凈化廢水處理加藥自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘凌鋒

摘要：南堿石灰車間凈化配藥崗位目前加藥過(guò)程為人工控制，為提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度，本文敘述了南堿公司凈化加藥機(jī)全自動(dòng)加藥系統(tǒng)總體解決方案，取用過(guò)程控制技術(shù)，對(duì)原有加藥控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，基于PLC和變頻器加上觸摸屏的控制設(shè)備，根據(jù)設(shè)定的藥液濃度不同要求，對(duì)所加水及藥物（PAM凝絮劑）的藥量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，靈活制備不同濃度的藥液，滿足純堿化工生產(chǎn)流程的廢液處理要求。

關(guān)鍵詞：PLC 變頻器 ；PAM加藥；單閉環(huán)比值控制

一、設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)上集成PLC加矢量變頻器和觸摸屏組成單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。PLC編程PID算法控制變頻器，并與觸摸屏通訊，通過(guò)檢測(cè)供水流量計(jì)的4至20毫安電流信號(hào)，算出供水質(zhì)量，通過(guò)確定變頻器運(yùn)行頻率與螺旋下料機(jī)下藥量的線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)供藥量跟蹤供水量與的閉環(huán)控制。得到生產(chǎn)要求的各種藥液濃度。

單閉環(huán)比值控制在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有著廣泛的應(yīng)用。在生產(chǎn)過(guò)程中，凡是將兩種或兩種以上的物料量自動(dòng)地保持一定比例關(guān)系的控制系統(tǒng)，就稱為比值控制系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)態(tài)誤差小、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。在生產(chǎn)過(guò)程中，為確保主、副物料流量間的實(shí)際比值不變，設(shè)計(jì)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，它是在開(kāi)環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)副物料流量閉環(huán)控制回路。

單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，能滿足主、副流量的工藝比值要求，即Q2/Q1=K，當(dāng)主流量Q1不變，而副流量Q2受到擾動(dòng)時(shí)，則可通過(guò)副流量的閉合回路進(jìn)行定值控制。當(dāng)主流量Q1受到擾動(dòng)時(shí)，W1（S）則按預(yù)行設(shè)置好的比值使輸出成比例變化，即改變Q2給定值，W2（S）根據(jù)給定值的變化，發(fā)出控制命令，以改變調(diào)節(jié)變頻器WV（S）的調(diào)節(jié)度，使副流量Q2跟隨主流量Q1而變化，從而保證原設(shè)定的比值不變。當(dāng)主、副流量同時(shí)受到擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器W2（S）在克服副流量擾動(dòng)的同時(shí)，又根據(jù)新的給定值，改節(jié)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)度，使主、副浪量在新的流量數(shù)值的基礎(chǔ)上，保持其原設(shè)定值的比值關(guān)第?？梢?jiàn)，該系統(tǒng)能確保主、副兩個(gè)流量的比值不變。同時(shí)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)又較簡(jiǎn)單，工作可靠性很高。

二、 總體方案設(shè)計(jì)

本題研究對(duì)象是純堿生產(chǎn)中的加藥設(shè)備對(duì)加藥濃度進(jìn)行定比值控制，化工生產(chǎn)是長(zhǎng)周期連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)，對(duì)加藥機(jī)的工作穩(wěn)定和可靠性有較高的要求，因此在設(shè)計(jì)上要有雙機(jī)冗余功能，附屬設(shè)備中的加壓水泵，攪拌機(jī)，排藥泵要設(shè)備雙機(jī)冗余，十二小時(shí)輪換工作的方式，便于設(shè)備的檢修和故障狀態(tài)的的及時(shí)切換。對(duì)重要電機(jī)設(shè)備設(shè)置短路、缺相、過(guò)載、液面位置檢測(cè)等保護(hù)裝置，具備系統(tǒng)故障自動(dòng)報(bào)警功能。

（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)思路，確定該系統(tǒng)總體框圖。該系統(tǒng)由以下幾部份組成：

1、水泵電機(jī)，水流量計(jì)，進(jìn)水電磁閥、液位檢測(cè)開(kāi)關(guān)組成給水部分。

2、變頻器，螺旋給料電機(jī)，加熱器，攪拌電機(jī)組成加藥部分。

3、出藥泵，出藥流量計(jì)組成藥液外送及計(jì)量部分。

4、觸摸屏，PLC，變頻器組成自動(dòng)控制及單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。

加藥系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）1臺(tái)、3臺(tái)變頻器、2臺(tái)水泵、2臺(tái)藥泵、6個(gè)液位控制開(kāi)關(guān)、兩個(gè)流量計(jì)、及控制柜等組成。本系統(tǒng)采用1臺(tái)變頻器拖動(dòng)加藥螺旋輸送機(jī)進(jìn)行調(diào)速加料。2臺(tái)出藥泵也各由一臺(tái)變頻控制，以調(diào)整生產(chǎn)系統(tǒng)的加藥流量。其中兩臺(tái)水泵和兩臺(tái)變頻藥泵采用12小時(shí)循環(huán)使用的方式運(yùn)行。PLC內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器控制變頻器對(duì)加料變頻器進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，在小范圍上控制供藥的流量。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)上水泵電機(jī)、藥泵電機(jī)雙用雙機(jī)冗余的方式工作，設(shè)計(jì)上同時(shí)具備手動(dòng)、自動(dòng)控制方式結(jié)合，更能使生產(chǎn)不受影響。設(shè)置在配藥槽、熟化槽、儲(chǔ)存槽中的液位控制器對(duì)各液面進(jìn)行檢測(cè)反饋，自動(dòng)控制著設(shè)備的運(yùn)行及停機(jī)。

充分利用了高性能變頻器的卓越控制能力，藥劑流量計(jì)量系統(tǒng)取用PLC軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)，用實(shí)驗(yàn)的方式找到變頻器運(yùn)行頻率與螺旋給料器下藥流量存在的性線關(guān)系，減小分析儀表的投入，既較好地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)又能節(jié)約設(shè)備成本，減少調(diào)試、維修工作量。

PLC與觸摸屏通信時(shí)，通過(guò)自由口方式，使用通訊電纜連接，在觸摸屏上組態(tài)各各控制按鈕，工作時(shí)由PLC讀取，大量簡(jiǎn)化了電氣控制系統(tǒng)外圍元線及其接線，故障率大幅下降。

通過(guò)PLC對(duì)流量計(jì)的信號(hào)處理，可在屏觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示瞬時(shí)流量及累計(jì)流量，利于進(jìn)行精益生產(chǎn)管理。

三、程序設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，PLC程序設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是接受外部液位開(kāi)關(guān)信號(hào)的輸入，根據(jù)水流量按設(shè)定的濃度改變比值器的K值，控制下藥變頻器的運(yùn)行頻率，對(duì)輸出頻率信號(hào)進(jìn)行取樣實(shí)行PID調(diào)節(jié)控制。同時(shí)與屏摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)時(shí)顯示各種設(shè)備的工作狀態(tài)及報(bào)警信號(hào)，PLC控制器采用西門(mén)子公司的S7-200系列的CPU224XP。

在系統(tǒng)開(kāi)始工作的時(shí)候，先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即在開(kāi)始啟動(dòng)的時(shí)候，先對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部分的當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)測(cè)，如出錯(cuò)則報(bào)警，接著對(duì)模擬量數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理，賦予一定的值。

四、人機(jī)界面組態(tài)

WinCC flexible是德國(guó)西門(mén)子（SIEMENS）公司工業(yè)全集成自動(dòng)化（TIA）的子產(chǎn)品，是一款面向機(jī)器的自動(dòng)化概念的HMI（觸摸屏）組態(tài)軟件。WinCC flexible 用于組態(tài)用戶界面以操作和監(jiān)視機(jī)器與設(shè)備，提供了對(duì)面向解決方案概念的組態(tài)任務(wù)的支持。內(nèi)置通用的應(yīng)用程序，可以集成到所有自動(dòng)化解決方案，內(nèi)置所有操作和管理功能，可簡(jiǎn)單、有效地進(jìn)行組態(tài)；

提高可持續(xù)發(fā)展能力，實(shí)現(xiàn)純堿生產(chǎn)行業(yè)的零排放，是純堿生產(chǎn)行業(yè)的必由之路，

本論文為解決純堿生產(chǎn)行業(yè)廢液處理的實(shí)際問(wèn)題，論證了一體化加藥設(shè)備的整體設(shè)計(jì)方案。涉及了控制系統(tǒng)可行性論證，系統(tǒng)控制方法及理論依據(jù)，對(duì)系統(tǒng)硬件選型、參數(shù)調(diào)整及系統(tǒng)軟件編程，設(shè)備的選擇及調(diào)試等進(jìn)行了詳細(xì)的分析與研究；并對(duì)本文設(shè)計(jì)重點(diǎn)—藥液濃度按給定值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的問(wèn)題，提出分析及其合理的解決方案。應(yīng)用上述研究理論，設(shè)計(jì)的單閉環(huán)定值比例加藥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、調(diào)整方便，減少設(shè)備維護(hù)檢修工作量。節(jié)能降耗，提高生產(chǎn)效率。