海上石油平臺(tái)生活污水處理裝置的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

李旗 錢(qián)光磊 謝陳鑫

摘? 要： 為了開(kāi)發(fā)一種專(zhuān)業(yè)、控制有序的海上石油平臺(tái)生活污水處理裝置， 設(shè)計(jì)了采用PLC的電解法生活污水自動(dòng)處理裝置。文章分析了控制系統(tǒng)的電氣原理圖和控制系統(tǒng)中的輸入/輸出信號(hào)，對(duì)控制邏輯和人機(jī)界面設(shè)計(jì)進(jìn)行了說(shuō)明?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與實(shí)際使用表明，該裝置通過(guò)PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)處理生活污水的功能。

關(guān)鍵詞： 生活污水處理; PLC; 控制系統(tǒng); 自動(dòng)控制

Abstract： In order to develop a professional and orderly controlled domestic sewage treatment device for offshore oil platform， a PLC based automatic domestic sewage treatment device with electrolysis method is designed. This paper analyzes the electrical diagram of the control system and the input/output signals of the control system， and explains the control logic and human-machine interface design. The field debugging and practical application show that the device collects and analyzes the data of the field instruments through PLC， and realizes the function of automatic treatment of domestic sewage.

0 引言

隨著海上開(kāi)采石油的迅猛發(fā)展，海洋污染的問(wèn)題越來(lái)越突顯，主要體現(xiàn)在對(duì)排放污水的指標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)格。傳統(tǒng)的生化法生活污水處理工藝簡(jiǎn)單，但無(wú)論是處理效果還是處理量來(lái)說(shuō)都有其局限性。電催化氧化法生活污水處理裝置是一種利用電催化氧化方式對(duì)海上石油平臺(tái)生活污水進(jìn)行處理的裝置。操作人員通過(guò)控制柜上的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)控制，通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行元件的相互配合，達(dá)到污水處理達(dá)標(biāo)并排放的功能。

1 系統(tǒng)整體工藝設(shè)計(jì)

自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)模式。

1.1 手動(dòng)控制模式

本系統(tǒng)可分別對(duì)裝置中的粉碎泵、風(fēng)機(jī)、排放泵、直流柜，電動(dòng)閥等執(zhí)行元件進(jìn)行手動(dòng)打開(kāi)與關(guān)閉。該模式的作用為單設(shè)備檢修，試運(yùn)行及初上電調(diào)試時(shí)使用。

1.2 自動(dòng)控制模式

1.2.1 電催化自動(dòng)控制系統(tǒng)

通過(guò)安裝于緩沖罐頂部的超聲波液位計(jì)，實(shí)時(shí)地測(cè)量緩沖罐中污水的液位高度，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)高度時(shí)，粉碎泵啟動(dòng)，將污水從緩沖罐中抽出粉碎，并將水注入反應(yīng)器中。

污水進(jìn)入反應(yīng)器后，液位逐漸升高，觸發(fā)液位開(kāi)關(guān)產(chǎn)生動(dòng)作信號(hào)，PLC控制直流電源進(jìn)行直流放電，驅(qū)動(dòng)電催化極板進(jìn)行電催化反應(yīng)。

經(jīng)過(guò)電催化反應(yīng)后的污水，自流進(jìn)入清水罐，同時(shí)位于清水罐中的壓差式液位計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量液位高度，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)高度時(shí)，排放泵啟動(dòng)，將處理完畢的污水排出。

在電催化反應(yīng)進(jìn)行中，風(fēng)機(jī)同步運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制排放反應(yīng)中可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)氣體的功能。

1.2.2 電極自動(dòng)換相系統(tǒng)

固定在反應(yīng)器中的電極板，由于長(zhǎng)時(shí)間加直流電進(jìn)行電催化反應(yīng)，會(huì)在極板上產(chǎn)生垢，這就需要定期對(duì)電極板的正負(fù)極進(jìn)行切換，利用其中一極在電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的氣泡使極板上的垢脫落，從而實(shí)現(xiàn)自我脫垢的功能。

1.2.3 廢渣自動(dòng)排放系統(tǒng)

通過(guò)電極自動(dòng)換相功能而分離出的污垢，經(jīng)一段時(shí)間沉淀后，會(huì)堆積在反應(yīng)器底部，這就需要定時(shí)對(duì)其排垢。具體操作：通過(guò)直流電源運(yùn)行反饋信號(hào)作為計(jì)時(shí)條件，當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，打開(kāi)排放電動(dòng)閥門(mén)，待閥門(mén)打開(kāi)反饋信號(hào)有效時(shí)，排放泵運(yùn)行一段時(shí)間（可設(shè)定），最后關(guān)閉排放泵與排放電動(dòng)閥。這樣可及時(shí)排除固體沉淀，從而實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)設(shè)備良好運(yùn)行的效果。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.1 PLC組態(tài)

PLC選用西門(mén)子S7-1200系列中的1215C，本身具有14數(shù)字輸入和10個(gè)數(shù)字輸出，通過(guò)添加擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展出多個(gè)模擬輸入與模式輸出，作為采集與控制其他設(shè)備的接口。如圖2所示。PLC在進(jìn)行硬件組態(tài)時(shí)需要對(duì)每一個(gè)擴(kuò)展口的I/O地址（包括起始與結(jié)束地址）做設(shè)定，這在后續(xù)的編程中作為物理端口的影射，通過(guò)程序處理調(diào)用。

2.2 PLC與其他設(shè)備的連接

PLC通過(guò)自身與擴(kuò)展的IO接口模塊，接收現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)各各種信號(hào)（其中包括數(shù)字輸入輸出信號(hào)，模擬輸入輸出信號(hào)），對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并執(zhí)行PLC程序中發(fā)出的各種控制指令。數(shù)字輸入部分主要有液位開(kāi)關(guān)、電動(dòng)閥的打開(kāi)與關(guān)閉反饋，電動(dòng)機(jī)接觸器的輔助觸點(diǎn)以及直流電源的狀態(tài)反饋;數(shù)字輸出部分主要有對(duì)電動(dòng)閥、控制電機(jī)的交流接觸器以及直流電源的啟?？刂?模擬輸入部分主要有流量計(jì)、液位計(jì)以及直流電源的電流電壓模擬輸出反饋;模擬輸出部分主要針對(duì)直流電源電流輸出幅值的控制信號(hào)。

3 編程設(shè)計(jì)

3.1 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

使用博途TIA（V14）繪制界面[1-3]，通過(guò)硬件組態(tài)與畫(huà)面繪制，將人機(jī)界面與PLC通過(guò)Profinet通信協(xié)議，經(jīng)網(wǎng)線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警歷史、參數(shù)設(shè)定和手動(dòng)調(diào)節(jié)等進(jìn)行反饋，便于操作者對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)有效地把控。圖3為流程界面。流程界面為設(shè)備運(yùn)行中處于長(zhǎng)期顯示的重要畫(huà)面，其中包括了各動(dòng)力設(shè)備的啟停狀態(tài)，各電動(dòng)閥的開(kāi)合狀態(tài)，各儀表的數(shù)據(jù)反饋狀態(tài)，還有每種設(shè)備的故障檢測(cè)狀態(tài)。不同的運(yùn)行模式下，可以直觀的通過(guò)畫(huà)面看到各種狀態(tài)信息與數(shù)值反饋，便于操作者或者巡檢員快速、直接且有效的判斷設(shè)備運(yùn)行情況。

為了便于將來(lái)的儀表更換與設(shè)備檢修，還編寫(xiě)了儀表校準(zhǔn)和控制頁(yè)面（如圖4），其中儀表頁(yè)面主要是對(duì)系統(tǒng)中傳輸模擬信號(hào)的儀表進(jìn)行4-20mA與實(shí)際儀表量程的校準(zhǔn);控制頁(yè)面主要分成四部分，第一部分為系統(tǒng)模式切換;第二部分為手動(dòng)模式中各執(zhí)行元件（包括風(fēng)機(jī)、粉碎泵、海水閥、排放閥與直流柜）的單獨(dú)啟/停，便于維修人員對(duì)單一設(shè)備的運(yùn)行測(cè)試;第三部分為主備設(shè)備的手動(dòng)與自動(dòng)切換，當(dāng)設(shè)置為自動(dòng)切換時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行時(shí)間與參數(shù)頁(yè)面的設(shè)定時(shí)間，對(duì)主備設(shè)備進(jìn)行定期切換，避免主設(shè)備長(zhǎng)期工作，備用設(shè)備長(zhǎng)期閑置，導(dǎo)致兩臺(tái)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行壽命不一致的情況，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)設(shè)備都具備良好的使用狀態(tài)，當(dāng)設(shè)置為手動(dòng)切換時(shí)，系統(tǒng)不再對(duì)各設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行累加，主備設(shè)備不再自動(dòng)切換，而是通過(guò)選擇按鈕實(shí)現(xiàn)人工切換;第四部分為不停機(jī)檢修隔離按鈕，對(duì)所有執(zhí)行元件進(jìn)行檢修狀態(tài)設(shè)定，當(dāng)檢修狀態(tài)激活時(shí)，設(shè)備在自動(dòng)模式下不再運(yùn)行，避免在不停機(jī)檢修時(shí)對(duì)人或者物造成潛在的安全隱患。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

3.2.1 程序框架設(shè)計(jì)

通過(guò)PLC的IO端口，監(jiān)控各儀表與各設(shè)備的工作狀態(tài)，并根據(jù)裝置所處的工作模式?jīng)Q定工作流程，如圖5所示。每個(gè)執(zhí)行部件都采用一用一備的熱備用方式，當(dāng)一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，程序自動(dòng)切換使用備用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，保證運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性。程序編寫(xiě)依靠IEC61131-5及國(guó)標(biāo)15969.3-2017相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編寫(xiě)[4-5]。

具體程序設(shè)計(jì)，首先對(duì)每一個(gè)功能建立功能塊（FB）及其數(shù)據(jù)塊（DB），包括實(shí)現(xiàn)功能需要的內(nèi)部變量與全局變量;其次，對(duì)每一個(gè)功能塊進(jìn)行獨(dú)立編程，實(shí)現(xiàn)各功能獨(dú)立，在組織塊（OB1）中用對(duì)應(yīng)的指令調(diào)用各功能塊，從而提高CPU的執(zhí)行效率，便于后期調(diào)試與功能添加。

3.2.2 換相程序

換相功能的程序如圖6所示，在直流電源運(yùn)行時(shí)，通過(guò)分鐘脈沖信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的累加觸發(fā)。當(dāng)計(jì)數(shù)值大于等于預(yù)設(shè)值時(shí)，觸發(fā)換相流程：先停止直流電源運(yùn)行，并激活“延時(shí)接通”指令，其設(shè)定值為90秒，這主要的作用是等待直流電源的輸出端電壓下降到安全值，避免立即換相導(dǎo)致接觸電流過(guò)大觸發(fā)設(shè)備意外報(bào)警;當(dāng)接通延時(shí)指令激活達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間后，PLC對(duì)直流電源發(fā)出換相指令，并回復(fù)直流電源運(yùn)行;當(dāng)正負(fù)切換兩次后，計(jì)數(shù)器清零，開(kāi)始重新計(jì)數(shù)。

3.2.3 排放程序

定時(shí)排放功能程序如圖7所示，在自動(dòng)模式下通過(guò)分鐘脈沖作為計(jì)數(shù)器觸發(fā)源，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值且粉碎泵在工作時(shí)，進(jìn)入排放流程：打開(kāi)電動(dòng)閥，通過(guò)觸發(fā)“延時(shí)打開(kāi)”指令，延遲一段時(shí)間后，排放泵運(yùn)行，再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，排放泵停止，電動(dòng)閥關(guān)閉，重置排放計(jì)時(shí)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

本裝置在西門(mén)子博途編程平臺(tái)下完成了基于Profinet連接的觸摸屏與PLC，通過(guò)IO接口對(duì)執(zhí)行元件進(jìn)行互聯(lián)，智能、高效地對(duì)生活污水進(jìn)行電催化處理，從而有效降低污水中的化學(xué)需氧量（COD）。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行可證明：該生活污水自動(dòng)處理裝置可高效可靠的實(shí)現(xiàn)海上石油平臺(tái)生活污水的處理任務(wù)，達(dá)到排海要求，功能完整，設(shè)備易于操作維護(hù)，運(yùn)行穩(wěn)定。該裝置已在多個(gè)海上石油平臺(tái)上推廣使用。

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