PLC技術在污水處理系統的研究

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有限公司樹脂分廠PVC離心母液廢水處理后回用，回用水達到用于聚合與干燥管道和漿料系統的沖洗要求。目前，現場設計的污水處理能力為4110噸/日，通過多次現場勘查，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，而現場如仍應用該處理方式，會引起運營維保的高費用，并且系統穩定性，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，增強了系統的抗干擾能力，提高了系統的平均無故障時間，并且結合了預警模式，完善了系統的可靠性。

1 聚氯乙烯污水處理流程與控制系統研究

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）→生化反應器（出水）

目的：生化及降解（有機物、助劑、懸浮物）

生化反應器（出水）→絮凝區（加強固液分離）→沉淀池（去除生化后的懸浮物）

目的：加強固液分離效果、去除小分子顆粒物、作為循環水補充水回用。

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

主要工藝反應如表1所示。

表1 PVC生產廢水通過處理后的數據結果

圖1 中表明：離心母液廢水的進水水質：327.5mg/l；生化反應的去除率：67.7%&47.2%；出水：小于50 mg/l；循環冷卻水補充水：可回用。

圖1 PVC生產廢水通過處理后的數據

根據污水水質和要求回用水質標準，污水處理工藝流程如圖2所示。設計流程方案考慮以下三個階段：預處理、超濾段、反滲透段。

圖2 雙膜法處理PVC離心母液流程

（1）預處理段

PVC離心分離（集中處理）→換熱器（降溫）→預處理器（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（降低有機物）

目的：濃液中的PVC顆粒做進一步的回收。

（3）反滲透段

反滲透系統（完成最終過濾）

2 150萬噸聚氯乙烯污水自動處理系統實現

2.1 150萬噸PVC污水自動處理硬件系統架構

新疆中泰150萬噸聚氯乙烯（PVC）水處理自動控制系統是一個集數據采集和自動控制為一體的高度自動化系統。全系統基于總線ProfiBus系統，完成系統的集中監控、分布管理模式。分站選用輸入/輸出模塊，并對系統預留15%的擴展能力。

系統構架（三層模型）：控制層（現場）－集中管理層（控制）－遠程層（控制層）。

系統介紹：

控制層（現場）：現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）：數據處理、監控等，完成信號的輸出并與其他模塊通訊；

遠程層（控制層）：操作員站、工程師站、監控服務器等。

系統設計方式如表2和表3所示。

表2

表3 模塊選型

整個系統采用：ProfiBus現場總線（系統傳輸速度1.5Mbps），預留15%擴展空間。

2.2 PLC主站的主要功能

根據現場實際情況，目前中控箱（PLC主站）安放位于配電室，主要用于現場總線的數據采集（信號的輸入輸出），遠程通信監控等。

在設備選型方面，考慮到系統的穩定性，經過多次調研，選用德國進口西門子品牌，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作為系統總控，該CPU有良好數字、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個機架來組成，CPU用1個315-2DP，2個機架通過2個IM365來連接。外部設備S7-200通過DP通信模塊EM277與中控連接。PLC 詳細選型見表4所示。

表4 PLC主站設備選型

2.3 PLC主站S7-315-2AG10緊湊型CPU模塊

315-2 AG10 CPU的主要功能為系統總控，所有設備的調試、組態由該CPU負責，并且在系統運行中，作為總控存在。

2.4 PLC主站其他模塊

電源模塊是為CPU單獨供電的，首先在送電前確認電源模塊的ON/OFF開關是否在OFF狀態，如果沒有先把開關撥至此狀態，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撥至ON狀態，此時電源模塊開始工作。

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

外部設備：S7200，增加EM277（用于與主站的通訊-PROFIBUS通訊），在用STEP 7調試300系統PLC時，調用GID文件，映射相關信號。

2.5 PLC自動控制系統硬件組態

在整個系統運行時，需要對其進行組態，PLC 硬件組態見圖3所示。

圖3 PLC硬件組態

2.6 基于西門子PLC技術的集散型控制系統軟件實施

PLC 編程軟件選擇了 SIMATIC 的 Step7，組態軟件選擇 SIMATIC 的 WinCC 。

2.6.1 符號表

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

圖4 符號表

2.6.2 軟件塊

在軟件組態過程中，如圖5所示，完成OBDBFCFB等多種功能塊的裝載及設置。

圖5 軟件塊

西門子程序運行特點：所有程序需要在OB1 系統組織塊里執行，同時可以引入OB40、OB100、OB120等多種特殊功能塊進行控制，方便用戶設置。

2.6.3 程序設計

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

圖6 主程序塊

2.6.4 PID程序研發

通過現場的觀察及多年現場施工經驗，目前針對該系統主要以液位、流量、溫度、壓力等多變量集合，相互配合，現場控制閥門、水泵等多硬件設備相結合，需要實時考慮現場運行狀態，系統復雜、響應要求高，因此要充分考慮水處理系統的多重性控制方式。

特殊要求：在控制系統運行過程中，以下幾個參數是控制的重要點：

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

每個參數的控制方式，都與進水的水質密切相關，控制不當會引起整個系統的不穩定性。

算法邏輯：

在日常的PID控制模式，為4:1的經典控制方式，在本項目采用PID閉環控制方式，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) —現場值與設定值的數值誤差。Kp—比例系數。Ti—積分時間常數。Td—微分時間常數。T —調節周期。

式中，0和t作為積分的上下限，整個PID的傳遞函數見（2）：

P 、I、D 的設置方式：

被控物理量在目標值附近振蕩，加大積分時間 I ，繼續觀測，如果依舊存在振蕩，則需要對比例增益P進行調整（一般為減小）。

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

利用該方法進行PID控制器參數的整定步驟如下：

（1） PID的最終控制方式為4:1的經典控制

（2）根據δs和Ts值，需要繼續整定響應參數，見表5。

表5 4：1衰減曲線法PID參數整定經驗公式

（3）在控制系統依舊不穩的前提下，逐步引入積分作用，繼續觀察，保障系統的穩定性。

本項目中TV103為調節閥，根據TICA-103調節溫度，現按照衰減法來整定調節器參數，最終實現4:1的系統穩定模式。如圖7所示。

圖7 調節系統4:1衰減

出現衰減比例度為4:1時，此時實際比例度δs值為1/4，根據圖上的時間坐標，讀出的實際Ts值為70，根據衰減曲線公式：P=1.2×δs=0.3，I=0.5×Ts=35，有計算出的數值再根據實際運行的調節，最后，設定的P值為0.2，I值為30。

2.6.5 上位機監控軟件開發

上位機選用Win CC，對整個系統進行系統監控平臺的開發，實現如下功能：

(1)現場工藝的實施展示及參數控制；(2)實時數據的查詢及記錄；(3)整體系統的報警記錄；(4)系統報表記錄。

整個系統的展示及設置如圖8～圖11是上位監控軟件部分截圖。

圖8 超濾機組系統

圖11 報警記錄

3 系統運行效果

預過濾器的反沖洗采用先氣洗和后水洗的方式，以達到優化反洗效果和節約反洗水量的目的。

預處理分析數據如表6所示。

圖9 系統參數設定

圖10 系統參數設定

表6 預處理分析數據

從這一天正常運行的數據來分析，只要進液的流量、PH值等數據穩定，那么此系統處理后的所有運行數據都是穩定的。

超濾處理數據如表7所示。

表7 超濾運行處理數據

超濾系統是要在預處理系統穩定運行的基礎上來處理水質的，超濾系統進液的數據波動反映出在預處理的加藥系統出現波動，出現波動的原因是加藥系統的PID調節有波動。

反滲透裝置一天的運行數據見表8所示。

表8 反滲透裝置運行數據

預處理和超濾系統的水質檢測合格，才能運行反滲透裝置，反滲透裝置的進液是不能通過它的系統來調節的，所以只要預處理和超濾兩個系統能正常穩定地運行，那么反滲透裝置就能穩定地運行。

4 總結

本文依據國內已有的污水處理模式及情況，完成新工藝的設計，并且依據項目：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作為貫通整體系統的背景，多硬件相結合，解決目前現場遇到的系統穩定問題，在低成本，高質量地完成的用戶的需求。