PLC的化工污水处理自动化控制系统设计

2021-01-07白雪宁，宁煜，穆龙涛

粘接 2021年12期

白雪宁，宁煜，穆龙涛

摘要：通过对传统化工污水处理的缺點分析，设计了一套基于PLC的化工污水处理自动化系统。对自控系统硬件系统的组成进行分析并完成了相关硬件系统的设计;然后对化工污水自动化控制系统软件系统构成及控制流程进行阐述，并完成了系统中的软件设计;最后，实现了各功能模块的控制管理。

关键词：机化工污水处理;PLC;自动化;控制系统;设计分析

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：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

随着化工产业的快速发展，大量的化工生产污水严重污染环境，通过对化工污水的处理，不但能够缓解水污染的问题，而且还可以实现重复利用从而缓解水资源紧张的现状。传统的处理方法虽然能够实现污水的处理，但是效果并不明显。因此，研究基于自动化控制系统实现化工污水处理的规模化，达到降低化工污水处理成本和提高水质的目的，具有重要的现实意义。

1 自动化控制系统分析

1.1 化工污水处理控制系统

传统的化工污水处理方法，存在着水平低、污水处理量小、水质不高的情况，随着化工污水处理产业的快速发展，并提出了可持续发展的战略目标，对于化工污水的处理办法改用了更加先进的技术，采用PLC及动态软件实现对化工污水处理的自动化控制，从而提高处理效率和减低运行成本，进一步落实节能减排政策。

1.2 自动化控制系统设计

1.2.1 设计原则

（1）经济性。自动化控制系统的设计目的是为了减低运行成本，使污水处理变得经济适用，可进行推广;

（2）先进性。设计的系统具有智能化的管理模式，从而避免因有毒物质对人体产生伤害;

（3）可靠实用性。满足化工污水处理需求，系统运行平稳，设置安全措施和容错功能;

（4）拓展性。对于系统的维护和更新均建立在可拓展的设计原则基础上，便于后期的管理;

（5）易管理性。系统投入使用后，各个组件和功能模块实现单独的维修和管理，从而减低管理成本;

（6）易操性。系统设计完成投入使用，还需进行人工的监控管理;因此还要考虑系统界面的易操作和直观性。

1.2.2 自控系统功能设计分析

从设计原则和对需求的考虑出发，落实系统的功能。在对功能设计时要求充分考虑化工污水处理量、处理质量、能耗、环保以及生产效率。因此需要具备以下功能：

（1）数据采集功能。采集的数据包括模拟量采集、开关量采集以及脉冲量采集。系统会根据不同的数据信息进行采集整合，为后期的化工污水处理提供数据支持[1];

（2）参数自检功能。系统功能设计满足对过程参数、污水参数、能耗参数等各环节当中的相关参数的检测和记录。除此之外，对于整个化工污水处理设备的运行情况也能发挥自动检测的功能;

（3）自动控制功能。系统通过对工艺和要求的控制，自动的对各个处理环节实行自动化的控制，实现减少人工投入，提高工作效率的目的。但同时也可以根据实际需求对相应的环节加以控制，或者转换成手动控制;

（4）自我保护功能。利用系统中的自动检测功能，对各项数据和设备进行循环式检测;一旦出现事故发生预警，系统会进行综合的分析，实施自我保护措施，避免产生更大的安全事故。这项功能的设计至关重要，关乎着人民财产安全以及整个化工污水处理厂的利益;

（5）自动调节功能。自动调节功能的实现，是基于数据采集功能和自动监测功能在系统中正常工作运行情况下。因此，每个功能模块是相互独立的，但又是紧密联系的。系统根据水位情况、溶氧率以及其他数据的采集，传回到系统中，系统利用自动调节功能，进行水泵的开关、鼓风机的频率改变和其他状态的调节控制，基本实现了智能化控制;

（6）动态调节功能。化工污水处理工作會根据实际情况进行相应的数据调整，实现动态化的管理;因此对自动化系统功能设置时，也要考虑系统通过动态调节功能模块，实现动态和相应的参数调整;

（7）管理功能。以上所有的功能模块，都需在管理界面进行相关的操作，因此管理模块在系统中的作用是整个系统的中枢，管理着各个环节、各个模块、各个设备的正常运行;同时还可以对各部分进行有效的管理和设置。

1.3 自动控制系统监控设置

自动化化工污水处理系统中设置的监控项目包括：监控显示画面、信号汇总画面、各环节监控画面、生产历史曲线图、报警画面、设备状态监控以及系统菜单画面。各个监控画面显示着各部分的运行情况和历史状态，管理员可通过监控了解现场情况或系统的自动监控功能，实现自动化的管理[2]。

1.4 化工污水处理自动控制系统构成

本研究选用PLC（Programmable Logic Controller，PLC）可编程逻辑控制器作为核心控制器，通过对功能模块的管理和设置，完成设备的状态开启和调整。其控制系统构成如图1所示。

2 自控系统硬件系统组成

2.1 核心控制器PLC

2.1.1 PLC功能及工作原理

PLC是指在一定的工业环境下利用数字进行运算控制的电子装置，其工作原理是通过采用可编程的存储器，在其内部进行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算法实现等操作。内部经过相应的处理后再将其以数字形式或者模拟形式进行数据的传导，从而实现对设备和生产过程的控制。PLC被广泛的应用在工艺当中进行自动化的控制，PLC的功能是对各软件或硬件的工作作出指导，并根据不同的信号或接收的数据进行反应，并通过系统的设置进行自动化的控制。其主要功能特点包括以下7点：

（1）运算速度快，指令下达及时;

（2）模型网络化设计;

（3）可实现软件编程;

（4）程序运行可进行存储;

（5）通讯地址实现分配;

（6）具备智能诊断和多级口令保护;

（7）具有在线帮助功能。

2.1.2 PLC特点

PLC工作特点：

（1）应用广泛、设置灵活、功能全面;

（2）可以在复杂环境下进行工作，具有很强的抗干扰能力;

（3）对于系统编程相对简单、易操作;

（4）设计模块化功能管理，方便安装和调试。

2.2 西门子S7-300PLC

本研究采用的是由德国生产的西门子S7-300PLC，它属于中小型模拟式PLC，因其高性能的表现和良好的拓展性被应用于化工污水处理自动化控制系统中。S7-300PLC的机构组成包括控制系统核心部分CPU模块、数字量的输入和输出模块、S7-300的模拟量输入模块以及通信模块。

2.3 化工污水处理自动控制系统结构以及站点布置

化工污水处理厂想要实现对整体的控制，就需要对工艺、设备以及仪表装置进行有效的监控;同时在化工污水处理的各个环节进行自动化的管理，以此保证化工污水的处理工作正常进行。因此本研究设计的是一套分布式的控制系统，对各部分进行控制和管理。通过布置分站点的形式来实现对化工污水处理厂的控制。并在每个分战点设置监控设备，通过后天显示器可以观测到每个分站点的运行情况，当出现问题时系统会进行预警提示，管理系统介入进行控制，相当于每个位置、设备、工艺和仪表都在自控系统的控制范围内，达到了降低管理成本提高工作效率的目的[3]。

2.4 仪表系统

仪表的安装，实现了安全生产和科学化管理的目的。在保证化工污水处理工作正常的情况下，通过仪表的显示还可做到对资源利用率的最大化，同时也为智能监控提供参考依据。化工污水处理涉及到的仪表主要有在线监测仪表、物位仪表、流量表以及过程检测类仪表。

2.5 通讯系统

研究中选用的是现场总线，用于化工污水处理过程中自动化设备的网络连通。而在化工污水处理系统中，管理站与控制中心及各监控之间是由以太网进行连接的，二者共同做成了庞大的通讯系统。

3 化工污水处理自动化控制系统软件系统构成及

控制流程

3.1 自动化控制系统软件系统构成

研究中采用的是开放性的系统平台软件、编程软件，其中组态软件分为上位机和下位机，上位机组态软件的功能是实现对监控范围内所有设备的监测和控制。下位机的功能是通过对PLC的程序编写来实现远程的诊断和调试工作。为了实现自动化控制，满足对于仪表和工艺的需求软件采用的是图形组态应用软件、监测软件以及信息管控软件，这些软件共同组成了软件系统。

3.2 控制流程

3.2.1 手动控制

在管理界面选择手动控制选项，实现对某一模块的运行调整;手动操作模式结构如图2所示。

由图2可知，针对以上的设备进行手动控制来满足实际生产需求。

3.2.2 自动控制

自动控制模式下，所有的操作均是基于自动化系统管理下完成的，按下自动化控制按钮后，操作程序开始工作，具体的工作流程是：系统启动自动化设置，各项设备按照系统设置顺序进行启动。首先是粗格栅机和清污机进入工作状态，随后开启潜水提升泵;之后细格栅机随之工作，曝气沉沙装置也投入运行。然后是污泥回流装置;最后是污泥脱水机投入工作。各个设备的开启和闭合是由控制器S7-300PLC监测各个传感器的运行情况，并根据系统设置实行控制和管理。

4 组态软件设计与功能实现

4.1 组态软件下位机设计

4.1.1 预处理段PLC设计

（1）粗格栅的控制设计。粗格栅的功能是筛除污水中的大体积漂浮物。粗格栅机的开启可使用手动方式或者自动控制方式，具体实现原理是在粗格栅机前后安装超声波液位计，通过对液位高度的监测，实现粗格栅机的开启或关闭。通过对液位阈值的设置、运行时间设置、停止间隔时间设置，实现PLC的控制。

（2）细格栅的控制设计。细格栅相对于粗格栅，拦截的漂浮物体积更小，目的是避免细小的物体堵塞设备。实现的控制方式和粗格栅一样，不同的是对于细格栅机的控制，是基于上位机的操作人员手动控制的。

（3）潜水提升泵的控制设计。粗格栅中的污水想要从提升泵房流入到细格栅池中时，需要利用提升泵将污水排进细格栅池中，因此需对每个提升泵进行PLC控制。根据设计需求泵房分别标注不同的液位，根据化工污水处理需求，控制各提升泵的工作状态。在设计时要充分考虑泵和动力供电系统的使用寿命，合理设计提升泵的工作状态，避免因反復启停对提升泵造成的损害。

4.1.2 生化处理段PLC设计

该阶段中的核心工艺是污水在曝气池中的好氧反应，通过对化工污水中的有机污染物的氧化分解，达到水质提高的目的。其中对于好氧反应影响最大的就是溶解氧浓度，如果氧浓度过高或者过低产生的直接影响是活性污泥的吸附能力和絮凝性能力降低，从而影响氧化分解效果。因此，对于该阶段的PLC设计对于溶解氧的控制变得极为重要。具体的控制设计方法是在曝气池中安装溶解氧含量检测仪器，根据溶解氧含量的高低，控制鼓风机的使用，既能保证溶解氧的含量，又能起到降低成本的目的[4]。曝气池控制流程图如图3所示。

通过对上图的分析可以了解，曝气池的液位决定了提升泵鼓风机和液下搅拌器的运行状态。

4.1.3 后续处理段PLC设计

通过曝气池后的水质得到了明显的提升，主要是针对后期的污泥处理;再经过二沉池的处理后，利用提升泵转入到臭氧催化氧化池后水质再次得到提升，在经过污泥脱水间的污泥处理后，进入污泥回流泵房。对于污泥处理PLC控制，通过控制储泥池中的液位高度实现脱水机设备的运行状态;另外通过对加药罐中的液位高度检测，以此确定高效絮凝剂的添加比例。

4.2 组态软件上位机监控系统设计

上位机监控系统设计，实现了化工污水处理现场和控制室之间的网络连接和数据传输，达到对各站点或设备的控制。通过监控系统观察污水的处理情况，从而实现污水处理的自动化。

4.2.1 组态软件结构设计

组态软件结构包括控制层、监控层以及管理层。监控层在其中起到了承上启下的作用，通过与管理层的连接向控制层发出命令，实现对系统的控制。

4.2.2 监控界面设计

（1）监控总界面。污水处理厂范围内的所有操作流程都体现在界面当中;

（2）监控分画面。对于相关的设备和工艺流程设计分画面;

（3）报警界面。报警界面的设计，包含了安全事故发生的各项信息情况，方便快速进行处理;

（4）报表系统，图表趋势图。该模块的设计是将采集的数据信息进行存储和整理，并通过表格或者图形的形式展示在界面当中。

4.3 上位机功能实现

上位机主要功能包括：

（1）管理功能。通过上位机监控系统，可以对化工污水处理过程中的各项工艺实施管理，同时各项数据信息通过管理模块显示在系统界面中，以便于管理;