类号：U664

文献标识码：A

基金项目：天津市市级大学生创新创业训练计划项目（编号201410060035）；天津市普通高等学校本科教学质量与教学改革研究计划“轮机工程专业“卓越计划”体系建设的研究与实践”（编号B01-0818）。