船用分油机的PLC自动控制系统分析.docx

1、船用分油机的PLC自动控制系统分析船用分油机的PLC自动控制分析The analysis of PLC auto-control on marine purifier、摘要：对常规船用分油机的系统分析，介绍常规分油机的结构、原理及工作过程，并论述由可编程时序控制器（PLC）在船用分油机系统中的应用原理及工作过程，总结该系统在分油机工作过程中的工作可靠性，介绍了其使用方便，降低了系统的能源消耗和控制成本，提高了系统的可靠性和船员的工作效率等优点。关键词：分油机；可编程时序控制器；自动控制Abstract: Marine Oil Separator conventional system anal

2、ysis. Describes the structure of conventional oil separator, the principle and working process. And discussed by the PLC in the Marine Oil Separator System principles and work process. Concluded that the system work in the oil separator in the process of operational reliability. Presented its easy t

3、o use, Reducing the systems energy consumption and control costs,And improve system reliability and efficiency of the crew, etc.Key words: purifier：PLC：auto-control绪 论分油机是净化燃油和滑油的重要设备，分油机分离出燃油和滑油中的杂质和水分，以减少船舶机械的磨损和故障率，并提高滑油的使用寿命，所以分油机在投入运行一定时间后，就需及时排出分离出的杂质和水。按以往的排渣方式分油机可分为人工排渣和自动排渣两种类型。人工排渣方式现已淘汰。自

4、动排渣分油机就是安装了一套时序自动控制系统，实现了定时自动排渣。其时序控制系统过去多由电磁机构、时间继电器或凸轮时序控制器等组成，线路复杂，属于有触点控制，所以可靠性差，元器件故障率高，使用维修均不方便。随着现代化科技和电子工业的发展，可编程时序控制系统已广泛地应用于社会工业的各个领域，尤其在现代化船舶上，因其具有编程简、单功能强、简单易学、维护方便和程序可移植性强等特点, 即为其运用于船舶分油机控制系统提供了现实可能性。本文就是根据以往的分油机控制系统结合现代PLC自动控制技术，加以论述船用分油机PLC自动控制的原理及、作用其使用优点。第1章 船舶分油机系统概述船用分油机一般是指自动排渣分油

5、机，它是在一般分油机的基础上加装了活动底盘、配水盘、密封环、滑动环及复位弹簧等部件。1.1 分油机的基本结构分油机的类型有很多，但是基本结构和工作过程大同小异。现以ALFA-LAVAL MMPX型自动排渣分油机为例加以说明。该分油机机体下部安装着分离筒的传动机构。分离筒由马达经摩擦离合器、涡轮机构驱动，以较高速度旋转。分离筒是分油机的核心部件，图 1 显示出了其分离筒和自动排渣系统的主要结构。 图 1 分离筒和自动排渣系统结构A带翅套筒；a.水腔；AA.比重环；aa.油腔；B.小锁紧圈；C.液位环；D.配流器；E.顶盘；F.筒盖；G.分离盘组；H.大锁紧圈；I.排渣口；ii.渣空间；J.筒本体

6、；K.滑动底盘；L.滑动圈；M1、M2.喷嘴；N.定量环；O.弹簧；P1.开启工作水进口；P2.密封和补偿水进口；Q.进油口；R.净油出口；S.出水口；T.向心水泵；U.向心油泵；V.进口管；VV.配油锥体；W.筒盖密封环；X.泄水阀；Y1.开启水腔；Y2.密封水腔；Z.配水盘；ZZ.弹簧座；10.水封水/置换水进口 分离筒本体（J）和筒盖（F）用大锁紧环（H）锁紧。筒内安装配油器（D）、配油锥体（VV）和分离盘组（G），待分油流过配油器、配油锥体，在分离盘组内进行分离。分离盘最上端为顶盘（E），其颈部与液位环（C）形成油腔（aa），向心油泵（U）将油腔中的净油泵出分离筒。分离出的水沿分离盘组

7、的外缘上升，经顶盘流至油腔上部的水腔（a）溢过重力环（AA）由向心水泵泵出。分出的固体残渣向筒内四周运动，汇集在分离盘组外缘的渣空间（ii），通过排渣口（I）定时排出。重力环被小锁紧圈（B）固定在分离筒盖上，此锁紧圈也构成了水腔的上盖。其自动排渣系统主要由分离筒底部的滑动底盘（K）、定量环（N）、滑动圈（L）、配水盘（Z）及工作水系统等构成。1.2 分油机的基本工作原理和种类分油机是靠离心力来净化燃油和滑油。其主要工作原理是：让需净化的油进入分油机中做高速旋转，密度较大的水滴和机械杂质所受的离心力大，被甩向外围，水被引出，机械杂质则定期排出；密度较小的净油所受到的离心力较小，便向里流动，从靠近

8、转轴的的出口流出，油从而得到净化。分油机根据用途不同可分为分水机和分杂机。当待分油中含有水分较多时，使用分水机，分离油中的水分及杂质；当待分油中所含水分较少时，使用分杂机，分离出的杂质和少量水分从排渣口排出。该型号分油机只要将盘架换为不带分配孔的盘架，将出水通道封死，便可将分水机改成分杂机。分油机分油前应将一部分热水经进油口（Q）注入分离筒，直至出水口有谁流出为止，使之在筒内外周形成水封区，引入的水就叫做水封水。然后待净化的油由进油泵泵进分油机，进入分离筒后流向下部，再经盘架的分配孔进入分离盘间，被分离盘片分成若干层的油随分离筒一起高速转动。由于外围有一层水封，故能防止油从出口跑掉。从油中分出

9、的水将挤兑原来的水封水，使之经顶盖（E）和分离筒盖（F）、重力环（AA）间的环形空间，由向心水泵排出。油中的机械杂质将穿过水封区被甩出聚集在分离筒内壁上，然后定期自动或手动排出。净油则连续地经过盘架和顶盖间的环形通道，由向心油泵排出。在分离筒内油水因密度不同而形成油水分界的圆柱形面叫油水分界面。分界面以内的空间是油，分界面以外的空间为水和杂质。有水分界面的位置非常重要，其直接影响油的分离质量，其最佳位置应在分离盘的外边缘，从而使油能充分利用分离通道的全部长度，达到最佳的分离效果。若油水分界面向内移动进入分离盘组件，则造成分离盘片堵塞，被油携带的若干水滴和细小杂质将分离不出而随油一起排出分离筒，

10、降低了分离效果。若分界面向外移动，一方面会降低从水中分离出油的效果，从而造成水中带油，另一方面，有可能破坏水封，造成油经出水口流出，即出水口跑油。油水分界面的位置是由重力环的内径来确定的。重力环内径增大，油水分界面向外移。重力环内径减小，油水分界面向内移。所分离的油密度越大，选用的重力环内径应越小。为此，每台分油机均附带有一套不同内径的重力环已被选用。1.3 分油机的工作过程该分油机的工作过程可以自动控制也可以手动控制，具体过程如下：启动、密封：当进行分油作业时，启动分油机，3-5min后达到额定转速（表现为分油机启动控制箱上的电流表有较高的启动电流下降为一个稳定的额定工作电流），水阀16打开

11、，密封和补偿水进口（P2）进水，密封水经配水盘进入滑动底盘下部的密封水腔（Y）。由于此时在弹簧（O）的作用下，滑动圈将泄水阀（X）关闭，密封水腔形成密封状态。在分离筒告诉旋转的情况下，滑动底盘下方的压力大于上方的压力，从而使滑动底盘紧压在分离筒盖上，使其保持密封，以进行分油作业。分离筒密封好以后，便可开启进水口（10）进水封水（分杂机无此项作业）。待分离筒水封好后（一般以出水口（5）有少量水流出为准），便可进油。分油：待分离污油从进油管（Q）进入分离筒，进入分油机后沿中心输油管通入到分离筒的底层，然后通过配油孔转而向上进入分离盘组并被盘片分成若干层，油在经过盘组缝隙向筒中央方向流动的过程中，被

12、连续的分离成若干层，并随分离盘一起高速回转。这时分离筒内的燃油会按油、水、杂质的密度不同分成三层，被净化的燃油向上离开分离盘，进入位于分离盘顶盘（E）和配油器（D）之间的排油腔（aa），然后由向心油泵（U）经出油管（R）排出，被分离的水沿着分离盘组的外边缘，向上进入顶盘（E）和分离筒盖（F）之间的排水腔，然后由向心水泵（T）经出水管（S）排出，固体杂质被甩在分离筒内壁上，汇集在排渣空间（ii），由排渣口（I）定时排出，从而达到燃油净化的目的。在分油过程中，密封水有少量泄露，水阀（16）便打开，从密封和补偿水进口（P）进水进行补偿。排渣：排渣程序进行之前进油口停止进油，进水口进置换水进行分离筒内

13、部清洗和赶油，以利排渣和避免排渣时油的损失。然后水阀（15）打开，开启工作水进口（P）进水，经配水盘进入开启水腔（Y1），直至滑动圈上部开启水压力大于下部弹簧的弹力。此时滑动圈向下移动，打开泄水阀（X），使滑动底盘下部密封水腔的密封水泻出。滑动底盘此时在其上部的压力作用下迅速下落，打开排渣口排渣。排渣结束后，操作水阀再次短时间通电，进入密封工况停机：排完渣完毕后，若需停机，便可直接停机。若需继续分油作业，可重复进入密封工况继续分油。自动排渣分油机按其分离筒开启排渣时的排渣量不同分为全排渣分油机和部分排渣分油机。每次排渣时将分离筒内液体全部排空的排渣方式为全排渣，仅排出分离筒内部部分液体的排出方

14、式为部分排渣。 全排渣方式损失油和水，排渣前要停止分油、供置换水，缩短有效分油时间。而部分排渣分油机排渣时不用停油和供置换水，只要将分离筒内部分液体排出，使分油机既能连续有效地分油又不损失燃油。部分排渣是通过分油机工作水系统严格控制分离筒的开启（排渣）时间来实现的。第2章 船舶分油机自动控制系统分油机的时序控制系统就是利用一套自动控制系统，直接模拟手动操作过程，按预先规定好的时间顺序，自动控制内外管进水和断水、控制进油阀和冲洗水及水封水水阀的开闭。就这样能自动完成分油机分油、排渣、再分油等一系列时序动作，不需人工操作。2.1 时序控制系统的组成图 2 分油机控制单元组成A.水；B.压缩空气；C

15、.污油供应；D.净油排出；1. PLC控制器；2.水减压阀；3.供水电磁阀；4.压缩空气控制单元；5.启动三通阀；6.PT1000 油温传感器；7.净油压力传感器；8.电源；9.蜂鸣器；10.排水阀；11.循环阀；12.渣空间压力传感器；13. 水分传感器；14.接线盒图 2 是德国Westfalia分油机的自动控制系统，其主要作用以PLC为控制核心，通过传感器、压力开关等采集和监控获取信号源，输出信号到各种电磁阀，最终控制分油机按照指定的时序完成工作。控制系统主要由各种开关按钮、PLC、传感器、电磁阀、电动机等组成，分油机起动后自动接入程序控制部分，同时系统中接入净油高低压信号、污油温度信号

16、、跑油信号等等，并显示实时数据，这些信号控制了分油机的起动、停车、报等。其控制系统如图 3 所示。图 3 控制系统示意图该分油机可用于船舶燃油和滑油的净化处理，控制单元的核心是PLC控制器，它通过接收外部输入信号，经过程序处理，然后输出信号控制电磁阀的通电、电机的起停等，完成分油机对污油的净化处理。进行分离作业前，污油在分油机外循环，只有在满足分离条件并且启动分离程序后，污油才通过气动三通阀进入分油机。操作水用于控制排渣口的开启和关闭，置换水在排渣程序进行之前注入分离筒中进行清洗和赶油，减少待分离污油的损失，根据分油机型号和分离模式的不同，决定是否需要在进行正常分离之前注入水封水，实现水封作用

17、，防止被分离油从出水管路流出。操作水、水封水和置换水来自高置水箱，水经过减压阀使压力保持在02O3MPa，在控制器的作用下，在不同的时刻进入分油机。水分传感器安装在循环管路上，其作用在于启用水分监测功能时，检测水空间压力并判断是否需要打开排水电磁阀进行排水。在循环管路上同时还安装有压力开关，其作用在于启用排渣空间压力监测功能时，检测排渣空间压力，从而决定是否需要开启排渣口进行排渣。PTl00油温传感器用于监测燃油(滑油)进口温度是否在设定范围内，从而保证良好的分离效果，在低温和高温情况下，都会触发综合报警，并停止燃油阀的供油。在净油排出管路上安装有压力开关，监测分油机是否正常分离，在低压和高压

18、情况下都会触发综合报警，并中断分离程序。2.2 分油机工作时序控制 分油机自动控制是控制分油机工作时序来实现的，启动分油机之前，先按照说明书要求对分油机进行系统检查，一切正常后，依次启动燃油(滑油)供给泵、加热器和分油机，启动完成后进密封水、水封水进入密封工况，当燃油(滑油)温度达到最低要求温度，并且分油机达到工作转速时，可以启动分离程序，燃油三通阀自动开启，燃油(滑油)进入分油机进行分离，分离程序启动后，分油机首先自动进行双重全排渣，以确保分离筒内清洁无杂物，排渣结束后进入正常分离时序，正常分离时序设定排渣间隔时间，过一段时间后，自动进入排渣时序，如果启用了部分排渣功能，此时将会进行一次部分

19、排渣，否则进行一次全排渣。部分排渣中排渣口开启时间相对较短，并且不停止供油，而全排渣排渣口开启时间较长，排渣过程中停止供油，在启用排渣空间压力监测功能的分油机上，如果在间隔时间走完之前，有排渣空间压力信号触发，也将进行一次部分排渣或者全排渣，排渣结束后如果接收到停机信号，则转入停止时序，并停止供油阀的供油，然后依次停止分油机、加热器和供油泵；如果没有接收到停止分程序的信号，分油机将自动转入正常分离时序。工作时序如图 4：图 4 分油机工作时序第3章 船舶分油机的PLC控制功能3.1 状态和时序指示功能通过PLC控制操作面板上的相应按钮可以调出分油机状态的显示页面，显示出实时的分油机运行状态，包

20、括以下几种状态：停止：分油机处于停机状态。启动加速：分油机处于起动状态，转速增加、电流降低，此时不能启动分离程序。准备就绪：分油机达到额定转速，完成密封动作，可以进入分离程序。分离：分油机处于分离状态，供油阀开启或者正在进行排渣程序。错误报警：电机保护开关动作，此时停止供油，并自动切断分油机的电源。分离顺序指示：分油机在分离工况下，根据选用分离模式的不同，将会按照不同的时序执行分离操作，通过PLC控制器操作面板可以调出相应的显示页面，指示当前所执行的分离状态，包括：循环：供油阀关闭，待分油处于循环状态而没有进入分油机，分油机处于起动、故障或准备状态时，系统都处于循环模式。补水：置换水阀开启，进

21、入置换水，防止分离筒内燃油(滑油)损失。全排渣：操作水阀开启，排渣口打开进行排渣，排空分离筒内的渣空间。部分排渣：操作水阀开启，排渣口短时开启排渣。注水：对于部分排渣工况后，进行正常分离工况前，先进行注水，重新建立水封水。供油阀开启：此时进行正常分离状态待分油进入分油机进行分离。供油泵状态指示：对于供油泵和排渣泵均有以下三种状态：运行：供油泵已起动，并处于正常工作状态。停止：供油泵停止运行，电源切断。错误报警：供油泵电机保护开关动作，处于故障模式。除上述显示的状态和时序以外，PLC控制器还将记录其他分油机运行数据，如分油机运行时间、排渣次数、起动次数、水分监测系统报警次数、渣空间监测系统报警次

22、数等，这些数据可以作为对分油机进行维护的参考，有利于了解分油机的运行状况。3.2 自动排渣功能全自动排渣分油机根据其具体型号和分离模式选择的不同，排渣可分为全排渣和部分排渣。全排渣和部分排渣的主要区别在于排渣口的开启时间，并且全排渣过程中供油阀会停止供油、进工作水清洗和赶油，而部分排渣供油阀不会中断供油。在下列情况下，PLC控制器将会控制分油机进行排渣：（1）启动分离程序。为了确保分油机内部清洁和良好的分离效果，分油机在启动后，进入分离程序前，分油机会执行排渣动作，有连续两次全排渣、一次全排渣或者部分排渣，这由分油机的型号和选择的分离模式决定。注水：其作用是形成水封水，防止燃油从排水管路流出。

23、在没用启用水分监测系统和渣空间监测系统监控功能的分离模式和用于滑油分离的分离模式中都需要有注水过程。（2）停止分离程序。手动停止分离时序时，分油机会自动执行一次全排渣。排渣结束后如果不停止分油机电机，分油机仍处于准备就绪状态，此时可以按下起动分离程序按钮重新起动分离程序。（3）分油机停机。出现紧急状况或者由于其它原因而导致分油机电机停机时，控制器会触发双重全排渣时序，将分离筒内杂质等排空以保持分油机分离筒的清洁。（4）分离一定时间间隔。分油机进入正常分离模式后，PLC控制器会起动分离间隔时间的计时器，如果在间隔时间内没有水分监测系统报警或者其他方式触发排渣程序，则控制器会在预定时间间隔过后会自

24、动执行一次全排渣。排渣结束后进入下一次正常分离时序，计时器重新起动，如果在间隔时间内执行了排渣动作，则计时器在排渣结束进入下一次正常分离时序时重新起动。准确的排渣间隔时间与分油机参数、污油含渣量等有关。（5）渣空间监测系统报警。分离筒中的压力受储渣空间影响，在启用渣空间监控系统的分离模式中，循环管路上安装有压力传感器，监测分离筒中渣空间的压力，当分离筒中含渣量到达一定值时，传感器将信号送至PLC控制器，触发一次排渣动作。为了确定分离是否正常，PLC控制器设定了最小排渣时间间隔，如果在最小间隔时间内，渣空间监控系统报警，则表明分离系统异常，则应中断分离程序，停机检查，如果在最小分离时间走完以后监

25、控系统报警，则属于正常排渣，排渣结束后进入下一次正常分离时序。3.3 监控功能水分监测系统功能：当分离程序启动或完成一次排渣程序，污油供应开始后启动水分监测功能。在旁通管路中安装有一只水分传感器。净油中水分含量较高时，开启排水阀把水排走。为避免油乳化。在净化分离时，循环阀由时间继电器控制关闭1分钟，随即打开15秒。只有在循环阀打开时，传感器才会测量和控制排水，直至监测到出油时才再关闭。随即开始下一个测量周期。渣空间监测系统功能：当排渣程序己完成，供油阀打开，渣空间监测功能开启。当循环阀打开期间，渣空间监测压力传感器监测着分离筒渣空间的压力。监测功能同时经由时间继电器监控。当压力下降是由于固渣或

26、水的积聚，而已到设定时间时，一次由固渣或水决定排渣的动作在延时10秒后启动。完成排渣程序后，监控渣空间监测功能的“最低分离时间”计时器重新启动。如果在最低分离时间还没有走完时，由于固渣或水的积聚而导致压力下降，在延时10秒后，启动下列动作：（1）终止分离程序。（2）启动一次强制排渣。（3）相应的报警信息显示在屏幕上。（4）启动外接警报系统。渣空间监测系统在最低分离时间内发出警报是不正常的。这有可能是水渗漏进供油处。启用渣空间监测功能后，循环阀一直处于开启状态，排水阀不动作。排渣电流监控：分油机在不同的工况下，电机电流值发生变化，电流的监测可以检测分离筒的液压系统是否正常，并根据电流值进行排渣监

27、测。根据电机电流变化规律，PLC控制器根据模拟量输入检测电机电流，在排渣期间，操作水阀开启后必须在设定时间(正常为3秒)内，达到排渣电流检测点，排渣电流检测点的计算方法如下：排渣电流检测点=电机运行电流12电机运行电流为正常分离时的电机电流值，当确认了相应的电流增加后，排渣程序会继续执行，然后进入分离程序，如果电流未达到设定点，则：（1）在排渣后排渣程序停止。（2）供油阀打到循环位置。（3）启动综合报警。（4）显示屏中相关的报警信息闪动。温度监测功能：为了保证分油机最佳的分离效果，污油进机前温度应控制在设定范围内，起动分油机后，如果温度没有达到设定温度值，分离程序不能启动，在分离过程中，如果温

28、度超过设定最大温度值或者低于设定最小温度值，则在延时一定时间后，供油阀停止供油，控制系统触发综合报警。温度的测量通过PTl00温度传感器测量，然后向PLC控制器中输入模拟信号，在控制程序中对温度进行监控。3.4 自动监控报警功能分油机控制系统通过采集各系统的数据和信号，对分油机的运行状态进行监控，在各参数出现异常的情况下，启动综合报警，并采取相应的处理措施，确保设备安全和最佳分离效果。同时，PLC控制器还会记录下每一次报警的相关信息，例如报警次数、报警原因等。报警分类如下：电机保护报警：电机保护电流监测，出现该故障时，供油阀停止供油，停止分油机运行，启动综合报警。净油出口压力高/低：在分油机净

29、油出口安装高/低压传感器，当出油压力超过或低于设定值时，分离程序中断，供油阀停止供油，并启动综合报警。污水出口水位检测：在排水管路上安装有液位检测传感器，当排水量超过设定值时，供油阀停止供油，并启动综合报警。供油泵故障：电机保护监测，出现该故障时，分离程序中断，启动综合报警。迸油温度过高或过低报警：温度高于或低于设定值时，供油阀停止供油，启动综合报警，温度恢复到正常温度后才可以重新起动分离程序。3.5 参数设定和修改功能在基于时序控制的PLC系统程序中，运用了大量计时器控制的执行机构，分油机各项时序动作能否达到预期的要求，就取决于各时序控制微动开关开闭时间调整的是否准确，针对具体的污油状况，可

30、以对分离时序参数进行设定和修改，为了确保分油机设备安全和非专业人员的误操作，参数的设定和修改需要输入密码，才能进入参数设定和修改页面。在输入正确的的密码后才可以迸入相应的页面对计时器参数进行设定和修改，方便了分油机的使用和维护。结 论船用分油机系统采用PLC的控制系统克服了继电器-接触器控制可靠性、直观性、自动化程度不高的特点，结合触摸屏智能操作及显示技术，造就了PLC控制系统的抗干扰强、功能强大、精确度高等优点。可编程控制器具有体积小、可靠性高、分油时间可调、控制系统维护工作量小和使用方便等特点，其输入模块可以直接接收现场设备的各种传感器信号，输出模块可以直接驱动25 A 的受控设备, 产品

31、系列化、结构模块化的可编程控制器给控制系统的配置和备件管理带来了极大的方便，这一点尤其适用于船舶机械设备的控制。 对于机舱温度高、湿度大、机械振动强的特殊工作环境，采用可编程控制器实现分油机的控制，大大提高了控制系统的可靠性。目前旧船上的分油机大多采用继电接触控制系统，所以分油机可编程控制系统的开发与应用在船舶的设备改造中具有广泛的推广价值。综上所述，本文论述PLC实物控制器的船舶分油机控制方案，结果表明该设计思路的突出有点。但是在系统功能上还有待完善，个人认为今后在以下几个方面还有待进一步研究和提高：（1）离心式分油机中被处理的工作液体是被分散的物质，即两中或者多中的混合物，其运动过程是极其

32、复杂的，本文只是对其工作过程进行简单分析，还有很多方面欠缺考虑。（2）分油机故障源和故障现象都是多种多样的，本文只针对部分常见故障进行了简单的叙述，难免欠全面，有待进行更多的故障分析和补充。致 谢我所选的论文研究方向较为广泛，尤其是在PLC控制方面比较复杂，所以写作过程比较困难，所以在查阅了大量相关书籍、学术期刊和找了许多相关老师后还是顺利的完成了论文设计，再此由衷感谢王明雨老师、戚永刚老师和赵伟老师在写作过程中的教导和关心。参考文献1李春野，付克阳.主推进动力装置.大连：大连海事大学出版社，2008.2吴恒，李浩基.阿法拉伐现代技术.大连：大连海事大学出版社，1995.3方金和，轮机自动化.大连：大连海事大学出版社，1998.4周名侦，张少明，卢晓春，吴晶.基于人机界面的分油机控制系统的设计.船电技术.2009，12.5潘克文.船用分油机可编程控制实验系统的开发. 天津纺织工学院学报.2000，19(2).