蔣曉雁 ，薛雄雄

(榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

隨著榆林能源化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，企業(yè)污水排放量日益增多，造成環(huán)境的嚴(yán)重污染。將化工廠污水進(jìn)行相應(yīng)的處理后實(shí)現(xiàn)再利用，是水資源可持續(xù)開發(fā)及利用中的一項重大舉措，國內(nèi)外對此項工作都十分重視[1]。水資源匱乏嚴(yán)重制約著能源化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這也是全世界都對生活或工業(yè)污水處理問題高度關(guān)注的重要原因[2]。近10年來，大部分污水處理廠在新建過程中都實(shí)施實(shí)時水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了全國聯(lián)網(wǎng)和動態(tài)管控。尤其在化工廠，采用污水處理裝置檢測儀表，不僅能更好的檢測污水的處理情況，而且能對各項指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，但仍然存在監(jiān)測結(jié)果不準(zhǔn)確、不及時等問題[3]。

本研究在國內(nèi)外檢測信息化、智能化的研究基礎(chǔ)上[4]，對氯堿廠處理后的污水建立實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。主要的研究內(nèi)容是：(1)工業(yè)污水進(jìn)行實(shí)時的數(shù)據(jù)檢測并設(shè)計，使用儀器進(jìn)行對污水流量、pH值等參數(shù)進(jìn)行測量；(2)采用PLC軟件進(jìn)行程序設(shè)計；(3)報警系統(tǒng)設(shè)計，當(dāng)人機(jī)界面顯示污水?dāng)?shù)據(jù)指標(biāo)不符合設(shè)定數(shù)據(jù)時，進(jìn)行報警處理。整個系統(tǒng)設(shè)計遵循運(yùn)行穩(wěn)定、監(jiān)控實(shí)時、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、查詢方便的原則。通過污水的實(shí)時監(jiān)測，使工業(yè)污水處理結(jié)果及時、準(zhǔn)確，防止處理后的污水不達(dá)標(biāo)排放，造成環(huán)境污染和水資源浪費(fèi)。

1 設(shè)計原則和技術(shù)流程

設(shè)計采用效率高、準(zhǔn)確性好的的檢測設(shè)備，以保證測量快捷，數(shù)據(jù)精確；同時，集成設(shè)備需要采用先進(jìn)的控制技術(shù)，使系統(tǒng)可以長期而且穩(wěn)定運(yùn)行。

1.1 設(shè)計的原則[5，6]

(1)系統(tǒng)穩(wěn)定性：能夠準(zhǔn)確且穩(wěn)定提供測量數(shù)據(jù)，確保監(jiān)測端持續(xù)、及時監(jiān)控水質(zhì)情況；

(2)系統(tǒng)先進(jìn)性：系統(tǒng)設(shè)計要滿足實(shí)時檢測要求，不僅要選擇先進(jìn)的在線分析儀器，還要集成最優(yōu)智能控制系統(tǒng)；

(3)報警功能：本系統(tǒng)設(shè)計了自動報警功能，設(shè)置各個監(jiān)測參數(shù)，根據(jù)事態(tài)范圍設(shè)置不同參數(shù)，當(dāng)檢測到所測量數(shù)據(jù)發(fā)生超標(biāo)和不符合要求情況時能進(jìn)行報警通知，讓工作人員及時了解到污水的處理情況，以便及時增強(qiáng)處理問題的能力；

(4)兼容性：為方便系統(tǒng)的擴(kuò)容和管理，設(shè)計需將檢測顯示的數(shù)據(jù)耦合后納入一個可觀察系統(tǒng)；

(5)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能：為了提高技術(shù)的及時性，通過限制通訊手段，隨時接收運(yùn)行狀態(tài)信息，保證第一時間對儀器的運(yùn)行狀況進(jìn)行反饋。

1.2 技術(shù)流程

基于先進(jìn)的控制理論[7-10]，本設(shè)計的工藝流程如圖1所示：(1)通過傳感器，采集水樣數(shù)據(jù)；(2)各數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬量信號傳送至CPU等接收模塊；(3)通過PLC程序?qū)κ占降臄?shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)對比，做出相應(yīng)控制；(4)將收集到的數(shù)據(jù)通過觸摸屏進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，當(dāng)數(shù)據(jù)異?；虺瑯?biāo)時要求進(jìn)行報警。

圖1 污水處理工藝流程圖

根據(jù)污水處理原則，當(dāng)污水pH值為6.5～7.5時，水中DO溶氧儀值在5～10 mg/L的范圍內(nèi)為水質(zhì)合格。

1.3 污水處理控制系統(tǒng)的流程設(shè)計

控制部分主要是針對監(jiān)測時不合格污水進(jìn)行控制和處理，當(dāng)污水檢測發(fā)現(xiàn)處理后的污水不符合指標(biāo)要求時，系統(tǒng)將自動關(guān)閉進(jìn)水閥門，同時開啟排水閥門，把不合格污水排入待處理水池，進(jìn)行循環(huán)處理。

在排水閥口安裝DO溶氧儀，pH儀器和電磁流量計等儀器，對出水的氧含量、pH以及流量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，同時將各項指標(biāo)傳送至PLC，并與設(shè)定值比較，當(dāng)不滿足設(shè)定值時關(guān)閉排水閥，防止污水流到外面，同時打開進(jìn)水閥，使污水流入待處理池，如圖2所示。根據(jù)檢測池的高度安裝液位儀檢測液位信號，當(dāng)?shù)鸵何粫r，畫面低液位指示燈亮，水泵停止運(yùn)行；當(dāng)液位到達(dá)抽水液位時，抽水液位指示燈亮，抽水泵中速工作；當(dāng)液位到達(dá)報警液位時，報警指示燈亮，發(fā)出報警信號同時水泵進(jìn)行最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

圖2 儀器放置及水池位置圖

2 硬件設(shè)計

2.1 PLC的選型

PLC有多種不同的型號，不同型號對應(yīng)的性能都不相同。按照輸入輸出點(diǎn)數(shù)可分為大、中、小型三個種類[11-15]。

針對不同復(fù)雜程度的處理可以選擇不同型號的PLC。在本文設(shè)計的污水處理監(jiān)測系統(tǒng)中，從PLC的性能和價格方面考慮，選用西門子的SIMATIC S7-200，由于其模塊化設(shè)計，所以可以根據(jù)需求進(jìn)行組合，且具有操作簡單、使用方便、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。選用CPU226作為監(jiān)測系統(tǒng)的主機(jī)[16-20]。

2.2 PLC的I/O的配置情況

根據(jù)檢測系統(tǒng)的需求對PLC的I/O輸入輸出量進(jìn)行配置，分配情況見表1。

表1 I/O分配表

2.3 電氣原理配置情況

觸摸屏為smart700，通過MPI電纜連接CPU，從母線引出線路，中間線路是電壓為220 V的引線，右邊可將380 V的電壓轉(zhuǎn)化為24 V的電壓。

表2 模擬量分配

pH值、污水流量、DO溶氧儀測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬量傳至擴(kuò)展模塊EM235，當(dāng)有輸出信號時，對應(yīng)閥門開啟或者關(guān)閉。220 V電壓通過線圈對抽水泵的控制通過傳感器對低水位、抽水水位和報警水位等數(shù)字量控制動作。

2.4 觸摸屏的選擇

觸摸屏(touch screen)又稱為“觸控屏”，是一種可接收觸頭等輸入訊號的感應(yīng)式液晶顯示裝置，當(dāng)接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋可根據(jù)預(yù)先編程的程式驅(qū)動各種連結(jié)裝置，用以取代機(jī)械式的按鈕面板，并由液晶顯示畫面制造出生動的影音效果。觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設(shè)備，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機(jī)交互方式。

根據(jù)設(shè)計需求，選擇smart700，其部分參數(shù)為：尺寸為7英寸寬屏，最大正常運(yùn)行時間為40 000 h；電壓允許范圍是20.4 V到28.8 VDC；畫面數(shù)量為50。

2.5 傳感器的選擇

測量儀表作為自控系統(tǒng)的“眼睛”，參與到污水處理的各個環(huán)節(jié)，只有保證儀表的準(zhǔn)確、穩(wěn)定及可靠性，才能使污水處理過程的自控系統(tǒng)正常運(yùn)行。按測量參數(shù)可分為：液位、流量、溫度以及污水成分分析儀表，一套儀表包括兩個大的部分：傳感器和變送器，傳感器的作用是用于測量數(shù)據(jù)，測量的數(shù)據(jù)通過變送器轉(zhuǎn)為4～20 mA的電流信號，連接到PLC的AI，然后通過PLC的程序轉(zhuǎn)換，可以在上位機(jī)顯示測量數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)計需要，選擇液位計為數(shù)字信息傳輸，pH儀器、電磁流量計、DO溶氧儀分別進(jìn)行pH值、污水流量和氧含量模擬量信息傳輸。pH儀量程為0.0～14.0，電磁流量計量程為0～200 m3/h，DO溶氧儀量程0～20 mg/L。

3 軟件系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計和仿真

下位機(jī)和PLC是系統(tǒng)中進(jìn)行控制的最重要部分，不僅負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制部分，而且還需要對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在編寫程序時，根據(jù)污水處理工藝，把編寫的程序?qū)懗啥鄠€，以便于各個工藝之間運(yùn)行更加協(xié)調(diào)，為日后的維修和保護(hù)提供便捷。

3.1 系統(tǒng)仿真分析

進(jìn)行PLC編程的軟件有和利時、西門子、三菱等，本設(shè)計使用的軟件是西門子的SETP7-Micro/ Win。

圖3為液位顯示圖，當(dāng)檢測到低水位，抽水液位和報警液位均無信號時，抽水泵復(fù)位，轉(zhuǎn)速為0，即停止水泵運(yùn)行；當(dāng)抽水液位有信號，而報警液位無信號時，0～32000對應(yīng)0～10 V，0～10 V對應(yīng)0～1500轉(zhuǎn)，啟動抽水泵940轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行抽水。當(dāng)抽水液位和報警液位都有信號時，延時5秒，抽水泵開始最大轉(zhuǎn)速抽水，同時延遲3秒后進(jìn)行報警(報警器聲音報警，報警指示燈開始閃爍報警，SM0.5是特殊處理器使得報警指示燈每秒閃一次)。傳感器傳入的PH值、DO溶氧、污水流量等轉(zhuǎn)化為與PLC統(tǒng)一的信號。

圖3 液位顯示圖

3.2 觸摸屏的組態(tài)軟件設(shè)計

上位機(jī)監(jiān)控畫面顯示污水廠各設(shè)備的運(yùn)行狀況以及水質(zhì)情況，還可以通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對遠(yuǎn)程的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制觀察，給工作人員的管理帶來了極大的方便，降低了勞動強(qiáng)度和工作量。

本系統(tǒng)采用WINCC flexcible 2008組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。在設(shè)計開發(fā)過程中，首先要保證設(shè)計的系統(tǒng)能夠滿足用戶的控制要求，在滿足控制要求的情況下，盡可能的做到界面友好、操作簡單、易于監(jiān)控。

基于實(shí)例項目，設(shè)計將STEP 7硬件組態(tài)工具完成系統(tǒng)配置，建立初始畫面、報警、配方以及畫面瀏覽等桌面。

(1)要啟動WinCC flexible，可以在編程設(shè)備上單擊桌面圖標(biāo)，也可以從Windows“開始”菜單中進(jìn)行選擇開啟軟件，軟件初始畫面如圖4。

圖4 初始畫面圖

工作區(qū)域用于編輯表格格式的項目數(shù)據(jù)(例如變量)或圖形格式的項目數(shù)據(jù)(例如過程畫面)；

(2)工作區(qū)域用于編輯表格格式的項目數(shù)據(jù)(例如變量)或圖形格式的項目數(shù)據(jù)(例如過程畫面)；

(3)本文主要是針對污水處理后水質(zhì)水量的檢測，人機(jī)界面包括污水處理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備控制畫面、運(yùn)行數(shù)據(jù)畫面、報警畫面、歷史曲線、控制參數(shù)調(diào)節(jié)畫面等。

3.3 畫面顯示

根據(jù)監(jiān)控需求，設(shè)計完成了系統(tǒng)的個人主頁，自動控制，手動控制，報警和歷史曲線，實(shí)際畫面如圖5～9所示。

圖5 污水處理廠檢測系統(tǒng)個人主頁

圖6 手動控制畫面

圖7 自動控制畫面

圖8 報警畫面顯示

圖9 pH歷史曲線畫面

圖5為污水處理廠檢測系統(tǒng)個人主頁，主要是相關(guān)說明信息。圖6為手動控制畫面，手動控制主要進(jìn)行泵的啟動與停止和進(jìn)水與出水閥門的開關(guān)。位切換至自動控制時(圖7)，數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示實(shí)時pH值、污水流量、DO溶氧儀量、水泵轉(zhuǎn)速監(jiān)測，狀態(tài)顯示包括水位檢測、排水閥檢測和報警指示燈等，同時可根據(jù)下面菜單進(jìn)行數(shù)據(jù)觀察。圖8可以進(jìn)行報警提示。輸入pH值為6～8的數(shù)值時，一段時間內(nèi)的畫面顯示的歷史曲線如圖9。

4 調(diào)試和運(yùn)行結(jié)果

工業(yè)污水處理廠的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計是在軟件和硬件連接安裝完成后，對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，設(shè)置實(shí)際符合處理要求的進(jìn)水水量和水質(zhì)的各項監(jiān)測參數(shù)，發(fā)現(xiàn)并處理等各個方面出現(xiàn)的問題，檢驗(yàn)系統(tǒng)是否已經(jīng)符合工藝最終想要的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，即出水各項指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求。

4.1 硬件系統(tǒng)的調(diào)試

按照系統(tǒng)設(shè)計要求將各硬件接線接好。首先，檢查各設(shè)備的完好性，防止出現(xiàn)還未使用部分設(shè)備有損壞現(xiàn)象，然后檢查設(shè)備的電路的連接是否正常；如果各項都正常則進(jìn)行開機(jī)運(yùn)行，觀察設(shè)備通電以后的完好性和各個儀表正常工作情況；最后，對硬件進(jìn)行測試，觀察功能是否正常，硬件的調(diào)試主要內(nèi)容有以下幾個：

(1)對供電連接線路的檢查，其方法是萬用表檢測對線路的連通性測試，再確定接線連接的正確性，以防線路的錯接，引起不必要的線路損壞；

(2)檢測儀器能否正常工作，對儀器進(jìn)行初步測試，觀察其準(zhǔn)確度；

(3)觸摸屏調(diào)試，開機(jī)觀察觸摸屏顯示效果，看圖形能否正常顯示；

(4)PLC進(jìn)行獨(dú)立的測試，觀察PLC中的單元是否能很好的運(yùn)行；

(5)PLC與觸摸屏聯(lián)合進(jìn)行調(diào)試，檢查PLC、觸摸屏合在一起對該監(jiān)測系統(tǒng)的控制情況。

4.2 軟件系統(tǒng)的調(diào)試

在軟件方面，通過梯形圖進(jìn)行邏輯編輯，將編寫完成的語言通過軟件仿真運(yùn)行調(diào)試，檢查是否出現(xiàn)運(yùn)行漏洞和程序的不完整，該程序是否可以完成所要求實(shí)現(xiàn)的控制能力[21-26]。在調(diào)試過程中，可根據(jù)不同模塊的功能進(jìn)行對應(yīng)調(diào)試，最后合并在一起調(diào)節(jié)。最后還需要對觸摸屏的軟件測試，以及連接線路后的畫面是否能夠正常顯示進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終確定調(diào)試結(jié)果是否符合整體的監(jiān)測要求，調(diào)試圖如10。

圖10 調(diào)試圖

在運(yùn)行時，發(fā)現(xiàn)給定pH值大于7.5或者小于6.5時，電磁閥不能順利的完成關(guān)閉排水閥/開啟進(jìn)水閥的功能，應(yīng)及時的修改。

4.3 運(yùn)行結(jié)果分析

通過系統(tǒng)的不斷調(diào)節(jié)，最終能夠完成PLC軟件在程序設(shè)計方面的完整性，并且通過顯示屏幕在系統(tǒng)的監(jiān)測過程中實(shí)現(xiàn)各項指標(biāo)的顯示；啟動電源后，開啟顯示屏幕的畫面，可以通過畫面直觀的觀察污水池水流量的變化，而且可以觀察到各項指標(biāo)的實(shí)時情況，當(dāng)指標(biāo)發(fā)生與設(shè)定值不符合時，系統(tǒng)自動發(fā)出報警提示，并且關(guān)閉出水閥門，開啟進(jìn)水閥把水排入待處理水池，使未達(dá)標(biāo)的污水不能直接流出。

5 結(jié)論

本設(shè)計主要通過硬件設(shè)計和軟件的編程方面的設(shè)計，突破化工污水處理的實(shí)時監(jiān)測。通過硬件設(shè)備和PLC的選型，建立了下位機(jī)檢測、數(shù)據(jù)傳送和上位機(jī)組態(tài)軟件配合的設(shè)計理念，完成了對污水的實(shí)時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，使企業(yè)在監(jiān)控室掌握了污水的處理情況，達(dá)到減輕工人的勞動強(qiáng)度和提高自動化的程度。