袁海嶸

（西門子工廠自動化工程有限公司 上海第一分公司，上海，201900）

0 引言

新疆中泰150萬噸PVC聚氯乙烯污水處理項目的目的是對新疆中泰集團(tuán)有限公司樹脂分廠PVC離心母液廢水處理后回用，回用水達(dá)到用于聚合與干燥管道和漿料系統(tǒng)的沖洗要求。目前，現(xiàn)場設(shè)計的污水處理能力為4110噸/日，通過多次現(xiàn)場勘查，大中型城市污水處理的主要方式集中在氧化溝模式、活性污泥模式、A2/O及SBR，而現(xiàn)場如仍應(yīng)用該處理方式，會引起運(yùn)營維保的高費(fèi)用，并且系統(tǒng)穩(wěn)定性，故障問題的可追溯性相對困難。因此，為了解決這些問題，我引入了可編程邏輯控制器，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的平均無故障時間，并且結(jié)合了預(yù)警模式，完善了系統(tǒng)的可靠性。

1 聚氯乙烯污水處理流程與控制系統(tǒng)研究

聚氯乙烯 Polyvinylchloride，簡稱PVC。PVC聚氯乙烯污水處理項目工藝流程大體分為以下兩大流程：

PVC母液廢水→冷卻塔（降溫）→生化反應(yīng)器（出水）

目的：生化及降解（有機(jī)物、助劑、懸浮物）

生化反應(yīng)器（出水）→絮凝區(qū)（加強(qiáng)固液分離）→沉淀池（去除生化后的懸浮物）

目的：加強(qiáng)固液分離效果、去除小分子顆粒物、作為循環(huán)水補(bǔ)充水回用。

工藝目標(biāo)：（1）滿足《燒堿、聚氯乙烯工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級排放標(biāo)準(zhǔn)；（2）去除CODCr。

主要工藝反應(yīng)如表1所示。

表1 PVC生產(chǎn)廢水通過處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果

圖1 中表明：離心母液廢水的進(jìn)水水質(zhì)：327.5mg/l；生化反應(yīng)的去除率：67.7%&47.2%；出水：小于50 mg/l；循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水：可回用。

圖1 PVC生產(chǎn)廢水通過處理后的數(shù)據(jù)

根據(jù)污水水質(zhì)和要求回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，污水處理工藝流程如圖2所示。設(shè)計流程方案考慮以下三個階段：預(yù)處理、超濾段、反滲透段。

圖2 雙膜法處理PVC離心母液流程

（1）預(yù)處理段

PVC離心分離（集中處理）→換熱器（降溫）→預(yù)處理器（回收大于100微米以上PVC大顆粒）→超濾膜（過濾）

（2）超濾段

超濾膜（再次過濾）→抗污染反滲透（降低有機(jī)物）

目的：濃液中的PVC顆粒做進(jìn)一步的回收。

（3）反滲透段

反滲透系統(tǒng)（完成最終過濾）

2 150萬噸聚氯乙烯污水自動處理系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 150萬噸PVC污水自動處理硬件系統(tǒng)架構(gòu)

新疆中泰150萬噸聚氯乙烯（PVC）水處理自動控制系統(tǒng)是一個集數(shù)據(jù)采集和自動控制為一體的高度自動化系統(tǒng)。全系統(tǒng)基于總線ProfiBus系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的集中監(jiān)控、分布管理模式。分站選用輸入/輸出模塊，并對系統(tǒng)預(yù)留15%的擴(kuò)展能力。

系統(tǒng)構(gòu)架（三層模型）：控制層（現(xiàn)場）－集中管理層（控制）－遠(yuǎn)程層（控制層）。

系統(tǒng)介紹：

控制層（現(xiàn)場）：現(xiàn)場智能儀表及傳感器、中央控制箱、智能變送器等；

集中管理層（控制）：數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控等，完成信號的輸出并與其他模塊通訊；

遠(yuǎn)程層（控制層）：操作員站、工程師站、監(jiān)控服務(wù)器等。

系統(tǒng)設(shè)計方式如表2和表3所示。

表2

表3 模塊選型

整個系統(tǒng)采用：ProfiBus現(xiàn)場總線（系統(tǒng)傳輸速度1.5Mbps），預(yù)留15%擴(kuò)展空間。

2.2 PLC主站的主要功能

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，目前中控箱（PLC主站）安放位于配電室，主要用于現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)采集（信號的輸入輸出），遠(yuǎn)程通信監(jiān)控等。

在設(shè)備選型方面，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，經(jīng)過多次調(diào)研，選用德國進(jìn)口西門子品牌，并且在CPU的選型上，由于PID控制相對較多，故采用315-2AG10的緊湊型CPU作為系統(tǒng)總控，該CPU有良好數(shù)字、模擬信號的處理能力，并且集成ProfiBus的通訊口。

由于共有16個I/O模塊，所以共用2個機(jī)架來組成，CPU用1個315-2DP，2個機(jī)架通過2個IM365來連接。外部設(shè)備S7-200通過DP通信模塊EM277與中控連接。PLC 詳細(xì)選型見表4所示。

表4 PLC主站設(shè)備選型

2.3 PLC主站S7-315-2AG10緊湊型CPU模塊

315-2 AG10 CPU的主要功能為系統(tǒng)總控，所有設(shè)備的調(diào)試、組態(tài)由該CPU負(fù)責(zé)，并且在系統(tǒng)運(yùn)行中，作為總控存在。

2.4 PLC主站其他模塊

電源模塊是為CPU單獨(dú)供電的，首先在送電前確認(rèn)電源模塊的ON/OFF開關(guān)是否在OFF狀態(tài)，如果沒有先把開關(guān)撥至此狀態(tài)，把控制電源模塊的斷路器合閘送電、再把電源模塊上的開關(guān)撥至ON狀態(tài)，此時電源模塊開始工作。

接口模塊是連接機(jī)架0和機(jī)架1的模塊，只要把機(jī)架0和機(jī)架1上的接口模塊用專用電纜做連接就可以。

外部設(shè)備：S7200，增加EM277（用于與主站的通訊-PROFIBUS通訊），在用STEP 7調(diào)試300系統(tǒng)PLC時，調(diào)用GID文件，映射相關(guān)信號。

2.5 PLC自動控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

在整個系統(tǒng)運(yùn)行時，需要對其進(jìn)行組態(tài)，PLC 硬件組態(tài)見圖3所示。

圖3 PLC硬件組態(tài)

2.6 基于西門子PLC技術(shù)的集散型控制系統(tǒng)軟件實施

PLC 編程軟件選擇了 SIMATIC 的 Step7，組態(tài)軟件選擇 SIMATIC 的 WinCC 。

2.6.1 符號表

新疆中泰150萬噸PVC污水自動處理系統(tǒng)的PLC程序中用到的數(shù)字量、模擬量，都要通過符號來表示，所以在程序設(shè)計之前先創(chuàng)建符號表，本PVC聚氯乙烯水處理自控系統(tǒng)創(chuàng)建的符號表如圖4 所示。

圖4 符號表

2.6.2 軟件塊

在軟件組態(tài)過程中，如圖5所示，完成OBDBFCFB等多種功能塊的裝載及設(shè)置。

圖5 軟件塊

西門子程序運(yùn)行特點：所有程序需要在OB1 系統(tǒng)組織塊里執(zhí)行，同時可以引入OB40、OB100、OB120等多種特殊功能塊進(jìn)行控制，方便用戶設(shè)置。

2.6.3 程序設(shè)計

本項目采用 STL、LAD、FBD 等編程語言，實現(xiàn)了預(yù)處理、超濾、反滲透等工藝的控制流程。圖 6為PLC程序開發(fā)過程的主程序截圖。

圖6 主程序塊

2.6.4 PID程序研發(fā)

通過現(xiàn)場的觀察及多年現(xiàn)場施工經(jīng)驗，目前針對該系統(tǒng)主要以液位、流量、溫度、壓力等多變量集合，相互配合，現(xiàn)場控制閥門、水泵等多硬件設(shè)備相結(jié)合，需要實時考慮現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)復(fù)雜、響應(yīng)要求高，因此要充分考慮水處理系統(tǒng)的多重性控制方式。

特殊要求：在控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，以下幾個參數(shù)是控制的重要點：

（1）BOD（生物化學(xué)需氧量）；（2）COD（化學(xué)需氧量）；（3）DO（溶解氧）；（4）SS（懸浮物）；（5）TN（總氮）；（6）TP（總磷）；（7）PH 等。

每個參數(shù)的控制方式，都與進(jìn)水的水質(zhì)密切相關(guān)，控制不當(dāng)會引起整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

算法邏輯：

在日常的PID控制模式，為4:1的經(jīng)典控制方式，在本項目采用PID閉環(huán)控制方式，控制好PID的震蕩，是首先著重考慮的。

PID控制器的計算方式如式（1）所示：

u(t)—控制器的輸出值。e(t) —現(xiàn)場值與設(shè)定值的數(shù)值誤差。Kp—比例系數(shù)。Ti—積分時間常數(shù)。Td—微分時間常數(shù)。T —調(diào)節(jié)周期。

式中，0和t作為積分的上下限，整個PID的傳遞函數(shù)見（2）：

P 、I、D 的設(shè)置方式：

被控物理量在目標(biāo)值附近振蕩，加大積分時間 I ，繼續(xù)觀測，如果依舊存在振蕩，則需要對比例增益P進(jìn)行調(diào)整（一般為減?。?。

被控物理量發(fā)生控制超調(diào)，加大比例增益 P ，繼續(xù)觀測，如回設(shè)置點緩慢，可以考慮對積分時間 I的控制（一般為減?。?。另一方面，通過調(diào)整微分時間D（放大）。

利用該方法進(jìn)行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：

（1） PID的最終控制方式為4:1的經(jīng)典控制

（2）根據(jù)δs和Ts值，需要繼續(xù)整定響應(yīng)參數(shù)，見表5。

表5 4：1衰減曲線法PID參數(shù)整定經(jīng)驗公式

（3）在控制系統(tǒng)依舊不穩(wěn)的前提下，逐步引入積分作用，繼續(xù)觀察，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本項目中TV103為調(diào)節(jié)閥，根據(jù)TICA-103調(diào)節(jié)溫度，現(xiàn)按照衰減法來整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，最終實現(xiàn)4:1的系統(tǒng)穩(wěn)定模式。如圖7所示。

圖7 調(diào)節(jié)系統(tǒng)4:1衰減

出現(xiàn)衰減比例度為4:1時，此時實際比例度δs值為1/4，根據(jù)圖上的時間坐標(biāo)，讀出的實際Ts值為70，根據(jù)衰減曲線公式：P=1.2×δs=0.3，I=0.5×Ts=35，有計算出的數(shù)值再根據(jù)實際運(yùn)行的調(diào)節(jié)，最后，設(shè)定的P值為0.2，I值為30。

2.6.5 上位機(jī)監(jiān)控軟件開發(fā)

上位機(jī)選用Win CC，對整個系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控平臺的開發(fā)，實現(xiàn)如下功能：

(1)現(xiàn)場工藝的實施展示及參數(shù)控制；(2)實時數(shù)據(jù)的查詢及記錄；(3)整體系統(tǒng)的報警記錄；(4)系統(tǒng)報表記錄。

整個系統(tǒng)的展示及設(shè)置如圖8～圖11是上位監(jiān)控軟件部分截圖。

圖8 超濾機(jī)組系統(tǒng)

圖11 報警記錄

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果

預(yù)過濾器的反沖洗采用先氣洗和后水洗的方式，以達(dá)到優(yōu)化反洗效果和節(jié)約反洗水量的目的。

預(yù)處理分析數(shù)據(jù)如表6所示。

圖9 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

圖10 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

表6 預(yù)處理分析數(shù)據(jù)

從這一天正常運(yùn)行的數(shù)據(jù)來分析，只要進(jìn)液的流量、PH值等數(shù)據(jù)穩(wěn)定，那么此系統(tǒng)處理后的所有運(yùn)行數(shù)據(jù)都是穩(wěn)定的。

超濾處理數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 超濾運(yùn)行處理數(shù)據(jù)

超濾系統(tǒng)是要在預(yù)處理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上來處理水質(zhì)的，超濾系統(tǒng)進(jìn)液的數(shù)據(jù)波動反映出在預(yù)處理的加藥系統(tǒng)出現(xiàn)波動，出現(xiàn)波動的原因是加藥系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)有波動。

反滲透裝置一天的運(yùn)行數(shù)據(jù)見表8所示。

表8 反滲透裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)

預(yù)處理和超濾系統(tǒng)的水質(zhì)檢測合格，才能運(yùn)行反滲透裝置，反滲透裝置的進(jìn)液是不能通過它的系統(tǒng)來調(diào)節(jié)的，所以只要預(yù)處理和超濾兩個系統(tǒng)能正常穩(wěn)定地運(yùn)行，那么反滲透裝置就能穩(wěn)定地運(yùn)行。

4 總結(jié)

本文依據(jù)國內(nèi)已有的污水處理模式及情況，完成新工藝的設(shè)計，并且依據(jù)項目：新疆中泰150萬噸PVC聚氯乙烯污水處理自動控制項目，縱向極頂，橫向及面的方式，以ProfiBus作為貫通整體系統(tǒng)的背景，多硬件相結(jié)合，解決目前現(xiàn)場遇到的系統(tǒng)穩(wěn)定問題，在低成本，高質(zhì)量地完成的用戶的需求。