海上石油平臺生活污水處理裝置的設計與開發

李旗 錢光磊 謝陳鑫

摘? 要： 為了開發一種專業、控制有序的海上石油平臺生活污水處理裝置， 設計了采用PLC的電解法生活污水自動處理裝置。文章分析了控制系統的電氣原理圖和控制系統中的輸入/輸出信號，對控制邏輯和人機界面設計進行了說明。現場調試與實際使用表明，該裝置通過PLC對現場各儀表數據進行采集與分析，實現了自動處理生活污水的功能。

關鍵詞： 生活污水處理; PLC; 控制系統; 自動控制

Abstract： In order to develop a professional and orderly controlled domestic sewage treatment device for offshore oil platform， a PLC based automatic domestic sewage treatment device with electrolysis method is designed. This paper analyzes the electrical diagram of the control system and the input/output signals of the control system， and explains the control logic and human-machine interface design. The field debugging and practical application show that the device collects and analyzes the data of the field instruments through PLC， and realizes the function of automatic treatment of domestic sewage.

0 引言

隨著海上開采石油的迅猛發展，海洋污染的問題越來越突顯，主要體現在對排放污水的指標越來越嚴格。傳統的生化法生活污水處理工藝簡單，但無論是處理效果還是處理量來說都有其局限性。電催化氧化法生活污水處理裝置是一種利用電催化氧化方式對海上石油平臺生活污水進行處理的裝置。操作人員通過控制柜上的人機界面，實現手動、自動控制，通過程序控制實現各執行元件的相互配合，達到污水處理達標并排放的功能。

1 系統整體工藝設計

自控系統設計可實現手動與自動模式。

1.1 手動控制模式

本系統可分別對裝置中的粉碎泵、風機、排放泵、直流柜，電動閥等執行元件進行手動打開與關閉。該模式的作用為單設備檢修，試運行及初上電調試時使用。

1.2 自動控制模式

1.2.1 電催化自動控制系統

通過安裝于緩沖罐頂部的超聲波液位計，實時地測量緩沖罐中污水的液位高度，當達到預設高度時，粉碎泵啟動，將污水從緩沖罐中抽出粉碎，并將水注入反應器中。

污水進入反應器后，液位逐漸升高，觸發液位開關產生動作信號，PLC控制直流電源進行直流放電，驅動電催化極板進行電催化反應。

經過電催化反應后的污水，自流進入清水罐，同時位于清水罐中的壓差式液位計實時測量液位高度，當達到預設高度時，排放泵啟動，將處理完畢的污水排出。

在電催化反應進行中，風機同步運行，實現強制排放反應中可能產生的危險氣體的功能。

1.2.2 電極自動換相系統

固定在反應器中的電極板，由于長時間加直流電進行電催化反應，會在極板上產生垢，這就需要定期對電極板的正負極進行切換，利用其中一極在電化學反應中產生的氣泡使極板上的垢脫落，從而實現自我脫垢的功能。

1.2.3 廢渣自動排放系統

通過電極自動換相功能而分離出的污垢，經一段時間沉淀后，會堆積在反應器底部，這就需要定時對其排垢。具體操作：通過直流電源運行反饋信號作為計時條件，當計時達到預設值時，打開排放電動閥門，待閥門打開反饋信號有效時，排放泵運行一段時間（可設定），最后關閉排放泵與排放電動閥。這樣可及時排除固體沉淀，從而實現延長設備良好運行的效果。

2 控制系統設計

自控系統組態設計如圖1所示。

2.1 PLC組態

PLC選用西門子S7-1200系列中的1215C，本身具有14數字輸入和10個數字輸出，通過添加擴展模塊，擴展出多個模擬輸入與模式輸出，作為采集與控制其他設備的接口。如圖2所示。PLC在進行硬件組態時需要對每一個擴展口的I/O地址（包括起始與結束地址）做設定，這在后續的編程中作為物理端口的影射，通過程序處理調用。

2.2 PLC與其他設備的連接

PLC通過自身與擴展的IO接口模塊，接收現場檢測各各種信號（其中包括數字輸入輸出信號，模擬輸入輸出信號），對這些數據進行處理，并執行PLC程序中發出的各種控制指令。數字輸入部分主要有液位開關、電動閥的打開與關閉反饋，電動機接觸器的輔助觸點以及直流電源的狀態反饋;數字輸出部分主要有對電動閥、控制電機的交流接觸器以及直流電源的啟停控制;模擬輸入部分主要有流量計、液位計以及直流電源的電流電壓模擬輸出反饋;模擬輸出部分主要針對直流電源電流輸出幅值的控制信號。

3 編程設計

3.1 人機界面設計

使用博途TIA（V14）繪制界面[1-3]，通過硬件組態與畫面繪制，將人機界面與PLC通過Profinet通信協議，經網線進行數據交互，實現對裝置的運行狀態、報警歷史、參數設定和手動調節等進行反饋，便于操作者對設備的狀態進行及時有效地把控。圖3為流程界面。流程界面為設備運行中處于長期顯示的重要畫面，其中包括了各動力設備的啟停狀態，各電動閥的開合狀態，各儀表的數據反饋狀態，還有每種設備的故障檢測狀態。不同的運行模式下，可以直觀的通過畫面看到各種狀態信息與數值反饋，便于操作者或者巡檢員快速、直接且有效的判斷設備運行情況。

為了便于將來的儀表更換與設備檢修，還編寫了儀表校準和控制頁面（如圖4），其中儀表頁面主要是對系統中傳輸模擬信號的儀表進行4-20mA與實際儀表量程的校準;控制頁面主要分成四部分，第一部分為系統模式切換;第二部分為手動模式中各執行元件（包括風機、粉碎泵、海水閥、排放閥與直流柜）的單獨啟/停，便于維修人員對單一設備的運行測試;第三部分為主備設備的手動與自動切換，當設置為自動切換時，系統根據運行時間與參數頁面的設定時間，對主備設備進行定期切換，避免主設備長期工作，備用設備長期閑置，導致兩臺設備實際運行壽命不一致的情況，實現兩臺設備都具備良好的使用狀態，當設置為手動切換時，系統不再對各設備的實際運行時間進行累加，主備設備不再自動切換，而是通過選擇按鈕實現人工切換;第四部分為不停機檢修隔離按鈕，對所有執行元件進行檢修狀態設定，當檢修狀態激活時，設備在自動模式下不再運行，避免在不停機檢修時對人或者物造成潛在的安全隱患。

3.2 PLC程序設計

3.2.1 程序框架設計

通過PLC的IO端口，監控各儀表與各設備的工作狀態，并根據裝置所處的工作模式決定工作流程，如圖5所示。每個執行部件都采用一用一備的熱備用方式，當一臺設備出現故障時，程序自動切換使用備用設備，實現整個裝置的連續運轉，保證運行穩定性與可靠性。程序編寫依靠IEC61131-5及國標15969.3-2017相關標準進行編寫[4-5]。

具體程序設計，首先對每一個功能建立功能塊（FB）及其數據塊（DB），包括實現功能需要的內部變量與全局變量;其次，對每一個功能塊進行獨立編程，實現各功能獨立，在組織塊（OB1）中用對應的指令調用各功能塊，從而提高CPU的執行效率，便于后期調試與功能添加。

3.2.2 換相程序

換相功能的程序如圖6所示，在直流電源運行時，通過分鐘脈沖信號作為計數器的累加觸發。當計數值大于等于預設值時，觸發換相流程：先停止直流電源運行，并激活“延時接通”指令，其設定值為90秒，這主要的作用是等待直流電源的輸出端電壓下降到安全值，避免立即換相導致接觸電流過大觸發設備意外報警;當接通延時指令激活達到預設時間后，PLC對直流電源發出換相指令，并回復直流電源運行;當正負切換兩次后，計數器清零，開始重新計數。

3.2.3 排放程序

定時排放功能程序如圖7所示，在自動模式下通過分鐘脈沖作為計數器觸發源，當計數達到預設值且粉碎泵在工作時，進入排放流程：打開電動閥，通過觸發“延時打開”指令，延遲一段時間后，排放泵運行，再經過一段時間后，排放泵停止，電動閥關閉，重置排放計時值。

4 結束語

本裝置在西門子博途編程平臺下完成了基于Profinet連接的觸摸屏與PLC，通過IO接口對執行元件進行互聯，智能、高效地對生活污水進行電催化處理，從而有效降低污水中的化學需氧量（COD）。通過實際運行可證明：該生活污水自動處理裝置可高效可靠的實現海上石油平臺生活污水的處理任務，達到排海要求，功能完整，設備易于操作維護，運行穩定。該裝置已在多個海上石油平臺上推廣使用。

參考文獻（References）：

[1] 劉華波，劉丹，趙巖嶺，馬艷，山炳強.西門子S7-1200 PLC編程與應用[M].機械工業出版社，2018.

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[3] 西門子（中國）有限公司.S7-1200 可編程控制器系統手冊[Z]，2009.

[4] 彭瑜.IEC 61131-3編程語言及應用基礎[M].機械工業出版社，2009.

[5] GBT 15969.3-2017.可編程序控制器（第3部分）：編程語言[S].