煤礦污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計

付 強

（山西焦煤汾西礦業(yè)水峪煤業(yè)，山西 孝義 032302）

引言

本文以某煤礦污水處理為背景，分析了污水處理工藝，設(shè)計了污水處理控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，編寫了基于西門子PLC 的下位機控制程序，開發(fā)了基于WinCC 的上位機監(jiān)控軟件，系統(tǒng)預(yù)想結(jié)果表明所設(shè)計的系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。

1 工業(yè)污水處理工藝及控制要求

1.1 污水處理工藝流程

某煤礦污水處理站，設(shè)計日污水處理能力為20 000 m3，其中3/4 是工業(yè)廢水，1/4 為生活污水。廢水處理流程包括一、二、三級處理，前期處理時生產(chǎn)廢水和生活污水使用各自的處理管道。主要處理流程依次為：格柵渠道、沉砂池、格柵調(diào)節(jié)池、泵提升、絮凝沉淀池、曝氣生物濾池、氣水反沖洗濾池、部分水水泵提升、深度處理車間、回用水池。深度處理車間處理工藝依次為：部分凈化水、保安過濾器、超濾裝置、超濾產(chǎn)水池、水泵提升、保安過濾器、反滲透裝置、反滲透產(chǎn)水池、回用水池。

1.2 設(shè)備控制要求

1.2.1 生活污水格柵渠道控制要求

固液分離機既可根據(jù)前后液位差控制，也可根據(jù)時間控制運行，由PLC 自動控制開停。固液分離機起始狀態(tài)為停止，當(dāng)連續(xù)停止運行時間超過30 min 或前后的液位差超過0.15 m 時，固液分離機開始工作，每次連續(xù)工作10 min，自動停止。進水配水井液位在最高水位和最低水位時報警[1-2]。

1.2.2 生產(chǎn)廢水格柵調(diào)節(jié)池控制要求

在進入格柵井的總管上設(shè)流量計，流量信號送至加藥間濃硫酸投加系統(tǒng)的控制箱。調(diào)節(jié)池泵坑內(nèi)設(shè)有pH 儀，實時監(jiān)視pH 值，當(dāng)pH 值超過9.5 時，發(fā)出聲光報警。當(dāng)調(diào)節(jié)池內(nèi)液位低于停泵水位-4.1 m時，所有水泵停止運行。根據(jù)調(diào)節(jié)池的水位自動控制運行。當(dāng)水位位于停泵水位和低水位之間時，水泵按設(shè)定頻率50 Hz 運行，當(dāng)水位位于低水位和正常水位之間時，水泵按設(shè)定頻率45 Hz 運行；當(dāng)水位高于正常水位時，水泵按40 Hz 頻率運行。當(dāng)調(diào)節(jié)池液位達到-0.5 m 時，發(fā)出聲光報警。潛水泵出水總管流量計工作流量的范圍為0～620 m3/h，當(dāng)流量超過640 m3/h 時觸發(fā)報警。

1.2.3 生產(chǎn)廢水絮凝沉淀池控制要求

絮凝沉淀池內(nèi)有6 臺攪拌機，在2 個絮凝沉淀池設(shè)有液位計，在最高水位2.75 m 時觸發(fā)聲光報警。池內(nèi)設(shè)有移動吸泥刮渣機1 套，包括刮泥機1 臺，吸泥泵2 臺，設(shè)備自帶現(xiàn)場控制箱，控制箱留有與主控室相接的PLC 接口，在啟動情況下吸泥車可在沉淀池上自動來回行走運行，正常情況下吸泥車間隔2 h自動啟動運行1 次，每次運行30 min。

1.2.4 生產(chǎn)廢水提升泵池控制要求

泵池內(nèi)設(shè)1 臺液位計，用于控制水泵的啟停。提升泵池內(nèi)設(shè)定停泵水位、啟泵水位、正常水位、最高水位和報警水位分別為-2.9 m、-2.4 m、-1.5 m、-0.5 m和-0.2 m，以上5 個數(shù)值在計算機上手動可調(diào)。當(dāng)水泵位于停泵水位和正常水位之間時，1 臺水泵運行；當(dāng)水位位于正常水位和最高水位之間時，2 臺水泵運行；PLC 自動累加計算每臺水泵的啟動時間。當(dāng)水位超過報警水位時，中控室計算機發(fā)出聲光報警，當(dāng)水位持續(xù)升高，3 臺水泵同時進入工作狀態(tài)。

1.2.5 鼓風(fēng)機房控制要求

鼓風(fēng)機房內(nèi)有9 臺羅茨風(fēng)機，每3 臺為一組，均設(shè)有就地控制和遠程控制。1 號風(fēng)機組的遠程控制設(shè)在氣水反沖洗濾池內(nèi)，氣水反沖洗濾池不允許遠程控制。2 號風(fēng)機組遠程控制設(shè)在曝氣生物濾池內(nèi)，3號風(fēng)機組為生產(chǎn)廢水格柵調(diào)節(jié)池提供壓縮空氣。

1.2.6 回用水泵房控制要求

回用水泵房設(shè)有9 臺水泵，每3 臺為一組，均設(shè)有就地控制和遠程控制。水泵與電動蝶閥實現(xiàn)聯(lián)鎖，開泵則開閥，關(guān)泵則關(guān)閥。在三組水泵所在的水池均設(shè)有液位計，3 號水泵出水總管內(nèi)設(shè)有余氯儀。另在1 號、2 號、3 號出水總管和濾池出水口設(shè)置4 臺流量計。1 號泵組所在的反沖洗水池設(shè)有液位計，在井口水平線以下0.3 m 高水位時報警，井口水平線以下1.8 m 低水位時報警并自動停泵，水位低于井口水平線以下0.5 m 時，限制濾池反沖洗程序不得啟動。2 號泵組將水送往深度處理車間，泵組所在水池液位到達井口水平線以下0.3 m 高液位時發(fā)出報警，液位為井口水平線以下4.6 m 時為低液位報警，并自動停泵。當(dāng)深度處理車間UF 原水池水位到達最高報警水位時，2 號泵組停止工作。3 號泵組將凈化水送至回用水池。回用水泵房里設(shè)有消毒間，NaClO 儲池內(nèi)設(shè)有液位計，消毒液高、低報警液位分別為2.0 m 和0.7 m。

1.2.7 污水二次提升泵房控制要求

二次提升泵房內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)鼓格柵除污機2 臺，無軸式螺旋輸送機1 臺，潛污泵3 臺，電動單軌吊車1臺。儀表配置為超聲波液位計1 個。每臺水泵均帶有自身監(jiān)控系統(tǒng)，包括漏水監(jiān)控、漏油監(jiān)控、過熱監(jiān)控等。當(dāng)任何一種保護信號發(fā)出時，需自動停泵，計算機報警并記錄故障。當(dāng)前面調(diào)節(jié)池內(nèi)pH/T 組合測定儀測得pH 值超過9 或低于6，或池內(nèi)溫度連續(xù)30 min 超過360 ℃時，泵房水池內(nèi)水泵停止運行。

2 污水處理控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 上位機硬件配置

根據(jù)工藝流程、生產(chǎn)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)組成、控制點數(shù)配置控制系統(tǒng)的硬件組成，控制系統(tǒng)的硬件主要包括工控機、下位機PLC、電氣控制柜、通訊設(shè)備、UPS及現(xiàn)場儀表。企業(yè)管理級包括工程師站及企業(yè)決策層，單元級為操作員站，現(xiàn)場級包括各PLC 主站及其從站，現(xiàn)場級還包括現(xiàn)場智能儀表及設(shè)備。管理級和單元級屬于工業(yè)以太網(wǎng)，單元級和現(xiàn)場級構(gòu)成了Profibus-DP 網(wǎng)絡(luò)，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

控制系統(tǒng)上位計算機選用DiggCom 工控機，在工程師站配置兩臺DiggCom 工控機，一臺用來組態(tài)上位機，另一臺用來運行組態(tài)界面。為鼓風(fēng)機房操作員站配置一臺DiggCom 工控機。

2.2 下位機硬件配置

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)需要設(shè)置650 個控制點數(shù)，其中數(shù)字量輸入420 點，數(shù)字量輸出100 點，模擬量輸入90點，模擬量輸出40 點。另外系統(tǒng)控制點數(shù)需要留有15%的余量，按照這一思路，結(jié)合實際現(xiàn)場布置PLC主站和各分站位置，并為主站和各分站分配模塊。PLC 系統(tǒng)有一個主站，帶有五個ET200 M從站。CPU及從站1 設(shè)置在鼓風(fēng)機房操作間，控制附近反沖洗車間、深度處理車間、回用水泵房、污泥脫水間、濃縮池車間的設(shè)備。從站2 和從站3 位于加藥間旁電氣室內(nèi)，控制附近格柵渠道、絮凝沉淀池、加藥間、提升泵池的設(shè)備。從站4 和從站5 位于曝氣生物濾池旁的電氣室內(nèi)，控制二次提升泵池的設(shè)備，各分站均留有冗余控制點數(shù)。

控制系統(tǒng)下位機選用西門子S7-300 系列PLC，電源模塊選用PS 307 10A，CPU 選用CPU 317-2 DP，以太網(wǎng)通訊卡選用CP343-1。

2.3 控制系統(tǒng)通訊設(shè)備

工控機和PLC 之間通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊，通信協(xié)議為TCP/IP。工程師站和操作員站距離超過了100 m，通訊介質(zhì)使用普通雙絞線不能保證信息的安全準(zhǔn)確傳遞，因此使用光纖作為工業(yè)以太網(wǎng)通訊介質(zhì)，距離在100 m 內(nèi)使用雙絞線作為工業(yè)以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)。工控機使用網(wǎng)卡連接以太網(wǎng)，PLC 使用CP343-1 連接以太網(wǎng)，工業(yè)以太網(wǎng)交換設(shè)備選用菲尼克斯工業(yè)交換機，該交換機具有2 個光口和6 個電口，分別用來連接光纖和雙絞線。PLC 主站和ET200M分站之間通過Profibus-DP 總線連接。現(xiàn)場儀表通過4～20 mA 信號線與PLC 的I/O 口連接。

2.4 現(xiàn)場儀表

污水處理使用了30 多個現(xiàn)場儀表，其中壓力變送器選用威爾泰V15753-HDEAGE 型，一體化超聲波液位計選用愛肯卓M2C 型，一體化雷達液位計選用愛肯卓VG74 型，耐震壓力表選用上海中冶橫天的MT-YNC-100B 型，流量傳感器選用威爾泰XE-DE 型，就/T 組合測定儀選用橫河PH450G/Z型，余氯儀選用哈希公司的9184SC 型。

3 生活污水處理系統(tǒng)的軟件設(shè)計

生活污水處理自動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括上位機監(jiān)控軟件設(shè)計和下位機軟件設(shè)計。系統(tǒng)要對整個工藝流程進行實時監(jiān)測，確保系統(tǒng)高效率運作，減少事故的發(fā)生，達到潔污減排的目的，并且使排放量符合國家標(biāo)準(zhǔn)[3-5]。

3.1 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件采用WinCC 進行設(shè)計，系統(tǒng)在運行過程中，WinCC 通過驅(qū)動程序和外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)/指令。每一個驅(qū)動程序都是一個COM 對象，這種方式使通訊程序和WinCC 構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。上位機監(jiān)控軟件主要由七部分組成，具體包括監(jiān)控系統(tǒng)總圖、系統(tǒng)的動態(tài)工藝流程圖、各設(shè)備的運行參數(shù)圖、手動/自動操作畫面、歷史曲線查詢、報警記錄顯示表和系統(tǒng)自診斷圖，其組成如圖2 所示。

圖2 監(jiān)控畫面的組成

3.2 下位機軟件設(shè)計

下位機的軟件以PLC 為主控制器，主要是對粗格柵系統(tǒng)、細格柵系統(tǒng)、提升泵以及沉淀池系統(tǒng)進行控制。整個操作系統(tǒng)具有手動操作和自動操作兩個操作模式。

在手動模式下，操作員可以對各設(shè)備進行單獨操作，手動操作模式如圖3 所示。在此模式下主要是控制粗格柵系統(tǒng)、提升泵系統(tǒng)、細格柵系統(tǒng)、沉淀池系統(tǒng)以及生化處理系統(tǒng)。

圖3 手動操作模式結(jié)構(gòu)圖

圖4 自動操作模式結(jié)構(gòu)圖

在自動模式下，系統(tǒng)按照設(shè)定程序運行，就可以完成整個工藝。自動操作模式結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示，自動控制模式下，整個系統(tǒng)又可以分為各個子系統(tǒng)，本文設(shè)計的污水處理系統(tǒng)的子系統(tǒng)包括：粗格柵系統(tǒng)、提升泵系統(tǒng)、細格柵系統(tǒng)、沉淀池系統(tǒng)和生化處理系統(tǒng)。5 個子系統(tǒng)相互配合，共同維持整個系統(tǒng)的運行。

下面以粗格柵系統(tǒng)的軟件設(shè)計為例進行介紹。污水通過進水管直接進入粗格柵間，而粗格柵系統(tǒng)主要就是通過判斷液位差的大小來控制相應(yīng)設(shè)備的運行，從而粗略地過把污水中較大的雜質(zhì)過濾掉。

如圖5 所示。首先確定控制模式處于自動操作模式，然后判斷液位差的大小，若液位差小于0.2 m，則開啟一號格柵除污機，再開啟壓榨機，本系統(tǒng)中格柵機和壓榨機采用聯(lián)動模式。延時30 s 后開啟柵渣輸送機，將過濾出來的柵渣外運。若液位差在0.2～0.4 m之間，則開啟二號格柵除污機。若液位差大于0.4 m，則說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，應(yīng)采取報警措施，并關(guān)閉進水槽，對設(shè)備進行保護[6-9]。

圖5 粗格柵系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)語

根據(jù)煤礦污水處理工藝流程，設(shè)計了一套污水處理控制系統(tǒng)。上位機采用了西門子公司的WinCC 6.2 組態(tài)軟件，下位機使用西門子可編程邏輯控制器S7-300PLC，并根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模，確定了工控機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等控制系統(tǒng)所需的其他軟硬件。控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，現(xiàn)場調(diào)試及試運行表明，上位機人機界面友好，污水處理系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到了預(yù)期的研究和設(shè)計目的。