李旗 錢光磊 謝陳鑫

摘? 要： 為了開發(fā)一種專業(yè)、控制有序的海上石油平臺生活污水處理裝置， 設(shè)計了采用PLC的電解法生活污水自動處理裝置。文章分析了控制系統(tǒng)的電氣原理圖和控制系統(tǒng)中的輸入/輸出信號，對控制邏輯和人機(jī)界面設(shè)計進(jìn)行了說明?，F(xiàn)場調(diào)試與實際使用表明，該裝置通過PLC對現(xiàn)場各儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，實現(xiàn)了自動處理生活污水的功能。

關(guān)鍵詞： 生活污水處理; PLC; 控制系統(tǒng); 自動控制

Abstract： In order to develop a professional and orderly controlled domestic sewage treatment device for offshore oil platform， a PLC based automatic domestic sewage treatment device with electrolysis method is designed. This paper analyzes the electrical diagram of the control system and the input/output signals of the control system， and explains the control logic and human-machine interface design. The field debugging and practical application show that the device collects and analyzes the data of the field instruments through PLC， and realizes the function of automatic treatment of domestic sewage.

0 引言

隨著海上開采石油的迅猛發(fā)展，海洋污染的問題越來越突顯，主要體現(xiàn)在對排放污水的指標(biāo)越來越嚴(yán)格。傳統(tǒng)的生化法生活污水處理工藝簡單，但無論是處理效果還是處理量來說都有其局限性。電催化氧化法生活污水處理裝置是一種利用電催化氧化方式對海上石油平臺生活污水進(jìn)行處理的裝置。操作人員通過控制柜上的人機(jī)界面，實現(xiàn)手動、自動控制，通過程序控制實現(xiàn)各執(zhí)行元件的相互配合，達(dá)到污水處理達(dá)標(biāo)并排放的功能。

1 系統(tǒng)整體工藝設(shè)計

自控系統(tǒng)設(shè)計可實現(xiàn)手動與自動模式。

1.1 手動控制模式

本系統(tǒng)可分別對裝置中的粉碎泵、風(fēng)機(jī)、排放泵、直流柜，電動閥等執(zhí)行元件進(jìn)行手動打開與關(guān)閉。該模式的作用為單設(shè)備檢修，試運(yùn)行及初上電調(diào)試時使用。

1.2 自動控制模式

1.2.1 電催化自動控制系統(tǒng)

通過安裝于緩沖罐頂部的超聲波液位計，實時地測量緩沖罐中污水的液位高度，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)高度時，粉碎泵啟動，將污水從緩沖罐中抽出粉碎，并將水注入反應(yīng)器中。

污水進(jìn)入反應(yīng)器后，液位逐漸升高，觸發(fā)液位開關(guān)產(chǎn)生動作信號，PLC控制直流電源進(jìn)行直流放電，驅(qū)動電催化極板進(jìn)行電催化反應(yīng)。

經(jīng)過電催化反應(yīng)后的污水，自流進(jìn)入清水罐，同時位于清水罐中的壓差式液位計實時測量液位高度，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)高度時，排放泵啟動，將處理完畢的污水排出。

在電催化反應(yīng)進(jìn)行中，風(fēng)機(jī)同步運(yùn)行，實現(xiàn)強(qiáng)制排放反應(yīng)中可能產(chǎn)生的危險氣體的功能。

1.2.2 電極自動換相系統(tǒng)

固定在反應(yīng)器中的電極板，由于長時間加直流電進(jìn)行電催化反應(yīng)，會在極板上產(chǎn)生垢，這就需要定期對電極板的正負(fù)極進(jìn)行切換，利用其中一極在電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的氣泡使極板上的垢脫落，從而實現(xiàn)自我脫垢的功能。

1.2.3 廢渣自動排放系統(tǒng)

通過電極自動換相功能而分離出的污垢，經(jīng)一段時間沉淀后，會堆積在反應(yīng)器底部，這就需要定時對其排垢。具體操作：通過直流電源運(yùn)行反饋信號作為計時條件，當(dāng)計時達(dá)到預(yù)設(shè)值時，打開排放電動閥門，待閥門打開反饋信號有效時，排放泵運(yùn)行一段時間（可設(shè)定），最后關(guān)閉排放泵與排放電動閥。這樣可及時排除固體沉淀，從而實現(xiàn)延長設(shè)備良好運(yùn)行的效果。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

自控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計如圖1所示。

2.1 PLC組態(tài)

PLC選用西門子S7-1200系列中的1215C，本身具有14數(shù)字輸入和10個數(shù)字輸出，通過添加擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展出多個模擬輸入與模式輸出，作為采集與控制其他設(shè)備的接口。如圖2所示。PLC在進(jìn)行硬件組態(tài)時需要對每一個擴(kuò)展口的I/O地址（包括起始與結(jié)束地址）做設(shè)定，這在后續(xù)的編程中作為物理端口的影射，通過程序處理調(diào)用。

2.2 PLC與其他設(shè)備的連接

PLC通過自身與擴(kuò)展的IO接口模塊，接收現(xiàn)場檢測各各種信號（其中包括數(shù)字輸入輸出信號，模擬輸入輸出信號），對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并執(zhí)行PLC程序中發(fā)出的各種控制指令。數(shù)字輸入部分主要有液位開關(guān)、電動閥的打開與關(guān)閉反饋，電動機(jī)接觸器的輔助觸點(diǎn)以及直流電源的狀態(tài)反饋;數(shù)字輸出部分主要有對電動閥、控制電機(jī)的交流接觸器以及直流電源的啟?？刂?模擬輸入部分主要有流量計、液位計以及直流電源的電流電壓模擬輸出反饋;模擬輸出部分主要針對直流電源電流輸出幅值的控制信號。

3 編程設(shè)計

3.1 人機(jī)界面設(shè)計

使用博途TIA（V14）繪制界面[1-3]，通過硬件組態(tài)與畫面繪制，將人機(jī)界面與PLC通過Profinet通信協(xié)議，經(jīng)網(wǎng)線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對裝置的運(yùn)行狀態(tài)、報警歷史、參數(shù)設(shè)定和手動調(diào)節(jié)等進(jìn)行反饋，便于操作者對設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行及時有效地把控。圖3為流程界面。流程界面為設(shè)備運(yùn)行中處于長期顯示的重要畫面，其中包括了各動力設(shè)備的啟停狀態(tài)，各電動閥的開合狀態(tài)，各儀表的數(shù)據(jù)反饋狀態(tài)，還有每種設(shè)備的故障檢測狀態(tài)。不同的運(yùn)行模式下，可以直觀的通過畫面看到各種狀態(tài)信息與數(shù)值反饋，便于操作者或者巡檢員快速、直接且有效的判斷設(shè)備運(yùn)行情況。

為了便于將來的儀表更換與設(shè)備檢修，還編寫了儀表校準(zhǔn)和控制頁面（如圖4），其中儀表頁面主要是對系統(tǒng)中傳輸模擬信號的儀表進(jìn)行4-20mA與實際儀表量程的校準(zhǔn);控制頁面主要分成四部分，第一部分為系統(tǒng)模式切換;第二部分為手動模式中各執(zhí)行元件（包括風(fēng)機(jī)、粉碎泵、海水閥、排放閥與直流柜）的單獨(dú)啟/停，便于維修人員對單一設(shè)備的運(yùn)行測試;第三部分為主備設(shè)備的手動與自動切換，當(dāng)設(shè)置為自動切換時，系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行時間與參數(shù)頁面的設(shè)定時間，對主備設(shè)備進(jìn)行定期切換，避免主設(shè)備長期工作，備用設(shè)備長期閑置，導(dǎo)致兩臺設(shè)備實際運(yùn)行壽命不一致的情況，實現(xiàn)兩臺設(shè)備都具備良好的使用狀態(tài)，當(dāng)設(shè)置為手動切換時，系統(tǒng)不再對各設(shè)備的實際運(yùn)行時間進(jìn)行累加，主備設(shè)備不再自動切換，而是通過選擇按鈕實現(xiàn)人工切換;第四部分為不停機(jī)檢修隔離按鈕，對所有執(zhí)行元件進(jìn)行檢修狀態(tài)設(shè)定，當(dāng)檢修狀態(tài)激活時，設(shè)備在自動模式下不再運(yùn)行，避免在不停機(jī)檢修時對人或者物造成潛在的安全隱患。

3.2 PLC程序設(shè)計

3.2.1 程序框架設(shè)計

通過PLC的IO端口，監(jiān)控各儀表與各設(shè)備的工作狀態(tài)，并根據(jù)裝置所處的工作模式?jīng)Q定工作流程，如圖5所示。每個執(zhí)行部件都采用一用一備的熱備用方式，當(dāng)一臺設(shè)備出現(xiàn)故障時，程序自動切換使用備用設(shè)備，實現(xiàn)整個裝置的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，保證運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性。程序編寫依靠IEC61131-5及國標(biāo)15969.3-2017相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編寫[4-5]。

具體程序設(shè)計，首先對每一個功能建立功能塊（FB）及其數(shù)據(jù)塊（DB），包括實現(xiàn)功能需要的內(nèi)部變量與全局變量;其次，對每一個功能塊進(jìn)行獨(dú)立編程，實現(xiàn)各功能獨(dú)立，在組織塊（OB1）中用對應(yīng)的指令調(diào)用各功能塊，從而提高CPU的執(zhí)行效率，便于后期調(diào)試與功能添加。

3.2.2 換相程序

換相功能的程序如圖6所示，在直流電源運(yùn)行時，通過分鐘脈沖信號作為計數(shù)器的累加觸發(fā)。當(dāng)計數(shù)值大于等于預(yù)設(shè)值時，觸發(fā)換相流程：先停止直流電源運(yùn)行，并激活“延時接通”指令，其設(shè)定值為90秒，這主要的作用是等待直流電源的輸出端電壓下降到安全值，避免立即換相導(dǎo)致接觸電流過大觸發(fā)設(shè)備意外報警;當(dāng)接通延時指令激活達(dá)到預(yù)設(shè)時間后，PLC對直流電源發(fā)出換相指令，并回復(fù)直流電源運(yùn)行;當(dāng)正負(fù)切換兩次后，計數(shù)器清零，開始重新計數(shù)。

3.2.3 排放程序

定時排放功能程序如圖7所示，在自動模式下通過分鐘脈沖作為計數(shù)器觸發(fā)源，當(dāng)計數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值且粉碎泵在工作時，進(jìn)入排放流程：打開電動閥，通過觸發(fā)“延時打開”指令，延遲一段時間后，排放泵運(yùn)行，再經(jīng)過一段時間后，排放泵停止，電動閥關(guān)閉，重置排放計時值。

4 結(jié)束語

本裝置在西門子博途編程平臺下完成了基于Profinet連接的觸摸屏與PLC，通過IO接口對執(zhí)行元件進(jìn)行互聯(lián)，智能、高效地對生活污水進(jìn)行電催化處理，從而有效降低污水中的化學(xué)需氧量（COD）。通過實際運(yùn)行可證明：該生活污水自動處理裝置可高效可靠的實現(xiàn)海上石油平臺生活污水的處理任務(wù)，達(dá)到排海要求，功能完整，設(shè)備易于操作維護(hù)，運(yùn)行穩(wěn)定。該裝置已在多個海上石油平臺上推廣使用。

參考文獻(xiàn)（References）：

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