基于dsPIC4013單片機的污水處理測控系統(tǒng)

張萍 （長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州434023）

譚蓮香 （四機賽瓦石油鉆采設(shè)備有限公司，湖北 荊州434024）

隨著海上油田開發(fā)的深入，原油含水率上升，在開發(fā)過程中產(chǎn)生大量的采油污水，污水中含有油、懸浮物及有機物等污染物，直接排放會對海洋環(huán)境造成重大污染［1］。海上CEP平臺空間較小，承重能力有限，需要結(jié)構(gòu)緊湊、處理效率高、出水水質(zhì)好的污水處理工藝［2］，陸上油田的一些成熟的污水處理工藝無法直接應(yīng)用［3］。油田常用的采油污水處理方法可歸納為物理法、化學(xué)法和生化法等幾大類［4］。但每種方法都有其局限性，受污水成分、原油存在形式、回收利用程度以及排放方式等多種因素的影響，使用單一的處理方法，難以達到滿意的效果［5］。為此，筆者介紹一套結(jié)合電化學(xué)、物理過濾、化學(xué)藥劑反應(yīng)等多級污水處理工藝的測控系統(tǒng)。

1 污水處理工藝流程

含聚污水處理工藝主要由污水槽、旋流混合罐、電化學(xué)除油罐、斜管除油罐、污油槽、濾前水槽和過濾器組成［6］。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工藝流程圖

污水在污水槽中加熱和攪拌之后被提升泵打到混合罐中與藥劑反應(yīng)，然后經(jīng)過電化學(xué)除油罐和斜管除油罐除油后到濾前水槽緩沖，再通過增壓泵打到過濾器中進行過濾，最后裝入塑料桶。為了增加工藝處理的靈活設(shè)置，過濾器可以單獨使用，也可以串聯(lián)并聯(lián)使用［7］。

2 測控系統(tǒng)方案

含聚污水處理裝置測控系統(tǒng)包括上位機 （PC機）、控制器、電氣柜、現(xiàn)場的一次儀表和執(zhí)行機構(gòu)。上位機主要提供人機交互界面以及數(shù)據(jù)處理等，包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示、儀表狀態(tài)顯示、過程控制參數(shù)設(shè)定、控制操作界面、工藝參數(shù)保存、查詢與報表輸出等?？刂破魍瓿蓪ΜF(xiàn)場設(shè)備的信號采集、控制命令的執(zhí)行與反饋等。上位機和控制器之間進行數(shù)據(jù)傳輸，相互協(xié)調(diào)，完成整個自動測控功能。電氣柜給現(xiàn)場的執(zhí)行機構(gòu)提供動力。測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3 控制方法

圖2 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)工藝要求系統(tǒng)有4個關(guān)鍵參數(shù)控制點：溫度控制 （污水槽溫度要求保持在65℃ （±5℃））、加藥控制 （添加的藥劑量與實際污水的量成比例關(guān)系，所以需要根據(jù)提升泵實際來水量控制加藥的量）、電化學(xué)罐液位控制 （為確保電化學(xué)除油效果，電化學(xué)罐工作液位要求控制在80%～－85%，除渣液位控制在96%）、斜管除油罐液位控制 （為確保斜管除油效果，斜管罐工作液位要求控制在85%～－90%，除渣液位控制在96%）。

根據(jù)測控要求，筆者設(shè)計了4個控制點的控制系統(tǒng)。

3.1 溫度控制

通過實時在線檢測污水槽溫度來實現(xiàn)對電加熱棒的控制。從圖3可知，實際溫度跟設(shè)定溫度的差值，經(jīng)過相應(yīng)的控制算法后，通過控制固態(tài)繼電器的占空度 （PWM）來控制電加熱棒有效功率，實現(xiàn)對電加熱爐的實際溫度控制。

圖3 溫度控制原理框圖

3.2 加藥控制

加藥控制原理框圖如圖4所示，加藥控制是通過比值控制和閉環(huán)控制共同作用的，藥劑給定流量是通過提升泵流量和藥劑濃度比值計算得出，再通過一個閉環(huán)控制來控制實際加藥量。

圖4 加藥控制原理框圖

3.3 電化學(xué)除油罐液位控制

電化學(xué)除油罐的工作液位主要受提升泵流量的影響，提升泵流量還影響著加藥的流量。提升泵的流量既要保證流程的相對穩(wěn)定，滿足污水處理的工藝要求；又要保證電化學(xué)除油罐的液位在一定范圍內(nèi)波動，因此其控制算法采用智能控制算法。在確保液位控制在85%～95%時，工藝流程流量相對穩(wěn)定。其控制原理如圖5所示。

圖5 電化學(xué)除油罐液位控制原理框圖

3.4 斜管除油罐液位控制

斜管除油罐進口流量Q0不受控制，由于濾前水槽是封閉的，它的出口流量Q1就受增壓泵的控制。Q0作為一個可測不可控的干擾量，筆者采用前饋加反饋的控制方法，在進口流量發(fā)生變化時及時改變出口流量來消除干擾，盡可能的做到除油罐液位變化較小。其具體控制原理如圖6所示。

圖6 斜管除油罐液位控制原理框圖

4 控制器的硬件設(shè)計

控制器主要完成污水處理工藝參數(shù)的實時在線檢測與控制，并與上位機進行數(shù)據(jù)通訊。數(shù)據(jù)通訊采用RS232通信接口協(xié)議。模擬量輸入（AI）共需要采集10路數(shù)據(jù)，分別是：污水槽液位、電化學(xué)除油罐液位、斜管除油罐液位、濾前水槽液位、污水槽溫度、提升泵壓力、過濾增壓泵壓力、反沖洗泵壓力、提升泵流量、強力攪拌器轉(zhuǎn)速。模擬量輸出（AO）共有4路輸出，分別是電加熱爐、提升泵、加藥泵、增壓泵控制輸出信號 （見圖7）。

圖7 硬件電路結(jié)構(gòu)圖

5 測控軟件設(shè)計

5.1 上位機監(jiān)控軟件

上位機軟件采用VB語言編寫，一方面需要提供友好的人機操作界面，另一方面完成相應(yīng)數(shù)據(jù)處理等任務(wù)，監(jiān)控軟件采用模塊化程序設(shè)計。其監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖8 上位機系監(jiān)控系統(tǒng)界面

5.2 下位機測控軟件

測控系統(tǒng)軟件用C語言編寫，在PIC單片機通用集成開發(fā)環(huán)境MPLAB下完成。程序編寫采用模塊化設(shè)計方法，程序結(jié)構(gòu)是由一個死循環(huán)中的內(nèi)容作為主程序，并由若干功能模塊及中斷程序組成。下位機測控軟件結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 下位機測控軟件結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié)語

基于dsPIC4013單片機設(shè)計了含聚污水處理測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)通過中海油現(xiàn)場驗收，在之后的生產(chǎn)現(xiàn)場使用中，很好的滿足對現(xiàn)場工況的監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、控制和數(shù)據(jù)存儲，表現(xiàn)出高可靠性，抗干擾能力強，符合海上平臺污水處理裝置設(shè)計要求，具有較好的實用價值。

［1］ 延磊，任春雷 .海上油田海水注入系統(tǒng) ［J］.油氣儲運，2010，29（3）：215－217.

［2］ 馬寶東，陳曉彥，張本艷 .聚合物驅(qū)新型污水處理劑的研制和應(yīng)用 ［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2005，12（5）：70－72.

［3］ 王增林，祝威 .勝利油區(qū)含聚合物采出液處理技術(shù) ［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2008，15（1）：92－94.

［4］ 王增林，祝威，勝利油區(qū)含聚合物采出液處理技術(shù) ［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2008，15（1）：92－94.

［5］ 杜春安，潘永強，吳曉玲，等 .海上油田污水處理技術(shù)研究進 ［J］.化工進展，2012，31（5）：1149－1153.

［6］ 劉濤，包木太，李希明 .油田污水處理工藝中COD的去除研究進展 ［J］.化工進展，2009，28（11）：2035－2039.

［7］ 王藝，陳雷 .規(guī)整聚結(jié)除油工藝的應(yīng)用 ［J］.給水排水，2005，31（10）：52－53.