PLC的化工污水處理自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

白雪寧，寧煜，穆龍濤

摘 要：通過對傳統(tǒng)化工污水處理的缺點(diǎn)分析，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的化工污水處理自動化系統(tǒng)。對自控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的組成進(jìn)行分析并完成了相關(guān)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì);然后對化工污水自動化控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)構(gòu)成及控制流程進(jìn)行闡述，并完成了系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì);最后，實(shí)現(xiàn)了各功能模塊的控制管理。

關(guān)鍵詞：機(jī)化工污水處理;PLC;自動化;控制系統(tǒng);設(shè)計(jì)分析

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1001-5922（2021）12-0146-05

Design of the Automatic Control System for Chemical Wastewater Treatment Based on PLC

Bai Xuening， Ning Yu， Mu Longtao

（College of Mechanical Engineering， Shaanxi Polytechnic College， Xianyang 712000， China）

Abstract：By analyzing the shortcomings of traditional chemical wastewater treatment， a set of automatic system for chemical wastewater treatment based on PLC is designed. First of all， the composition of the automatic control system hardware system is analyzed and the related hardware system is designed. Then the composition and control process of the chemical wastewater automatic control system software system are described， and the software design in the system is completed. Finally， the control and management of each function module are realized.

Key words：chemical wastewater treatment;PLC;automation;control system;design and analysis

0 引言

隨著化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，大量的化工生產(chǎn)污水嚴(yán)重污染環(huán)境，通過對化工污水的處理，不但能夠緩解水污染的問題，而且還可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用從而緩解水資源緊張的現(xiàn)狀。傳統(tǒng)的處理方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)污水的處理，但是效果并不明顯。因此，研究基于自動化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)化工污水處理的規(guī)模化，達(dá)到降低化工污水處理成本和提高水質(zhì)的目的，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 自動化控制系統(tǒng)分析

1.1 化工污水處理控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的化工污水處理方法，存在著水平低、污水處理量小、水質(zhì)不高的情況，隨著化工污水處理產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，并提出了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，對于化工污水的處理辦法改用了更加先進(jìn)的技術(shù)，采用PLC及動態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對化工污水處理的自動化控制，從而提高處理效率和減低運(yùn)行成本，進(jìn)一步落實(shí)節(jié)能減排政策。

1.2 自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 設(shè)計(jì)原則

（1）經(jīng)濟(jì)性。自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是為了減低運(yùn)行成本，使污水處理變得經(jīng)濟(jì)適用，可進(jìn)行推廣;

（2）先進(jìn)性。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有智能化的管理模式，從而避免因有毒物質(zhì)對人體產(chǎn)生傷害;

（3）可靠實(shí)用性。滿足化工污水處理需求，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，設(shè)置安全措施和容錯功能;

（4）拓展性。對于系統(tǒng)的維護(hù)和更新均建立在可拓展的設(shè)計(jì)原則基礎(chǔ)上，便于后期的管理;

（5）易管理性。系統(tǒng)投入使用后，各個(gè)組件和功能模塊實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的維修和管理，從而減低管理成本;

（6）易操性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成投入使用，還需進(jìn)行人工的監(jiān)控管理;因此還要考慮系統(tǒng)界面的易操作和直觀性。

1.2.2 自控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)分析

從設(shè)計(jì)原則和對需求的考慮出發(fā)，落實(shí)系統(tǒng)的功能。在對功能設(shè)計(jì)時(shí)要求充分考慮化工污水處理量、處理質(zhì)量、能耗、環(huán)保以及生產(chǎn)效率。因此需要具備以下功能：

（1）數(shù)據(jù)采集功能。采集的數(shù)據(jù)包括模擬量采集、開關(guān)量采集以及脈沖量采集。系統(tǒng)會根據(jù)不同的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集整合，為后期的化工污水處理提供數(shù)據(jù)支持[1];

（2）參數(shù)自檢功能。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)滿足對過程參數(shù)、污水參數(shù)、能耗參數(shù)等各環(huán)節(jié)當(dāng)中的相關(guān)參數(shù)的檢測和記錄。除此之外，對于整個(gè)化工污水處理設(shè)備的運(yùn)行情況也能發(fā)揮自動檢測的功能;

（3）自動控制功能。系統(tǒng)通過對工藝和要求的控制，自動的對各個(gè)處理環(huán)節(jié)實(shí)行自動化的控制，實(shí)現(xiàn)減少人工投入，提高工作效率的目的。但同時(shí)也可以根據(jù)實(shí)際需求對相應(yīng)的環(huán)節(jié)加以控制，或者轉(zhuǎn)換成手動控制;

（4）自我保護(hù)功能。利用系統(tǒng)中的自動檢測功能，對各項(xiàng)數(shù)據(jù)和設(shè)備進(jìn)行循環(huán)式檢測;一旦出現(xiàn)事故發(fā)生預(yù)警，系統(tǒng)會進(jìn)行綜合的分析，實(shí)施自我保護(hù)措施，避免產(chǎn)生更大的安全事故。這項(xiàng)功能的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，關(guān)乎著人民財(cái)產(chǎn)安全以及整個(gè)化工污水處理廠的利益;

（5）自動調(diào)節(jié)功能。自動調(diào)節(jié)功能的實(shí)現(xiàn)，是基于數(shù)據(jù)采集功能和自動監(jiān)測功能在系統(tǒng)中正常工作運(yùn)行情況下。因此，每個(gè)功能模塊是相互獨(dú)立的，但又是緊密聯(lián)系的。系統(tǒng)根據(jù)水位情況、溶氧率以及其他數(shù)據(jù)的采集，傳回到系統(tǒng)中，系統(tǒng)利用自動調(diào)節(jié)功能，進(jìn)行水泵的開關(guān)、鼓風(fēng)機(jī)的頻率改變和其他狀態(tài)的調(diào)節(jié)控制，基本實(shí)現(xiàn)了智能化控制;

（6）動態(tài)調(diào)節(jié)功能。化工污水處理工作會根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)動態(tài)化的管理;因此對自動化系統(tǒng)功能設(shè)置時(shí)，也要考慮系統(tǒng)通過動態(tài)調(diào)節(jié)功能模塊，實(shí)現(xiàn)動態(tài)和相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整;

（7）管理功能。以上所有的功能模塊，都需在管理界面進(jìn)行相關(guān)的操作，因此管理模塊在系統(tǒng)中的作用是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，管理著各個(gè)環(huán)節(jié)、各個(gè)模塊、各個(gè)設(shè)備的正常運(yùn)行;同時(shí)還可以對各部分進(jìn)行有效的管理和設(shè)置。

1.3 自動控制系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)置

自動化化工污水處理系統(tǒng)中設(shè)置的監(jiān)控項(xiàng)目包括：監(jiān)控顯示畫面、信號匯總畫面、各環(huán)節(jié)監(jiān)控畫面、生產(chǎn)歷史曲線圖、報(bào)警畫面、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控以及系統(tǒng)菜單畫面。各個(gè)監(jiān)控畫面顯示著各部分的運(yùn)行情況和歷史狀態(tài)，管理員可通過監(jiān)控了解現(xiàn)場情況或系統(tǒng)的自動監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)自動化的管理[2]。

1.4 化工污水處理自動控制系統(tǒng)構(gòu)成

本研究選用PLC（Programmable Logic Controller，PLC）可編程邏輯控制器作為核心控制器，通過對功能模塊的管理和設(shè)置，完成設(shè)備的狀態(tài)開啟和調(diào)整。其控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

2 自控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)組成

2.1 核心控制器PLC

2.1.1 PLC功能及工作原理

PLC是指在一定的工業(yè)環(huán)境下利用數(shù)字進(jìn)行運(yùn)算控制的電子裝置，其工作原理是通過采用可編程的存儲器，在其內(nèi)部進(jìn)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算法實(shí)現(xiàn)等操作。內(nèi)部經(jīng)過相應(yīng)的處理后再將其以數(shù)字形式或者模擬形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備和生產(chǎn)過程的控制。PLC被廣泛的應(yīng)用在工藝當(dāng)中進(jìn)行自動化的控制，PLC的功能是對各軟件或硬件的工作作出指導(dǎo)，并根據(jù)不同的信號或接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行反應(yīng)，并通過系統(tǒng)的設(shè)置進(jìn)行自動化的控制。其主要功能特點(diǎn)包括以下7點(diǎn)：

（1）運(yùn)算速度快，指令下達(dá)及時(shí);

（2）模型網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì);

（3）可實(shí)現(xiàn)軟件編程;

（4）程序運(yùn)行可進(jìn)行存儲;

（5）通訊地址實(shí)現(xiàn)分配;

（6）具備智能診斷和多級口令保護(hù);

（7）具有在線幫助功能。

2.1.2 PLC特點(diǎn)

PLC工作特點(diǎn)：

（1）應(yīng)用廣泛、設(shè)置靈活、功能全面;

（2）可以在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行工作，具有很強(qiáng)的抗干擾能力;

（3）對于系統(tǒng)編程相對簡單、易操作;

（4）設(shè)計(jì)模塊化功能管理，方便安裝和調(diào)試。

2.2 西門子S7-300PLC

本研究采用的是由德國生產(chǎn)的西門子S7-300PLC，它屬于中小型模擬式PLC，因其高性能的表現(xiàn)和良好的拓展性被應(yīng)用于化工污水處理自動化控制系統(tǒng)中。S7-300PLC的機(jī)構(gòu)組成包括控制系統(tǒng)核心部分CPU模塊、數(shù)字量的輸入和輸出模塊、S7-300的模擬量輸入模塊以及通信模塊。

2.3 化工污水處理自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及站點(diǎn)布置

化工污水處理廠想要實(shí)現(xiàn)對整體的控制，就需要對工藝、設(shè)備以及儀表裝置進(jìn)行有效的監(jiān)控;同時(shí)在化工污水處理的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行自動化的管理，以此保證化工污水的處理工作正常進(jìn)行。因此本研究設(shè)計(jì)的是一套分布式的控制系統(tǒng)，對各部分進(jìn)行控制和管理。通過布置分站點(diǎn)的形式來實(shí)現(xiàn)對化工污水處理廠的控制。并在每個(gè)分戰(zhàn)點(diǎn)設(shè)置監(jiān)控設(shè)備，通過后天顯示器可以觀測到每個(gè)分站點(diǎn)的運(yùn)行情況，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)系統(tǒng)會進(jìn)行預(yù)警提示，管理系統(tǒng)介入進(jìn)行控制，相當(dāng)于每個(gè)位置、設(shè)備、工藝和儀表都在自控系統(tǒng)的控制范圍內(nèi)，達(dá)到了降低管理成本提高工作效率的目的[3]。

2.4 儀表系統(tǒng)

儀表的安裝，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)和科學(xué)化管理的目的。在保證化工污水處理工作正常的情況下，通過儀表的顯示還可做到對資源利用率的最大化，同時(shí)也為智能監(jiān)控提供參考依據(jù)。化工污水處理涉及到的儀表主要有在線監(jiān)測儀表、物位儀表、流量表以及過程檢測類儀表。

2.5 通訊系統(tǒng)

研究中選用的是現(xiàn)場總線，用于化工污水處理過程中自動化設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連通。而在化工污水處理系統(tǒng)中，管理站與控制中心及各監(jiān)控之間是由以太網(wǎng)進(jìn)行連接的，二者共同做成了龐大的通訊系統(tǒng)。

3 化工污水處理自動化控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)構(gòu)成及

控制流程

3.1 自動化控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)構(gòu)成

研究中采用的是開放性的系統(tǒng)平臺軟件、編程軟件，其中組態(tài)軟件分為上位機(jī)和下位機(jī)，上位機(jī)組態(tài)軟件的功能是實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控范圍內(nèi)所有設(shè)備的監(jiān)測和控制。下位機(jī)的功能是通過對PLC的程序編寫來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的診斷和調(diào)試工作。為了實(shí)現(xiàn)自動化控制，滿足對于儀表和工藝的需求軟件采用的是圖形組態(tài)應(yīng)用軟件、監(jiān)測軟件以及信息管控軟件，這些軟件共同組成了軟件系統(tǒng)。

3.2 控制流程

3.2.1 手動控制

在管理界面選擇手動控制選項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)對某一模塊的運(yùn)行調(diào)整;手動操作模式結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，針對以上的設(shè)備進(jìn)行手動控制來滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

3.2.2 自動控制

自動控制模式下，所有的操作均是基于自動化系統(tǒng)管理下完成的，按下自動化控制按鈕后，操作程序開始工作，具體的工作流程是：系統(tǒng)啟動自動化設(shè)置，各項(xiàng)設(shè)備按照系統(tǒng)設(shè)置順序進(jìn)行啟動。首先是粗格柵機(jī)和清污機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，隨后開啟潛水提升泵;之后細(xì)格柵機(jī)隨之工作，曝氣沉沙裝置也投入運(yùn)行。然后是污泥回流裝置;最后是污泥脫水機(jī)投入工作。各個(gè)設(shè)備的開啟和閉合是由控制器S7-300PLC監(jiān)測各個(gè)傳感器的運(yùn)行情況，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置實(shí)行控制和管理。

4 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

4.1 組態(tài)軟件下位機(jī)設(shè)計(jì)

4.1.1 預(yù)處理段PLC設(shè)計(jì)

（1）粗格柵的控制設(shè)計(jì)。粗格柵的功能是篩除污水中的大體積漂浮物。粗格柵機(jī)的開啟可使用手動方式或者自動控制方式，具體實(shí)現(xiàn)原理是在粗格柵機(jī)前后安裝超聲波液位計(jì)，通過對液位高度的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)粗格柵機(jī)的開啟或關(guān)閉。通過對液位閾值的設(shè)置、運(yùn)行時(shí)間設(shè)置、停止間隔時(shí)間設(shè)置，實(shí)現(xiàn)PLC的控制。

（2）細(xì)格柵的控制設(shè)計(jì)。細(xì)格柵相對于粗格柵，攔截的漂浮物體積更小，目的是避免細(xì)小的物體堵塞設(shè)備。實(shí)現(xiàn)的控制方式和粗格柵一樣，不同的是對于細(xì)格柵機(jī)的控制，是基于上位機(jī)的操作人員手動控制的。

（3）潛水提升泵的控制設(shè)計(jì)。粗格柵中的污水想要從提升泵房流入到細(xì)格柵池中時(shí)，需要利用提升泵將污水排進(jìn)細(xì)格柵池中，因此需對每個(gè)提升泵進(jìn)行PLC控制。根據(jù)設(shè)計(jì)需求泵房分別標(biāo)注不同的液位，根據(jù)化工污水處理需求，控制各提升泵的工作狀態(tài)。在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮泵和動力供電系統(tǒng)的使用壽命，合理設(shè)計(jì)提升泵的工作狀態(tài)，避免因反復(fù)啟停對提升泵造成的損害。

4.1.2 生化處理段PLC設(shè)計(jì)

該階段中的核心工藝是污水在曝氣池中的好氧反應(yīng)，通過對化工污水中的有機(jī)污染物的氧化分解，達(dá)到水質(zhì)提高的目的。其中對于好氧反應(yīng)影響最大的就是溶解氧濃度，如果氧濃度過高或者過低產(chǎn)生的直接影響是活性污泥的吸附能力和絮凝性能力降低，從而影響氧化分解效果。因此，對于該階段的PLC設(shè)計(jì)對于溶解氧的控制變得極為重要。具體的控制設(shè)計(jì)方法是在曝氣池中安裝溶解氧含量檢測儀器，根據(jù)溶解氧含量的高低，控制鼓風(fēng)機(jī)的使用，既能保證溶解氧的含量，又能起到降低成本的目的[4]。曝氣池控制流程圖如圖3所示。

通過對上圖的分析可以了解，曝氣池的液位決定了提升泵鼓風(fēng)機(jī)和液下攪拌器的運(yùn)行狀態(tài)。

4.1.3 后續(xù)處理段PLC設(shè)計(jì)

通過曝氣池后的水質(zhì)得到了明顯的提升，主要是針對后期的污泥處理;再經(jīng)過二沉池的處理后，利用提升泵轉(zhuǎn)入到臭氧催化氧化池后水質(zhì)再次得到提升，在經(jīng)過污泥脫水間的污泥處理后，進(jìn)入污泥回流泵房。對于污泥處理PLC控制，通過控制儲泥池中的液位高度實(shí)現(xiàn)脫水機(jī)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài);另外通過對加藥罐中的液位高度檢測，以此確定高效絮凝劑的添加比例。

4.2 組態(tài)軟件上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了化工污水處理現(xiàn)場和控制室之間的網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到對各站點(diǎn)或設(shè)備的控制。通過監(jiān)控系統(tǒng)觀察污水的處理情況，從而實(shí)現(xiàn)污水處理的自動化。

4.2.1 組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)包括控制層、監(jiān)控層以及管理層。監(jiān)控層在其中起到了承上啟下的作用，通過與管理層的連接向控制層發(fā)出命令，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。

4.2.2 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

（1）監(jiān)控總界面。污水處理廠范圍內(nèi)的所有操作流程都體現(xiàn)在界面當(dāng)中;

（2）監(jiān)控分畫面。對于相關(guān)的設(shè)備和工藝流程設(shè)計(jì)分畫面;

（3）報(bào)警界面。報(bào)警界面的設(shè)計(jì)，包含了安全事故發(fā)生的各項(xiàng)信息情況，方便快速進(jìn)行處理;

（4）報(bào)表系統(tǒng)，圖表趨勢圖。該模塊的設(shè)計(jì)是將采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲和整理，并通過表格或者圖形的形式展示在界面當(dāng)中。

4.3 上位機(jī)功能實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)主要功能包括：

（1）管理功能。通過上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可以對化工污水處理過程中的各項(xiàng)工藝實(shí)施管理，同時(shí)各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息通過管理模塊顯示在系統(tǒng)界面中，以便于管理;

（2）控制功能。管理人員通過對相關(guān)指令的發(fā)送，實(shí)現(xiàn)對自動化系統(tǒng)的控制;

（3）通信功能。上位機(jī)通過對各個(gè)設(shè)備和分站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)對各站的信息傳達(dá)。

4.4 工藝控制顯示功能實(shí)現(xiàn)

該模塊的設(shè)計(jì)分為整體信息顯示、分屏信息顯示、趨勢發(fā)展顯示、圖形生成顯示、工藝流程顯示、參數(shù)情況顯示和工作狀況顯示。

4.5 數(shù)據(jù)處理功能實(shí)現(xiàn)

采集裝置收集到的數(shù)據(jù)信息，通過管理系統(tǒng)進(jìn)行存儲和處理。該模塊的功能是通過將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)阶詣涌刂葡到y(tǒng)中，系統(tǒng)通過計(jì)算得到相關(guān)的控制指令，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的處理。

4.6 設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中的運(yùn)行參數(shù)包括設(shè)備的開啟、運(yùn)行的時(shí)間、液面的高度、溶解氧含量等相關(guān)參數(shù)，通過設(shè)置運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控功能模塊，可對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行查詢[5]。

5 結(jié)語

化工污水處理自動化對于環(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源、資源再生、降低生產(chǎn)成本和提高工作效率都具有重要意義。但是化工污水處理自動化還有很多問題需要進(jìn)一步的深化研究，隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，未來的化工污水處理自動化控制系統(tǒng)會更加的完善，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的發(fā)展目標(biāo)。

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