基于PLC控制的廢水監測及利用系統開發與研究

許芝龍

（江蘇聯合職業技術學院張家港分院，江蘇 張家港 215600）

隨著人們對工業廢水危害的認知和企業環評要求的提高，許多企業開始采用先進的技術手段來處理自身產生的廢水[1]。當前，有很多典型企業綜合利用自身產生的廢水、廢熱來創造價值。本文結合自身實習接觸企業，對一鋼鐵冶煉企業的廢水排放、廢熱處理展開研究，并提出了以PLC為中央控制器的廢水監測、廢熱利用的系統。結合相關工程實踐，筆者認為，該系統具有較好的可實施性，能夠為該企業或相近企業提供借鑒。

1 企業廢水、廢熱問題

分析對象為筆者實習時的一鋼鐵冶煉企業，該企業年鋼鐵產量大，管理規范，設備較為先進。但是，冶煉過程中廢水處理不徹底，這對工廠周圍土壤、水資源都帶來一定影響。廢水中含有大量工業鹽，同時冶煉廢水排放時會帶有大量熱量。

這種廢水簡單處理后，時間稍長就會使得地面或者廢水處理池中的沉淀工業鹽堆積太多，需要進行專業鏟挖處理。同時，這些工業鹽在沉淀過程中均暴露在外，無任何遮擋，里面含有很多雜物甚至垃圾。廢水排放時，周圍都會散發很多熱量，在夏天對周圍環境影響較大，影響工人的正常工作。

2 企業廢水和廢熱處理方案

基于以上廢水和廢熱問題，筆者提出以下方案：將含工業鹽的廢水進行蒸發，將工業鹽從廢水中分離；然后對蒸發后的蒸餾水進行檢測判別，若雜質含量超標，則返回系統進行過濾或再處理，合格后再經管道排除。在蒸發的過程中，先利用排放廢水自帶的熱量進行部分分離，在自帶熱量消失不能繼續進行分離時啟用熱泵進行加熱。其蒸發系統、分離、蒸餾水雜質含量判別等子模塊，均采用PLC中央處理器進行控制。

從企業的可實施性上，為節省系統占地、工業鹽分離效率，企業要構建蒸發塔，并將水蒸氣回收層添加在蒸發塔頂部，使其具有鹽水蒸發濃縮功能和水蒸氣冷凝回收功能。為實現其鹽水分離，可以使下部的鹽水蒸發層、上部的水蒸氣回收層處于半隔離狀態，水不能從上向下流而水蒸氣向上流動，這樣就能實現鹽水分離[2-3]。

鹽水蒸發濃縮時自身所帶的熱量有限，還需要能源持續提供分離所需的熱量。同時，水蒸氣冷凝回收需要冷量、熱泵能同時供冷供熱，所以本系統將熱泵作為重要能源供給途徑之一。在對溫度進行補償時，需要溫度傳感器進行檢測并將結果反饋至PLC中央處理器；對蒸餾水需進一步檢測，其檢測傳感器值同樣反饋至PLC中央處理器。最后，在各傳感器的反饋值下，PLC控制器經過判斷通過控制電磁閥動作實現廢水廢熱的檢測和利用。

當然，具體實施還需要一些輔助設備，如風機、照明、排放管道、淡水系統、雜質過濾等。廢水處理系統流程如圖1所示。

圖1 廢水處理系統流程

3 系統運行模式簡述

由于熱泵冷凝器的出水溫度不能過高，完成冶煉后剛排除的廢水溫度很高，企業完全可以先將這部分廢水通過保溫排入蒸發塔，進行第一步分離。同時，進行溫度檢測，若溫度低于設定值，則開啟熱泵，對廢水進行加熱處理以進行持續分離。利用熱泵的供冷能力，為水蒸氣冷凝液化提供冷量，并對冷凝液化后的蒸餾水進行雜質檢測。

具體措施有：在蒸發塔中，先將來源于冶煉廠廢熱蒸汽引入，作為第一步分離對象，采用蒸汽換熱器對其進行處理。熱泵加熱系統是鹽水蒸發濃縮系統的輔助熱源，蒸汽加熱系統是鹽水蒸發濃縮系統的主要熱源。同時，為了進一步提高鹽水蒸發效果，需要采用鼓風機提供風力。

鹽水循環回路包括鹽水循環泵、蒸汽換熱器、熱泵、工業廢水積淀池（圖中簡稱鹽水池）、鹽水蒸發層。淡水循環回路包括熱泵蒸發器、水蒸氣回收層、淡水池、淡水循環泵等。這兩個回路的工作狀態（或工作模式）由蒸發塔的鹽水噴淋溫度和熱泵蒸發器的進水溫度決定。

根據工作狀態、鹽水分離的需要，其工作模式分為：雙級加熱有水回收模式、雙級加熱有水回收模式、單級加熱有水回收模式等。雙級加熱有水回收模式，為設備的初始狀態。根據其工作所需，其系統設計如圖2所示，溫濕度傳感器用TH表示，電磁閥用F表示，溫度傳感器用T表示；手動閥用D表示。含工業鹽的廢水先進入熱泵進行一次加熱，然后進入蒸汽換熱器進行二次加熱。同樣，淡水則由淡水池（其他供水裝置也可）進入熱泵，然后增壓，使其在水蒸氣回收層上端噴淋，通過淡水的低溫帶走水蒸氣中的熱量，這樣就可以使水蒸氣分離并凝結。

圖2 雙級加熱有水回收模式

為使得熱泵與系統工作狀態匹配，若鹽水噴淋的溫度高于一定溫度，如達到70℃時，系統處于雙級加熱、無水回收模式時，則PLC發出指令，將電磁閥F3關閉，蒸汽回路則會斷開，此時系統亦進入熱泵單級加熱模式，在該模式下無水回收。當鹽水噴淋的溫度低于一定溫度，如60℃時，則PLC發出指令將電磁閥F3重新開啟，使蒸汽回路接通，系統重新進入雙級加熱、無水回收模式。

PLC控制器對淡水冷卻的控制：當淡水水溫高于一定溫度時，如30℃，此時利用這一溫度下的淡水對鹽水進行分離，效果不佳，則PLC控制器發出指令，電磁閥F1關閉，F2接通，系統進入雙級加熱、無水回收狀態，該狀態下的控制示意圖如圖3所示。當溫度進一步降低，降至某一溫度，如10℃時，該溫度能夠有效將鹽水分離，則PLC控制器發出指令，電磁閥F2關閉，F1接通，系統再次進入雙級加熱、有水回收模式。

圖3 雙級加熱無水回收模式

PLC控制器對工業廢水中的控制：當工業廢水自身溫度高于一定溫度，如75℃，能夠依靠自身溫度進行鹽水分離，則PLC控制器發出指令關閉電磁閥F3，蒸汽回路斷開，系統依靠自身熱量進行分離，進入熱泵單級加熱模式，該模式下有水回收，工作示意圖如圖4所示。當自身溫度低于一定溫度時，PLC控制器發出指令啟動電磁閥F3，蒸汽回路接通，系統進入雙級加熱模式，該模式下有水回收。

圖4 熱泵單級加熱有水回收模式

4 PLC中央監控系統設計

PLC中央控制系統負責對系統各個組件進行控制，是整個系統的控制中心，其穩定性、可靠性直接決定該系統的使用有效性，因此也是整個系統中最為重要的部分[4]。企業要考慮系統的大小、占地、各組件的布線等硬件條件，其中央控制PLC系統采用分布式、遠程控制各組件部分。主要考慮的對象有水泵控制系統、溫度檢測及反饋、熱泵控制系統、濕度信號采集系統、風機控制系統，此外還要考慮一些輔助系統，如照明系統等。

本設計中，PLC中控系統應包括3個電磁閥控制，如圖3中電磁閥F1、F2、F3）、多個溫度采集點（不低于10個，具體多少取決于經濟和溫度采樣精確的平衡）、多個濕度采集點、4臺水泵控制。溫度和濕度傳感器獲取的是模擬信號，需要進行A/D轉換傳送至PLC，其離不開A/D轉換模塊，本文選用EM231擴展模塊。

水泵和電磁閥開關量信號由CPU本機I/O點輸出即可。中央控制器通過CP243-1通信處理器模塊與上位工控機進行通信。中控PLC模塊和工控機型號如表1所示[5]。

表1 中控PLC模塊和工控機型號

5 結語

本文結合工程實際，設計了一套基于PLC控制的鋼鐵廠廢水和廢熱處理系統，整個系統在考慮成本、占用空間和其他資源的情況下，其結構合理、控制流程清晰。它能夠為該企業或相近行業的廢水、廢熱處理及利用提供一定參考，具有較好的工程價值。

參考文獻

1 張建紅，吳禮云，李 楊，等.低溫多效海水淡化關鍵能耗指標的選取及應用[J].節能與環保，2009，（6）：20-23.

2 黃德智.膜技術在工業廢水處理中的應用[J].廣東化工，2010，37（5）：165-168.

3 朱越杰，張 宇，馬 彤.淺析與電廠結合生產海水淡化經濟評價方法[J].水處理技術，2013，（5）：45-48.

4 劉德彧.水源熱泵系統的綜合研究與工程應用[D].北京：北方工業大學，2003.

5 郭蘇蘭.PLC控制系統在工業廢水回收中的應用[J].科技情報開發與經濟，2009，（35）：202-203.