申请日2012.04.29
公开(公告)日2013.10.30
IPC分类号C02F1/16; B63J4/00
摘要
本发明包括硬件和软件两部分。硬件系统主要包括PLC控制箱1、传感器(真空传感器18、温度传感器11/12、流量传感器8)、上位机2、控制箱3、加热器4、热水流量调节阀5、离心泵7、真空发生装置6、污水处理柜14、热水进出口调节阀9/10等。软件系统主要有PLC程序和上位机程序两块。系统以PLC为控制中心，接受传感器实时数据信号，并通过PLC控制逻辑发出控制信号，将其送至热水调节阀5、离心泵7、真空发生装置6、热水进出口调节阀9/10以及报警设备。上位机程序以VB为开发平台，主要包括人机交互界面、参数显示、通讯模块等;上位机采用MSComm控件实现串口数据通讯，读写PLC数据。
权利要求书
1.控制系统以三菱FX型PLC为控制中心，接受真空传感器18、温度传感器11/12、流量传感器8的实时数据信号，并通过PLC控制箱1中的控制逻辑给出控制信号，将其送至热水调节阀5、离心泵7、真空发生装置6、热水进出口调节阀9/10以及报警设备。
2.PLC程序设计采用模块化方法，用任务模块来描述控制过程，将整个控制过程分解为多个模块，每种控制功能对应一个模块，以实际系统控制逻辑进行PLC控制程序的设计，并定义了安全保护与报警功能，是整个装置的核心;基于VB的上位机系统2通过PLC与各个泵浦设备、传感器相连，实现监控功能。
3.真空度监控模糊自适应整定PID 控制方案，同时加权考虑了不同外界因素(如外界温度、压力等因素)对真空度的影响，输出的控制信号将直接作用在蝶阀上面，实现了真空度的精确控制。
说明书
内河船舶黑水处理装置的监控系统
技术领域
本发明涉及一种内河船舶黑水处理装置监控系统。
背景技术
水上运输具有投资少、运量大、运费低等显著优点，所以随着近期我国经济迅速发展，内河船舶的数量迅猛增加。而内河船舶的生活污水(主要是黑水，如厕所污水等)，绝大部分是没有经过处理就直接下河，这给内河淡水资源带来巨大的污染，直接影响到广大人民群众的生活用水安全性及我国内河生态系统的稳定性。因此在我国内河水域遭受船舶污染的严峻形势下，开发设计一种新型节能环保的船舶生活污水处理装置并对其控制系统进行数字化设计是很有必要的。
发明内容
VDT技术是环保节能型处理污水技术，其原理是利用抽真空装置制造并保持污水收集装置的高真空度，再利用船舶废热(柴油机缸套冷却水)出口余热对黑水进行加热，使黑水在较低的温度条件下就可以达到饱和，进行蒸馏净化处理，而后将处理干燥物在船焚烧(如有焚烧炉)或送岸处理(可作肥料使用)，最终达到生活黑水无污染排放的结果。处理过程中即考虑了利用气缸套冷却水的废热，提高能源的利用率，达到节能效果;另外，黑水的净化处理又减少了对内河水质的污染，达到环保的效果。
为实现对基于VDT技术的内河船舶黑水处理系统的控制，本发明采用以下技术方案：基于VDT技术的内河船舶黑水处理系统结构组成：内河黑水处理装置主要由真空发生系统6、黑水处理系统14、加热系统(加热器4、热水流量调节阀5、流量传感器8)以及控制回路等组成。真空发生系统采用了高吸空能力，额定电压为380v、额定功率为7.5kW 的水喷射装置，该喷射装置可产生并维持0.098MPa的真空压力。黑水处理系统由进料口、外箱、内箱、密封保温材料、观察镜以及进出口管路等部分组成。加热系统在实船上采用柴油机缸套水的废热进行加热。
控制功能：真空度的监测与控制调节;热工参数的监测与控制;泵浦设备及阀件的控制;安全保护及报警系统的设计。
控制系统结构：主要有硬件系统和软件系统两个部分。硬件系统主要包括PLC控制箱1(包括参数显示、控制按钮、报警系统、动作开关等)、传感器(真空传感器18、温度传感器11/12、流量传感器8)、上位机2、控制箱3、加热器4、热水流量调节阀5、离心泵7、真空发生装置6、污水处理柜14、热水进出口调节阀9/10等。本系统的软件系统主要有上位机程序和PLC程序两大块。其中上位机程序以VB作为开发平台，主要包括人机交互界面、参数显示、通讯模块等部分;PLC中的程序模块以梯形图的形式出现;上位机和PLC之间的数据通讯如下方式实现：上位机采用MSComm控件实现串口数据通讯，读写PLC数据，实现人机操作任务。
控制系统原理：系统以三菱FX型PLC为控制中心，接受真空传感器18、温度传感器11/12、流量传感器8的实时数据信号，并通过PLC控制箱1中的控制逻辑给出控制信号，将其送至热水调节阀5、离心泵7、真空发生装置6、热水进出口调节阀9/10以及报警设备。同时PLC程序设计采用模块化方法，用任务模块来描述控制过程，将整个控制过程分解为多个模块，每种控制功能对应一个模块，以实际系统控制逻辑进行PLC控制程序的设计，并定义了安全保护与报警功能，是整个装置的核心。为了增强系统的可操作性和使用舒适性，还开发了基于VB的上位机系统2，其通过PLC与各个泵浦设备、传感器相连，实现监控功能。
(1)真空度的监测与控制：真空系统监控模块程序的制定采用传统的PID 控制和模糊控制相结合的方式进行，即模糊自适应整定PID 控制方案。通过计算当前系统误差和误差变化率,利用模糊规则进行模糊推理,进行PID 参数(主要为比例带PB、积分时间Ti、微分时间Td)的实时在线计算与调整调整，这样的控制方法更加简单实用，同时具有更好的适应性和精度。另外，本模块还加权考虑了不同外界因素(如外界温度、压力)对真空度的影响，使得本系统能够在不同的外界环境下给出内河船舶黑水处理系统的真空度目标值，从而取得最佳控制效果。真空系统监控模块输出的控制信号将直接作用在蝶阀上面，通过改变蝶阀的开度来实现真空度大小的改变。
(2)热工参数的监测与控制：在本装置中，需要实现监控的热工参数主要包括热水温度(进口及出口)、热水流量、加热器中液位，这些参数将直接影响整个装置能否正常运行。
(3)泵浦设备的控制：本装置中，泵浦设备主要有热水泵与真空泵，其操作与控制可以由控制箱上的控制按钮实现，也可以通过上位机上的人机界面来实现控制。
(4)安全保护功能：安全保护及报警系统实现了对本装置内大部分设备的安全保护，如对热水泵的防空吸保护功能，加热装置具有低水位保护功能、密封性保护等。在运行过程中，若参数越限或设备异常将通过报警装置进行报警。
本发明具有以下效益：本控制系统可以对基于VDT技术的内河船舶黑水处理系统很好的发挥监测、控制及保护作用。在运行过程中，能够根据外界环境及热负荷的要求在模糊自适应PID控制作用下进行阀门开度的调节;监控了系统中所有重要的热工参数，对泵浦设备、阀件也实现了完善的控制、保护;软件系统结构完善、运行稳健，同时人机界面友好、交互性能好，上手操作快。控制系统的设计体现了“节能环保、数字化、智能化”等特征，便于今后该设备在内河船舶上的强制性安装以及海事部门的统一管理，结合现阶段内河水质污染的严峻形势，不难看出内河船舶黑水处理装置的应用前景将非常广阔。
附图说明:图1是基于VDT技术的内河船舶黑水处理控制系统结构图。
图2是基于VDT技术的内河黑水处理装置控制系统控制流程图。
具体实施方式：本控制系统以三菱FX型PLC为控制中心，接受真空传感器18、温度传感器11/12、流量传感器8的实时数据信号，并通过数据采集模块送至PLC控制箱1，然后根据PLC1中的控制逻辑给出控制信号，将其送至热水调节阀5、离心泵7、真空发生装置6、热水进出口调节阀9/10以及报警设备。同时PLC程序设计采用模块化方法，用任务模块来描述控制过程，将整个控制过程分解为多个模块，包括真空系统监控模块、热工参数监控模块、加热系统控制模块、管路系统控制模块、安保及报警模块、每种控制功能对应一个模块，以实际系统控制逻辑进行PLC控制程序的设计，并定义了安全保护与报警功能，是整个装置的核心。为了增强系统的可操作性和使用舒适性，还开发了基于VB的上位机系统2其组成，其通过PLC与各个泵浦设备、传感器相连，实现监控及安全保护功能。
以真空度监测为例，系统在运行过程中将保证真空度的稳定，并通过PLC控制系统对真空发生装置进行实时控制。其信号流程为：由真空度传感器测量得出的信号经数据采集模块传送至PLC的真空系统监控模块，此数据还将在真空表以及人机交互界面(MMI)上进行显示，然后根据PLC控制逻辑发出控制信号至真空发生装置，调节其真空度。由于真空度控制系统具有非线性、时变和延迟时间长等特点，无法精确确定其数学模型，所以在PLC程序模块中加入了模糊自适应控制，通过计算当前系统误差和误差变化率,利用模糊规则进行模糊推理,进行PID 参数(主要为比例带PB、积分时间Ti、微分时间Td)的实时在线计算与调整调整，这样的控制方法更加简单实用，同时具有更好的适应性和精度。另外，本模块还加权考虑了不同外界因素(如外界温度、压力)对真空度的影响，使得本系统能够在不同的外界环境下给出内河船舶黑水处理系统的真空度目标值，从而取得最佳控制效果。真空系统监控模块输出的控制信号将直接作用在蝶阀上面，通过改变蝶阀的开度来实现真空度大小的改变。
