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)
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。
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)
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。
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
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。
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。
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)
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
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。
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。