煉油廢水電催化處理裝置的設計與開發

李 旗，謝陳鑫，錢光磊，任春燕

（中海油天津化工研究設計院有限公司，天津 300131）

0 引言

環保問題是國家始終強調的重點，而水資源污染問題與環保密切相關。石油煉化企業由于行業本身特點，生產工藝與生產流程的特殊性，其產生的廢水中硫化物、酸化物等其他有害物質種類復雜且含油較大[1]。雖然經過隔油、氣浮、生化等環節，但出水化學需氧量（COD）還是很大。為解決該問題，在處理流程中，加入電催化氧化法來降解COD。以西門子PLC 1200 為主控器，配合觸摸屏進行設計，實現手動、自動控制，通過流程工藝程序控制實現各設備的相互動作配合，降低廢水COD，達到排放標準。

1 系統整體工藝設計

由于煉油廢水的B/C 值較低，水中氯離子濃度較高，根據《石油煉制工業污染物排放標準》（GB31570-2015）[2]的規定，若要進一步降低COD值，根據水的特質，因此選用電催化氧化工藝除去COD并提高B/C值。工藝如圖1所示。

電催化氧化的機理主要是通過電極的作用，產生超氧自由基、羥基自由基、活性氯等活動機團來氧化水體中的COD。而電催化的核心就是通過靈活控制交流整流設備對流動污水進行電催化輸出直流電，利用具有電催化活性的稀有貴金屬電極在水中產生電催化氧化作用。由于在電催化反應中產生的氣體，使用軸流風機對其進行強制排風，從而達到稀釋與快速排放的功能。另外系統長時間工作時，反應器中會長生沉淀垢，利用自動定時排放與人工排放相結合的方式對其處理。

由于煉化產水量較大，為了達到相應的處理能力，因此采用4套裝置，通過一個PLC控制系統實現統一控制。

圖1 工藝流程圖

圖2 控制系統組成

自控系統的整體設計以PLC 控制為核心，HMI作為人機交互接口，通過各儀表傳感器信號分析工況狀態，依靠程序邏輯對風機、排污泵、直流柜和電動閥進行控制，實現目標邏輯功能。如圖2所示。

2 硬件組態

2.1 網絡組態設計

自動控制系統主要由PLC與HMI組成，如圖3所示。PLC負責程序控制、數據存儲和邏輯判斷等功能，HMI 實現對裝置的運行狀態、報警歷史、參數設定和手動調節等進行反饋，便于操作者對設備的狀態進行把控。PLC 與HMMI 通過PROFINET 接口實現通信功能，同步域設置為Sync-Domain_1，MBP 域 設 置 為mrpdomain-1。PLC 的IP 地 址 為192.168.0.1，HMI 的IP 地址為192.168.0.2，為了設備運行穩定，且無其他設備網絡訪問要求，因此PLC在硬件組態設定中，關閉WEB服務器功能[3]。

圖3 網絡組態

2.2 硬件選型

利用博途軟件，對控制系統硬件進行組態，如圖4 所示。由于一套控制系統需要對4組電催化組合單元進行控制，信號與控制點數量較多，因此使用PLC 加擴展模塊的方式實現控制功能。博途硬件組態中，對每個模塊選型進行說明。

圖4 控制系統硬件組態

（1）單相電源。型號為SITOP modular，輸入交流120～-230 V，輸出直流24 V，電流范圍0～10 A。

（2）CPU 單元。型號為1214C DC/DC/DC，裝載存儲器容量為4 MB，保持性存儲器容量為10 kB。

（3）通信單元。型號為CB 1241 （RS485），用于modbus通信的通信卡，其安裝在CPU卡槽中。

（4）數字I/O擴展單元。型號為SM 1223與1221，作為光耦隔離輸入輸出模塊，可組態輸入延時。

（5）模擬I/O 擴展單元。型號為SM 1234，輸出0～20 mA，診斷可組態，可選擇頻率抑制與濾波。

3 軟件設計

3.1 PLC程序設計

PLC 程序設計是使用博途V14 軟件編寫，OB 模塊有主程序（main）、啟動程序（startup）與循環中斷程序（Cyclic interrupt），配合其他獨立功能的函數（FC）進行具體邏輯控制。如圖5所示。

圖5 程序組成

具體程序設計，首先對每一個功能建立功能塊（FB）及其數據塊（DB），包括實現功能需要的內部變量與全局變量；其次，對每一個功能塊進行獨立編程，實現各功能獨立，在組織塊（OB1）中用對應的指令調用各功能塊，從而提高CPU的執行效率，便于后期調試與二次功能改進[4]。

總體PLC程序設計主要分3個部分：手動模式部分，自動模式部分，待機部分。

3.1.1 手動模式部分

手動模式即各執行設備，諸如泵、風機、直流柜等設備的手動啟停，其運行條件僅受系統急停狀態與設備自身故障制約，而不因其他控制邏輯所影響。該模式多用于安裝初期調試，設備維修等場合。

3.1.2 自動模式部分

自動模式部分作為程序的主要部分，實現系統根據各輸入信號反饋，進行邏輯分析與判斷，并對控制設備進行合理操作的功能。這里使用了模塊化編程的思想，面向對象進行編程[5]，下面對幾個主要的邏輯控制進行闡述。

（1）系統急停邏輯。作為保障整個系統運行穩定的關鍵部分，監控各儀表設備的運行狀況，當發生緊急情況時，系統進入急停狀態，此狀態下系統控制的任何設備都處于關閉狀態，同時在觸摸屏上限制相關信息，并通過modbus將該信息發送給DCS。涉及到的緊急情況主要包括控制柜的急停按鈕被按下，儀表測量數值超過預設的正常范圍區間，關鍵的設備出現故障（如過熱保護與過載保護），以及因為外部原因導致緊急關斷信號被觸發等。

（2）電催化邏輯。煉油廢水進入系統后，通過流量傳感的流量反饋進行比較，當達到預設值范圍時，直流柜與風機同時工作，直流柜負責輸出直流電到電催化反應極板，風機負責將電催化過程中產生的氣體進行稀釋與排放功能。

（3）催化電極自動換相邏輯。固定在反應器中的電極板，由于長時間加直流電進行電催化反應，會在極板上產生垢，這就需要定期對電極板的正負極進行換相，從而實現脫垢的功能。具體換相邏輯：直流柜自動運行時進行系統內部計時，當該計時達到預設時間時，直流柜暫停輸出，延時一段時間（可設定，通常為1 min），PLC的換相輸出點動作，將信號傳遞給直流柜，直流柜的換相接觸器動作，當動作經傳感器檢測可靠完成后，直流柜恢復輸出，系統國內部計時清零并重新計時。

（4）廢渣自動排放邏輯。通過電極自動換相邏輯而分離出的污垢，經一段時間沉淀后，會堆積在反應器底部，這就需要定時對其進行排垢，否則會嚴重影響電催化反應效率甚至造成管線堵塞。排放流程：系統工作時間達到預設計時，位于反應器底部的電動閥打開，當PLC 獲得電動閥打開反饋后，排放泵運行，持續一段時間后，排放泵與電動閥關閉。自動模式下的主要運行邏輯如圖6所示。

圖6 自動邏輯組成與實現

3.1.3 待機部分

電催化裝置系統在運行過程中雖然會通過廢渣自動排放邏輯進行自我清理，但長時間運行后仍然會產生在電極板上無法脫落的污垢。因此設備需要定期停機進行電極板清洗工作。由于反應器密封，無法直接對電極板進行人工清理，因此需要在待機模式下通過自動清洗邏輯，向反應器中加入清洗藥劑進行維護工作。清洗流程為將電動閥關閉，藥劑泵將清洗藥劑注入反應器中進行浸泡預設時間，然后沖洗，作為一個周期，一次清洗需要若干個浸泡與沖洗的循環周期，其中浸泡時間與沖洗時間均可人工設定。往往一套完整的清洗流程用時較長，HMI 將各種清洗參數顯示出來，這樣有利于定期巡檢人員可觀察到當前的清洗狀態。

3.2 HMI程序設計

HMI 采用西門子精簡觸摸屏TP1200，通過博途軟件來組態，實現操作和監視PLC的功能[6]。觸摸屏設計主要分為流程顯示、參數設定、故障反饋、數據記錄以及藥劑清洗界面。具體如下。

（1）流程顯示。如圖7 所示作為主要運行界面，直觀反饋系統運行狀態。

圖7 流程畫面

（2）參數設定。儀表校準，為對不同儀表的信號值進行整定，方便儀表更換后的校準工作；自控邏輯的相關參數主要有直流柜的輸出幅值、換相時間設定、排渣邏輯的時間設定相關參數。

（3）故障反饋。將PLC 中產生的各種非正常現象通過對應的ID號反饋在界面上，如圖8所示。

圖8 告警設定頁面

圖9 數據趨勢畫面

（4）數據記錄。作為藥劑清洗的依據，通過觀察直流柜的輸出電流、電壓值，了解電極板的運行情況，從而合理安排藥劑清洗電極板。如圖9所示。

（5）藥劑清洗。如圖10所示，4套電極板分為2組，每次系統運行只啟動一組，另一座可熱備或者進行清洗操作，這樣不會影響日常的電催化流程。

圖10 清洗畫面

4 通信設計

通過安裝在PLC上的板載通信模塊，實現modbus通信[7]。在main 程序中，添加MB_COMM_LOAD 功能塊對其初始化，然后通過添加MB_SLAVE 作為從機模式相應主機對其的指令。如圖11 所示。這里端口275 為PLC 硬件組態時對擴展端口的指定，波特率設定為9 600，無奇偶校驗。將PLC內部存儲器M2000 開始的100 個字作為映射地址（例如40001 對應的MB2000），這100 個字集成了系統內所有的狀態，便于DCS讀取。

圖11 modus設定

5 結束語

本裝置在西門子博途編程平臺下完成了基于Profinet[8]連接的觸摸屏與PLC，通過IO 接口對執行元件進行互聯，智能、高效地對生活污水進行電催化處理，從而有效降低污水中的化學需氧量（COD）。通過實際運行可證明，該生活污水自動處理裝置高效、可靠地實現煉化污水的處理任務，達到排放要求，功能完整，該設備易于操作維護、運行穩定，已在多個煉化廠中推廣使用。