S7-400PLC與WinCC在造紙污水處理自動控制系統中的應用

0 引言

中國造紙產業規模龐大。制漿造紙工業是我國最大的工業生產之一，也是國民經濟的重要支柱產業。2009年，中國超越美國成為世界上最大的紙和紙板的生產國和消費國[1]。根據中國造紙協會2017年度報告，全國紙及紙板生產企業約2800家，全國紙及紙板生產量為11130萬噸，全國紙漿生產總量為7949萬噸，較上一年度均有所增長[2]。制漿造紙工業為社會帶來了巨大的經濟利益的同時對環境也造成了一定的污染。據中國產業信息網公開數據顯示，2011年-2014年，造紙和紙制品工業廢水排放量居首位，成為水污染最嚴重的行業之一。隨著國家對水環境的重視，妥善處理好造紙和紙制品工業廢水排放問題也越來越受到行業的關注。本文以吉林某紙業有限責任公司為例，結合該廠污水處理項目的工藝要求及控制要求，闡述基于S7-400PLC和WinCC的造紙污水處理自動控制系統。

1 造紙污水處理的工藝及流程

造紙污水是一種高濃度廢水，含有有機物、懸浮物和氨氮等污染物，且濃度高、成分復雜[3]。現代污水處理技術按照污水處理的深度可分為污水一級處理、污水二級處理和污水三級處理。污水一級處理多采用物理處理法，可去除污水中大部分固體懸浮物，此時BOD一般可去除30%左右，達不到排放要求。污水二級處理采用活性污泥法時，主要去除一級處理后污水中較小的懸浮物及呈膠體狀和溶解性的有機物，此時BOD、COD可去除90%以上，達到有機物排放標準，懸浮物可在15ppm以下，出水效果好。污水三級處理是污水的深度處理，它包括進一步處理二級污水處理后剩余的磷、氮和難降解的有機物等，以及對污水進行消毒處理。

本項目使用了物理法和生物法來處理污水，造紙污水工藝流程如圖1所示，主要包括預處理、厭氧處理、增氧曝氣處理三大階段。

預處理階段主要包括集水井、事故池、斜濾塔、初沉池、調節池、冷卻塔，主要是過濾廢水中較大顆粒的懸浮物和漂浮物，并在初沉池中截留大塊物質和沙粒，通過調節池對廢水進、出水流量進行調節。

第二階段為厭氧處理階段，主要由預酸化池、厭氧塔、厭氧污泥池、沼氣處理設備三部分組成，其主要是對污水進行厭氧處理，從調節池預處理后經冷卻的污水進入預酸化池，通過添加堿液或營養鹽以調節PH值，將難以通過生物方法降解的大分子有機物通過水解酸化作用，轉化為容易通過生物方法降解的小分子有機物，從而提高廢水的可生化性。在厭氧塔中通過厭氧菌的作用，把有機物分解成有機酸，然后在甲烷菌的作用下，通過進一步的生物發酵，從而形成甲烷、氫、二氧化碳等無機物，從而使污水COD濃度大大降低。

第三階段為增氧曝氣階段處理，主要有曝氣池、二沉池、生化污泥池和污泥系統四部分。從厭氧塔出來的污水進入曝氣池前端的選擇池，在鼓風機的作用下，污水中的有機污染物被污泥中的好氧微生物氧化分解，經過二沉池的混凝沉淀后，出水經加氯處理后達到排放標準。生化污泥、化學污泥、初沉淀池污泥和二沉池污泥到污泥系統這里處理。

圖1 造紙污水處理工藝流程圖

2 造紙污水處理控制系統設計

2.1 主要控制內容

本項目污水處理控制系統主要由預處理系統、厭氧系統、好氧系統、化學品配制、沼氣設備、污泥處理等構成。

2.2 整體控制方案設計

本項目污水處理控制系統主要采用“集中管理、分散控制”的設計思想。由于該紙廠污水處理能力較大，結合控制系統可靠性的要求，其污水處理控制系統核心利用了S7-400的冗余技術，保證了污水處理數據采集、設備控制等實現。上位機采用了4臺研華工控機實現對整個污水處理系統進行管理顯示。

2.3 硬件設計

（1）硬件選型

由于控制設備較多，本系統采用兩臺s7-400的416CPU作為控制核心，采用了冗余技術，對ET200M作為控制的子站和s7-300的控制站進行控制。

（2）硬件系統組成

本項目污水處理控制系統上位機配置2臺工程師站和2臺操作員站，下位機采用西門子S7-400系列、分布式IO模塊ET200M和S7-300PLC組網進行控制。利用遠近控制相結合的模式，就近采用手動控制，遠程使用自動控制模式，實現對預處理系統、厭氧系統、好氧系統、化學品配制、沼氣設備、污泥處理系統的控制。控制系統結構如圖2所示。

圖2 控制系統結構

系統一層網絡采用PROFIBUS-DP現場總線構建。兩個S7-400CPU6ES7416-3XR05-0AB0采用冗余系統結構。控制室內的S7-400系列CPU，安裝于控制室機柜1、2號柜內，DP從站為ET200M分布式I/O站。

系統二層網絡采用以太網方式進行通訊，在工程師站和操作員站上通過以太網交換機進行通訊，通過交換機與PLC之間實現數據傳遞。

2.4 軟件設計

（1）PLC程序設計

下位機編程采用西門子Step7V5.4軟件。

（2）組態軟件設計

組態軟件采用了西門子公司的Wincc軟件。該軟件容易與西門子PLC通訊與聯網，功能齊備，具有可視化的操作界面；能夠實現分布式存儲報警和歷史數據，實現對污水處理整個處理流程各個階段的監控，具有實時趨勢監控的能力，并且對整個處理過程可實現全面報警功能。

針對該紙業污水處理廠處理污水的特點，設計和制作了相應的組態界面，如監控系統的由預處理流程、厭氧流程、好氧流程、化學品流程、沼氣設備控制、污泥系統、好氧厭氧數據、趨勢分析、報警記錄、好氧厭氧報警設置和系統登錄等。

預處理流程主要功能是對新進入的污水，進行機械格柵過濾、斜濾塔過濾和沉淀刮泥，然后進到調節池等。厭氧流程是將調節池的污水和工藝污水進行PH值調節，然后送到厭氧塔進行厭氧反應。增氧流程主要是將厭氧反應后的污水和工藝污水，進行好氧處理，并進行二次沉淀等。化學品流程是對營養鹽液、氫氧化鈉液和聚合物液體進行制備。沼氣設備控制是對厭氧反應產品的沼氣進行收集、穩壓和分配處理等。污泥系統是對生化淤泥和化學淤泥進行處理。好氧厭氧數據是對厭氧流程的數據和好氧流程數據，進行收集匯總。趨勢分析是根據厭氧流程和好氧流程的數據進行處理分析。報警記錄是根據污水處理系統產生的報警信息進行記錄。好氧厭氧報警設置是根據污水的進水量變化對好氧流程和厭氧流程的變化，對厭氧流程和好氧流程的相關監控數據進行報警設置，系統登錄界面包含了用戶的登錄、退出、創建賬號、修改用戶密碼、退出系統等功能。

3 結束語

本項目介紹了吉林某紙業污水處理的整體處理工藝，利用西門子WinCC與S7-400 PLC設計了污水處理自動控制系統，具有穩定可靠、操作及維護方便的特點。本項目污水處理工程自運行以來，各項指標達到設計要求，污水排放參數達到國家排放標準，順利通過技術驗收，整體運行經濟、穩定、方便、實用，運行效果較好。污水處理項目為治理紙業水污染和水資源可持續發展提供了重要保證，符合國家節能減排的原則，具有顯著的國民經濟效益和社會效益。