CN105692784B - 智能化油水分离罐除油系统及控制方法 - Google Patents

智能化油水分离罐除油系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种智能化油水分离罐除油系统及控制方法。油水分离罐的罐顶和罐底之间安装有包含步进电机、齿轮、齿带、滑块和导轨的液面检测机构，液面检测机构与油水识别模块电连接，并与油水分离模块管路连接，油水分离罐罐顶安装有油气界面检测模块，油面上方的油相空间的油水分离罐罐壁安装有温度传感器和气压传感器；油水识别模块、油气界面检测模块、液面检测机构、温度传感器和气压传感器均连接到单片机，油水分离模块经继电器连接到单片机，单片机经无线通信模块与上位机连接通信。本发明可自动检测油水气界面，实时高效排除油污，并对运行过程进行实时监控，保障安全生产。

Description

智能化油水分离罐除油系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种智能化油水分离罐除油系统及控制方法，属于污水处理技术领域。
背景技术
在生产国际化、全球化的趋势下，工业生产过程中的安全问题日益成为各行各业重点关注的对象。在钢铁、炼油、焦化、石化等工业生产过程中产生的含油污水若处理不当，油污长时间滞留在油水分离罐内，挥发出的油气积聚形成的油相空间极易遇明火而发生爆炸。在实际生产过程中，通常采用人工定期监控的传统方法，由于工作条件的限制，不能实现实时监控，发生突发情况时无法高效处理，对工业生产进程和工人的人身安全问题造成了严重影响。
目前，油水分离罐的处理方式多采用重力沉降法和旋流分离法。前者利用油水两相的密度差异在重力作用下分层，并通过沉降和过滤技术对罐内油污进行抽取，但此方式自动化程度低，流程较复杂；后者则通过离心分离技术将油水两相分离，成本低廉、结构简单，但分离效率较低，且不能分离液体中的固体悬浮物。
发明内容
为了克服现有油水分离罐除油方式存在的不足之处，本发明提供了一种智能化油水分离罐除油系统及控制方法，能够智能识别油水分离罐中的油水气界面，高效排除油污，并对运行过程进行实时监控，保障生产的安全性。
本发明采用的技术方案是：
一、一种智能化油水分离罐除油系统：
本发明包括油水识别模块、油水分离模块和油气界面检测模块，油水分离罐的罐顶和罐底之间安装有包含步进电机、齿轮、齿带、滑块和导轨的液面检测机构，液面检测机构与油水识别模块电连接，并与油水分离模块管路连接，油水分离罐顶部安装有油气界面检测模块，油面上方的油相空间的油水分离罐罐壁安装有温度传感器和气压传感器；油水识别模块、油气界面检测模块、液面检测机构、温度传感器和气压传感器均连接到单片机，油水分离模块经继电器连接到单片机，单片机经无线通信模块与上位机连接通信。
所述的液面检测机构具体包括步进电机、齿轮、齿带、滑块以及竖直安装在油水分离罐罐顶和罐底之间的导轨，齿轮包括分别固定安装在油水分离罐罐顶的第一齿轮和油水分离罐罐底的第二齿轮，第一齿轮和第二齿轮之间连接有齿带，第一齿轮与步进电机同轴连接，滑块一端与齿带固定连接，滑块另一端套在导轨中，通过步进电机带动齿带运动进而带动滑块沿导轨上下移动；步进电机与单片机电连接；
滑块中部开有一道贯穿的水平通孔，滑块底面设有与水平通孔相通的倒锥形孔，倒锥形孔与油水分离模块连接，滑块水平通孔的侧方设有金属探头，金属探头固定连接到滑块上，金属探头经螺旋电缆与油水识别模块连接。
所述的油水识别模块包括电阻R2、电容C1、灯LED1、三极管Q1和三极管Q2，三极管Q1的基极依次经电阻R5和电阻R1接地，三极管Q1的集电极依次经电阻R2和灯LED1接电源正极，三极管Q1的发射极接地，电阻R5和电阻R1之间引出作为金属探头的一端，金属探头的另一端连接到电源正极；三极管Q2的基极经电阻R4连接到三极管Q1的集电极，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极依次经电阻R3和灯LED2接电源正极，电容C1两端分别连接到三极管Q2的集电极和发射极并作为输出端。
所述的金属探头、滑块水平通孔下缘和倒锥形孔的上缘在同一水平面上。
所述的油水分离模块包括吸油口、吸油软管、排油口、排油阀、排油管道和吸油泵；吸油口的入口与滑块的倒锥形孔相连，吸油口经吸油软管和排油口连接，排油口依次经排油阀、排油管道后和吸油泵连接。
所述的油气界面检测模块采用分别检测其相对油面距离的第一测距传感器和油水分离罐内径的第二测距传感器，第一测距传感器安置于油水分离罐罐顶内壁并水平放置；第二测距传感器安置于油水分离罐罐壁上部并竖直放置。
所述的无线通信模块包括主控端和受控端，主控端采用第一NRF24L01芯片及USB转NRF24L01模块，与上位机的USB接口连接；受控端采用第二NRF24L01芯片，与单片机的IO口相连。
本发明的油水识别模块利用油水导电特性差异可自动识别油水分布，其金属探头固定于滑块；位于罐顶和罐壁上部的油气界面检测模块利用声波的全反射现象用以检测油面高度；油水分离模块主要由吸油口、吸油软管、排油口、排油阀、排油管道和吸油泵组成，其中吸油口固定于滑块正下方；滑块可通过步进电机和齿带沿导轨垂直移动。当检测到吸油口位于油中，单片机通过继电器打开排油阀和吸油泵；当检测到吸油口位于油相空间或水中，单片机通过继电器关闭排油阀和吸油泵。
二、一种智能化油水分离罐除油系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1)将油水分离罐静置使得罐内分层，从上往下依次为油相空间、油和水；
步骤2)初始化以下参数为零：m＝n1＝n2＝0，m表示吸油泵工作参数，n1、n2分别表示滑块下移参数和滑块上移参数；
步骤3)通过油气界面检测模块检测计算获得油面相对油水分离罐罐底的实际高度ΔH；
步骤4)根据步骤3)所测得的实际高度ΔH，通过步进电机带动齿带将滑块沿导轨移动到油面附近，使得金属探头浸没于液体中；
步骤5)判断油水识别模块检测反馈的是高电平还是低电平：
若油水识别模块检测反馈的是高电平，则继续下一步骤；
若油水识别模块检测反馈的是低电平，则跳转到步骤11)；
步骤6)判断吸油泵工作参数m是否满足m＝0：若吸油泵工作参数m＝0，则继续下一步骤；若吸油泵工作参数m不等于0，则通过继电器打开排油阀和吸油泵，利用油水分离模块进行排油操作，跳转到步骤8)；
步骤7)将滑块下移参数n1赋值+1；
步骤8)通过单片机控制滑块继续向下移动间隔距离S；
步骤9)判断当前的滑块下移参数n1是否满足n1＝滑块移动次数阈值N，
若当前的滑块下移参数n1＝滑块移动次数阈值N，则进入下一步骤；
若当前的滑块下移参数n1不等于滑块移动次数阈值N，则跳回到步骤5)；
步骤10)将吸油泵工作参数m置为1，并跳回步骤5)；
步骤11)通过继电器关闭排油阀和吸油泵，并控制滑块向上移动间隔距离S，将滑块上移参数n2赋值+1；
步骤12)判断当前的滑块上移参数n2是否满足n2＝滑块移动次数阈值N，
若当前的滑块上移参数n2＝滑块移动次数阈值N，则进入下一步骤；
若当前的滑块上移参数n2不等于滑块移动次数阈值N，则将吸油泵工作参数m置为0，并跳回到步骤5)；
步骤13)停止排油操作。
所述步骤3)中油面相对油水分离罐罐底的实际高度ΔH采用以下公式计算：
ΔH＝H2-H0
其中，D1为油水分离罐罐壁的测量内径，H1表示油面相对油水分离罐罐底的测量高度，油水分离罐罐顶相对油面的测量高度H1通过第一测距传感器测量获得，油水分离罐罐壁的测量内径D1通过第二测距传感器测量获得；H0表示油水分离罐罐顶相对油面的实际高度，D0为油水分离罐的实际内径；H2为油水分离罐罐顶相对油水分离罐罐底的实际高度。
本发明的有益效果是：
本发明利用油水导电特性的差异和声波全反射现象，有效识别油水气界面，判断吸油口在油水中的分布位置，从而自动控制排油阀通断及吸油泵工作状态；同时利用高精度的温度、气压传感器对油水分离罐内温度和气压进行实时监控，并通过高性能的无线通信模块进行数据传输。
本发明智能化程度高，油水分离高效，能够实时监控油水分离罐的运行状态，保障生产安全。
附图说明
图1是本发明实施例的结构图；
图2是本发明电气连接和机械连接的框图；
图3是滑块的剖视图和俯视图；
图4是油水识别模块的电路图；
图5是本发明控制方法的流程图。
图中：油水识别模块100，金属探头200，油气界面检测模块300，第一、第二测距传感器301、302，温度传感器400，气压传感器500，单片机600，无线通信模块700，主控端701，受控端702，上位机800，继电器900，液面检测机构1000，步进电机1100，齿轮1200，第一、二齿轮1201、1202，齿带1300，滑块1400，导轨1500，螺旋电缆1600，油水分离模块1700，吸油口1701，吸油软管1702，排油口1703，排油阀1704，排油管道1705，吸油泵1706，罐顶1800，罐壁1900，罐底2000，油相空间2100，油面2200，油2300，水2400。
具体实施方式
结合图1至图5，对本发明技术方案进行详细说明：
如图1所示，本发明包括油水识别模块100、油水分离模块1700和油气界面检测模块300，油水分离罐内装有水2400和油2300，由于油水气密度差异，油2300位于水2400上层，油2300上层为油相空间2100，油水分离罐的罐顶1800和罐底2000之间安装有包含步进电机1100、齿轮1200、齿带1300、滑块1400和导轨1500的液面检测机构1000，液面检测机构1000与油水识别模块100电连接，并与油水分离模块1700管路连接，油水分离罐的罐顶1800安装有油气界面检测模块300，油面2200上方的油相空间2100的油水分离罐罐壁1900安装有温度传感器400和气压传感器500。如图2所示，油水识别模块100、油气界面检测模块300、液面检测机构1000、继电器900、温度传感器400和气压传感器500均连接到单片机600，油水分离模块1700经继电器900连接到单片机600，单片机600经无线通信模块700与上位机800连接通信。
工作人员通过上位机800可远程监控油水分离罐的运行状态和过程，油水识别模块100、油气界面检测模块300、温度传感器400和气压传感器500的检测数据均可在上位机800上实时显示。
液面检测机构1000具体包括步进电机1100、齿轮1200、齿带1300、滑块1400以及竖直安装在油水分离罐罐顶1800和罐底2000之间的导轨1500，齿轮1200包括分别固定安装在油水分离罐罐顶1800的第一齿轮1201和油水分离罐罐底2000的第二齿轮1202，第一齿轮1201和第二齿轮1202之间连接有齿带1300，第一齿轮1201与步进精度高、扭矩大的步进电机1100同轴连接，第二齿轮1202可沿轴心自由滚动，滑块1400一端与齿带1300固定连接，滑块1400另一端套在导轨1500中，通过步进电机1100带动齿带1300运动进而带动滑块1400沿导轨1500上下移动，步进电机1100连接到单片机600。
如图3所示，滑块1400中部开有一道贯穿的水平通孔，滑块1400底面设有与水平通孔相通的倒锥形孔，倒锥形孔与油水分离模块1700连接，滑块1400水平通孔的侧方设有金属探头200，金属探头200固定连接到滑块1400上，金属探头200经螺旋电缆1600与油水识别模块100连接。
螺旋电缆1600的上端穿出油水分离罐罐顶1800连接到油水识别模块100，下端穿过滑块1400与金属探头200连接。油水识别模块100置于油水分离罐外，与螺旋电缆1600电性连接，1600可自由伸缩，方便滑块1400上下移动。
如图4所示，油水识别模块100包括电阻R2、电容C1、灯LED1、三极管Q1和三极管Q2，三极管Q1的基极依次经电阻R5和电阻R1接地，三极管Q1的集电极依次经电阻R2和灯LED1接电源正极，三极管Q1的发射极接地，电阻R5和电阻R1之间引出作为金属探头200的一端，金属探头200的另一端连接到电源正极；三极管Q2的基极经电阻R4连接到三极管Q1的集电极，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极依次经电阻R3和灯LED2接电源正极，电容C1两端分别连接到三极管Q2的集电极和发射极并作为输出端。
金属探头200、滑块1400水平通孔下缘和倒锥形孔的上缘在同一水平面上。
油水分离模块1700包括吸油口1701、吸油软管1702、排油口1703排油阀1704、排油管道1705和吸油泵1706；吸油口1701的入口与滑块1400的倒锥形孔相连，吸油口1701经吸油软管1702和排油口1703连接，排油口1703依次经排油阀1704、排油管道1705后和吸油泵1706连接，各元件的接口之间气密性良好。排油阀1704采用常闭电磁阀，不进行排油操作时，保持阻断状态。
油气界面检测模块300采用分别检测油水分离罐罐顶1800相对油面2200距离的第一测距传感器301和油水分离罐内径的第二测距传感器302，第一测距传感器301安置于油水分离罐罐顶1800内壁并水平放置；第二测距传感器302安置于油水分离罐罐壁1900上部并竖直放置。将第一测距传感器301、第二测距传感器302的测量数据进行对照，消除罐内温度、气压及密度等干扰因素对距离测量的干扰，从而得出油面2200相对罐底2000的实际距离。
油水分离模块1700的排油阀1704和吸油泵1706均与继电器900电连接，通过单片机600控制排油阀1704和吸油泵1706的工作状态。
无线通信模块700包括主控端701和受控端702，主控端701采用第一NRF24L01芯片及USB转NRF24L01模块，与上位机800的USB接口连接；受控端702采用第二NRF24L01芯片，与单片机600的IO口相连。由此，无线通信模块700用以上位机800和单片机600之间的无线数据传输，使得工作人员不必亲临工作现场查看油水分离罐的运行状态，保障生产的安全性。
如图5所示，本发明的具体实施工作过程如下：
步骤1)将油水分离罐静置使得罐内出现分层现象，从上往下依次为油相空间2100、油2300和水2400；
步骤2)初始化吸油泵工作参数m、滑块下移参数n1和滑块上移参数n2为零；
步骤3)通过油气界面检测模块300检测计算获得油面2200相对油水分离罐罐底2000的实际高度ΔH，第一测距传感器301测量油水分离罐罐顶1800相对油面2200的测量高度H1，第二测距传感器302测量罐壁1900的测量内径D1，然后计算获得油面2200相对罐底2000的实际高度ΔH。
步骤4)根据步骤3)所测得的油面2200相对罐底2000的实际高度ΔH，电机900通过齿带1300将滑块1400沿导轨1500移动到合适位置，使得金属探头200刚好浸没于液体中。
步骤5)判断油水识别模块100反馈的是高电平还是低电平：
若油水识别模块100反馈的是高电平，则执行步骤6)；
若油水识别模块100反馈的是低电平，则执行步骤7)；
高电平表示金属探头200位于油2300或者油相空间2100中，低电平表示金属探头200位于水2400中。
步骤6)若油水识别模块100反馈的是高电平，则判断此时金属探头200位于油相空间或者油中，继续判断吸油泵工作参数m是否满足m＝0：若m＝0则控制滑块1400继续向下移动间隔距离S，若此过程中出现低电平，则执行步骤7)；若此过程始终为高电平，即n1＝滑块移动次数阈值N，滑块移动次数阈值N取10，则设置m＝1，通过继电器900打开排油阀1704和吸油泵1706，利用油水分离模块1700进行排油操作。
步骤7)若油水识别模块100反馈的是低电平，则判断此时金属探头浸没于水2400中，此时通过继电器900关闭排油阀1704和吸油泵1706，并控制滑块1400向上移动间隔距离S，并设置m＝0，若此过程中出现高电平，则进行步骤5)；若此过程中始终为低电平，即n2＝滑块移动次数阈值N，滑块移动次数阈值N取10，则终止本次排油操作。
步骤8)工作人员通过上位机800可实时远程监控油水分离罐的运行状态和过程。
由此，本发明利用了油水导电特性的差异和声波全反射现象，能有效识别油水气界面，自动实现油水分离，工作高效，智能化程度高，并能实时监控油水分离罐的运行状态，保障生产安全。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (5)

1.一种智能化油水分离罐除油系统，其特征在于：包括安装在油水分离罐上的油水识别模块(100)、油水分离模块(1700)和油气界面检测模块(300)，油水分离罐的罐顶(1800)和底部之间安装有包含步进电机(1100)、齿轮(1200)、齿带(1300)、滑块(1400)和导轨(1500)的液面检测机构(1000)，液面检测机构(1000)与油水识别模块(100)电连接，并与油水分离模块(1700)管路连接，油水分离罐罐顶(1800)安装有油气界面检测模块(300)，油面(2200)上方的油相空间(2100)的油水分离罐罐壁(1900)安装有温度传感器(400)和气压传感器(500)；油水识别模块(100)、油气界面检测模块(300)、液面检测机构(1000)、温度传感器(400)和气压传感器(500)均连接到单片机(600)，油水分离模块(1700)经继电器(900)连接到单片机(600)，单片机(600)经无线通信模块(700)与上位机(800)连接通信；
所述的液面检测机构(1000)具体包括步进电机(1100)、齿轮(1200)、齿带(1300)、滑块(1400)以及竖直安装在油水分离罐罐顶(1800)和罐底(2000)之间的导轨(1500)，齿轮(1200)包括分别固定安装在油水分离罐罐顶(1800)的第一齿轮(1201)和油水分离罐罐底(2000)的第二齿轮(1202)，第一齿轮(1201)和第二齿轮(1202)之间连接有齿带(1300)，第一齿轮(1201)与步进电机(1100)同轴连接，滑块(1400)一端与齿带(1300)固定连接，滑块(1400)另一端套在导轨(1500)中，通过步进电机(1100)带动齿带(1300)运动进而带动滑块(1400)沿导轨(1500)上下移动；步进电机(1100)与单片机(600)电连接；滑块(1400)中部开有一道贯穿的水平通孔，滑块(1400)底面设有与水平通孔相通的倒锥形孔，倒锥形孔与油水分离模块(1700)连接，滑块(1400)水平通孔的侧方设有金属探头(200)，金属探头(200)固定连接到滑块(1400)上，金属探头(200)经螺旋电缆(1600)与油水识别模块(100)连接；
所述的油水识别模块(100)包括电阻R2、电容C1、灯LED1、三极管Q1和三极管Q2，三极管Q1的基极依次经电阻R5和电阻R1接地，三极管Q1的集电极依次经电阻R2和灯LED1接电源正极，三极管Q1的发射极接地，电阻R5和电阻R1之间引出作为金属探头(200)的一端，金属探头(200)的另一端连接到电源正极；三极管Q2的基极经电阻R4连接到三极管Q1的集电极，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的集电极依次经电阻R3和灯LED2接电源正极，电容C1两端分别连接到三极管Q2的集电极和发射极并作为输出端；
所述的油水分离模块(1700)包括吸油口(1701)、吸油软管(1702)、排油口(1703)、排油阀(1704)、排油管道(1705)和吸油泵(1706)；吸油口(1701)的入口与滑块(1400)的倒锥形孔相连，吸油口(1701)经吸油软管(1702)和排油口(1703)连接，排油口(1703)依次经排油阀(1704)、排油管道(1705)后和吸油泵(1706)连接；
所述的油气界面检测模块(300)采用分别检测油水分离罐罐顶(1800)相对于油面距离的第一测距传感器(301)和油水分离罐内径的第二测距传感器(302)，第一测距传感器(301)安置于油水分离罐罐顶(1800)内壁并水平放置；第二测距传感器(302)安置于油水分离罐罐壁(1900)上部并竖直放置。
2.根据权利要求1所述的一种智能化油水分离罐除油系统，其特征在于：所述的金属探头(200)、滑块(1400)水平通孔下缘和倒锥形孔的上缘在同一水平面上。
3.根据权利要求1所述的一种智能化油水分离罐除油系统，其特征在于：所述的无线通信模块(700)包括主控端(701)和受控端(702)，主控端(701)采用第一NRF24L01芯片及USB转NRF24L01模块，与上位机(800)的USB接口连接；受控端(702)采用第二NRF24L01芯片，与单片机(600)的IO口相连。
4.一种智能化油水分离罐除油系统的控制方法，其特征在于：采用权利要求1～3任一所述系统，所述方法包括以下步骤：
步骤1)将油水分离罐静置使得罐内分层，从上往下依次为油相空间(2100)、油(2300)和水(2400)；
步骤2)初始化以下参数为零：m＝n1＝n2＝0，m表示吸油泵工作参数，n1、n2分别表示滑块下移参数和滑块上移参数；
步骤3)通过油气界面检测模块(300)检测计算获得油面(2200)相对油水分离罐罐底(2000)的实际高度ΔH；
步骤4)根据步骤3)所测得的实际高度ΔH，通过步进电机(1100)带动齿带(1300)将滑块(1400)沿导轨(1500)移动到油面(2200)附近，使得金属探头(200)浸没于液体中；
步骤5)判断油水识别模块(100)检测反馈的是高电平还是低电平：
若油水识别模块(100)检测反馈的是高电平，则继续下一步骤；
若油水识别模块(100)检测反馈的是低电平，则跳转到步骤11)；
步骤6)判断吸油泵工作参数m是否满足m＝0：若吸油泵工作参数m＝0，则继续下一步骤；若吸油泵工作参数m不等于0，则通过继电器(900)打开排油阀(1704)和吸油泵(1706)，利用油水分离模块(1700)进行排油操作，跳转到步骤8)；
步骤7)将滑块下移参数n1赋值+1；
步骤8)通过单片机(600)控制滑块(1400)继续向下移动间隔距离S；
步骤9)判断当前的滑块下移参数n1是否满足n1＝滑块移动次数阈值N，
若当前的滑块下移参数n1＝滑块移动次数阈值N，则进入下一步骤；
若当前的滑块下移参数n1不等于滑块移动次数阈值N，则跳回到步骤5)；
步骤10)将吸油泵工作参数m置为1，并跳回到步骤5)；
步骤11)通过继电器(900)关闭排油阀(1704)和吸油泵(1706)，并控制滑块(1400)向上移动间隔距离S，将滑块上移参数n2赋值+1；
步骤12)判断当前的滑块上移参数n2是否满足n2＝滑块移动次数阈值N，
若当前的滑块上移参数n2＝滑块移动次数阈值N，则进入下一步骤；
若当前的滑块上移参数n2不等于滑块移动次数阈值N，则将吸油泵工作参数m置为0，并跳回到步骤5)；
步骤13)停止排油操作。
5.根据权利要求4所述的一种智能化油水分离罐除油系统的控制方法，其特征在于：所述步骤3)中油面(2200)相对油水分离罐罐底(2000)的实际高度ΔH采用以下公式计算：
ΔH＝H2-H0
<mrow> <msub> <mi>H</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>D</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>H</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <msub> <mi>D</mi> <mn>1</mn> </msub> </mfrac> </mrow>
其中，D1为油水分离罐罐壁(1900)的测量内径，H1表示油面(2200)相对油水分离罐罐顶(1800)的测量高度，油水分离罐罐顶(1800)相对油面(2200)的测量高度H1通过第一测距传感器(301)测量获得，油水分离罐罐壁(1900)的测量内径D1通过第二测距传感器(302)测量获得；H0表示油水分离罐罐顶(1800)相对油面(2200)的实际高度，D0为油水分离罐的实际内径；H2为油水分离罐罐顶(1800)相对油水分离罐罐底(2000)的实际高度。
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