老舊污水凈化車間PLC自控系統的設計

穆青 周寬 王發科

摘 ?????要：針對建設年代較久的污水凈化車間，根據現有工藝流程，將其劃分為5個子系統，分別論述了PLC的改造。設計污水總體控制方案，選擇PLC型號，建立通信系統。設計組態王監控的主畫面、各子系統畫面、數據功能畫面。進而實現污水處理裝置總體改造的自控系統拓撲結構和監控系統畫面結構，為后續各子系統控制流程和PLC程序設計奠定基礎，以滿足外排污水達標的有效控制。

關 ?鍵 ?詞：污水凈化車間;PLC;組態王;自控系統

中圖分類號：TP 273 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： ?1671-0460（2019）08-1865-05

Abstract： Aiming at an old effluent treatment workshop， according to the existing technological process， the treatment system can be divided into five subsystems， the reconstruction of the PLC was discussed. Overall control scheme of sewage treatment system was designed， PLC models were selected， and communication system was established. The main screen， each subsystem screen and data function screen of Kingview monitoring were designed. Then the automatic control system topology structure and monitoring system picture structure of the overall transformation of sewage treatment device were realized， which could lay the foundation for the subsequent control flow and PLC program design of each subsystem.Key words： Sewage treatment workshop; PLC; Kingview; Automatic control system

某石油化工污水凈化車間建造年代較早，由于近年生產規模不斷擴大和生產格局的改變，污水中污染物濃度和種類也隨之變化，作為污水國控源，雖已經歷多次小改造，但自動化程度依舊較低，難以滿足當前日漸完善的環保規范要求，且裝置的運行效率低，運行成本高。

因此對該污水凈化車間在不改動原工藝進行自控改造，主要是用PLC技術提高其自動控制系統。

1 ?工藝流程簡介及其改造對象研究

1.1 ?工藝流程簡介

污水凈化車間的總體工藝流程圖如圖1所示。

工業廢水和生活污水經管道進入污水凈化車間，經機械格柵濾掉粗大的懸浮物和剛性雜質，然后隨流速流入集水井進行油、水、泥分離，上浮的污油用揀油泵定時抽至專門的污油罐并外運，下沉的污泥層待檢修時清理。

集水井內的污水經過污水提升泵入均質罐中以調節水質、水量，進行油水和泥水分離，此外均質罐還能抗污水沖擊負荷。均質罐出水靠重力液位差進入浮選池，采用技術成熟的回流射流溶氣浮選裝置去除污水中的乳化物及細小的懸浮物。

經過除油的污水在重力作用下流入中間水池，而后用生化提升泵提升至水解酸化池進行酸化，出水重力流流入好氧池，出水重力流流入完全混合式曝氣池，進一步降解廢水中的溶解性有機污染物質和膠體物質。

曝氣池出水重力流流入提升水池，而后通過ADAF提升泵，提升后進入ADAF氣浮裝置，有效去除污水中污染物質。氣浮裝置出水按照懸浮物含量是否達標分成兩路，若出水未達標則進入過濾單元進行過濾，若達標則跳過過濾單元直接進入回用水池。

若ADAF氣浮裝置出水不合格流入過濾吸水池，則通過過濾提升泵提升至雙濾料過濾器，對水中的懸浮物進一步慮除。出水流入回用水池，一部分自流外排，另一部分利用回用泵輸送至廠內回用。

浮選池產生的浮渣排入剩余活性污泥池內，通過池中潛污泵輸送至“三泥”脫水系統進行處理，ADAF氣浮裝置排渣、排泥自流進入浮渣池，通過浮渣泵輸送至“三泥”脫水系統進行處理。

1.2 ?改造對象研究

按照工藝流程順序把污水凈化車間分為格柵提升、均質浮選、生化反應、ADAF浮選、過濾反洗5個部分。

（1）格柵提升泵系統

格柵提升包括：1座格柵機，1座集水井，4臺污水提升泵。此部分主要負責對廠來水初步過濾，去除較大固體雜質，初步降低污水中懸浮物的清除，同時減少大塊剛性雜質對污水提升泵葉片的損傷，然后將污水提升至均質罐，在該過程下，污水能自動流動至后續工藝中。

在格柵工藝中，主要包含1臺過濾機，對應需要增設1臺清渣機，在PLC的設定過濾時間，同時按照格柵前后的液位差大小來實施清渣機的自動控制。

在集水井工藝中，包含1臺揀油泵，集水井中的污水在重力作用下進行水油、泥水的分離，經過一段時間以后，水面上會浮現較多的油，此時可用揀油泵將液面上的浮油抽至油污罐中，因此可按時間進行控制。

污水提升過程，按液位控制4臺污水提升泵的啟動模式，當集水井液位的設定值，啟動不同數量的污水提升泵。

（2）均質浮選系統

均質浮選包括2座并聯的均質罐和6座并聯的浮選池。本系統主要作用是調節水質水量，然后除去污水中大部分乳化物和細小的懸浮物。

在2座并聯的均質罐工藝中，均質罐內設有浮動除油機，它在系統運行時會按照設備本身的特點自啟運行，不需要進行控制，因而不進行改造。

在6座并聯的浮選池工藝中，每座浮選池內的設備配合運行，射流泵按時間進行控制，即每隔一段時間工作一次，每次工作直到溶氣壓力罐內的壓力達到設定值時，關閉射流泵，開啟釋放器。射流泵和溶氣罐的循環次數達到設定值時，先后啟動一次刮渣機和潛污泵，以此達到浮選排渣的效果。

（3）生化反應系統

生化反應系統包括4個工藝，一是生化提升泵工藝，二是6座并聯的水解酸化池工藝，三是6座并聯的好氧池工藝，四是4座并聯的完全混合式曝氣池，該系統的主要作用是利用微生物活動來分解污水中的可降解有機物。3臺生化提升泵的控制方式與污水提升泵相似，區別在于這里的液位指的是中間水池內的液位。水解酸化池和好氧池均裝有曝氣機-變頻器，其控制方式是根據安裝在池內的在線溶解氧檢測儀測得溶解氧含量進行進風量的連續調整。每座完全曝氣池配有3臺曝氣機，3臺曝氣機是PLC隨池內溶解氧的含量進行PID變頻控制。總出口增設快速COD在線分析儀-兩位三通電磁閥，其控制方式是根據檢測儀測得的COD數值是否達標，決定電磁閥的出水口為ADAF浮選系統還是中間水池，進入中間水池的不合格污水進行生化反應系統的重復處理，直到滿足COD指標[1]。

（4）ADAF浮選系統

ADAF浮選系統包括2個工藝，一是ADAF提升泵工藝，二是2套并聯的ADAF浮選裝置工藝，該系統的作用是進一步去除污水中的殘留懸浮物和其他污染物質。如圖1所示，2臺ADAF提升泵是并聯運行的，ADAF提升泵與ADAF浮選裝置是一對一的關系，在正常運行時，2臺ADAF提升泵始終處于額定運行狀態，在拉上總刀閘后就能運行，因而不需要進行改造。在每套ADAF浮選裝置中，加藥機的控制方式為按時間控制。在ADAF浮選裝置總出水口處裝有1個兩位三通電磁閥，其控制方式是根據總出水口處的在線懸浮物檢測儀測得的懸浮物含量是否達標決定開啟閥門的出水口為過濾反洗系統還是回用水池。而刮泥機本身被集成在了ADAF浮選裝置內，由裝置自行控制，故不需要改造。

（5）過濾反洗系統

過濾反洗系統包括過濾提升泵工藝和8臺并聯的雙濾料過濾器，該系統的作用是對懸浮物含量不達標的處理水再次進行懸浮物的去除使其達標。過濾設備的啟停采用液位雙閾值控制，當過濾吸水池水量在控制范圍內時，啟動所有過濾設備（在不反洗時，4臺過濾提升泵都是正常運行的）;當過濾吸水池水量過低時，停止所有過濾設備。每臺雙濾料過濾器配有1臺反洗泵，具體控制方式是根據過濾器尾部出水口的在線懸浮物檢測儀檢測到的懸浮物含量和過濾器的進水出水的水頭損失進行控制，兩項指標有一項不達標就關閉該過濾器對應的過濾提升泵，然后開啟對應的反洗泵進行反洗，反洗過程達到設定時間后開啟過濾提升泵并關閉反洗泵，反洗結束，繼續過濾。

2 ?污水凈化車間自控系統改造

2.1 ?總體控制方案

在本次污水凈化車間改造中，建議采用總體控制方案為：

（1）各子系統現場之間的運行模式相互獨立。所劃分的各子系統現場都有各自的自動/手動模式切換按鈕，還有手動模式下有效的各個設備的啟動/停止按鈕，而各子系統現場之間的自動/手動工作模式相互獨立，相互之間不受影響。

（2）現場與上位機同等權限控制。在上位機組態軟件上，制作各子系統的監控畫面，在畫面中也設置與現場相同的按鈕，關聯到對應的變量，并設置相應的讀寫屬性，從而就可實現各子系統現場與上位機組態軟件上對應的監控畫面進行同等權限實時控制。

（3）在上位機組態軟件上要求能夠顯示相關運行信息，主要有離散型的開關量狀態和連續型的模擬量數值，還要求能夠遠程設定一些連續型模擬量的設定值。

在自動控制下，按照預先編寫的PLC程序各個設備自動運行。在手動模式下，可以人工切換各個設備的啟動/停止運行方式，這主要用于突發狀況下緊急停止設備或者檢測校驗各個設備的運行性能等[2]。

這樣的總體控制方案能夠使整個改造得以簡化，將整個工藝流程劃分為5個相對獨立的子系統進行改造。由于各個子系統的工作方式相對簡單，從而就可以由小型的、分散在各個子系統現場的PLC控制子站和遠程帶通信功能的智能I/O組件就能實現。而分散在各個子系統現場的PLC控制子站可以直接對該子系統生產過程中各個設備的參數進行測量、控制，實現對工藝過程內的自動檢測、實時監控、自動調節和順序控制[3]。另外，各個PLC控制子站可以將信號并行處理、分散處理，實現危險的徹底分散，這也減少了對大型PLC集中控制的需求[4]。

總體控制方案流程圖如圖2所示，從該圖中看出各個子系統之間獨立運行，即各個子系統之間的自動/手動運行模式是分開控制的。在手動模式下可以通過手動按下啟動/停止按鈕來控制該子系統中各設備的運行狀態;在自動模式下各個設備會按照預先設定的程序運行。

2.2 ?PLC型號選擇

根據總體控制方案，可將整個污水處理工藝分成5個相對獨立的子系統。由于每個子系統的總I/O點數并不多，因而各個子站選擇256點以下的小型低端PLC即可，但也要兼顧其穩定性。主站需要匯集5個子系統的所有信息，便于能在上位機上進行集中控制管理，因而在主站的PLC選型時應當比子站PLC高一個等級或者至少應當具備主站綜合控制功能，以選擇256點以上的中型中端PLC為宜。

此外，本次設計綜合考慮，只是對各子系統中的一部分設備進行了自動化改造，依舊存在一些外圍的其他工藝未進行改造，因此在PLC選型時應當充分考慮后續改造設計時所需要的硬件配置裕度，尤其是PLC的拓撲結構。在未來改造設計時，需要增加各子系統中所需控制的設備的數量，以及在主站中仍需增加各個子系統之間的聯動控制功能，以此完善整個車間的自動化控制機制，實現真正意義上的集中管理，分散控制。

綜合考慮穩定性、經濟性以及對后續改造過程中所需要的硬件裕度等，主站選用1套S7-300CPU 315-2DP系列，子站選用5套S7-200CPU226系列，組建集散控制系統。S7-300CPU315-2DP為網絡通信中的主站，實現監控、數據匯集、遠程控制，S7-200CPU226為現場端，用來采集現場數據和控制設備。采用這樣的PLC拓撲結構，不僅能夠增強各個子站的運行可靠性，也能增強上位機對所有子站的控制能力。此外，將S7-300CPU315-2DP作為主站，能夠增加遠程I/O模塊直接將采集的冗雜數據傳送給S7-300，由它處理成簡單的數字量結果經通信傳給各個子站，可以減少各個子站的負擔，具有很強的靈活性，并能夠滿足當前以及今后進一步改造的需求，滿足要求。

2.3 ?通信系統建立

西門子PLC提供了多種通信協議，用戶可以根據實際需要，選擇合適的通信協議以滿足PLC之間或者PLC與上位機的數據通信[5]。

PROFIBUS可使分散式數字化控制器從現場層到車間級實現網絡化，其應用范圍豐常廣泛，不僅適用于工業自動化中離散加工，還適用于流程自動化中連續和批處理，而且隨著技術的改進，其應用范圍還在不斷擴大。

由于在本次實施設想中主站選用1套S7-300CPU3 15-2DP系列PLC，子站選用的5套S7- 200CPU226系列PLC，共同構建離散式控制系統，此外在后期改造設計中還需要增加遠程分布式I/O模塊直接采集冗雜數據傳送給主站S7-300進行綜合控制，以增強整個控制系統的控制能力，并結合各種通信協議的特點后決定采用PROFIBUS-DP通信方式。

在該DP通信系統中，通過MPI（CP5611）連接S7-300CPU315-2DP至上位機，S7-200CPU226的EM277模塊通過DP網絡連接進行監控通信，5臺S7-200CPU226分別控制5個子系統，本通信系統中，選用通信波特率為1.5 Mbps，對應的站與站最大通信距離為200 m，加中繼器后可擴展的最遠通信距離為2 000 m[7]，因此本文采用1.5 Mbps波特率外加中繼器可以滿足水凈化車間的改造需求。

3 ?組態王監控系統設計

本節進行監控畫面的設計，根據功能可將監控畫面分為主畫面、子系統畫面、數據功能畫面三類。在主畫面中，能夠監控整個系統的總體運行狀態，并能進行各子系統的運行模式切換，還帶有各類功能菜單。在子系統畫面中，能夠監視該子系統內的運行狀態和設定值的設定，在手動模式下可通過畫面中的手動控制面板手動控制各設備的啟停，但不具有模式切換功能，需返回主畫面進行相應的模式切換。數據功能畫面主要指報表生成系統、歷史報警系統、趨勢曲線等具有數據處理功能的控制界面[8]。

子系統一格柵提升泵系統的監控畫面如圖5所示，其它子系統畫面的結構類似。

報表生成系統畫面如圖6所示，通過報表生成系統，系統管理員可以直接得到各檢測量的重要數據。歷史報警系統畫面如圖7所示。

若系統管理員在定義變量時設置了報警限，那么運行監控系統后，該變量的報警信息會在歷史報警系統內顯示并記錄，系統管理員可以在畫面上方的菜單欄內進行屬性設置，還能拖動右側的滾動條調出某個時間段內的報警記錄，用以數據分析和存檔。為達到環保規范要求，在選擇存儲硬件時必須保證數據可查詢1年以上。

4 ?結 論

本文建立了污水凈化車間總體改造的自控系統拓撲結構和監控系統畫面結構，可在此基礎之上，繼續設計各子系統自動模式下的控制流程和對應的PLC程序，實現老舊污水凈化車間的高度自動化，提高運行效率，同時能有效的保證異常情況時對污水的有效控制，滿足污水達標排放要求[9]。

參考文獻：

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