某銅礦井下廢水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

胡 平

（1.中鋼礦院（馬鞍山）智能應(yīng)急科技有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

隨著礦山水污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，礦山企業(yè)對(duì)于水資源環(huán)境保護(hù)的重視程度也越來(lái)越高，廢水處理已經(jīng)成為礦山建設(shè)的重要部分。針對(duì)銅山銅礦井下廢水酸性、懸浮物、重金屬、COD 超標(biāo)的水質(zhì)特點(diǎn)，采用石灰中和混凝沉淀-次氯酸鈉氧化組合工藝進(jìn)行井下廢水處理。該工藝屬于物理化學(xué)法處理廢水，處理效果高效且穩(wěn)定，已廣泛應(yīng)用于金屬礦山井下廢水處理工程。為了提高井下廢水處理效率和降低能耗，采用PLC 控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的精確控制，克服廢水處理過(guò)程非線性和大滯后問(wèn)題，提高廢水處理過(guò)程的自動(dòng)化水平和控制效果。

1 銅山銅礦井下廢水處理概述

我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)礦山廢水處理的方法有自然降解法、混凝沉淀法、酸堿中和法、吸附法、化學(xué)氧化法和生物法［1-2］。銅山銅礦井下廢水包含井下充填廢水、井下涌水和生產(chǎn)廢水。井下廢水為酸性廢水，化學(xué)需氧量、硫化物、氨氮、重金屬等物質(zhì)超標(biāo)，每天廢水量為6 000 t。井下廢水處理工藝采用石灰中和混凝沉淀-次氯酸鈉氧化的組合工藝，廢水通過(guò)井下中段泵站提升泵輸送進(jìn)入調(diào)節(jié)池預(yù)處理，采用曝氣調(diào)節(jié)水質(zhì)水量。調(diào)節(jié)池出水輸送至快速混合罐，快速混合罐出水自流入中和罐，通過(guò)添加石灰乳調(diào)節(jié)pH 值生成重金屬不溶物。中和罐出水自流入絮凝反應(yīng)罐，通過(guò)添加PAM 絮凝劑生成大體積絮凝物。絮凝反應(yīng)罐出水流入輻流式沉淀池，絮凝物在池內(nèi)沉淀分離。輻流式沉淀池出水自流入應(yīng)急反應(yīng)池，當(dāng)出水pH 值超標(biāo)時(shí)，進(jìn)行應(yīng)急投加草酸調(diào)整。應(yīng)急反應(yīng)池出水自流入排放水池，出水達(dá)標(biāo)排放或作為回水循環(huán)利用。中和罐的石灰乳投加過(guò)程中加入沉淀池的污泥回流，該工藝和傳統(tǒng)的石灰中和法相比，能提高底泥的濃度14%～20%，排泥體積大幅縮小，減輕后續(xù)污泥處置工作，有利于延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命和提高設(shè)備效率。

-257 m中段井下廢水中的COD、Zn含量較高，預(yù)處理系統(tǒng)采用曝氣氧化的方法去除部分COD，通過(guò)投加石灰乳和PAM 絮凝劑沉淀去除廢水中的COD、Zn、Pb 和Cu，最后通過(guò)添加次氯酸鈉進(jìn)一步氧化殘余COD。-658 m 中段廢水水質(zhì)較好，主要是pH 和懸浮物超標(biāo)，投加石灰乳和PAM 絮凝劑沉淀即可達(dá)標(biāo)排放。兩中段井下廢水分開(kāi)處理有利于減少藥劑投加量，廢水處理過(guò)程產(chǎn)生的沉淀污泥由污泥泵輸送至現(xiàn)有尾砂輸送系統(tǒng)。井下廢水處理工藝流程見(jiàn)圖1。

2 井下廢水處理控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井下廢水處理控制系統(tǒng)由1 個(gè)S7-300 PLC 控制主站、1 個(gè)遠(yuǎn)程IO 控制分站和中央控制室組成［3］。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為3 層，分別是設(shè)備層、控制層和信息管理層。各層之間通過(guò)硬件網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)各層相互隔離，保證各層獨(dú)立運(yùn)行。控制層采用冗余工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)Profinet，實(shí)現(xiàn)與信息管理層和設(shè)備層的數(shù)據(jù)連接，冗余的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了數(shù)據(jù)通訊的安全和高效。

設(shè)備層有工藝參數(shù)監(jiān)測(cè)儀表和設(shè)備監(jiān)測(cè)儀表，包括流量計(jì)、液位計(jì)、水質(zhì)在線檢測(cè)儀、電流變送器等，對(duì)工藝流程參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)顯示。流量計(jì)選用電磁流量計(jì)，安裝在調(diào)節(jié)池管道、快混罐管道、沉淀池回流管道和外排放水管道。液位計(jì)采用超聲波液位計(jì)，安裝在調(diào)節(jié)池、中和罐和外排池。水質(zhì)檢測(cè)儀表包括pH 計(jì)、COD 檢測(cè)儀、NH3-N 檢測(cè)儀和重金屬總銅檢測(cè)儀，安裝在調(diào)節(jié)池和外排池。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表具備通訊功能，PLC 控制器可以通過(guò)Modbus通訊協(xié)議采集儀表檢測(cè)數(shù)據(jù)。

控制層有PLC 主站、遠(yuǎn)程IO 分站和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，各站通過(guò)冗余工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)全工藝流程的監(jiān)測(cè)和優(yōu)化控制。PLC 主站配有CPU 模塊、16 路數(shù)字量輸入模塊、32 路數(shù)字量輸出模塊、8 路模擬量輸入模塊、8 路模擬量輸出模塊、交換機(jī)模塊、UPS 電源等，用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表的數(shù)據(jù)采集和控制。遠(yuǎn)程IO 分站配有Modbus 通訊模塊，用于藥劑制備裝置和在線檢測(cè)儀表通訊。中控室設(shè)置2臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，分別為操作員站和工程師站。工程師站主要實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)組態(tài)畫(huà)面和軟件編程，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并預(yù)留與信息管理層的數(shù)據(jù)傳輸接口。操作員站主要用于廢水處理過(guò)程的監(jiān)視和操作，實(shí)現(xiàn)工藝流程設(shè)備的遠(yuǎn)程啟停、工藝參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整等功能。工程師站安裝組態(tài)軟件Wincc 開(kāi)發(fā)版和編程軟件Step7，操作員站安裝組態(tài)軟件Wincc運(yùn)行版。系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面見(jiàn)圖2。

信息管理層有網(wǎng)管級(jí)交換機(jī)、光纖收發(fā)器、Web服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以與控制層工程師站計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通訊。信息管理層通過(guò)礦區(qū)光纖網(wǎng)絡(luò)有效實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)共享，與企業(yè)信息網(wǎng)無(wú)縫連接進(jìn)行遠(yuǎn)程Web 瀏覽，進(jìn)行遠(yuǎn)程生產(chǎn)監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)礦山的信息管理一體化。

2.2 功能設(shè)計(jì)

2.2.1 監(jiān)測(cè)功能

（1）對(duì)廢水處理過(guò)程的主要工藝參數(shù)由電磁流量計(jì)、液位計(jì)、水質(zhì)在線檢測(cè)儀表進(jìn)行在線檢測(cè)，PLC控制器對(duì)儀表信號(hào)進(jìn)行線性量化及數(shù)字濾波處理。對(duì)pH值、COD、氨氮和重金屬總銅含量等水質(zhì)重要參數(shù)采用趨勢(shì)圖方式進(jìn)行記錄，包括實(shí)時(shí)趨勢(shì)和歷史趨勢(shì)。系統(tǒng)通過(guò)歷史趨勢(shì)圖來(lái)查詢(xún)數(shù)據(jù)記錄，用于分析工藝流程控制效果。

（2）在監(jiān)控圖畫(huà)面中按工藝流程動(dòng)態(tài)顯示工藝設(shè)備、管道、閥門(mén)的狀態(tài)，并在流程相應(yīng)位置顯示流量、液位、pH 值等生產(chǎn)參數(shù)實(shí)際值。對(duì)鼓風(fēng)機(jī)、污泥泵、攪拌機(jī)、提升泵等主要設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，顯示其運(yùn)行狀態(tài)和電流。當(dāng)設(shè)備跳停和工藝參數(shù)超限時(shí)，畫(huà)面顯示報(bào)警信息提示操作人員。

2.2.2 控制功能

（1）根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和工藝流程要求，對(duì)廢水處理工藝設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停和聯(lián)鎖保護(hù)控制。每臺(tái)電氣設(shè)備均設(shè)就地手動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制3 種操作方式。在系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程手動(dòng)控制過(guò)程中，對(duì)操作人員可能出現(xiàn)的誤操作，控制軟件提醒操作人員確認(rèn)是否操作，并采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。

（2）當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)在線運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)自動(dòng)決策是否進(jìn)行備用設(shè)備切換，或發(fā)出報(bào)警提示操作人員進(jìn)行人工處理。根據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù)要求，控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)石灰乳、次氯酸鈉和PAM絮凝劑添加量，保證廢水處理流程穩(wěn)定高效。

2.2.3 管理功能

系統(tǒng)具有I/O 硬件診斷、軟件診斷、組態(tài)畫(huà)面和數(shù)據(jù)庫(kù)的編輯及修改功能。對(duì)于pH值、COD、氨氮和重金屬總銅含量等水質(zhì)參數(shù)、處理廢水累計(jì)量數(shù)據(jù)自動(dòng)生成報(bào)表并打印。事故報(bào)警信息按發(fā)生時(shí)間、優(yōu)先級(jí)、故障點(diǎn)位置分別顯示在組態(tài)畫(huà)面中的報(bào)警欄上，報(bào)警信息保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中便于查詢(xún)。系統(tǒng)按人員權(quán)限進(jìn)行分級(jí)授權(quán)管理，操作人員根據(jù)授權(quán)進(jìn)行相應(yīng)的操作，防止無(wú)關(guān)人員修改參數(shù)設(shè)置。

2.2.4 通訊功能

系統(tǒng)與選廠自動(dòng)化系統(tǒng)通過(guò)光纖工業(yè)以太網(wǎng)相互通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換避免形成信息孤島。系統(tǒng)與PAM 藥劑制備裝置、出水COD、NH3-N 在線檢測(cè)儀表等現(xiàn)場(chǎng)成套設(shè)備采用Modbus 通訊協(xié)議，實(shí)時(shí)采集設(shè)備數(shù)據(jù)。廢水處理流程畫(huà)面、生產(chǎn)工藝參數(shù)等相關(guān)信息實(shí)時(shí)上傳，為礦業(yè)公司生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)信息。

3 主要控制方法

3.1 pH值控制

pH 值控制分為自動(dòng)和手動(dòng)2 種方式。控制方式處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)調(diào)節(jié)pH值，不需要人為進(jìn)行干預(yù)。控制方式處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，操作人員通過(guò)調(diào)節(jié)石灰泵和草酸泵的頻率，控制石灰乳和草酸的投加量來(lái)調(diào)節(jié)pH值。

由于pH 控制過(guò)程非線性和大滯后問(wèn)題，常規(guī)PID 控制調(diào)節(jié)參數(shù)整定工作量大，很難達(dá)到精確的控制效果。采用模糊控制和PID控制結(jié)合，將現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)家的操作經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)庫(kù)，運(yùn)用模糊控制理論的方法建立模糊規(guī)則庫(kù)進(jìn)行模糊推理［4-5］。模糊控制將偏差e和偏差率Δe作為輸入，對(duì)PID 參數(shù)的修正值ΔKp、ΔKi和ΔKd作為輸出，實(shí)現(xiàn)PID 參數(shù)Kp、Ki和Kd自動(dòng)調(diào)節(jié)修正，提高pH 控制精度。模糊PID 控制器的偏差值e和偏差率Δe論域?yàn)椋?3，3］，量化等級(jí)為{-3，-2，-1，0，1，2，3}。模糊PID控制器見(jiàn)圖3。

中和罐的pH 值一般設(shè)置在8，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)pH保持在7.9～8.1。系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)石灰泵的頻率改變中和罐的石灰乳投加量，從而調(diào)整中和罐水質(zhì)pH 值。由于石灰乳管道容易堵塞，系統(tǒng)設(shè)置石灰泵最低頻率，防止管道石灰沉積影響生產(chǎn)。pH 調(diào)節(jié)池的出水pH 值限值設(shè)置為6～9，在此范圍內(nèi)的水質(zhì)達(dá)到排放要求。當(dāng)調(diào)節(jié)池pH 值大于9 時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)投加草酸，使出水pH值達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 調(diào)節(jié)池曝氣量控制

調(diào)節(jié)池的主要作用是調(diào)節(jié)水量和水質(zhì)，既可以存儲(chǔ)井下廢水，又可以調(diào)節(jié)廢水的氨氮濃度。由于進(jìn)入調(diào)節(jié)池的廢水含有一定的懸浮物，通過(guò)曝氣防止調(diào)節(jié)池中懸浮物沉淀，有效利用調(diào)節(jié)池容積，并改善廢水的可生化性。

曝氣是直接影響硝化反應(yīng)的重要因素，調(diào)節(jié)池的合理曝氣量會(huì)帶來(lái)極佳的水處理效果。如果曝氣量過(guò)小，水中溶解氧不足導(dǎo)致硝化不足，出水COD 和氨氮含量超標(biāo)。如果曝氣量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致高度硝化，活性污泥上浮加速污泥老化，并造成不必要的能源浪費(fèi)。調(diào)節(jié)池曝氣量控制參數(shù)主要是調(diào)節(jié)池溶解氧值，一般設(shè)置為0.5～2 mg/L。系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)頻率來(lái)控制曝氣量，使調(diào)節(jié)池的溶解氧值在設(shè)置范圍內(nèi)，這樣可以間接控制調(diào)節(jié)池硝化反應(yīng)速率，充分利用調(diào)節(jié)池容積，有效降低出水COD和氨氮濃度。

3.3 絮凝劑制備與投加控制

PAM 絮凝劑制備裝置主要包括定量送粉系統(tǒng)、溶解水系統(tǒng)、攪拌儲(chǔ)存系統(tǒng)。定量送粉系統(tǒng)由螺旋給料機(jī)、物位開(kāi)關(guān)和料斗組成。系統(tǒng)通過(guò)物位開(kāi)關(guān)檢測(cè)料斗干粉量，并根據(jù)溶解水流量的變化控制螺旋給料機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)干粉的投加量，從而保證配制溶液濃度不變。溶解水系統(tǒng)包括電磁流量計(jì)、水壓調(diào)節(jié)閥和電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥。系統(tǒng)通過(guò)控制水壓調(diào)節(jié)閥保證溶解水壓力穩(wěn)定，當(dāng)流量計(jì)檢測(cè)累計(jì)溶解水量達(dá)到要求時(shí)，電磁閥切斷水路。攪拌儲(chǔ)存系統(tǒng)由儲(chǔ)存箱、槳葉攪拌器和三級(jí)液位開(kāi)關(guān)組成。儲(chǔ)存箱分3個(gè)槽，分別為配制、熟化和儲(chǔ)存，各槽之間設(shè)有擋板和槳葉攪拌器。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)攪拌器啟動(dòng)攪拌，保證絮凝劑充分稀釋熟化。儲(chǔ)存槽設(shè)置液位開(kāi)關(guān)，低液位時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)制備。PAM 絮凝劑溶液制備完成后，2臺(tái)槳葉攪拌器以間隙方式工作。配制PAM 絮凝劑溶液范圍為0～3 000 L/h，濃度為0.1%～0.5%。

絮凝劑投加控制是廢水處理的重要環(huán)節(jié)，如果控制不好，既不能達(dá)到預(yù)定的水質(zhì)處理要求，又導(dǎo)致藥劑的浪費(fèi)。絮凝劑PAM 投入水中后生成氫氧化物，初始濁度會(huì)升高，隨著絮凝體的形成濁度開(kāi)始下降，因此初始濁度為最大值時(shí)的投藥量為絮凝最佳投藥量。系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)調(diào)整絮凝劑投加螺桿泵頻率實(shí)現(xiàn)絮凝劑PAM 定量添加，保證絮凝沉淀反應(yīng)的高效穩(wěn)定。

3.4 設(shè)備聯(lián)鎖

（1）進(jìn)水閥聯(lián)鎖。井下廢水提升的進(jìn)水閥和調(diào)節(jié)池的液位進(jìn)行聯(lián)鎖。進(jìn)水閥開(kāi)啟時(shí)間設(shè)定在晚間電價(jià)低谷時(shí)間段，井下中段泵站提升泵啟動(dòng)，提升廢水至調(diào)節(jié)池預(yù)處理，可以降低用電成本達(dá)到節(jié)能增效的目的。

（2）出水閥聯(lián)鎖。當(dāng)出水pH 值在6～9，COD 含量低于60 mg/L，NH3-N 含量低于8 mg/L，重金屬總銅含量低于0.5 mg/L 時(shí)，達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，出水閥才能開(kāi)啟。當(dāng)其中一項(xiàng)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)時(shí)，出水閥自動(dòng)關(guān)閉防止廢水外排污染環(huán)境。

（3）流程設(shè)備工藝聯(lián)鎖。當(dāng)調(diào)節(jié)池液位低于設(shè)定值時(shí)，石灰螺桿泵、廢水提升泵、快混罐攪拌機(jī)、中和罐攪拌機(jī)、絮凝罐攪拌機(jī)和污泥回流泵將自動(dòng)停止。只有點(diǎn)擊解鎖按鈕，聯(lián)鎖狀態(tài)解除時(shí)才能啟停這些設(shè)備。

4 視頻監(jiān)控

通過(guò)對(duì)廢水處理作業(yè)區(qū)的視頻圖像監(jiān)控，操作人員可以隨時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)的情況，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和處理問(wèn)題。在某些作業(yè)區(qū)因工作環(huán)境有害人體健康，需要無(wú)人作業(yè)或人員巡檢作業(yè)危險(xiǎn)性較大，使用高清攝像機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。視頻監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)廢水處理控制系統(tǒng)有效的輔助，減少操作人員和巡檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，在加強(qiáng)管理的同時(shí)提高了工作效率。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)由圖像采集、信號(hào)傳輸、系統(tǒng)控制、圖像顯示和存儲(chǔ)等組成。視頻圖像采集部分由10個(gè)高清網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)組成，共計(jì)10個(gè)監(jiān)控點(diǎn)。監(jiān)控點(diǎn)主要分布在調(diào)節(jié)池、中和罐、沉淀池、加藥間等關(guān)鍵位置。所有攝像機(jī)信號(hào)匯集到各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)后，通過(guò)光纖接口將監(jiān)控點(diǎn)的視頻信號(hào)傳輸至中控室，接入硬盤(pán)錄像機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控和錄像。硬盤(pán)錄像機(jī)采用16路硬盤(pán)錄像機(jī)，安裝2 塊8 T 硬盤(pán)可存儲(chǔ)錄像時(shí)間為1 個(gè)月。視頻監(jiān)控系統(tǒng)支持手機(jī)、電腦等多終端查看，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程了解現(xiàn)場(chǎng)情況。

5 結(jié)論

銅山銅礦井下廢水處理控制系統(tǒng)采用PLC 作為控制器，應(yīng)用模糊PID 控制、優(yōu)化控制等多種控制方法，且采用石灰中和混凝沉淀-次氯酸鈉氧化組合處理工藝，實(shí)現(xiàn)廢水處理集中操作控制。系統(tǒng)根據(jù)水質(zhì)參數(shù)自動(dòng)調(diào)整藥劑投加量，管理方式簡(jiǎn)單，運(yùn)行控制準(zhǔn)確。投入使用后運(yùn)行結(jié)果顯示：該系統(tǒng)廢水處理工藝靈活，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，降低了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了廢水處理效率和各項(xiàng)指標(biāo)，出水達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)滿足礦山環(huán)保要求。