0 引言

中國造紙產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大。制漿造紙工業(yè)是我國最大的工業(yè)生產(chǎn)之一，也是國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)。2009年，中國超越美國成為世界上最大的紙和紙板的生產(chǎn)國和消費國[1]。根據(jù)中國造紙協(xié)會2017年度報告，全國紙及紙板生產(chǎn)企業(yè)約2800家，全國紙及紙板生產(chǎn)量為11130萬噸，全國紙漿生產(chǎn)總量為7949萬噸，較上一年度均有所增長[2]。制漿造紙工業(yè)為社會帶來了巨大的經(jīng)濟利益的同時對環(huán)境也造成了一定的污染。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)公開數(shù)據(jù)顯示，2011年-2014年，造紙和紙制品工業(yè)廢水排放量居首位，成為水污染最嚴重的行業(yè)之一。隨著國家對水環(huán)境的重視，妥善處理好造紙和紙制品工業(yè)廢水排放問題也越來越受到行業(yè)的關(guān)注。本文以吉林某紙業(yè)有限責任公司為例，結(jié)合該廠污水處理項目的工藝要求及控制要求，闡述基于S7-400PLC和WinCC的造紙污水處理自動控制系統(tǒng)。

1 造紙污水處理的工藝及流程

造紙污水是一種高濃度廢水，含有有機物、懸浮物和氨氮等污染物，且濃度高、成分復雜[3]?，F(xiàn)代污水處理技術(shù)按照污水處理的深度可分為污水一級處理、污水二級處理和污水三級處理。污水一級處理多采用物理處理法，可去除污水中大部分固體懸浮物，此時BOD一般可去除30%左右，達不到排放要求。污水二級處理采用活性污泥法時，主要去除一級處理后污水中較小的懸浮物及呈膠體狀和溶解性的有機物，此時BOD、COD可去除90%以上，達到有機物排放標準，懸浮物可在15ppm以下，出水效果好。污水三級處理是污水的深度處理，它包括進一步處理二級污水處理后剩余的磷、氮和難降解的有機物等，以及對污水進行消毒處理。

本項目使用了物理法和生物法來處理污水，造紙污水工藝流程如圖1所示，主要包括預處理、厭氧處理、增氧曝氣處理三大階段。

預處理階段主要包括集水井、事故池、斜濾塔、初沉池、調(diào)節(jié)池、冷卻塔，主要是過濾廢水中較大顆粒的懸浮物和漂浮物，并在初沉池中截留大塊物質(zhì)和沙粒，通過調(diào)節(jié)池對廢水進、出水流量進行調(diào)節(jié)。

第二階段為厭氧處理階段，主要由預酸化池、厭氧塔、厭氧污泥池、沼氣處理設(shè)備三部分組成，其主要是對污水進行厭氧處理，從調(diào)節(jié)池預處理后經(jīng)冷卻的污水進入預酸化池，通過添加堿液或營養(yǎng)鹽以調(diào)節(jié)PH值，將難以通過生物方法降解的大分子有機物通過水解酸化作用，轉(zhuǎn)化為容易通過生物方法降解的小分子有機物，從而提高廢水的可生化性。在厭氧塔中通過厭氧菌的作用，把有機物分解成有機酸，然后在甲烷菌的作用下，通過進一步的生物發(fā)酵，從而形成甲烷、氫、二氧化碳等無機物，從而使污水COD濃度大大降低。

第三階段為增氧曝氣階段處理，主要有曝氣池、二沉池、生化污泥池和污泥系統(tǒng)四部分。從厭氧塔出來的污水進入曝氣池前端的選擇池，在鼓風機的作用下，污水中的有機污染物被污泥中的好氧微生物氧化分解，經(jīng)過二沉池的混凝沉淀后，出水經(jīng)加氯處理后達到排放標準。生化污泥、化學污泥、初沉淀池污泥和二沉池污泥到污泥系統(tǒng)這里處理。

圖1 造紙污水處理工藝流程圖

2 造紙污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主要控制內(nèi)容

本項目污水處理控制系統(tǒng)主要由預處理系統(tǒng)、厭氧系統(tǒng)、好氧系統(tǒng)、化學品配制、沼氣設(shè)備、污泥處理等構(gòu)成。

2.2 整體控制方案設(shè)計

本項目污水處理控制系統(tǒng)主要采用“集中管理、分散控制”的設(shè)計思想。由于該紙廠污水處理能力較大，結(jié)合控制系統(tǒng)可靠性的要求，其污水處理控制系統(tǒng)核心利用了S7-400的冗余技術(shù)，保證了污水處理數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制等實現(xiàn)。上位機采用了4臺研華工控機實現(xiàn)對整個污水處理系統(tǒng)進行管理顯示。

2.3 硬件設(shè)計

（1）硬件選型

由于控制設(shè)備較多，本系統(tǒng)采用兩臺s7-400的416CPU作為控制核心，采用了冗余技術(shù)，對ET200M作為控制的子站和s7-300的控制站進行控制。

（2）硬件系統(tǒng)組成

本項目污水處理控制系統(tǒng)上位機配置2臺工程師站和2臺操作員站，下位機采用西門子S7-400系列、分布式IO模塊ET200M和S7-300PLC組網(wǎng)進行控制。利用遠近控制相結(jié)合的模式，就近采用手動控制，遠程使用自動控制模式，實現(xiàn)對預處理系統(tǒng)、厭氧系統(tǒng)、好氧系統(tǒng)、化學品配制、沼氣設(shè)備、污泥處理系統(tǒng)的控制。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)一層網(wǎng)絡(luò)采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線構(gòu)建。兩個S7-400CPU6ES7416-3XR05-0AB0采用冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?？刂剖覂?nèi)的S7-400系列CPU，安裝于控制室機柜1、2號柜內(nèi)，DP從站為ET200M分布式I/O站。

系統(tǒng)二層網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)方式進行通訊，在工程師站和操作員站上通過以太網(wǎng)交換機進行通訊，通過交換機與PLC之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。

2.4 軟件設(shè)計

（1）PLC程序設(shè)計

下位機編程采用西門子Step7V5.4軟件。

（2）組態(tài)軟件設(shè)計

組態(tài)軟件采用了西門子公司的Wincc軟件。該軟件容易與西門子PLC通訊與聯(lián)網(wǎng)，功能齊備，具有可視化的操作界面；能夠?qū)崿F(xiàn)分布式存儲報警和歷史數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對污水處理整個處理流程各個階段的監(jiān)控，具有實時趨勢監(jiān)控的能力，并且對整個處理過程可實現(xiàn)全面報警功能。

針對該紙業(yè)污水處理廠處理污水的特點，設(shè)計和制作了相應(yīng)的組態(tài)界面，如監(jiān)控系統(tǒng)的由預處理流程、厭氧流程、好氧流程、化學品流程、沼氣設(shè)備控制、污泥系統(tǒng)、好氧厭氧數(shù)據(jù)、趨勢分析、報警記錄、好氧厭氧報警設(shè)置和系統(tǒng)登錄等。

預處理流程主要功能是對新進入的污水，進行機械格柵過濾、斜濾塔過濾和沉淀刮泥，然后進到調(diào)節(jié)池等。厭氧流程是將調(diào)節(jié)池的污水和工藝污水進行PH值調(diào)節(jié)，然后送到厭氧塔進行厭氧反應(yīng)。增氧流程主要是將厭氧反應(yīng)后的污水和工藝污水，進行好氧處理，并進行二次沉淀等?；瘜W品流程是對營養(yǎng)鹽液、氫氧化鈉液和聚合物液體進行制備。沼氣設(shè)備控制是對厭氧反應(yīng)產(chǎn)品的沼氣進行收集、穩(wěn)壓和分配處理等。污泥系統(tǒng)是對生化淤泥和化學淤泥進行處理。好氧厭氧數(shù)據(jù)是對厭氧流程的數(shù)據(jù)和好氧流程數(shù)據(jù)，進行收集匯總。趨勢分析是根據(jù)厭氧流程和好氧流程的數(shù)據(jù)進行處理分析。報警記錄是根據(jù)污水處理系統(tǒng)產(chǎn)生的報警信息進行記錄。好氧厭氧報警設(shè)置是根據(jù)污水的進水量變化對好氧流程和厭氧流程的變化，對厭氧流程和好氧流程的相關(guān)監(jiān)控數(shù)據(jù)進行報警設(shè)置，系統(tǒng)登錄界面包含了用戶的登錄、退出、創(chuàng)建賬號、修改用戶密碼、退出系統(tǒng)等功能。

3 結(jié)束語

本項目介紹了吉林某紙業(yè)污水處理的整體處理工藝，利用西門子WinCC與S7-400 PLC設(shè)計了污水處理自動控制系統(tǒng)，具有穩(wěn)定可靠、操作及維護方便的特點。本項目污水處理工程自運行以來，各項指標達到設(shè)計要求，污水排放參數(shù)達到國家排放標準，順利通過技術(shù)驗收，整體運行經(jīng)濟、穩(wěn)定、方便、實用，運行效果較好。污水處理項目為治理紙業(yè)水污染和水資源可持續(xù)發(fā)展提供了重要保證，符合國家節(jié)能減排的原則，具有顯著的國民經(jīng)濟效益和社會效益。