PLC 在反沖洗廢水回用中的應(yīng)用

張亞軍，郭來功

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南，232001）

0 引言

淮北市某水廠現(xiàn)有生產(chǎn)工業(yè)清水規(guī)模為23 萬噸/天，采用“反應(yīng)+沉淀+過濾+消毒”工藝，原水經(jīng)處理后加壓輸送至用戶。為了保護(hù)環(huán)境，節(jié)約水資源，該水廠對生產(chǎn)廢水進(jìn)行回用。生產(chǎn)廢水主要包括沉淀池的排泥水和濾池反沖洗時產(chǎn)生的反沖洗廢水，這類廢水一般約占水廠總進(jìn)水量3%～8%[1]。該水廠近幾年來提供的工業(yè)清水年均供水約2030 萬噸，日供水約5.6 萬噸，生產(chǎn)過程生產(chǎn)廢水每年約155 萬噸，其中濾池反沖洗廢水約130 萬噸，沉淀池排泥水約25 萬噸。在該水廠回用生產(chǎn)廢水的過程中采用手動控制的方式，為了實現(xiàn)對生產(chǎn)廢水回用過程的自動化控制和優(yōu)化，本文采用PLC 對回用水池進(jìn)行控制，并結(jié)合實時的監(jiān)控畫面，改善了回用廢水過程的自動化控制。

1 反沖洗廢水回用工藝

該水廠濾池反沖洗廢水回用水池和沉淀池排泥水的排泥池采用分開構(gòu)建的方式，將濾池反沖洗廢水和沉淀池排泥水分開收集，經(jīng)排泥池排出的排泥水經(jīng)過濃縮和壓濾脫水處理成泥餅[2]。在污泥濃縮時的上清液回收至回用水池，回用水池經(jīng)一段時間沉淀后的上清液回用至沉淀池，實現(xiàn)生產(chǎn)廢水的回用，其工藝如圖1 所示。

圖1 反沖洗廢水回用工藝

反沖洗廢水回用水池采用的是雙池結(jié)構(gòu)，其水池結(jié)構(gòu)如圖2 所示，兩個水池的進(jìn)水口有電動閥門，可以通過閥門控制廢水進(jìn)入的水池，每個水池都分別配有一個排水泵和一個排污泵。

圖2 回用水池結(jié)構(gòu)

2 反沖洗廢水回用系統(tǒng)

反沖洗廢水回用系統(tǒng)主要包括三個層面如圖3 所示，監(jiān)控層是在中控室操作員可以通過監(jiān)控畫面監(jiān)測系統(tǒng)的運行和運行過程中的數(shù)據(jù)，并可以遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場設(shè)備以及對故障報警進(jìn)行預(yù)處理[3]。PLC 控制層是將現(xiàn)場儀器采集的數(shù)據(jù)信息傳遞到PLC 中，經(jīng)過程序設(shè)計的處理后，再輸出指令對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。現(xiàn)場設(shè)備層有排水泵、排污泵、步進(jìn)電機(jī)、濁度儀和超聲波液位計，各自分布在工藝現(xiàn)場中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息采集和進(jìn)行廢水回用運行?；赜盟刂饕M(jìn)水是反沖洗廢水，其次是排泥水濃縮過程的上清液，針對回用水池的排水排泥，配備了兩臺排水泵和兩臺排污泵?；赜盟嘏潘门匝b有步進(jìn)電機(jī)帶動的可上下移動的帶平臺的滑桿，可移動的平臺上固定有濁度儀和排水泵進(jìn)水口軟管。濁度儀采集到的濁度值實時反饋到PLC，PLC 根據(jù)當(dāng)前濁度值和設(shè)定濁度值比較出差值，然后通過PLC 對差值信號進(jìn)行PID運算，運算結(jié)果通過PLC 輸出控制驅(qū)動器，實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制，從而控制濁度儀的位置，達(dá)到固定濁度回用上清液的目的[4]。

圖3 反沖洗廢水回用系統(tǒng)圖

系統(tǒng)配有三種控制方式：自動控制、現(xiàn)場手動控制和遠(yuǎn)程控制[5]?，F(xiàn)場手動控制是通過回用水池旁的現(xiàn)場按鈕實現(xiàn)設(shè)備的啟動與停止；遠(yuǎn)程控制是通過中控室的監(jiān)控計算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作回用水池設(shè)備，可以控制現(xiàn)場設(shè)備的啟停；自動控制是PLC 控制器根據(jù)程序設(shè)定自動運行反沖洗廢水回用系統(tǒng)。

3 反沖洗廢水回用硬件設(shè)計

■3.1 PLC 的設(shè)計

在本次反沖洗廢水回用系統(tǒng)中，選用西門子S7-1200系列的PLC 作為控制器，其型號為CPU 1214C DC/DC/DC。該PLC 具有高速脈沖輸出可以驅(qū)動控制步進(jìn)電機(jī)的運行，CPU 機(jī)身配有PROFINET 以太網(wǎng)接口，可以實現(xiàn)HMI、上位機(jī)和其他PLC 之間的通信，并擴(kuò)展RS485 通訊模塊CM1241，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集。

■3.2 濁度儀的設(shè)計

該水廠在對濾池進(jìn)行6 分鐘反沖洗時，測得反沖洗過程反沖洗廢水濁度值約在22～300NTU 之間。沉淀池的排泥水在工作期間測得濁度約為450NTU，故在此反沖洗廢水回用中濁度儀可選擇0.01～3000NTU 量程，精度小于測量值的±5%，型號為聯(lián)測SIN-PTU-8010。濁度儀的測量原理是通過發(fā)射高強(qiáng)度的單色光，光束穿過水體遇到水中的微粒產(chǎn)生散射光，通過測量垂直于光束方向的散射光強(qiáng)度計算水體的濁度。由于濁度儀工作原理是激光散射法，工作時處于水中，而且沉淀池排泥水的濁度較大，長期工作濁度儀發(fā)散光束的鏡面會附著許多雜質(zhì)，影響濁度儀的測量精度。所以選擇了配有自清洗功能的濁度儀，根據(jù)設(shè)定可以進(jìn)行手動自清洗，或者固定時間間隔進(jìn)行自動自清洗。

■3.3 超聲波液位計的設(shè)計

根據(jù)查閱該廠對回用水池的構(gòu)建資料，可知回用水池深度為5m，故在本系統(tǒng)中選用超聲波液位計的量程為0～10m，測量精度為0.5%FS，型號為美控MIK-DFG。采用的是分體式的超聲波液位計，配有RS485 通信，可實現(xiàn)多路測量和現(xiàn)場讀數(shù)。由于溫度對超聲波的傳播有影響，并且液位數(shù)據(jù)直接影響著水泵的啟停，故選擇配有智能溫補(bǔ)功能的超聲波液位計，保證測量精度。

■3.4 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計

步進(jìn)電機(jī)是用于負(fù)責(zé)滑桿上平臺進(jìn)行升降的動力源，可升降的平臺上固定有濁度儀和排水泵進(jìn)水軟管，通過軟管在水體中的升降實現(xiàn)固定濁度值回用上清液，提高了回用水的質(zhì)量，降低了回用反沖洗廢水時對原水的沖擊。由于濁度儀重量0.8kg，加上和軟管固定在平臺上，可選用力矩為4.5N·m，步距角為1.8°，額定電流為6.0A，型號為達(dá)川智能86HB80-401A 的步進(jìn)電機(jī)。PLC 和步進(jìn)電機(jī)之間需要連接驅(qū)動器進(jìn)行方向和轉(zhuǎn)速控制，配套驅(qū)動器型號為DMA860-S，該驅(qū)動器具有多種電流與細(xì)分設(shè)置，支持交直流寬電壓輸入（VAC：20～80V、VDC：24V～110V），采用矢量控制技術(shù)，高速且力矩大，內(nèi)置參數(shù)自整定功能，光隔離差分信號輸入，具有短路、欠壓、過壓等保護(hù)功能。PLC和驅(qū)動器的基本控制接線如圖4 所示，24V 直流電為PLC的輸出端口供電，輸出點Q0.0 輸出脈沖信號連接驅(qū)動器的PUL+，輸出點Q0.1 輸出方向控制信號連接DIR+，由于采用的是西門子S7-1200 系列的PLC 來發(fā)出脈沖信號，所以驅(qū)動器采用的是共陰極接法。驅(qū)動器的供電可選用直流電24V～110V 或者交流電20～80V。

圖4 驅(qū)動器控制接線

■3.5 水泵控制主回路

由于采用的是能輸出高速脈沖的晶體管輸出型PLC，其輸出端是24V 直流電，不能直接驅(qū)動交流接觸器控制三相380V 電動機(jī)運行，所以需要中間繼電器來控制交流接觸器，起到弱電控制強(qiáng)電的作用，而且可以進(jìn)行電氣隔離。每個排水泵和排污泵的主回路接線都如圖5 所示，圖中QF 是斷路器可以控制整個主回路電路，電路發(fā)生故障時，可以自動切斷線路保護(hù)電路中的其他設(shè)備。FU1 是熔斷器在水泵主控制回路中發(fā)生短路或過流時可以保護(hù)電路。FR1 是熱繼電器主要對水泵電機(jī)起過載保護(hù)作用。本文中選用的PLC 輸出點為24V 直流電，可以控制中間繼電器的線圈KA1 得電，中間繼電器的一組常開觸點KA1 和交流接觸器線圈KM1 一同接入380V 交流電回路中，交流接觸器線圈KM1 得電，交流接觸器常開觸點KM1 吸合，可以控制水泵的啟動。采用中間繼電器不僅可以解決PLC 輸出不能直接控制交流接觸器的問題，而且還可以起到低電壓控制高電壓的作用。

圖5 水泵主回路接線圖

4 反沖洗廢水回用軟件設(shè)計

PLC 軟件采用的是西門子TIA Portal V15.1，該軟件能夠與S7-1200PLC實現(xiàn)契合[6]。反沖洗廢水回用系統(tǒng)根據(jù)回用水池的液位和濁度信息，對水泵工作進(jìn)行控制。根據(jù)需要PLC 控制方式包括：自動控制、現(xiàn)場手動控制和遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制是中控室通過上位機(jī)對系統(tǒng)的運行進(jìn)行監(jiān)控和操作控制，可以對突發(fā)的報警故障進(jìn)行遠(yuǎn)程預(yù)處理。一般系統(tǒng)正常運行時為自動控制，自動控制流程如圖6 所示，包括水池切換程序，提升機(jī)工作到設(shè)定濁度液位程序。主要過程為有水池液位過高或者液位過低會切換水池進(jìn)行廢水收集，切換水池后高液位的水池進(jìn)行一定時間的沉淀，達(dá)到沉淀時間后提升機(jī)移動升降平臺到設(shè)定濁度液位進(jìn)行上清液回用。

圖6 工作流程

（1）回用水池切換程序。系統(tǒng)上電后會默認(rèn)打開兩個回用水池中液位相對較高的進(jìn)水閥門，在有水池達(dá)到高液位信號或者有水池達(dá)到低液位信號，通過關(guān)閉高液位水池進(jìn)水閥門，打開低液位水池進(jìn)水閥門，切換水池進(jìn)行廢水收集。

（2）提升機(jī)工作程序。固定液位回用上清液，不僅需要的沉淀時間長，而且回用上清液的濁度較大，與原水混合產(chǎn)生的沖擊較大。采用升降平臺進(jìn)行回用上清液過程為：在水池切換后，高液位水池進(jìn)行半小時的沉淀，沉淀時間過后會給提升機(jī)工作信號，使升降平臺找到設(shè)定濁度的液面，在具備開泵安全液位范圍內(nèi)開啟排水泵回用上清液。

5 上位機(jī)監(jiān)控畫面設(shè)計

上位機(jī)通過以太網(wǎng)和控制器完成通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)間的讀取和設(shè)定，通過在WinCC RT Advanced 上完成監(jiān)控畫面的制作，監(jiān)控畫面如圖7 所示。在系統(tǒng)運行時可監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況，并且可以在監(jiān)控畫面上直接讀取到一些實時顯示的數(shù)據(jù)。監(jiān)控畫面上設(shè)置了可以點擊的手動按鈕，方便在上位機(jī)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

圖7 監(jiān)控畫面

6 總結(jié)

本反沖洗廢水回用系統(tǒng)采用西門S7-1200 系列PLC 作為控制器，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備和上位機(jī)監(jiān)控畫面，完成了對反沖洗廢水回用系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了對反沖洗廢水回用過程的自動化控制，提高了反沖洗廢水回用時上清液的濁度，降低了回用時與原水混合時的沖擊，提高了制水的質(zhì)量。