船用無排放型生活污水處理裝置設(shè)計(jì)

摘要當(dāng)今社會(huì)，隨著經(jīng)濟(jì)全球化的快速發(fā)展，海洋環(huán)境保護(hù)成為世界各國(guó)的重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)之一，航運(yùn)業(yè)對(duì)海洋環(huán)境的影響已經(jīng)進(jìn)入人們的視線，引起人們的關(guān)注，于是優(yōu)化船舶防污染的技術(shù)就顯得非常重要。本文旨在通過設(shè)計(jì)一種較為完善的船舶日常生活污水處理系統(tǒng)，以改善船舶生活污水的處理能力和效率，減少輪機(jī)員的勞動(dòng)強(qiáng)度，從而達(dá)到改善海洋環(huán)境的目的。通過對(duì)比分析現(xiàn)如今各類船舶生活污水處理系統(tǒng)的優(yōu)劣性，其中活性污泥處理法具有設(shè)備簡(jiǎn)單，維修方便，處理效果好，處理效率高，成本低等優(yōu)勢(shì)，較為有效的一種船舶生活污水處理方法，因此本文利用活性污泥法的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套污水處理過程自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要討論研究了初沉池污泥沉淀、曝氣池溶解氧濃度控制、二沉池污泥回流、污泥廢棄等控制回路的實(shí)現(xiàn)。整套控制系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC，傳感器等機(jī)構(gòu)組成，通過PLC通信以及控制工程，實(shí)現(xiàn)生活污水處理系統(tǒng)的自動(dòng)控制。再根據(jù)活性污泥法，使用Wincc仿真軟件開發(fā)設(shè)計(jì)出符合實(shí)際情況的仿真界面，結(jié)合通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)結(jié)果的動(dòng)態(tài)展示。設(shè)計(jì)表明利用活性污泥法的船舶污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是可靠且適用的，能夠帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，也對(duì)船舶生活污水處理系統(tǒng)的日后發(fā)展和研究上有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：活性污泥法；污水處理；自動(dòng)控制；PLC；仿真ABSTRACTIntoday'ssociety,withtherapiddevelopmentofeconomicglobalization,marineenvironmentalprotectionhasbecomeoneofthekeyconcernsofcountriesallovertheworld.Theimpactoftheshippingindustryonthemarineenvironmenthasgraduallyenteredpeople'ssightandattractedpeople'sattention.Therefore,itisveryimportanttooptimizethetechnologyofshippollutionprevention.Thispapermainlydesignsarelativelyperfectshipdomesticsewagetreatmentcontrolsystemtoimprovethetreatmentcapacityofshipdomesticsewage,reducetheworkintensityofmarineengineers,improvetheefficiencyofsewagetreatmentandprotectthemarineenvironment.Bycomparingandanalyzingtheadvantagesanddisadvantagesofvariousshipdomesticsewagetreatmentsystems,amongwhichtheactivatedsludgetreatmentmethodhastheadvantagesofsimpleequipment,convenientmaintenance,goodtreatmenteffect,hightreatmentefficiencyandlowcost.Itisamoreeffectiveshipdomesticsewagetreatmentmethod.Therefore,thispaperusesthecharacteristicsofactivatedsludgemethodtodesignasetofautomaticcontrolsystemforsewagetreatmentprocess,mainlydiscussesandstudiesthesludgesedimentationinprimarysedimentationtankTherealizationofdissolvedoxygenconcentrationcontrolinaerationtank,sludgereturninsecondarysedimentationtank,sludgewasteandothercontrolcircuits.Thewholecontrolsystemiscomposedofuppercomputer,PLC,sensorandotherinstitutions.ThroughPLCcommunicationandcontrolengineering,theautomaticcontrolofdomesticsewagetreatmentsystemisrealized.Then,accordingtotheactivatedsludgeprocess,thesimulationinterfaceinlinewiththeactualsituationisdevelopedanddesignedbyusingWinCCsimulationsoftware,andthedynamicdisplayoftheresultsisrealizedbycombiningwithcommunicationtechnology.Thedesignshowsthatthedesignschemeofshipsewagetreatmentsystemusingactivatedsludgemethodisreliableandapplicable,canbringgoodeconomicandsocialbenefits,andhascertainapplicationvalue.Italsohascertainreferencevalueforthefuturedevelopmentandresearchofshipdomesticsewagetreatmentsystem.Keywords:activatedsludgeprocess;Sewagetreatment;Auto-Control;PLC；目錄317111緒論 緒論1.1研究背景及意義二十一世紀(jì)，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程中扮演了舉足輕重的角色，因此，海洋環(huán)境問題也隨之而日益受到國(guó)際社會(huì)的關(guān)注。海洋環(huán)境保護(hù)不分國(guó)界，它不僅僅是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的問題，甚至上升到政治層面。1973年，國(guó)際海事組織（IMO）在英國(guó)倫敦舉行了一次以保護(hù)海洋環(huán)境為主題的國(guó)際海洋污染會(huì)議，該會(huì)議頒布了《國(guó)際防止船舶造成污染公約》，旨在預(yù)防和約束船舶排放油類和其他有害物質(zhì)從而污染海洋。公約附錄IV中，明確規(guī)定了防止船舶生活廢水流入海洋的標(biāo)準(zhǔn)。船舶生活污水是影響船舶環(huán)境的主要因素之一，近幾年來，越來越多的航運(yùn)公司關(guān)注到了這一問題。但是，相對(duì)于船舶發(fā)電設(shè)備的自動(dòng)化水平，目前對(duì)船舶廢水的處理還存在一定的局限性。但是，隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展迅速，大量的船舶出現(xiàn)，在運(yùn)行中所產(chǎn)生的生活廢水也隨之增加，廢水的排放給海洋環(huán)境帶來了很大的負(fù)面影響。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，船舶工業(yè)中的計(jì)算機(jī)技術(shù)日益普及，船舶的自動(dòng)化水平也日益提高。但是，與船舶生活污水處理設(shè)備相比，其自動(dòng)化程度較低，很難適應(yīng)船舶的現(xiàn)代化需求。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)一體化的快速發(fā)展，入世后，國(guó)內(nèi)航運(yùn)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)越來越激烈。因此，必須提高船舶工程技術(shù)人員的工作效率和技術(shù)能力。近幾年，隨著對(duì)國(guó)內(nèi)外廢水處理技術(shù)的深入研究，研制出了用于船員業(yè)務(wù)訓(xùn)練的船舶引擎模擬系統(tǒng)和自動(dòng)機(jī)艙。實(shí)際上，船員的實(shí)船培訓(xùn)方法培訓(xùn)具備周期長(zhǎng)、成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，很難適應(yīng)培訓(xùn)需求等不足。采用仿真系統(tǒng)的方法來取代實(shí)船的訓(xùn)練，可以克服以上的不足。這一技術(shù)已經(jīng)被證實(shí)是一種有效的方式，并且已經(jīng)被國(guó)際海洋組織所接受。目前，船舶安全管理已經(jīng)成為船舶駕駛員培訓(xùn)與評(píng)估的一種主要方式。模擬器訓(xùn)練雖不能完全取代實(shí)船的經(jīng)驗(yàn)，卻能幫助船員迅速反應(yīng)及安全作業(yè)，由模擬器熟悉機(jī)艙設(shè)備及自動(dòng)控制系統(tǒng)，使學(xué)員能在短期內(nèi)掌握實(shí)際作業(yè)的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)船舶生活污水處理工藝技術(shù)的研究較早，主要是由最先加入MARPOL73/78公約附則IV的一些國(guó)家進(jìn)行的研究。船舶生活污水處理的基本工藝主要源自于城市污水處理技術(shù)，現(xiàn)如今污水的生物化學(xué)法、電化學(xué)法的處理技術(shù)是船舶污水處理裝置較為常用的工藝手段。相對(duì)而言國(guó)內(nèi)在污水處理裝置以及處理工藝上的研究較之國(guó)外則晚一些[4]。一些國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，并較早的實(shí)現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)代化。環(huán)境問題特別是水資源污染的嚴(yán)重性也較早的體現(xiàn)出來，對(duì)污水的處理更先進(jìn)一些，同時(shí)也得到了這些國(guó)家政府的重視，投入了大量的人力、物力進(jìn)行污水處理的研究。這些國(guó)家在研究水處理新理論和工藝的同時(shí)，也重視污水處理自控系統(tǒng)的研究。先后投資研究高效型、智能型、集約型污水處理設(shè)備和自動(dòng)化控制儀表。由于控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)外的污水廠很早就實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)控制，如DCS、FCS系統(tǒng)[5-6]。同時(shí)國(guó)外較早的SCADA技術(shù)引入到了給排水工程當(dāng)中，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。意大利開發(fā)出一系列在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)控制儀，美國(guó)艾姆科(EMICO)工藝公司1996年成功開發(fā)了多元組合式智能型一體化生活污水處理裝置，美國(guó)米頓羅(MIDUNRO)公司也相繼開發(fā)了一系列在線監(jiān)測(cè)控制儀等，荷蘭大學(xué)開發(fā)成功計(jì)算機(jī)控制內(nèi)循環(huán)式水解生化塔。由于這些水處理設(shè)備自動(dòng)化程度、智能化程度相當(dāng)高，能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，所以達(dá)到令人滿意的水處理效果[7-9]。1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀隨著工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)主要污水處理設(shè)備及配套沒備基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，并逐步形成了系列化、規(guī)?；缬糜诓煌瑮l件下的過濾設(shè)備、氣浮選、壓力除油、液—液旋流除油等除油處理設(shè)備、藥劑投加設(shè)備等。水處理的自動(dòng)化程度有了提高。過濾處理、污泥脫水、氣浮裝置、加藥裝置等實(shí)現(xiàn)了PLC集成面板自動(dòng)控制；流量、液位、以及懸浮周體含量等水質(zhì)指標(biāo)也實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。水處理更加重視工藝和化學(xué)的有機(jī)結(jié)合。水處理劑的品種增多、效能提高[10-12]。近些年來，隨著科技的飛速發(fā)展，我國(guó)各大中型企業(yè)紛紛對(duì)污水處理技術(shù)進(jìn)行了更新?lián)Q代。嶄新的污水處理流程線，世界先進(jìn)水平的處理設(shè)施，都表明了我國(guó)污水處理行業(yè)正在從最初的品種單一、規(guī)格低下、規(guī)模小、水平低、質(zhì)量不夠的水平逐漸向多樣式、復(fù)合結(jié)構(gòu)、大規(guī)模、高質(zhì)量、高要求的方向發(fā)展，我國(guó)的污水處理技術(shù)水平在已基本滿足國(guó)內(nèi)的需求情況下，逐漸開始轉(zhuǎn)型污水處理出口，行業(yè)發(fā)展速度之快居于世界領(lǐng)先水平[13]。其中，PLC控制系統(tǒng)作為一項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)也逐漸應(yīng)用于污水處理系統(tǒng)中。PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、使用方便。程序可變，一方面采集數(shù)據(jù)，一方面進(jìn)行信息的監(jiān)控處理，強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)功能使得PLC通信更加方便，利用PLC這種“集中管理、分散控制”的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)中控室中央監(jiān)控，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線自動(dòng)化流水作業(yè)，也可以構(gòu)建大型集散控制系統(tǒng)。我國(guó)發(fā)展了適合我國(guó)國(guó)情、高效、低耗和低成本的污水處理技術(shù)[14-15]。以上海船舶設(shè)備研究所為代表，該所應(yīng)用生化和物化法先后研制出了WCF型和WCH型的系列船舶污水處理裝置，緊接著國(guó)內(nèi)其他公司也相繼開發(fā)出不同的船舶污水處理裝置，通過引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù)，研究設(shè)計(jì)出不同系列的產(chǎn)品。如南京綠洲機(jī)器廠生產(chǎn)的ST型系列處理裝置以及由重慶大晃康達(dá)公司研制的SBT型系列污水處理裝置等[16]。重慶市港航管理局的黨志勝等人針對(duì)船用污水處理裝置在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)中缺乏有效監(jiān)管等問題,設(shè)計(jì)了一種船用污水處理運(yùn)行監(jiān)測(cè)儀。該監(jiān)測(cè)儀通過監(jiān)測(cè)處理裝置里的送風(fēng)壓力、箱體的污水水位和其他狀態(tài)特征等參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)船用污水處理裝置運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制。此外，楊勇等人采用序批法SBR污水處理工藝，通過對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，增強(qiáng)了船用生活污水處理裝置運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性[17-18]。1.2.3研究評(píng)述國(guó)內(nèi)的研究存在以下方面的特點(diǎn)，一是陸上生活污水處理成中水及回用的研究已開展多年，規(guī)范要求、指標(biāo)及工藝比較成熟，但船用方面需求尚不迫切，因此起步較晚，部分規(guī)范指標(biāo)缺少，需要開展研究；二是國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的船用處理設(shè)備是物化法、電解法和生物法，三種處理工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)。采用上述工藝的設(shè)備雖然經(jīng)過了陸地上實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)，但面臨特殊使用條件（體積重量限制、船體搖晃、污水成分指標(biāo)差異、水量、間隔處理時(shí)間要求等）和適裝要求（可靠性、維修性、可用性、安全性、保障性、防護(hù)性），后續(xù)仍然需要實(shí)船驗(yàn)證；三是目前雖然在國(guó)內(nèi)部分特殊類船舶（如試驗(yàn)船、科考船）上進(jìn)行適裝性應(yīng)用，但是依據(jù)特殊類船舶任務(wù)使命不同，在人員配置、續(xù)航力、航行狀態(tài)部署、航區(qū)等方面有著本質(zhì)的區(qū)別，需要結(jié)合主流特殊類船舶的任務(wù)特點(diǎn)，開展論文的相關(guān)研究工作[19]。國(guó)外方面，美國(guó)專門研制廢水廢物綜合處理系統(tǒng)，將各種污水和廢物采用粉碎機(jī)轉(zhuǎn)換成適合泵輸送的漿狀物，利用變換器使之高溫蒸干或水壓機(jī)將漿狀垃圾分離，轉(zhuǎn)化為固體和液體，蒸餾水排放或回用，固體廢物焚燒處理。后勤船舶上安裝該系統(tǒng)，編隊(duì)中的其它船舶將各種廢水、廢物通過海上補(bǔ)給系統(tǒng)運(yùn)行至后勤船舶進(jìn)行集中處理，各船舶可以不單獨(dú)配置或簡(jiǎn)配相關(guān)處理設(shè)備，以充分發(fā)揮大型廢物廢水綜合處理系統(tǒng)的作用。但這和美國(guó)全球部署的戰(zhàn)略和海外基地眾多、保障能力充足的先決條件密切關(guān)聯(lián)，且焚燒帶來的大氣污染同樣也需關(guān)注?，F(xiàn)階段，歐盟國(guó)家采取的生活污水處理方式對(duì)我國(guó)具有一定的參考借鑒意義[20]。1.3船舶生活污水概述在設(shè)計(jì)船舶生活污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)前，首先要對(duì)其組成及對(duì)船舶的影響進(jìn)行研究，并對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的分析與設(shè)計(jì)，以達(dá)到對(duì)廢水處理的要求。一般來講，船舶的生活污水是以船員（船員及旅客）的日常生活用水為主，按其排放的水質(zhì)可劃分為“灰水”與“黑水”?！盎宜敝傅氖莵碜杂谠∈?、廚房、洗衣房等污染相對(duì)比較小的污水。“黑水”是指衛(wèi)生間的污水，也就是含有大量高污染的糞便污水。在實(shí)際船舶中，除有機(jī)物、礦物質(zhì)之外，還存在著許多微生物、寄生蟲、病毒、海洋生物等，因此，隨意排放的廢水會(huì)造成一系列的不良后果。(1)對(duì)水環(huán)境的影響船舶生活污水的無差別排放會(huì)對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。一般來說，海洋水環(huán)境可以根據(jù)生活在水中的微生物和細(xì)菌的分解，將水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)換成無機(jī)物，實(shí)現(xiàn)水域的自我凈化效果。其分解的無機(jī)物被海洋植物吸收而生成氧氣，使得微生物可以存活下來，慢慢形成穩(wěn)定的自我凈化循環(huán)。如果只需要從船舶排出生活排水的話，大量的細(xì)菌和其他的污染物質(zhì)就會(huì)被排出到水域，破壞平衡過程。污染物質(zhì)過多的話，水環(huán)境的氧含量急劇下降，海洋植物的生存變得困難，和魚等水生動(dòng)物的移動(dòng)和死亡相連。另一方面，排水中含有大量的營(yíng)養(yǎng)成分的話，水生植物就會(huì)繁殖，根據(jù)繁殖環(huán)境粗暴地成長(zhǎng)，生態(tài)系統(tǒng)會(huì)再次被破壞，海洋環(huán)境會(huì)嚴(yán)重地受到破壞。(2)對(duì)人體健康的影響船舶的生活污水中所含的病原菌大多是由船員日常生活中排出的糞便產(chǎn)生的。每毫升糞水含有數(shù)百萬細(xì)菌，其中大多數(shù)是感染性的病原菌，可能引起各種各樣的腸道疾病，對(duì)海員的身體健康構(gòu)成威脅。船舶生活廢水中含有大量的細(xì)菌，大部分來自于船員的日常生活垃圾。每毫升排泄物中含有數(shù)以百萬計(jì)的細(xì)菌，大多數(shù)為傳染性病原體，會(huì)導(dǎo)致多種腸胃疾病，對(duì)船員的身體健康構(gòu)成威脅。1.4本章小結(jié)本文將從實(shí)際情況出發(fā)，通過對(duì)比不同船舶生活污水處理設(shè)備，確定了采用活性污泥工藝的方法在船舶生活污水處理中的應(yīng)用具有普遍性。本文對(duì)船舶污水的實(shí)際工作流程進(jìn)行了分析，對(duì)原處理工藝進(jìn)行了改進(jìn)，并按照所設(shè)計(jì)的控制原理，編寫了一套可編程控制器的模擬系統(tǒng)，并通過與PLC進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶污水的自動(dòng)控制。2船舶生活污水處理方法的選擇及設(shè)計(jì)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類污水處理設(shè)備已相繼研制成功，如今按照船舶廢水的排放模式劃分，可將其劃分為兩大類：一是非排放型的處理，二是排放型的處理。無排放型的處理方式有兩種：無排放型的處理方法分為簡(jiǎn)單貯存法和真空收集貯存法。對(duì)于排放型的處理方法主要有生物處理法、電化學(xué)處理法、物理-化學(xué)處理法、高壓氧化法等.2.1無排放類型處理方法2.1.1簡(jiǎn)單貯存法簡(jiǎn)單貯存法是一種易于實(shí)施的方法，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、不會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成傷害的優(yōu)點(diǎn)。但其弊端也十分明顯：貯存器容量過大，勢(shì)必造成貨柜的有效載量下降；污水長(zhǎng)期存放于集裝箱內(nèi)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生臭氣、細(xì)菌等，因此要求輪機(jī)員定期投藥、消毒，增加了經(jīng)濟(jì)效益；另外，靠岸邊的污水處理成本也很高，而且還會(huì)延長(zhǎng)碼頭的工期，經(jīng)濟(jì)效益并不理想。其工作原理為：收集船員的日常生活污水，并按其存儲(chǔ)能力的實(shí)際狀況，將其排放至岸邊的有關(guān)設(shè)施進(jìn)行處理。圖2.1簡(jiǎn)單貯存法工作原理圖2.1.2真空收集貯存法真空收集貯存法將真空箱與廚房、衛(wèi)生間等產(chǎn)生生活污水的地方進(jìn)行連接，污水通過真空箱的真空抽氣作用，將污水流入到真空箱，將真空箱的固體污染物集中排入焚燒爐進(jìn)行焚燒處理，生活污水則流入貯存箱中儲(chǔ)存，靠岸時(shí)統(tǒng)一排出。它與簡(jiǎn)單貯存法相比，其優(yōu)勢(shì)在于每一次的沖水量顯著減少，貯存箱的體積也相應(yīng)地減小，而且固體污染物的集中焚燒處理也能減少投入的藥品，節(jié)約了費(fèi)用。但是，在碼頭?？繒r(shí)，廢水的處置仍是一筆不小的開支，其經(jīng)濟(jì)效益并未得到明顯改善。圖2.2真空收集貯存法工作原理圖2.2排放類型處理方法2.2.1生物處理法生物處理法，就是利用微生物的降解作用，對(duì)生活廢水進(jìn)行處理。主要利用微生物的降解作用，通過建立和保持微生物的生存條件，最終將污水中的有機(jī)物分解，生成對(duì)環(huán)境無害的無機(jī)物、二氧化碳和水，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化。按其生物降解方法，可以將其分為好氧生物法和厭氧生物法。好氧生物法主要有兩類：活性污泥法和生物膜法?；钚晕勰喾ㄊ悄壳皯?yīng)用比較廣泛的一種工藝，其工作原理是以活性污泥為主體，在人工充氧的條件下，將廢水與活性污泥混合，并注入曝氣，通過生物濃縮，吸附，氧化等方式，使廢水中的有機(jī)物得以降解，再經(jīng)固液沉淀，再經(jīng)固液沉淀，再將部分污泥送至曝氣池，另一部分則被廢棄，經(jīng)處理后排放。這是一種具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、費(fèi)用低廉、使用方便、操作簡(jiǎn)便、缺點(diǎn)是必須持續(xù)進(jìn)行曝氣維持生物活性的優(yōu)點(diǎn)。厭氧生物法是在無氧條件下，通過厭氧細(xì)菌等微生物的分解作用來分解污染物中的有機(jī)物，最終生成以甲烷為主的沼氣。圖2.3生物處理法工作原理圖2.2.2電化學(xué)處理法電化學(xué)處理法主要用于有毒生物降解的生活和工業(yè)廢水的處理。它的基本原理是使污染物在電極上直接或間接發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到減少或去除污染物的目的。這種方法既可以單獨(dú)處理，也可以與其它處理方法聯(lián)合使用，但是雖然能改善污水的生物可降解性，也有其不足之處，即對(duì)操作人員的操作和維護(hù)都有很高的要求。2.2.3物理-化學(xué)處理法物理-化學(xué)處理法是利用物理作用和化學(xué)反應(yīng)來處理污水的一套水處理方法。它可以是獨(dú)立的一套處理方法，也可以配合生物處理進(jìn)行后繼的廢水處理。它主要是通過水質(zhì)調(diào)節(jié)、離心分離、過濾、熱處理等物理方法和吸附、萃取、接近、沉淀、電解、離子交換等化學(xué)方法來對(duì)污水進(jìn)行處理，最終將符合要求的污水排出。該方法擁有占地少、水質(zhì)好、使用靈活、效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，這種方法占地少，水質(zhì)好，使用靈活，效果穩(wěn)定，但是成本高，不適宜用作生活污水的處理。圖2.4物理-化學(xué)處理法工作原理圖2.2.4高壓氧化法高壓氧化法是將船舶生活污水進(jìn)行集中加熱，再將預(yù)熱好的污水送入高壓容器，污水在高壓容器中進(jìn)行氧化反應(yīng)，最終生成二氧化碳和水，并釋放出大量能量，通過壓力容器持續(xù)加熱，溫度會(huì)進(jìn)一步升高，廢水會(huì)被蒸發(fā)，二氧化碳和水蒸氣被分離出來，沉淀后的固體雜質(zhì)會(huì)被扔進(jìn)焚燒爐中。由于該工藝是在高溫、高壓條件下進(jìn)行的，所以廢水中的細(xì)菌、細(xì)菌等基本都被殺滅，達(dá)到了一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后，就可以不經(jīng)過任何的消毒，直接排放到大海中。但是，由于其前期投入巨大，而且存在著很大的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此不能作為一種有效的解決方案。2.3活性污泥法控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過對(duì)生活污水處理方法的對(duì)比分析，可以知道每一種處理方法都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和原理，它們存在各自的優(yōu)劣性，這也決定了不同的處理方法，對(duì)船舶的實(shí)用性上面也大不相同。相對(duì)而言，無排放類型的污水處理方式空間占用較大，站在經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的角度上看明顯不適用于目前的船舶生活污水處理。對(duì)于排放類型的生活污水處理方式，由于其靈活性和高效性，已經(jīng)成為現(xiàn)如今船舶最主要的處理方式。其中，電化學(xué)處理法操作難度大，管理要求高；物理-化學(xué)處理法和高壓氧化法所需要投入的資金較為昂貴。由于這些方法都有一定的局限性，性價(jià)比不高，使得其在船舶上的使用得到一定的限制。相對(duì)而言，雖然活性污泥法存在著需要向曝氣池不斷注入氧氣的缺點(diǎn)，但隨著科學(xué)技術(shù)和船舶航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)曝氣的控制逐漸成熟。并且對(duì)比其他的處理方法，活性污泥法在結(jié)構(gòu)方面比較簡(jiǎn)便、資金耗費(fèi)少，性價(jià)比高，所以無論是在實(shí)用性還是經(jīng)濟(jì)性上，活性污泥法是最優(yōu)選，因此活性污泥法處理系統(tǒng)非常適用于船舶污水的處理。2.3.1活性污泥法活性污泥法是利用懸浮微生物的絮體來處理有機(jī)污水的一種好氧生物法處理方式。為了設(shè)計(jì)出適用于船舶的污水處理系統(tǒng)，我們必須對(duì)活性污泥法處理機(jī)制有著一定的認(rèn)識(shí)，下面講重點(diǎn)講解活性污泥法的基本理論、原理以及處理流程。圖3.1活性污泥法流程圖如圖3.1所示，在廚房、衛(wèi)生間等地方產(chǎn)生的生活污水流到初沉池，在初沉池中初步沉淀，分離出不易沉淀的固體雜質(zhì)并排出，沉淀一段時(shí)間后，將初步沉淀后的污水排到曝氣池。曝氣池是整套活性污泥法中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，在曝氣池中，污水與二沉池中返回的活性污泥混合，并連續(xù)向曝氣池中提供足夠的氧氣，從而使池中的曝氣池和活性污泥發(fā)生一定的生物反應(yīng)。在該反應(yīng)過程中，首先，活性污泥將廢水中的有機(jī)污染物吸附到菌膠團(tuán)表面，并在微生物酶的作用下，部分大分子有機(jī)物被降解成小分子有機(jī)物；第二個(gè)步驟是，在足夠的氧條件下，微生物將小分子有機(jī)物氧化，最后生成二氧化碳和水，并且由于其生化作用，使自身也得到了一定的增值繁衍，通過曝氣池凈化作用后的混合液進(jìn)入二沉池中進(jìn)行二次沉淀，污水中的活性污泥等固體物質(zhì)與水之間進(jìn)行沉淀分離，沉淀后的污泥從二沉池排出，其中一部分作為回流污泥回流至曝氣池，以保證曝氣池中的懸浮固體和微生物濃度，剩余部分作為廢棄物排出系統(tǒng)。它與自然界的“水體自凈功能”過程相似，只不過被人為地加強(qiáng)了而已，所以其凈化效果更好！2.3.2初沉池污泥泵的控制初沉池的最主要的作用是對(duì)生活污水中的固體和有機(jī)污染物進(jìn)行初步沉淀，初步沉淀的污泥經(jīng)過刮泥機(jī)的作用刮到池底泥斗內(nèi)，當(dāng)所沉淀的污泥量達(dá)到所設(shè)定的上限值（根據(jù)池子的規(guī)格設(shè)定）啟動(dòng)污泥泵，將污泥排到污泥廢棄箱中，當(dāng)污泥含量下降到所設(shè)定的下限值時(shí)，停止污泥泵。廢棄箱中的污泥不定時(shí)進(jìn)行烘干廢棄（非系統(tǒng)重點(diǎn)此處不做重點(diǎn)闡述）。初沉池的控制流程如圖3.2所示。圖3.2初沉池控制流程圖2.3.3曝氣池溶解氧DO和風(fēng)機(jī)的控制在活性污泥法的整套裝置中，曝氣池是其中最為核心、最為重要的一部分。它的主要作用是分解生活污水中的有機(jī)雜物，控制污水中的BOD5值（生化需氧量），使污水在曝氣池中與二沉池回流的活性污泥發(fā)生生化作用，最終將經(jīng)過分解凈化后的污水排入二沉池。溶解氧DO的濃度直接影響到污水處理的結(jié)果，當(dāng)濃度過低時(shí)，活性污泥中的好氧菌不能得到充足的氧氣來維持細(xì)胞活性，最終導(dǎo)致無法形成絮體沉淀，大大降低了污水處理的效果；而當(dāng)濃度過高時(shí)，容易導(dǎo)致曝氣池中好氧菌的生化反應(yīng)后絮體分離，無法形成沉淀，并且過高會(huì)增加設(shè)備的功耗，經(jīng)濟(jì)效益也大大降低。本文設(shè)計(jì)中，曝氣池內(nèi)安裝了氧氣濃度測(cè)量?jī)x，將當(dāng)前氧含量濃度的模擬量信號(hào)反饋到PLC上，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，在PLC中對(duì)當(dāng)前氧含量的濃度與設(shè)定濃度進(jìn)行PID計(jì)算，PID計(jì)算后的結(jié)果經(jīng)過轉(zhuǎn)換后由PLC將控制信號(hào)發(fā)送到風(fēng)機(jī)，PLC輸出的模擬量控制信號(hào)為風(fēng)機(jī)變頻器的頻率模擬量?？刂圃砣鐖D3.3所示。圖3.3曝氣池控制原理圖2.3.4回流污泥與廢棄污泥的控制二沉池是活性污泥處理法必不可少的設(shè)施，它通過接收經(jīng)曝氣池中曝氣后的混合污水，再將活性污泥進(jìn)行分解沉淀，最終將沉淀后的一部分活性污泥回流到曝氣池中補(bǔ)充好氧菌反應(yīng)物，一部分隨著廢氣泵排出系統(tǒng)外。（由于隨著裝置的運(yùn)行，二沉池中的高度必然會(huì)不斷地上升，故需要利用污泥泵將其排出系統(tǒng)，使系統(tǒng)提高效率。）它的工作原理是當(dāng)二沉池中的污泥高度達(dá)到所設(shè)定的污泥上限值時(shí)，同時(shí)打開回流泵和廢棄泵，回流泵將活性污泥回流到曝氣池中，廢氣泵將污泥排出系統(tǒng)外；相反，當(dāng)二沉池中的污泥高度下降到制定的下限值時(shí)，同時(shí)關(guān)閉回流泵和廢氣泵。其控制流程如圖3.4所示圖3.4二沉池控制流程圖3軟硬件選型及設(shè)計(jì)3.1PLC的定義PLC，即可編程邏輯控制器，是一種專為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的通過數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用可編程序的存儲(chǔ)器，并根據(jù)相應(yīng)的指令，對(duì)各種機(jī)器進(jìn)行模擬式和數(shù)字式的輸入、輸出，以達(dá)到預(yù)定的功能。其核心部件包括中央處理單元（CPU）、電源、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口、拓展接口等部分組成?，F(xiàn)如今，工業(yè)生產(chǎn)過程是豐富復(fù)雜的，PLC種類也是五花八門，但歸根結(jié)底，他們都有著相似的特點(diǎn)：（1）抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。（2）造價(jià)低廉，功能強(qiáng)大（3）編程語言形象直觀，易于理解（4）設(shè)計(jì)，修改，施工，調(diào)試和維護(hù)方便，周期短（5）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng)3.2PLC的選型在保證控制需求的情況下，選用PLC時(shí)，要根據(jù)以下幾個(gè)方面來選擇最優(yōu)的性價(jià)比。（1）性能與任務(wù)相適應(yīng)；（2）PLC處理速度應(yīng)滿足實(shí)施控制的要求；（3）合理的PLC應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、機(jī)型系統(tǒng)應(yīng)統(tǒng)一；（4）在線編程和離線編程的選擇綜合考慮以上幾點(diǎn)，本文采用的PLC是西門子的S7-1200，S7-1200是SIMATICS7-1200的簡(jiǎn)稱，它是一種低端的離散自動(dòng)化系統(tǒng)和獨(dú)立自動(dòng)化系統(tǒng)中使用的小型控制器模塊，可完成簡(jiǎn)單的邏輯控制，高級(jí)邏輯控制，HMI和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)。S7-1200的組成有：（1）控制器：具備繼承profinet接口，用于編程設(shè)備HMI或其他SIMATIC控制器之間的通信；（2）信號(hào)模塊：用于擴(kuò)展控制器的輸入和輸出通道；（3）信號(hào)板：可直接插入到控制器；（4）通信模塊：用于擴(kuò)展控制器通信接口；（5）電源、開關(guān)模塊及SIMATIC存儲(chǔ)卡；SIMATICS7-200系統(tǒng)有五種不同模塊，分別為CPU2C、CPU22C、CPU24C、CPU25C和CPU27C。通過對(duì)系統(tǒng)的分析，我們確定系統(tǒng)包括17個(gè)開關(guān)量輸入、12個(gè)開關(guān)量輸出、3個(gè)模擬量輸入和1個(gè)模擬量輸出。我們采用CPU1214DC/DC/DC，訂貨號(hào)為6ES7214-1AG40-0XB0的PLC型號(hào)，該型號(hào)擁有14個(gè)數(shù)字量輸入和10個(gè)數(shù)字量輸出，2路模擬量輸入，故我們需要再接一個(gè)擴(kuò)展模塊和一個(gè)模擬量輸入模塊，擴(kuò)展模塊是SM1223DI8D08，訂貨號(hào)為6ES72231BH32-0XB0，該模塊擁有8個(gè)數(shù)字量輸入和8個(gè)數(shù)字量輸出；擴(kuò)展模塊是SM1234AI4x13位/AQ2x14位，訂貨號(hào)為6ES7234-4HE32-0XB0，該模塊擁有4個(gè)模擬量輸入和2個(gè)模擬量輸出。3.3硬件的電路接線圖硬件的電路接線圖接線圖是將輸入/輸出信號(hào)分配的地址用接線圖的方式表現(xiàn)出來，它包括系統(tǒng)輸入輸出點(diǎn)與PLC和擴(kuò)展模塊的連接，對(duì)信號(hào)和地址之間的關(guān)系進(jìn)行了直觀、清晰、便于調(diào)試、提高故障排除等。本文所提供的信號(hào)接線圖是根據(jù)CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖完成硬件的接線工作。（1）PLC模塊接線圖圖3.1和圖3.2是CPU1214DC/DC/DC的硬件接線圖和拓展模塊，其中包括開關(guān)量輸入輸出模塊和模擬量輸出輸入模塊：I0.0-I2.2是開關(guān)量輸入，Q0.0-2.1是開關(guān)量輸出。氧含量信號(hào)、沉淀污泥量、二層污泥量是模擬量輸入，風(fēng)機(jī)速度是模擬量輸出。圖3.1PLC硬件接線圖3.2PLC拓展模塊接線圖（2）控制回路圖圖3.3是PLC的控制回路圖，PLC帶動(dòng)中間繼電器，當(dāng)對(duì)應(yīng)的中間繼電器線圈上電以后，開關(guān)閉合，對(duì)應(yīng)的指示燈亮起。KM1、KM2、KM3、KM4分別是污泥泵，風(fēng)機(jī)，回流泵和廢氣泵的接觸器；FU1和FU2為熔斷器，起到保護(hù)電路的作用；圖3.3控制回路圖（3）I/O口分配根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能，IO分配表如圖所示，其中包括17個(gè)開關(guān)量輸入、12個(gè)開關(guān)量輸出、3個(gè)模擬量輸入和1個(gè)模擬量輸出。表3.1I/O口分配表3.4軟件程序設(shè)計(jì)3.3.1TIAPortal為了更好地體現(xiàn)所設(shè)計(jì)的控制程序，本文利用TIAPortal軟件編制了程序和進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了最終效果展示。TIAPortal全稱為TotallyIntegratedAutomationPortal，即全集成自動(dòng)化軟件，是由西門子工業(yè)自動(dòng)化集團(tuán)推出的一款全新的全集自動(dòng)化軟件。該軟件是行業(yè)中首款應(yīng)用了統(tǒng)一的工程組態(tài)與軟件項(xiàng)目環(huán)境的軟件，幾乎能夠適應(yīng)各種自動(dòng)化工作。本設(shè)計(jì)使用了SIMATICSTEPV15的組態(tài)軟件.3.3.2設(shè)計(jì)流程當(dāng)系統(tǒng)開始啟動(dòng)時(shí)，可以自主選擇手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。當(dāng)系統(tǒng)位于手動(dòng)模式時(shí)，可以手動(dòng)啟動(dòng)和停止各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括初沉池污泥泵的啟停，曝氣池中風(fēng)機(jī)的啟停，并且同時(shí)可以手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，二沉池中回流泵與廢氣泵的啟停；當(dāng)系統(tǒng)位于自動(dòng)模式時(shí)，沉淀池自動(dòng)檢測(cè)池內(nèi)污泥含量，當(dāng)污泥含量到達(dá)上限值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)污泥泵，到達(dá)下限值時(shí)停止污泥泵；同時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)根據(jù)曝氣池中的含氧量進(jìn)行PID計(jì)算控制風(fēng)機(jī)速度；為了系統(tǒng)正常運(yùn)行，當(dāng)二沉池中的污泥含量到達(dá)設(shè)定上限值時(shí)，回流泵和廢氣泵同時(shí)打開，回流泵將污泥回流到曝氣池，廢氣泵將污泥廢棄出系統(tǒng)外，當(dāng)污泥含量下降至下限值時(shí)，回流泵與廢氣泵關(guān)閉。其系統(tǒng)流程圖如圖3.4所示。圖3.4系統(tǒng)流程圖3.3.3PLC控制程序塊的編寫（1）添加CPU組態(tài)創(chuàng)建完項(xiàng)目后，選擇“添加新設(shè)備”，在彈出的頁面中選擇控制器中的“CPU1214DC/DC/DC6ES7214–1AG40-0XB0”，最后點(diǎn)擊添加。圖3.5添加CPU組態(tài)（2）添加擴(kuò)展模塊在CPU的組態(tài)界面中，展開最右側(cè)的硬件目錄，找到并選中“6ES72231BH32-0XB0”模塊，將模塊添加到第二槽位，該模塊即CPU的擴(kuò)展模塊。圖3.6添加拓展模塊（3）添加模擬量輸入/輸出模塊在CPU的組態(tài)界面中，展開最右側(cè)的硬件目錄，找到并選中“6ES7234-4HE32-0XB0”模塊，將模塊添加到第三槽位，該模塊為模擬量輸入/輸出模塊。圖3.7添加模擬量輸入/輸出模塊（4）添加HMI組態(tài)選擇“添加新設(shè)備”，再選擇其中的“HMI”中的“6AV2123-2MB03-0AX0”,點(diǎn)擊確定。此設(shè)備為觸摸顯示屏組態(tài)硬件。圖3.7添加HMI組態(tài)（5）模擬量[FC1]程序圖3.8模擬量子程序（6）中斷程序（Cyclicinterrupt[OB30]）圖3.9中斷子程序（7）主程序（Main[OB1]）1、由于該段模擬量子程序運(yùn)用了PID，故放在主程序中。圖3.102、手動(dòng)啟停程序圖為污泥泵的手動(dòng)啟停程序，實(shí)現(xiàn)相同功能的還有風(fēng)機(jī)的手動(dòng)啟停，回流泵和廢氣泵的手動(dòng)啟停。（帶著尾綴為Z的變量表示組態(tài)點(diǎn)，即來自組態(tài)畫面中的對(duì)應(yīng)按鈕變量，尾綴帶H表示手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)）圖3.11手動(dòng)啟停3、風(fēng)速控制如圖所示，當(dāng)風(fēng)機(jī)開始運(yùn)行時(shí)，我們可以手動(dòng)輸入風(fēng)速，并將該參數(shù)送到當(dāng)前風(fēng)速以控制當(dāng)前風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，風(fēng)速清零。圖3.12手動(dòng)控制風(fēng)速當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行并自動(dòng)進(jìn)入PID狀態(tài)，將中斷程序中計(jì)算出的“PID輸出”值求出自動(dòng)風(fēng)速并送到當(dāng)前風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，風(fēng)速清零。圖3.13自動(dòng)控制風(fēng)速4、進(jìn)入自動(dòng)模式圖3.14所示為系統(tǒng)的自動(dòng)啟停程序圖3.14自動(dòng)模式（1）當(dāng)停止自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，全部設(shè)備停止。如圖3.15程序所示。圖3.15自動(dòng)模式（2）5、設(shè)備故障在手動(dòng)模式下，當(dāng)某一個(gè)或多個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的設(shè)備故障燈亮起，對(duì)應(yīng)的設(shè)備進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)；在自動(dòng)模式下，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)有一個(gè)設(shè)備發(fā)生故障，設(shè)備故障燈亮起，所有的設(shè)備進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。（自動(dòng)模式下按下急停按鈕也可以使系統(tǒng)進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)）圖3.16設(shè)備故障（1）圖3.17設(shè)備故障（2）6、設(shè)置初沉池和二沉池中污泥量的上下限值初沉池中，當(dāng)污泥量到達(dá)上限值時(shí)，污泥泵打開，當(dāng)污泥量下降到下限值時(shí)，污泥泵關(guān)閉；二沉池中，當(dāng)污泥量到達(dá)上限值時(shí)，回流泵與廢氣泵打開，當(dāng)污泥量下降到下限值時(shí)，回流泵與廢氣泵關(guān)閉。圖3.18上下限設(shè)置7、設(shè)備手動(dòng)運(yùn)行變量與自動(dòng)運(yùn)行變量控制同個(gè)變量圖3.19運(yùn)行8、實(shí)現(xiàn)組態(tài)界面的動(dòng)作效果圖3.20動(dòng)畫效果3.3.4PID控制原理本系統(tǒng)采用了PID增量控制算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)仿真場(chǎng)景的反饋將模擬量數(shù)值與設(shè)置值相比較，并將所述計(jì)算結(jié)果輸出到所執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬量控制信號(hào)中。由于PID控制系統(tǒng)具有控制效果好、原理簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在船舶、機(jī)械等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。PID控制的基本原理如下。圖3.21PID控制原理由圖3.21可以看出，PID是根據(jù)被控對(duì)象的設(shè)定值r(t)與實(shí)際的控制輸出值y(t)達(dá)到控制效果的一種線性控S7-1200PLC內(nèi)置了三種PID指令，分別是PID_Compact、PID_3Step和PID_Temp。本文采用的PID指令為PID_Compact指令，它是一種具有抗積分飽和功能并且能夠?qū)Ρ壤饔煤臀⒎肿饔眠M(jìn)行加權(quán)的PIDT1控制器。PID算法比例控制是最簡(jiǎn)單、最常用的控制方式。比例控制器能立即成比例地響應(yīng)輸入的變化量。但是如果只采用比例控制，系統(tǒng)輸出將會(huì)存在穩(wěn)態(tài)誤差。在積分控制中，控制器的輸出量為輸入量對(duì)時(shí)間的積累。對(duì)于一種自動(dòng)控制系統(tǒng)而言，當(dāng)其進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后出現(xiàn)穩(wěn)定誤差時(shí)，稱為有差系統(tǒng)，因此要把“積分項(xiàng)”引入到控制器中，以消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分項(xiàng)對(duì)誤差的計(jì)算依賴于時(shí)間的積分，積分項(xiàng)將隨時(shí)間的推移而變大。這樣，即使誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加，從而增在微分控制中，控制器的輸出與其輸入誤差信號(hào)的微分成正比關(guān)系。在克服誤差調(diào)整時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)存在著振蕩、不穩(wěn)定等問題。這是因?yàn)榇嬖谥粋€(gè)很大的慣性部件或者一個(gè)滯后部件，它會(huì)抑制誤差，它的變化永遠(yuǎn)落后于誤差。解決的方法是使抑制誤差作用的變化“超前”，即當(dāng)誤差接近零時(shí)，抑制誤差的影響應(yīng)為0，故單純地把“比例”項(xiàng)引入控制器還不夠，比例項(xiàng)只是把誤差的幅度放大，所以，要添加“微分項(xiàng)”，以便于對(duì)誤差的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)報(bào)，這樣，采用比例+微分控制器，可以將錯(cuò)誤的控制效果降低到0，甚至達(dá)到負(fù)值，從而做到避免對(duì)受控4組態(tài)界面與仿真4.1組態(tài)界面的設(shè)計(jì)通過設(shè)計(jì)HMI監(jiān)控界面，來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)讓操作人員可以在實(shí)際船舶工作現(xiàn)場(chǎng)能夠直觀看到污水處理的整個(gè)過程和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。在STEP7V15軟件系統(tǒng)中，利用軟件自身所集成的Wincc功能，就可以直接在內(nèi)部進(jìn)行HMI界面的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作。4.1.1在“設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)”中連接設(shè)備圖4.1連接設(shè)備4.1.2污水處理系統(tǒng)的畫面設(shè)計(jì)通過“工具箱”中的工具設(shè)計(jì)并完善系統(tǒng)界面，將污水處理的整套流程展現(xiàn)如圖4.2所示，方便機(jī)艙人員了解生活污水的處理工序。圖4.2畫面設(shè)計(jì)4.1.3變量地址的設(shè)置為了系統(tǒng)能按照需求實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能，需要對(duì)對(duì)應(yīng)的按鈕設(shè)置對(duì)應(yīng)的變量地址，我們以“手動(dòng)開污泥泵”按鈕為例，如圖所示，該按鈕對(duì)應(yīng)的變量為“手動(dòng)開污泥泵”，“手動(dòng)開污泥泵”在HMI變量表中所對(duì)應(yīng)的地址為“M10.2”，如圖4.3、圖4.4和圖4.5所示。圖4.3地址設(shè)置（1）圖4.4地址設(shè)置（2）最終在我們?cè)O(shè)計(jì)的程序中加上“手動(dòng)開污泥泵Z”，即變量“M10.2”。當(dāng)按下手動(dòng)開污泥泵按鈕時(shí)，污泥泵啟動(dòng)。（其他按鈕同理進(jìn)行設(shè)置）圖4.5地址設(shè)置（3）4.2仿真調(diào)試（1）進(jìn)入仿真界面后，可以選擇進(jìn)行手動(dòng)模式還是自動(dòng)模式。我們選擇手動(dòng)，再點(diǎn)擊手動(dòng)開污泥泵，此時(shí)污泥泵開始運(yùn)行，運(yùn)行效果如圖所示；當(dāng)我們點(diǎn)擊手動(dòng)關(guān)污泥泵，污泥泵停止。以此類推，點(diǎn)擊手動(dòng)開/關(guān)風(fēng)機(jī)、手動(dòng)開/關(guān)回流泵、手動(dòng)開/關(guān)廢氣泵也能實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)設(shè)備的啟停。圖4.6手動(dòng)運(yùn)行設(shè)備（2）當(dāng)風(fēng)機(jī)手動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況通過設(shè)置手動(dòng)風(fēng)速來控制當(dāng)前風(fēng)速，如圖4.7。`圖4.7手動(dòng)設(shè)置風(fēng)速（3）點(diǎn)擊“選擇自動(dòng)”，進(jìn)入自動(dòng)模式，再按下“自動(dòng)運(yùn)行”，則自動(dòng)模式開始運(yùn)行；當(dāng)按下“自動(dòng)停止”時(shí)，停止運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，同時(shí)曝氣池中的當(dāng)前含氧量與目標(biāo)氧含量進(jìn)行PID計(jì)算，控制風(fēng)機(jī)速度，當(dāng)前含氧量逐漸上升至目標(biāo)氧含量的值，當(dāng)當(dāng)前含氧量無限接近目標(biāo)氧含量時(shí)，風(fēng)速不再增加。實(shí)現(xiàn)效果如圖與圖4.8和圖4.9所示。圖4.8自動(dòng)模式PID計(jì)算（1）圖4.9自動(dòng)模式PID計(jì)算（2）（4）在自動(dòng)模式下，當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前沉淀泥量到達(dá)沉淀泥量上限時(shí)，污泥泵自動(dòng)啟動(dòng)，當(dāng)沉淀泥量到達(dá)沉淀泥量下限值時(shí)，污泥泵停止。圖4.10初沉池自動(dòng)檢測(cè)污泥量（5）在自動(dòng)模式下，當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前二沉泥量到達(dá)二沉泥量上限時(shí)，回流泵與廢棄泵同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，當(dāng)二沉泥量到達(dá)二沉泥量下限值時(shí)，回流泵與廢棄泵停止。圖4.11二沉池自動(dòng)檢測(cè)污泥量（6）自動(dòng)模式下，按下“污泥泵故障”，污泥泵故障燈亮起，系統(tǒng)停機(jī)。同理按下風(fēng)機(jī)故障、回流泵故障與廢棄泵故障也可以實(shí)現(xiàn)此功能。圖4.12系統(tǒng)故障（7）按下“急停按鈕”，急停按鈕燈亮起，系統(tǒng)停機(jī)。圖4.13系統(tǒng)急?？偨Y(jié)隨著機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展，船舶航運(yùn)業(yè)也逐漸提高了其自動(dòng)化的水平，以應(yīng)對(duì)如今繁重復(fù)雜化的自動(dòng)化機(jī)艙工作要求。本文以船舶生活污水處理系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一套適用于船舶生活污水處理的仿真系統(tǒng)，最終通過編寫PLC程序?qū)崿F(xiàn)污水處理的工作流程。本文主要工作如下：（1）通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)不同的生活污水處理裝置，分析其優(yōu)劣性，通過對(duì)處理方法的嚴(yán)謹(jǐn)分析，最終選擇并設(shè)計(jì)適合船舶生活污水處理的方法，通過博途軟件的編寫程序，實(shí)現(xiàn)PLC程序控制污水處理系統(tǒng)的過程。（2）根據(jù)設(shè)計(jì)需求，選擇合適的PLC硬件，其中包括CPU、擴(kuò)展模塊、模擬量輸入輸出模塊，HMI顯示屏等，并根據(jù)控制原理設(shè)計(jì)編寫對(duì)應(yīng)的PLC程序。（3）根據(jù)所設(shè)計(jì)的工作原理，結(jié)合現(xiàn)實(shí)船舶污水處理流程，使用博途軟件自帶的Wincc進(jìn)行仿真畫面的設(shè)計(jì)，通過連接設(shè)備和地址的分配，實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的畫面仿真，并通過仿真結(jié)果驗(yàn)證并確定設(shè)計(jì)畫面的可行性。本文對(duì)船舶生活污水處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其控制達(dá)到了設(shè)計(jì)所期望的效果，，并可以正常運(yùn)行仿真。本設(shè)計(jì)在一定程度上可以提升生活污水處理的自動(dòng)化程度。參考文獻(xiàn)[1]胡芝悅,鐘登杰,鄧胡飛,等.船舶生活污水處理進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2014(12):64-70.[2]馬愛麗.河北省水環(huán)境污染經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估[D].石家莊:石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院,2011.[3]鄧健,楊獻(xiàn)朝,陳立家,等.內(nèi)河船舶生活污水排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)及實(shí)驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2014(9):125-129.[4]WANGXJ,SHENQH,JIYZ.Researchprogressofshipswastetreatmenttechnology[J].Appliedmechanicsandmaterials,2014(587):674-679.[5]李玉樂.基于超濾膜技術(shù)對(duì)船舶生活污水處理裝置的研究[D].廈門:集美大學(xué),2010.[6]葛志祥,王琪.膜過濾技術(shù)在內(nèi)河船上的應(yīng)用探索[J].南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2013(1):24-27.[7]令榮.基于PLC和觸摸屏的開放式立體車庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].蘭州:蘭州交通大學(xué),2014.[8]廖常初,戴小波.Smart700IE觸摸屏與S7-200通信的實(shí)現(xiàn)方法[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2013(9):106-108.[9]張新敏,康燁,朱學(xué)軍.基于Simulink與S7-200PLC的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014(10):47-48.[10]國(guó)際海事組織.72/78防污染公約綜合文本2006.中國(guó)船級(jí)社譯.北京:人民交通出版社，2007.[11]吳宛青.船舶防污染技術(shù).大連:大連海事大學(xué)出版社，2009.[12]董良飛，徐紅，關(guān)衛(wèi)省.船舶生活污水特性及處理裝置研究.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2005,04:536-539.[13]鄭金