鋼鐵廠污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用

喬 鵬

(1.太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省自動(dòng)化研究所，山西 太原 030012)

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鋼鐵廠污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用

喬 鵬1，2

(1.太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省自動(dòng)化研究所，山西 太原 030012)

主要結(jié)合山西某鋼鐵廠400 t/h超濾反滲透污水處理系統(tǒng)的實(shí)際情況，介紹了污水處理系統(tǒng)的工藝流程及自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展做了展望。

污水處理；超濾；反滲透；自動(dòng)控制

近年，作為環(huán)保行業(yè)重要支柱的污水、廢水處理行業(yè)在我國(guó)蓬勃發(fā)展，污水處理廠建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、管理等方面技術(shù)得到極大改進(jìn)。其中，自動(dòng)化控制系統(tǒng)作為運(yùn)營(yíng)管理的重要組成部分也越來(lái)越得到重視。伴隨著行業(yè)監(jiān)管的加強(qiáng)、人工成本的大幅度上升和企業(yè)自身盈利的需要，污水處理自動(dòng)化、信息化及智能化技術(shù)的發(fā)展空間被打開(kāi)。本文就某鋼鐵廠廢水深度處理工藝流程及自動(dòng)化控制系統(tǒng)做簡(jiǎn)單分析與介紹。該項(xiàng)目為400 t/h超濾反滲透廢水處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括幾個(gè)子系統(tǒng)，分別是預(yù)處理系統(tǒng)、超濾系統(tǒng)、反滲透系統(tǒng)等，本文主要就超濾與反滲透系統(tǒng)做一些介紹[1]。

1 超濾系統(tǒng)

1.1 超濾系統(tǒng)總體介紹

超濾系統(tǒng)主要指經(jīng)過(guò)預(yù)處理的廢水匯聚到中間水池一后，經(jīng)過(guò)超濾模塊包含原水泵、氣水反沖濾罐、袋式過(guò)濾器及超濾裝置等進(jìn)行處理。超濾裝置是由超濾膜組成的裝置，每臺(tái)超濾裝置包含A組和B組。這個(gè)過(guò)程中包含4套氣水反沖濾罐、4套超濾裝置、濾罐氣洗、反洗系統(tǒng)及超濾反洗系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 超濾系統(tǒng)工藝流程圖

1.2 超濾系統(tǒng)運(yùn)行流程

1) 超濾系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)條件

啟動(dòng)前液位檢查，中間水池一水位高于液位3，中間水池二水位低于液位4，兩條件須同時(shí)滿足。

2) 系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)方式

中間水池二水位低于液位4，1#、2#、3#、4#四套超濾模塊同時(shí)啟動(dòng)。

中間水池二水位達(dá)到液位5，1#、2#、3#、4#四套超濾模塊僅啟動(dòng)三套超濾模塊，將另一套未啟動(dòng)的超濾模塊標(biāo)注為備用狀態(tài)(在上位機(jī)顯示為備用狀態(tài))，下次啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)將另一套超濾模塊標(biāo)注為備用，四套超濾模塊互為循環(huán)備用。

即：第一次自動(dòng)啟動(dòng)1#、2#、3#超濾模塊，4#超濾模塊備用；第二次1#、2#、4#超濾模塊啟動(dòng)，3#超濾模塊備用；第三次1#、3#、4#超濾模塊啟動(dòng)，2#超濾模塊備用；第四次2#、3#、4#超濾模塊啟動(dòng)，1#超濾模塊備用。

圖2 中間水池一液位

圖3 中間水池二液位

當(dāng)操作員(在中央監(jiān)控系統(tǒng)中)將系統(tǒng)備用模式取消時(shí)，系統(tǒng)每次啟動(dòng)按四套超濾模塊啟動(dòng)。

3) 系統(tǒng)停機(jī)

當(dāng)滿足下列條件之一，系統(tǒng)停機(jī)。

中間水池一液位低于液位1；中間水池二液位到達(dá)高液位6；自動(dòng)保護(hù)開(kāi)關(guān)(高壓開(kāi)關(guān)、壓差開(kāi)關(guān))動(dòng)作。

超濾系統(tǒng)停機(jī)過(guò)程為打開(kāi)超濾濃水排水氣動(dòng)閥，打開(kāi)超濾出水氣動(dòng)閥——延時(shí)10 s——原水泵停止——延時(shí)2 s——關(guān)閉超濾濃水排水氣動(dòng)閥，關(guān)閉超濾出水氣動(dòng)閥。

4) 系統(tǒng)強(qiáng)制運(yùn)行

當(dāng)某一套超濾模塊(1#～4#)連續(xù)超過(guò)120小時(shí)未啟動(dòng)，則強(qiáng)制啟動(dòng)此超濾模塊運(yùn)行0.5 h(時(shí)間以一個(gè)超濾運(yùn)行—超濾順沖—超濾反沖—超濾順沖周期為準(zhǔn))，強(qiáng)制啟動(dòng)狀態(tài)下，中間水池二高液位及備用模式失效，但中間水池一低液位保護(hù)依然有效。

1.3 自動(dòng)運(yùn)行流程

超濾裝置自動(dòng)運(yùn)行流程，按一個(gè)運(yùn)行周期為例，自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)如下：

原水泵啟動(dòng)——濾池運(yùn)行——超濾運(yùn)行——運(yùn)行10 min

——超濾B組順沖20 s——超濾A組順沖20 s——運(yùn)行10 min——超濾B組順沖20 s——超濾A組順沖20 s——運(yùn)行10 min——超濾B組順沖15 s——超濾A組順沖15 s——原水泵停止，濾池出水氣動(dòng)閥關(guān)閉，超濾反洗泵啟動(dòng)——超濾反沖時(shí)濃水端排水15 s——超濾反沖時(shí)進(jìn)水端排水15 s——超濾B組順沖15 s——超濾A組順沖15 s——系統(tǒng)運(yùn)行。

2 反滲透系統(tǒng)

2.1 反滲透系統(tǒng)總體介紹

反滲透系統(tǒng)主要指經(jīng)過(guò)超濾處理的廢水匯聚到中間水池二后，經(jīng)過(guò)反滲透模塊包含輸水泵、精密過(guò)濾器、高壓泵及反滲透裝置等進(jìn)行處理。反滲透裝置是由反滲透膜組成的裝置。這個(gè)過(guò)程中包含4套反滲透裝置。處理完畢的水流入產(chǎn)品水池。如下圖4所示。

圖4 反滲透系統(tǒng)工藝流程圖

2.2 超濾系統(tǒng)運(yùn)行流程

圖5 中間水池二

圖6 產(chǎn)品水池

1) 系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)條件

啟動(dòng)前液位檢查，中間水池二水位高于液位3，產(chǎn)品水池水位低于液位4，兩條件須同時(shí)滿足。

2) 系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)方式

產(chǎn)品水池水位低于液位4，1#、2#、3#、4#四套反滲透模塊同時(shí)啟動(dòng)。

產(chǎn)品水池水位達(dá)到液位5，1#、2#、3#、4#四套反滲透模塊僅啟動(dòng)三套，將另一套未啟動(dòng)的反滲透模塊標(biāo)注為備用狀態(tài)(在上位機(jī)顯示為備用狀態(tài))，下次啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)將另一套反滲透模塊標(biāo)注為備用，四套反滲透模塊互為循環(huán)備用。

即：第一次自動(dòng)啟動(dòng)1#、2#、3#反滲透模塊，4#反滲透模塊備用；第二次1#、2#、4#反滲透模塊啟動(dòng)，3#反滲透模塊備用；第三次1#、3#、4#反滲透模塊啟動(dòng)，2#反滲透模塊備用；第四次2#、3#、4#反滲透模塊啟動(dòng)，1#反滲透模塊備用。

當(dāng)操作員(在中央監(jiān)控系統(tǒng)中)將系統(tǒng)備用模式取消時(shí)，系統(tǒng)每次啟動(dòng)按四套反滲透模塊啟動(dòng)。

3) 系統(tǒng)停機(jī)

當(dāng)滿足下列條件之一，系統(tǒng)停機(jī)。

中間水池二液位低于液位1；反滲透水箱液位到達(dá)高液位6；自動(dòng)保護(hù)開(kāi)關(guān)(低壓開(kāi)關(guān)、高壓開(kāi)關(guān))動(dòng)作。

4) 系統(tǒng)強(qiáng)制運(yùn)行

當(dāng)某一套反滲透模塊(1#～4#)連續(xù)超過(guò)8 h未啟動(dòng)，則強(qiáng)制啟動(dòng)此反滲透模塊沖洗3 min，強(qiáng)制沖洗過(guò)程：輸水泵啟動(dòng)，亞硫酸氫鈉計(jì)量泵啟動(dòng)——延時(shí)5 s——檢測(cè)精密過(guò)濾器出口壓力達(dá)到0.2 MPa——延時(shí)2 s——變頻高壓泵啟動(dòng)，反滲透濃水排水閥打開(kāi)——延時(shí)3 min——變頻高壓泵停止——延時(shí)5 s——輸水泵停止——延時(shí)2 s——關(guān)閉反滲透濃水排水氣動(dòng)閥。

強(qiáng)制啟動(dòng)狀態(tài)下，產(chǎn)品水池高液位6停機(jī)及備用模式失效，但中間水池二低液位1保護(hù)依然有效。

2.3 運(yùn)行過(guò)程控制

1) 正常運(yùn)行

開(kāi)機(jī)沖洗——反滲透運(yùn)行——連續(xù)運(yùn)行6小時(shí)沖洗 ——停機(jī)沖洗。

2) 反滲透開(kāi)機(jī)沖洗

自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，每次開(kāi)機(jī)均運(yùn)行沖洗程序。

輸水泵啟動(dòng)，亞硫酸氫鈉計(jì)量泵啟動(dòng)、阻垢劑計(jì)量泵啟動(dòng)——延時(shí)5 s——檢測(cè)精密過(guò)濾器出口壓力達(dá)到0.2 MPa——延時(shí)2 s——變頻高壓泵啟動(dòng)，反滲透濃水排水閥打開(kāi)——延時(shí)3 min——反滲透濃水排水閥關(guān)閉——反滲透運(yùn)行。

3) 反滲透連續(xù)運(yùn)行6 h沖洗

反滲透連續(xù)運(yùn)行6 h——反滲透濃水排水閥打開(kāi)——延時(shí)4 min——反滲透濃水排水閥關(guān)閉。

4) 反滲透停機(jī)沖洗

自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，每次停機(jī)均運(yùn)行停機(jī)沖洗程序。

打開(kāi)反滲透裝置濃水排水氣動(dòng)閥，停止阻垢劑計(jì)量泵——延時(shí)4 min——變頻高壓泵停止——延時(shí)5 s——輸水泵停止，亞硫酸氫鈉計(jì)量泵停止——延時(shí)2 s——關(guān)閉反滲透濃水排水氣動(dòng)閥。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)的選擇

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)實(shí)際點(diǎn)位：

◆ 預(yù)處理系統(tǒng)：

1) 模擬量輸入16點(diǎn)

2) 模擬量輸出2點(diǎn)

3) 開(kāi)關(guān)量輸入32

4) 開(kāi)關(guān)量輸出8

小計(jì)：58點(diǎn)

◆ 超濾系統(tǒng)：

5) 模擬量輸入點(diǎn)54

6) 模擬量輸出6

7) 開(kāi)關(guān)量輸入100

8) 開(kāi)關(guān)量輸出72

小計(jì)：232點(diǎn)

◆ 反滲透系統(tǒng)：

9) 模擬量輸入點(diǎn)40

10) 模擬量輸出2

11) 開(kāi)關(guān)量輸入50

12) 開(kāi)關(guān)量輸出32

小計(jì)：124點(diǎn)

共計(jì)：414點(diǎn)

我們選用的西門(mén)子S7-300在西門(mén)子的PLC產(chǎn)品類(lèi)里屬于：中型PLC系統(tǒng)，適合的控制對(duì)象一般都在256點(diǎn)以上，1024點(diǎn)以下的[2]。

這套系統(tǒng)完成后， 可以對(duì)工藝區(qū)內(nèi)的各種工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)以下功能。

1) 監(jiān)測(cè)功能：數(shù)據(jù)采集、報(bào)警監(jiān)視、標(biāo)度換算、流量累計(jì)、函數(shù)轉(zhuǎn)換等。將現(xiàn)場(chǎng)的傳感器信號(hào)采集到控制室的控制器中。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)重要參數(shù)的各種報(bào)警信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。

2) 控制功能：邏輯控制、 PID控制。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的氣動(dòng)閥和電磁閥進(jìn)行邏輯控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控-如在控制室通過(guò)操作站控制閥的開(kāi)關(guān)。

3) 通信功能：數(shù)據(jù)傳送、圖形傳送。使用支持多種協(xié)議的控制器通訊模塊，控制器將采集到的數(shù)據(jù)與控制器，上位機(jī)進(jìn)行通訊； 也可作為RTU的從站將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)調(diào)度中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)度。

4) 管理功能：報(bào)警畫(huà)面顯示、工藝畫(huà)面顯示、趨勢(shì)圖顯示、優(yōu)化調(diào)度、報(bào)表打印。通過(guò)人機(jī)界面程序開(kāi)發(fā)出有關(guān)管網(wǎng)參數(shù)的工藝畫(huà)面，包括工藝畫(huà)面、工藝參數(shù)表、報(bào)警畫(huà)面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)，歷史趨勢(shì)畫(huà)面等形式；使操作員及管理者能夠準(zhǔn)確、迅速、直觀的獲得管網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)參數(shù)及報(bào)警信息，也可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[3]。

4 總結(jié)與展望

在新的形勢(shì)下污水處理對(duì)于自動(dòng)化產(chǎn)品提出了更高的要求。良好的質(zhì)量控制，使產(chǎn)品能夠高效穩(wěn)定的運(yùn)行，為保證水廠高效穩(wěn)定運(yùn)行，污水處理對(duì)控制系統(tǒng)的高可靠性要求，要求PLC支持多種冗余方式，能夠更好的提高系統(tǒng)的可靠性，提高水廠、污水廠的運(yùn)行效率，為更嚴(yán)格的水質(zhì)達(dá)標(biāo)提供保證。

為了降低系統(tǒng)的能耗、藥耗，要求系統(tǒng)具有豐富的控制算法，如過(guò)程控制算法、模糊控制等高級(jí)過(guò)程控制算法、變頻調(diào)節(jié)控制算法等，能夠集成電能管理、智能控制水泵。同時(shí)，具有靈活的開(kāi)放性。就水處理工程特點(diǎn)而言，在一個(gè)項(xiàng)目中可能包含多家供應(yīng)商的產(chǎn)品，要求電控系統(tǒng)具有強(qiáng)大的包容性，并符合IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[4]。

[1] 周松林.城市污水處理自控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2007,19(3):142-143.

[2] 歐陽(yáng)維燦，馬碩，李山春.基于S7-300 PLC與WinCC6.0的污水處理自控系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2007(6):77-78.

[3] 裴永清，李建民，李慕潔，等.基于S7-300的污水處理自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2008(3):57-59.

[4] 許雙利.城市污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)分析[J].中國(guó)科技投資,2016(11)：213.

The Application of Sewage Disposal Automation System in Steel Plant

Qiao Peng1，2

(1.CollegeofInformationEngineerion,TaiyuanUniversityofTechnology,TaiyuanShanxi030024,China; 2.ShanxiAutomationResearchInstitute,TaiyuanShanxi030012,China)

Combined with the actual situation of an iron and steel plant in Shanxi which has a 400t/h ultra filtration reverse osmosis sewage treatment system,the article discusses the implementation of sewage treatment system process and automation system,and the prospect of development for the sewage disposal automation system is made.

sewage treatment; ultrafiltration; reverse osmosis; automatic control

2016-08-11

喬 鵬(1982-)，男，山西太原人，高級(jí)工程師，研究方向：自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，政府信息化建設(shè)與應(yīng)用。

1674-4578(2016)05-0042-03

TP273

A