董士珍

煤炭是我國的主要能源之一，我國煤炭基地主要分布在北方和西北方干旱和半干旱地區(qū)，礦區(qū)水資源缺乏已嚴重制約了煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。將礦井水回收利用，保護了礦區(qū)的環(huán)境，解決了礦區(qū)的生產(chǎn)和生活用水，具有很好的經(jīng)濟和社會效益。

目前，隨著現(xiàn)代控制技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，將PLC技術(shù)應(yīng)用于礦井水回收利用工程中，實現(xiàn)礦井水處理工藝過程的自動控制，既方便運行管理，又提高了自動化水平，同時在確保處理水量、出水水質(zhì)的前提下，節(jié)省水處理成本，具有非?，F(xiàn)實的意義。

我院環(huán)境工程所在石槽村煤礦礦井水回收利用總承包工程實施過程中，開發(fā)設(shè)計了一套由上位機、PLC、變頻器、相應(yīng)傳感器及執(zhí)行機構(gòu)組成的自動控制系統(tǒng)，將PLC控制技術(shù)成功應(yīng)用到實際項目中。該系統(tǒng)已連續(xù)運轉(zhuǎn)近一年時間，性能穩(wěn)定可靠。本文簡要介紹了以西門子S7-300系列PLC為核心的自控系統(tǒng)。

1 水處理工藝(流程)

該礦井水處理系統(tǒng)的工藝流程:井下排水→緩沖預(yù)沉調(diào)節(jié)池→絮凝斜管沉淀池→無閥濾池→瓷砂過濾器→反滲透裝置。

概括起來，該礦井水處理工藝包含以下幾個過程:1)礦井水經(jīng)井下排水泵提升至地面緩沖預(yù)沉調(diào)節(jié)池預(yù)沉淀;2)投加絮凝劑充分混合后進入絮凝斜管沉淀池沉淀，去除水中的顆粒懸浮物;3)沉淀后的出水經(jīng)過無閥濾池和瓷砂過濾器的雙重過濾后進一步截留水體中的細小顆粒及膠體物;4)過濾后的出水進入反滲透裝置進行脫鹽;5)脫鹽處理后的產(chǎn)品水經(jīng)過消毒滅菌后作為礦井工業(yè)場地的日常生產(chǎn)生活用水。

2 PLC系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能

1)自動加藥功能?，F(xiàn)場運行實踐證明，經(jīng)PLC控制的自動加藥系統(tǒng)比人工控制的加藥裝置減少藥劑(聚合氯化鋁)的投加量約1/3，大大降低了水處理站的運行成本。2)設(shè)備自動運行功能。根據(jù)設(shè)計，系統(tǒng)可實現(xiàn)自動、手動兩種運行方式，自動時在控制室內(nèi)集中操作，手動時在現(xiàn)場可直接開啟各設(shè)備，集中操作是本系統(tǒng)的主要操作方式，手動操作主要用于設(shè)備的調(diào)試和維修。3)聯(lián)鎖控制功能。水泵的啟停與相應(yīng)水池液位實現(xiàn)聯(lián)鎖控制;水泵與其進出水端電動閥門實現(xiàn)聯(lián)鎖;同時液位報警上下限和液位聯(lián)鎖上下限可在工控機上任意修改。4)反滲透裝置的自動運行功能。根據(jù)壓力變送器反饋給PLC的壓力信號，自動調(diào)節(jié)變頻器的頻率，以降低高壓泵的壓力，使反滲透裝置達到設(shè)計的產(chǎn)水量。5)全過程監(jiān)控能力。上位機采用彩顯，畫面以動畫圖形及中文方式顯示液位、流量、壓力、水泵及閥門的運行狀況、生產(chǎn)狀況、設(shè)備狀況等信息。6)報警及保護功能。當(dāng)發(fā)生電氣、液位、機械等故障時，系統(tǒng)進行聲、光報警，通知工作人員并采取相應(yīng)措施。若整個上下位自動系統(tǒng)發(fā)生故障，可以通過就地控制按鈕手動啟停設(shè)備，以保證礦井水處理系統(tǒng)正常運行。

3 控制系統(tǒng)的硬件配置

本自控系統(tǒng)的硬件配置主要包括上位機系統(tǒng)、PLC主控單元、傳感器及執(zhí)行機構(gòu)等。采用集中控制、集中管理的方式，硬件元件少，故障少，系統(tǒng)便于管理。

PLC控制系統(tǒng)硬件配置如圖1所示。

1)上位機系統(tǒng)。上位機系統(tǒng)由主機、鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機等組成。2)PLC主控單元。主控單元選用西門子公司的S7-300系列可編程序控制器。它是系統(tǒng)的核心，由CPU單元、電源單元、數(shù)字量輸入輸出單元、模擬量輸入輸出單元、通訊單元、適配器單元等組成。主控單元負責(zé)采集模擬量信號，進行運算和處理，輸出控制信號去控制水泵自動運行等;同時負責(zé)采集濁度、流量、液位、壓力、設(shè)備故障等模擬量及開關(guān)量信號，通過內(nèi)部處理，去控制動力設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備的遠控和邏輯聯(lián)鎖功能。西門子S7-300系列是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，它能滿足中等性能要求的應(yīng)用。它采用模塊化、無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)設(shè)計，易于實現(xiàn)分布、易于用戶掌握等特點，使得S7-300成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務(wù)的方便而又經(jīng)濟的解決方案。3)傳感器(變送器)及執(zhí)行機構(gòu)。在緩沖預(yù)沉池，調(diào)節(jié)池、清水池、污泥池、反洗排水池設(shè)置液位變送器;在高壓泵進出口設(shè)置壓力開關(guān);在水處理站的總進水管設(shè)置電磁流量計及濁度儀;在反滲透設(shè)備安裝pH計。這些傳感檢測裝置用于檢測水處理的濁度、流量、液位、壓力、pH值等，所有監(jiān)測數(shù)據(jù)通過變送器轉(zhuǎn)換為4 mA～20 mA標(biāo)準信號，輸入PLC，由PLC進行運算處理，然后發(fā)出控制信號給執(zhí)行機構(gòu)去執(zhí)行，從而使系統(tǒng)按照工藝流程要求自動運行。

4 自控系統(tǒng)軟件

本自控系統(tǒng)軟件主要包括上位機管理程序、PLC控制與檢測程序以及它們之間的通訊程序。1)上位機的管理程序主要完成設(shè)備運行狀態(tài)的圖形顯示、生產(chǎn)狀況的數(shù)據(jù)庫管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理、菜單處理以及報警等功能。2)PLC作為主控單元，它完成所有模擬量計算和邏輯控制，可以脫離上位機獨立工作。下位機采用西門子公司開發(fā)的step7 5.4軟件對PLC進行編程和對PLC設(shè)備配置進行維護。編制的軟件主要包括信號獲取處理，信號控制。

5 自控系統(tǒng)的特點

本自控系統(tǒng)成本大約40萬元，只占整個水處理站總投資1 396萬元的2.2%。但卻能有效的降低水處理的運行成本和職工的勞動強度，同時提高了整個水處理站的自動化管理水平。

水處理運行成本主要包括水處理藥劑費用、人工費用以及電費等，由于采用自動加藥系統(tǒng)，如前所述節(jié)約藥劑投加量約1/3，每年節(jié)約的藥劑費用不言而喻;以前像石槽村這樣規(guī)模的水處理站為保證不間斷運行，至少需工作人員25人，現(xiàn)采用自動運行后只需 15人，按人工成本30 000元/年，一年減少費用 30萬元;2套反滲透裝置附屬的4臺高壓泵(55 kW/臺)，2臺段間增壓泵(37 kW/臺)作為水處理站主要的用電設(shè)備，占整個水處理站用電負荷近一半，起初采用工頻運行，現(xiàn)均采用變頻調(diào)速運行，從實際運行情況來看，每天節(jié)約電費約20%。按水處理站計算容量294 kW計算，每年節(jié)省電費達29萬余元，半年即可收回投入變頻器的成本。

一般情況下，礦井水處理站采用手動閥門，并且數(shù)量比較多，必須人工開啟，對于直徑超過400 mm的大型閥門，無論開啟或者關(guān)閉，都很費力費時，一般女同志難以勝任，而石槽村水處理站大部分采用電動閥門，全自動運行，大大降低了工人的勞動強度。

6 結(jié)語

經(jīng)過水處理站將近一年的運行，這套以PLC為核心的自動控制系統(tǒng)滿足了生產(chǎn)生活用水要求，實現(xiàn)了安全可靠的不間斷供水，確保了優(yōu)質(zhì)的出水水質(zhì)，提高了管理人員的勞動效率，降低了水處理成本，達到生產(chǎn)自動化控制的目標(biāo)。

在水處理站運行過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題，需要改進和優(yōu)化。1)由于反滲透裝置自帶控制箱，各類傳感器儀表一并配套，其自動運行由反滲透控制箱完成，在上位機畫面上還不能真實反映反滲透一些設(shè)備的運行情況，比如壓力，濁度，pH值等，以后可考慮把這些信號都送入集控室PLC，以便監(jiān)控。2)由于PLC缺乏對眾多模擬量數(shù)據(jù)采集和綜合控制功能，例如反滲透裝置阻垢劑投加量的控制上，仍需工藝工程師憑借經(jīng)驗來確定，因此單純靠PLC無法實現(xiàn)工藝的最佳控制，這為上位機的功能擴展提供了可能。在PLC保證基本功能的同時，上位機也不再單純的以信息采集為主要功能，水處理站運行穩(wěn)定后，運用歷史數(shù)據(jù)和運行經(jīng)驗，用上位機開發(fā)出專家系統(tǒng)和模擬控制等高級控制功能，進一步提高水處理的自動化水平，達到降低能耗的最佳控制。

[1] 于慶廣.可編程序控制器原理及系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.

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