液位計控制系統(tǒng) 砂漿污水站自動控制系統(tǒng)設(shè)計
引言：
自動化技術(shù)在不同的行業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。環(huán)保工程也越來越注重先進自動化控制技術(shù)的應(yīng)用。尤其在工業(yè)污水的處理過程中, 污水來源的不穩(wěn)定性以及成分的復(fù)雜性, 對整個工業(yè)污水的處理工藝和控制方式提出了非常高的標(biāo)準(zhǔn)。安鋼集團永通鑄管有限公司 (以下簡稱永通鑄管) 因生產(chǎn)需要新建日處理量為12 500 t的砂漿污水處理站。文中針對永通鑄管提出的要求, 對此次新建污水站的控制系統(tǒng)做出系統(tǒng)性設(shè)計。
污水處理工藝過程中存在頻繁的設(shè)備起停, 相關(guān)設(shè)備之間的運行條件, 故障狀態(tài)需要及時掌握, 因此在構(gòu)建整個污水處理系統(tǒng)應(yīng)采用集中管理, 分散控制結(jié)合的綜合控制系統(tǒng), 以便于整個處理系統(tǒng)過程控制、流程監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控以及故障報警。
由于安鋼廠區(qū)規(guī)模大, 控制系統(tǒng)采用PLC作為主要控制元件, 監(jiān)控端采用上位機加組態(tài)軟件完整整個系統(tǒng)的集中管理。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用工業(yè)以太網(wǎng), 使用光纖作為主要信號傳輸介質(zhì), 實現(xiàn)各級設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換及共享。
1、供電系統(tǒng)：
永通公司污水站整體運行功率接近1 000kW/h。但由于廠區(qū)跨度大, 采用分散控制結(jié)構(gòu), 因此各分站對應(yīng)的供電壓力減少。新老車間采用車間供電系統(tǒng), 污水站需要新建供電系統(tǒng)。供電采用兩條800 k W油變0.6 kV進線。進線柜為1用1備, 以便在供電發(fā)生故障或者設(shè)備檢修時, 可通過開關(guān)切換完成對處理系統(tǒng)的供電, 避免處理系統(tǒng)停擺造成的影響。
進線柜和配電柜均采用GGD配電柜體制作, 每個獨立的配電柜需要通過母排另外配置獨立的進線總斷路器, 方便配電控制柜檢修維護。斷路器切斷的同時不會影響其他配電控制柜內(nèi)器件的運行。
2、控制系統(tǒng)：
控制系統(tǒng)主要包括上位機1臺以及PLC控制站3個。PLC控制站主要位于新老車間各1個, 污水站區(qū)1個。PLC采用西門子S7-300系列中型PLC。上位機采用西門子WinCC組態(tài)軟件。
上下位機之間采用工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)傳輸。協(xié)議采用Profinet, 非Profibus。其實兩種都是西門子產(chǎn)品在工業(yè)現(xiàn)場使用***多的總線控制結(jié)構(gòu), 但是Profibus是基于485的通訊基礎(chǔ), 并非真正的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu), 兩者就通訊速率比較沒有可比性。為了能夠更好實現(xiàn)控制方式以及今后的升級需要, 所以采用Profinet通訊協(xié)議。見控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖1。
圖1 控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
雙絞線根據(jù)傳輸速率分為三類:10 M, 100 M和1 000 M。按照文獻
另外, 污水站控制系統(tǒng)要求納入廠內(nèi)DCS集中管理?？紤]到系統(tǒng)傳輸距離以及網(wǎng)絡(luò)獨立性, 額外增加一臺帶光纖接口的交換機。因此永通公司污水站工業(yè)以太網(wǎng)由4個以太網(wǎng)交換機構(gòu)成, 實現(xiàn)污水站的集中管理和分散操作。
3、PLC主站及分站：
**新老車間分別設(shè)置一套用于污水收集的控制分站, 污水站為主站, 主要功能將由新老車間收集而來的污水進行集中處理。設(shè)置分站的主要目的由于廠區(qū)跨度太大, 分散控制可以避免從主站鋪設(shè)大量的控制電纜、動力電纜以及管廊橋架, 不僅大大減少投資成本, 也減少今后的維護難度和成本。
主站和分站分別選用西門子公司過程控制器S7-300中的CPU315和分布式I/O設(shè)備ET200M組成, 模塊化的安裝結(jié)構(gòu)、很容易實現(xiàn)分布式的配置, 并且電磁兼容性強、抗震動、抗沖擊、擴展性強、通訊結(jié)構(gòu)功能完善。主站由電源模塊PS307、中央處理單元CPU315、模擬量模塊SM331、數(shù)字量輸入模塊SM321、數(shù)字量輸出模塊SM322組成, 分站只需要由接口模塊IM153, 及模擬量和數(shù)字量模塊組成。
永通公司主要產(chǎn)生砂漿廢水, 為避免管道淤積堵塞, 處理系統(tǒng)中不設(shè)置閥門及管道流量計。自動控制狀態(tài)下主要設(shè)備的起停都是通過對水池液位的監(jiān)控來完成。液位計采用E+H的超聲波液位計, 該液位計接線方式為兩線制4~20 m A電流型。模擬量信號不需要隔離, 直接接入模擬量輸入模塊即可。
I/O信號需要采用隔離操作, 因此數(shù)字量信號在進出PLC之前都應(yīng)采用中間繼電器隔離。
由于車間面積很大, 即便設(shè)置了分站, 部分設(shè)備和分站機柜之間的距離相差也非常大。如現(xiàn)場的控制信號采用直流驅(qū)動, 長距離傳輸很容易產(chǎn)生壓降。長時間使用會影響中間繼電器線圈的壽命, 減少繼電器吸合的可靠性。因此輸入繼電器采用交流24 V驅(qū)動, 交流電在傳輸過程中, 電壓受線損的影響會小的多, 只需要配置一個可以產(chǎn)生交流24 V的控制變壓器, 進入PLC輸入口的信號還是采用直流24 V。輸出中間繼電器, 由于線圈部分直接通過PLC輸出口操作, 可以采用直流24 V驅(qū)動, 再通過觸點閉合完成對外部的元件驅(qū)動。
信號控制方式圖 (圖2) 顯示了主站和分站信號控制的組成方式。
圖2 信號控制方式圖
驅(qū)動元件需要根據(jù)動力設(shè)備的使用功率選擇。尤其污水處理工藝中會涉及到大量電機的頻繁啟停。當(dāng)大功率電機啟動時, 尤其是采取直接啟動時, 輕載時沖擊電流約為運行電流的3~5倍, 重載時會是5~7倍。這時可以采用軟啟動器、變頻器或者星三角降壓啟動等。
污水處理工藝中, 設(shè)備和控制柜之間的距離往往會非常大。星三角的接線方式只適用于短距離的安裝條件。因此污水站控制主要采用軟啟動和變頻啟動方式。
軟啟動器的特點是降壓限流啟動, 當(dāng)達(dá)到工作頻率后并靠旁路接觸器接通來維持運行, 退出對電機的保護功能, 更不能對電機進行調(diào)速等功能。變頻啟動具有軟啟動的所有功能, 并且可以設(shè)置對電機更具有針對性的保護條件。通常22 k W以下都可以采用直接啟動的方式。
4、液位控制流程：
4.1、廢水收集池：
**新老車間廢水收集池共8個, 每個收集池配置一套超聲波液位計和一臺提升泵, 攪拌機數(shù)量根據(jù)池子大小配置, 8個收集池共11臺攪拌機。當(dāng)池子的高液位達(dá)到液位計設(shè)定值時, 提升泵開始工作, 對外進行排水, 直至液位降至液位計低液位設(shè)定值, 提升泵停止工作, 各收集池重新開始收集車間廢水。
各池子中的攪拌器和提升泵均為閉環(huán)控制。用戶可根據(jù)池內(nèi)液位的高低, 設(shè)定攪拌機啟動條件。當(dāng)攪拌機槳葉高于液面時, 攪拌機停止工作。用戶可以設(shè)定攪拌機的啟動時間和運行時間, 也可以根據(jù)實際情況手動操作攪拌機。閉環(huán)控制如廢水收集池控制流程圖 (圖3) 。
圖3 廢水收集池控制流程圖
4.2、攪拌調(diào)節(jié)池：
調(diào)節(jié)攪拌池主要由4臺攪拌刮泥機和2套加藥裝置組成。攪拌機可手動操作也可自動操作。手動操作可通過控制系統(tǒng)選擇啟動停止。也可以根據(jù)實際情況, 根據(jù)時間設(shè)定先后順序啟動。
每套加藥裝置配備兩臺加藥泵, 加藥泵為1用1備用, 可通過控制系統(tǒng)設(shè)定時間自動切換, 也可手動對加藥泵進行選擇 (檢修維護用) 。每個加藥罐配備液位計和, 對罐體內(nèi)液位進行實時監(jiān)控, 當(dāng)罐內(nèi)液位過低時, 加藥泵停止工作。為確保藥劑一直處于備用狀態(tài), 只有當(dāng)加藥罐攪拌機運行參數(shù)設(shè)定后, 才能激活加藥泵的運行。
在自動控制下, 當(dāng)收集池提升泵啟動時, 調(diào)節(jié)池內(nèi)的攪拌機開始工作, 同樣可以對攪拌機進行選擇啟動, 或設(shè)定時間先后順序啟動。
當(dāng)設(shè)定控制系統(tǒng)設(shè)定好的攪拌機完全啟動后, 加藥泵開始工作。流程如攪拌調(diào)節(jié)池控制流程圖 (圖4) 。
4.3、混凝反應(yīng)A/B池：
混凝反應(yīng)A/B池內(nèi)各安裝1臺攪拌機, 5套加藥裝置, 3臺污水提升泵, 1套液位計監(jiān)測裝置和1套手拉葫蘆式龍門吊組成。3臺污水提升泵分別對3個分離池供水。用戶可通過控制系統(tǒng)選擇分離池進行操作。攪拌機和加藥裝置設(shè)置與調(diào)節(jié)池一致。
圖4 攪拌調(diào)節(jié)池控制流程圖
液位計檢測反應(yīng)池的液位, 便于控制提升泵及時將多余的廢水排出反應(yīng)池, 確保反應(yīng)池內(nèi)藥劑和廢水的動態(tài)平衡。及時的液位監(jiān)控有利于減少控制系統(tǒng)的能源消耗和藥劑的浪費。
反應(yīng)池閉環(huán)控制如反應(yīng)池控制流程圖 (圖5) 。
圖5 反應(yīng)池控制流程圖
反應(yīng)池和調(diào)節(jié)池相通, 因此調(diào)節(jié)攪拌池內(nèi)的處理裝置同樣受反應(yīng)池液位計的控制。
4.4、泥水分離池裝置：
泥水分離池共3個, 配置為2用1備。各分離池分別配置1臺攪拌機、1臺刮泥機和1臺渣漿泵。攪拌機和刮泥機可通過控制系統(tǒng)設(shè)定攪拌時間或定時攪拌。渣漿泵可手動操作, 也可以根據(jù)反應(yīng)池對應(yīng)的提升泵的運行時間來調(diào)整啟動。
泥水分離需要足夠的停留時間, 延長渣漿泵的啟動時間可以有效減少排出污泥中的含水率, 因此渣漿泵的啟動可根據(jù)對應(yīng)的提升泵來設(shè)定調(diào)整啟動和關(guān)閉的時間。
渣漿泵控制流程如分離池控制流程圖 (圖6) 。
圖6 分離池控制流程圖
4.5、污泥調(diào)質(zhì)A/B池：
污泥調(diào)A/B池由1套加藥裝置、2臺攪拌機、3臺污泥泵組成以及1套超聲波液位計裝置。攪拌機和加藥裝置的設(shè)置與調(diào)節(jié)池一致。
污泥泵為2用1備用, 可手動運行, 也可以根據(jù)污泥池液位自動選擇操作?？刂屏鞒桃娬{(diào)質(zhì)池控制流程圖 (圖7) 。
圖7 調(diào)質(zhì)池控制流程圖
4.6、清水池：
清水池配置3臺清水回用泵和1套超聲波液位計裝置、清水回用泵2用1備用, 每天交換其中的1臺。
當(dāng)清水池液位達(dá)到清水回用液位條件時, 同時打開2臺清水回用泵, 快速將過多的清水消耗在反沖洗管路中, 當(dāng)水位低于反沖洗液位時, 回用泵停止運行?？刂屏鞒桃娗逅乜刂屏鞒虉D (圖8) 。
4.7、地表水收集池：
地表水收集池配置1臺攪拌機, 1臺排水泵以及1套超聲波液位計裝置。
攪拌機和排水泵受液位計液位設(shè)定控制?？刂屏鞒桃姷乇硭占乜刂屏鞒虉D (圖9) 。
圖8 清水池控制流程圖
圖9 地表水收集池控制流程圖
5、上位機軟：
上位機采用西門子wincc組態(tài)軟件, 軟件功能包括:處理過程自動控制、水位實施監(jiān)視、設(shè)備故障顯示報警、聯(lián)鎖保護功能等等, 這些功能能提高整個污水站的處理效率, 減少操作人員工作強度, 提高企業(yè)管理效率, 從而減少企業(yè)在環(huán)保工程上的運行成本。
上位機軟件配置動態(tài)工藝流程圖, 流程圖可在計算機屏幕上實時顯示同場設(shè)備的運行狀態(tài)、重要工藝參數(shù)的變化情況以及儀表實時數(shù)據(jù)。操作人員可以很方便的利用鼠標(biāo)鍵盤對設(shè)備運行狀態(tài)進行變更和干預(yù)。
實時監(jiān)控的數(shù)據(jù)會根據(jù)時間順序存入歷史數(shù)據(jù)庫, 可以做到有據(jù)可查, 責(zé)任到人。
設(shè)備分兩級操作方式。一級控制主要通過軟件集中監(jiān)控, 不同用戶等級可操作的設(shè)備數(shù)量是受限的。二級控制通過現(xiàn)場操作盒完成, 操作盒設(shè)置手動和遠(yuǎn)程選擇開關(guān), 選擇手動時, 可就地對設(shè)備進行手動操作。一級操作可根據(jù)不同的用戶等級限制二級操作。手動操作是時自動控制的補充, 并非主要的控制方式。
當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障報警時, 系統(tǒng)會顯示報警畫面, 來提示操作人員對故障進行處理。報警窗口分為兩部分:當(dāng)前報警和歷史報警。當(dāng)前報警會顯示目前存在的報警, 已處理的報警消失后和它相關(guān)的報警信息都會從當(dāng)前報警中消失;歷史報警不僅顯示目前存在的報警并且報警得到處理后其相關(guān)的報警信息仍可以顯示和查詢。
6、結(jié)語：
該砂漿廢水自控方案經(jīng)實際證明, 運行穩(wěn)定, 處理效果好。全程通過液位監(jiān)控, 避免類似管道流量計出現(xiàn)堵塞影響運行的狀況發(fā)生, 并且為今后砂漿廢水的自控方案升級提供了相應(yīng)的參考參數(shù)。
