摘要：安鋼集團(tuán)永通鑄管有限公司新建12500 t/d污水處理站, 污水中含有大量的砂漿成分。此類污水在處理過(guò)程中極易造成管路淤積堵塞。我們?nèi)龝硟x表在文中主要描述了通過(guò)液位控制來(lái)達(dá)到砂漿廢水自動(dòng)化處理的方式, 結(jié)果表明, 該控制系統(tǒng)運(yùn)行良好, 運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

引言：

    自動(dòng)化技術(shù)在不同的行業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。環(huán)保工程也越來(lái)越注重xianjin自動(dòng)化控制技術(shù)的應(yīng)用。尤其在工業(yè)污水的處理過(guò)程中, 污水來(lái)源的不穩(wěn)定性以及成分的復(fù)雜性, 對(duì)整個(gè)工業(yè)污水的處理工藝和控制方式提出了非常高的標(biāo)準(zhǔn)。安鋼集團(tuán)永通鑄管有限公司 (以下簡(jiǎn)稱永通鑄管) 因生產(chǎn)需要新建日處理量為12500 t的砂漿污水處理站。三暢儀表針對(duì)永通鑄管提出的要求, 對(duì)此次新建污水站的控制系統(tǒng)做出系統(tǒng)性設(shè)計(jì)。

    污水處理工藝過(guò)程中存在頻繁的設(shè)備起停, 相關(guān)設(shè)備之間的運(yùn)行條件, 故障狀態(tài)需要及時(shí)掌握, 因此在構(gòu)建整個(gè)污水處理系統(tǒng)應(yīng)采用集中管理, 分散控制結(jié)合的綜合控制系統(tǒng), 以便于整個(gè)處理系統(tǒng)過(guò)程控制、流程監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控以及故障報(bào)警。

    由于安鋼廠區(qū)規(guī)模大, 控制系統(tǒng)采用PLC作為主要控制元件, 監(jiān)控端采用上位機(jī)加組態(tài)軟件完整整個(gè)系統(tǒng)的集中管理。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用工業(yè)以太網(wǎng), 使用光纖作為主要信號(hào)傳輸介質(zhì), 實(shí)現(xiàn)各級(jí)設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換及共享。

1、供電系統(tǒng)：

    永通公司污水站整體運(yùn)行功率接近1 000kW/h。但由于廠區(qū)跨度大, 采用分散控制結(jié)構(gòu), 因此各分站對(duì)應(yīng)的供電壓力減少。新老車間采用車間供電系統(tǒng), 污水站需要新建供電系統(tǒng)。供電采用兩條800 k W油變0.6 kV進(jìn)線。進(jìn)線柜為1用1備, 以便在供電發(fā)生故障或者設(shè)備檢修時(shí), 可通過(guò)開(kāi)關(guān)切換完成對(duì)處理系統(tǒng)的供電, 避免處理系統(tǒng)停擺造成的影響。

    進(jìn)線柜和配電柜均采用GGD配電柜體制作, 每個(gè)獨(dú)立的配電柜需要通過(guò)母排另外配置獨(dú)立的進(jìn)線總斷路器, 方便配電控制柜檢修維護(hù)。斷路器切斷的同時(shí)不會(huì)影響其他配電控制柜內(nèi)器件的運(yùn)行。

2、控制系統(tǒng)：

    控制系統(tǒng)主要包括上位機(jī)1臺(tái)以及PLC控制站3個(gè)。PLC控制站主要位于新老車間各1個(gè), 污水站區(qū)1個(gè)。PLC采用西門子S7-300系列中型PLC。上位機(jī)采用西門子WinCC組態(tài)軟件。

    上下位機(jī)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)傳輸。協(xié)議采用Profinet, 非Profibus。其實(shí)兩種都是西門子產(chǎn)品在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用zui多的總線控制結(jié)構(gòu), 但是Profibus是基于485的通訊基礎(chǔ), 并非真正的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu), 兩者就通訊速率比較沒(méi)有可比性。為了能夠更好實(shí)現(xiàn)控制方式以及今后的升級(jí)需要, 所以采用Profinet通訊協(xié)議。

    雙絞線根據(jù)傳輸速率分為三類:10M, 100M和1000M。按照文獻(xiàn)的要求, 明確要求水平布線不能超過(guò)90 m, 鏈路總長(zhǎng)度不能超過(guò)100 m。而在永通公司污水處理工程中, 新老車間與污水站的直線距離均超過(guò)200 m。因此普通雙絞線已經(jīng)無(wú)法滿足該項(xiàng)目的傳輸要求。新老車間和上位機(jī)通信需要通過(guò)光纖完成。需要選擇自帶千兆光纖接口的交換機(jī)。

    另外, 污水站控制系統(tǒng)要求納入廠內(nèi)DCS集中管理。三暢考慮到系統(tǒng)傳輸距離以及網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立性, 額外增加一臺(tái)帶光纖接口的交換機(jī)。因此永通公司污水站工業(yè)以太網(wǎng)由4個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成, 實(shí)現(xiàn)污水站的集中管理和分散操作。

3、PLC主站及分站：

    新老車間分別設(shè)置一套用于污水收集的控制分站, 污水站為主站, 主要功能將由新老車間收集而來(lái)的污水進(jìn)行集中處理。設(shè)置分站的主要目的由于廠區(qū)跨度太大, 分散控制可以避免從主站鋪設(shè)大量的控制電纜、動(dòng)力電纜以及管廊橋架, 不僅大大減少投資成本, 也減少今后的維護(hù)難度和成本。

    主站和分站分別選用三暢儀表的過(guò)程控制器CPU315和分布式I/O設(shè)備ET200M組成, 模塊化的安裝結(jié)構(gòu)、很容易實(shí)現(xiàn)分布式的配置, 并且電磁兼容性強(qiáng)、抗震動(dòng)、抗沖擊、擴(kuò)展性強(qiáng)、通訊結(jié)構(gòu)功能完善。主站由電源模塊PS307、中央處理單元CPU315、模擬量模塊SM331、數(shù)字量輸入模塊SM321、數(shù)字量輸出模塊SM322組成, 分站只需要由接口模塊IM153, 及模擬量和數(shù)字量模塊組成。

    永通公司主要產(chǎn)生砂漿廢水, 為避免管道淤積堵塞, 處理系統(tǒng)中不設(shè)置閥門及管道流量計(jì)。自動(dòng)控制狀態(tài)下主要設(shè)備的起停都是通過(guò)對(duì)水池液位的監(jiān)控來(lái)完成。三暢采用磁翻板液位計(jì), 該液位計(jì)接線方式為兩線制4~20 m A電流型。模擬量信號(hào)不需要隔離, 直接接入模擬量輸入模塊即可。

    I/O信號(hào)需要采用隔離操作, 因此數(shù)字量信號(hào)在進(jìn)出PLC之前都應(yīng)采用中間繼電器隔離。

    由于車間面積很大, 即便設(shè)置了分站, 部分設(shè)備和分站機(jī)柜之間的距離相差也非常大。如現(xiàn)場(chǎng)的控制信號(hào)采用直流驅(qū)動(dòng), 長(zhǎng)距離傳輸很容易產(chǎn)生壓降。長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)影響中間繼電器線圈的壽命, 減少繼電器吸合的可靠性。因此輸入繼電器采用交流24 V驅(qū)動(dòng), 交流電在傳輸過(guò)程中, 電壓受線損的影響會(huì)小的多, 只需要配置一個(gè)可以產(chǎn)生交流24 V的控制變壓器, 進(jìn)入PLC輸入口的信號(hào)還是采用直流24 V。輸出中間繼電器, 由于線圈部分直接通過(guò)PLC輸出口操作, 可以采用直流24 V驅(qū)動(dòng), 再通過(guò)觸點(diǎn)閉合完成對(duì)外部的元件驅(qū)動(dòng)。

    驅(qū)動(dòng)元件需要根據(jù)動(dòng)力設(shè)備的使用功率選擇。尤其污水處理工藝中會(huì)涉及到大量電機(jī)的頻繁啟停。當(dāng)大功率電機(jī)啟動(dòng)時(shí), 尤其是采取直接啟動(dòng)時(shí), 輕載時(shí)沖擊電流約為運(yùn)行電流的3~5倍, 重載時(shí)會(huì)是5~7倍。這時(shí)可以采用軟啟動(dòng)器、變頻器或者星三角降壓?jiǎn)?dòng)等。

    污水處理工藝中, 設(shè)備和控制柜之間的距離往往會(huì)非常大。星三角的接線方式只適用于短距離的安裝條件。因此污水站控制主要采用軟啟動(dòng)和變頻啟動(dòng)方式。

    軟啟動(dòng)器的特點(diǎn)是降壓限流啟動(dòng), 當(dāng)達(dá)到工作頻率后并靠旁路接觸器接通來(lái)維持運(yùn)行, 退出對(duì)電機(jī)的保護(hù)功能, 更不能對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速等功能。變頻啟動(dòng)具有軟啟動(dòng)的所有功能, 并且可以設(shè)置對(duì)電機(jī)更具有針對(duì)性的保護(hù)條件。通常22 k W以下都可以采用直接啟動(dòng)的方式。

4、液位控制流程：

4.1、廢水收集池：

    新老車間廢水收集池共8個(gè), 每個(gè)收集池配置一套超聲波液位計(jì)和一臺(tái)提升泵, 攪拌機(jī)數(shù)量根據(jù)池子大小配置, 8個(gè)收集池共11臺(tái)攪拌機(jī)。當(dāng)池子的高液位達(dá)到液位計(jì)設(shè)定值時(shí), 提升泵開(kāi)始工作, 對(duì)外進(jìn)行排水, 直至液位降至液位計(jì)低液位設(shè)定值, 提升泵停止工作, 各收集池重新開(kāi)始收集車間廢水。

    各池子中的攪拌器和提升泵均為閉環(huán)控制。用戶可根據(jù)池內(nèi)液位的高低, 設(shè)定攪拌機(jī)啟動(dòng)條件。當(dāng)攪拌機(jī)槳葉高于液面時(shí), 攪拌機(jī)停止工作。用戶可以設(shè)定攪拌機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間, 也可以根據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)操作攪拌機(jī)。閉環(huán)控制如廢水收集池控制流程圖 (圖1) 。

圖1 廢水收集池控制流程圖

4.2、攪拌調(diào)節(jié)池：

    調(diào)節(jié)攪拌池主要由4臺(tái)攪拌刮泥機(jī)和2套加藥裝置組成。攪拌機(jī)可手動(dòng)操作也可自動(dòng)操作。手動(dòng)操作可通過(guò)控制系統(tǒng)選擇啟動(dòng)停止。也可以根據(jù)實(shí)際情況, 根據(jù)時(shí)間設(shè)定先后順序啟動(dòng)。

    每套加藥裝置配備兩臺(tái)加藥泵, 加藥泵為1用1備用, 可通過(guò)控制系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間自動(dòng)切換, 也可手動(dòng)對(duì)加藥泵進(jìn)行選擇 (檢修維護(hù)用) 。每個(gè)加藥罐配備液位計(jì)和, 對(duì)罐體內(nèi)液位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控, 當(dāng)罐內(nèi)液位過(guò)低時(shí), 加藥泵停止工作。為確保藥劑一直處于備用狀態(tài), 只有當(dāng)加藥罐攪拌機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定后, 才能激活加藥泵的運(yùn)行。

    在自動(dòng)控制下, 當(dāng)收集池提升泵啟動(dòng)時(shí), 調(diào)節(jié)池內(nèi)的攪拌機(jī)開(kāi)始工作, 同樣可以對(duì)攪拌機(jī)進(jìn)行選擇啟動(dòng), 或設(shè)定時(shí)間先后順序啟動(dòng)。

    當(dāng)設(shè)定控制系統(tǒng)設(shè)定好的攪拌機(jī)完全啟動(dòng)后, 加藥泵開(kāi)始工作。

4.3、混凝反應(yīng)A/B池：

    混凝反應(yīng)A/B池內(nèi)各安裝1臺(tái)攪拌機(jī), 5套加藥裝置, 3臺(tái)污水提升泵, 1套液位計(jì)監(jiān)測(cè)裝置和1套手拉葫蘆式龍門吊組成。3臺(tái)污水提升泵分別對(duì)3個(gè)分離池供水。用戶可通過(guò)控制系統(tǒng)選擇分離池進(jìn)行操作。攪拌機(jī)和加藥裝置設(shè)置與調(diào)節(jié)池一致。

    液位計(jì)檢測(cè)反應(yīng)池的液位, 便于控制提升泵及時(shí)將多余的廢水排出反應(yīng)池, 確保反應(yīng)池內(nèi)藥劑和廢水的動(dòng)態(tài)平衡。及時(shí)的液位監(jiān)控有利于減少控制系統(tǒng)的能源消耗和藥劑的浪費(fèi)。

    反應(yīng)池和調(diào)節(jié)池相通, 因此調(diào)節(jié)攪拌池內(nèi)的處理裝置同樣受反應(yīng)池液位計(jì)的控制。

4.4、泥水分離池裝置：

    泥水分離池共3個(gè), 配置為2用1備。各分離池分別配置1臺(tái)攪拌機(jī)、1臺(tái)刮泥機(jī)和1臺(tái)渣漿泵。攪拌機(jī)和刮泥機(jī)可通過(guò)控制系統(tǒng)設(shè)定攪拌時(shí)間或定時(shí)攪拌。渣漿泵可手動(dòng)操作, 也可以根據(jù)反應(yīng)池對(duì)應(yīng)的提升泵的運(yùn)行時(shí)間來(lái)調(diào)整啟動(dòng)。

    泥水分離需要足夠的停留時(shí)間, 延長(zhǎng)渣漿泵的啟動(dòng)時(shí)間可以有效減少排出污泥中的含水率, 因此渣漿泵的啟動(dòng)可根據(jù)對(duì)應(yīng)的提升泵來(lái)設(shè)定調(diào)整啟動(dòng)和關(guān)閉的時(shí)間。

  渣漿泵控制流程如分離池控制流程圖 (圖2) 。

圖2 分離池控制流程圖

4.5、污泥調(diào)質(zhì)A/B池：

    污泥調(diào)A/B池由1套加藥裝置、2臺(tái)攪拌機(jī)、3臺(tái)污泥泵組成以及1套超聲波液位計(jì)裝置。攪拌機(jī)和加藥裝置的設(shè)置與調(diào)節(jié)池一致。

    污泥泵為2用1備用, 可手動(dòng)運(yùn)行, 也可以根據(jù)污泥池液位自動(dòng)選擇操作?？刂屏鞒桃?jiàn)調(diào)質(zhì)池控制流程圖 (圖3) 。

圖3 調(diào)質(zhì)池控制流程圖

 

4.6、清水池：

    清水池配置3臺(tái)清水回用泵和1套超聲波液位計(jì)裝置、清水回用泵2用1備用, 每天交換其中的1臺(tái)。

    當(dāng)清水池液位達(dá)到清水回用液位條件時(shí), 同時(shí)打開(kāi)2臺(tái)清水回用泵, 快速將過(guò)多的清水消耗在反沖洗管路中, 當(dāng)水位低于反沖洗液位時(shí), 回用泵停止運(yùn)行?？刂屏鞒桃?jiàn)清水池控制流程圖 (圖4) 。

4.7、地表水收集池：

    地表水收集池配置1臺(tái)攪拌機(jī), 1臺(tái)排水泵以及1套超聲波液位計(jì)裝置。

    攪拌機(jī)和排水泵受液位計(jì)液位設(shè)定控制。控制流程見(jiàn)地表水收集池控制流程圖 (圖5) 。

圖4 清水池控制流程圖

 

 

圖5 地表水收集池控制流程圖

 

5、上位機(jī)軟：

    上位機(jī)采用西門子wincc組態(tài)軟件, 軟件功能包括:處理過(guò)程自動(dòng)控制、水位實(shí)施監(jiān)視、設(shè)備故障顯示報(bào)警、聯(lián)鎖保護(hù)功能等等, 這些功能能提高整個(gè)污水站的處理效率, 減少操作人員工作強(qiáng)度, 提高企業(yè)管理效率, 從而減少企業(yè)在環(huán)保工程上的運(yùn)行成本。

    上位機(jī)軟件配置動(dòng)態(tài)工藝流程圖, 流程圖可在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示同場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、重要工藝參數(shù)的變化情況以及儀表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。操作人員可以很方便的利用鼠標(biāo)鍵盤對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行變更和干預(yù)。

    實(shí)時(shí)監(jiān)控的數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)時(shí)間順序存入歷史數(shù)據(jù)庫(kù), 可以做到有據(jù)可查, 責(zé)任到人。

    設(shè)備分兩級(jí)操作方式。一級(jí)控制主要通過(guò)軟件集中監(jiān)控, 不同用戶等級(jí)可操作的設(shè)備數(shù)量是受限的。二級(jí)控制通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作盒完成, 操作盒設(shè)置手動(dòng)和遠(yuǎn)程選擇開(kāi)關(guān), 選擇手動(dòng)時(shí), 可就地對(duì)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)操作。一級(jí)操作可根據(jù)不同的用戶等級(jí)限制二級(jí)操作。手動(dòng)操作是時(shí)自動(dòng)控制的補(bǔ)充, 并非主要的控制方式。

    當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí), 系統(tǒng)會(huì)顯示報(bào)警畫面, 來(lái)提示操作人員對(duì)故障進(jìn)行處理。報(bào)警窗口分為兩部分:當(dāng)前報(bào)警和歷史報(bào)警。當(dāng)前報(bào)警會(huì)顯示目前存在的報(bào)警, 已處理的報(bào)警消失后和它相關(guān)的報(bào)警信息都會(huì)從當(dāng)前報(bào)警中消失;歷史報(bào)警不僅顯示目前存在的報(bào)警并且報(bào)警得到處理后其相關(guān)的報(bào)警信息仍可以顯示和查詢。

6、結(jié)語(yǔ)：

    該砂漿廢水自控方案經(jīng)實(shí)際證明, 運(yùn)行穩(wěn)定, 處理效果好。全程通過(guò)液位監(jiān)控, 避免類似管道流量計(jì)出現(xiàn)堵塞影響運(yùn)行的狀況發(fā)生, 并且為今后砂漿廢水的自控方案升級(jí)提供了相應(yīng)的參考參數(shù)。