通過液位計控制實現砂漿廢水自動化運行處理

    摘要：安鋼集團永通鑄管有限公司新建12500 t/d污水處理站, 污水中含有大量的砂漿成分。此類污水在處理過程中極易造成管路淤積堵塞。我們三暢儀表在文中主要描述了通過液位控制來達到砂漿廢水自動化處理的方式, 結果表明, 該控制系統運行良好, 運行穩定可靠。

引言：

    自動化技術在不同的行業中發揮著越來越重要的作用。環保工程也越來越注重xianjin自動化控制技術的應用。尤其在工業污水的處理過程中, 污水來源的不穩定性以及成分的復雜性, 對整個工業污水的處理工藝和控制方式提出了非常高的標準。安鋼集團永通鑄管有限公司 (以下簡稱永通鑄管) 因生產需要新建日處理量為12500 t的砂漿污水處理站。三暢儀表針對永通鑄管提出的要求, 對此次新建污水站的控制系統做出系統性設計。

    污水處理工藝過程中存在頻繁的設備起停, 相關設備之間的運行條件, 故障狀態需要及時掌握, 因此在構建整個污水處理系統應采用集中管理, 分散控制結合的綜合控制系統, 以便于整個處理系統過程控制、流程監控、設備狀態監控以及故障報警。

    由于安鋼廠區規模大, 控制系統采用PLC作為主要控制元件, 監控端采用上位機加組態軟件完整整個系統的集中管理。網絡結構采用工業以太網, 使用光纖作為主要信號傳輸介質, 實現各級設備間的數據交換及共享。

1、供電系統：

    永通公司污水站整體運行功率接近1 000kW/h。但由于廠區跨度大, 采用分散控制結構, 因此各分站對應的供電壓力減少。新老車間采用車間供電系統, 污水站需要新建供電系統。供電采用兩條800 k W油變0.6 kV進線。進線柜為1用1備, 以便在供電發生故障或者設備檢修時, 可通過開關切換完成對處理系統的供電, 避免處理系統停擺造成的影響。

    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器件的運行。

2、控制系統：

    控制系統主要包括上位機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組態軟件。

    上下位機之間采用工業以太網結構傳輸。協議采用Profinet, 非Profibus。其實兩種都是西門子產品在工業現場使用zui多的總線控制結構, 但是Profibus是基于485的通訊基礎, 并非真正的以太網結構, 兩者就通訊速率比較沒有可比性。為了能夠更好實現控制方式以及今后的升級需要, 所以采用Profinet通訊協議。

    雙絞線根據傳輸速率分為三類:10M, 100M和1000M。按照文獻的要求, 明確要求水平布線不能超過90 m, 鏈路總長度不能超過100 m。而在永通公司污水處理工程中, 新老車間與污水站的直線距離均超過200 m。因此普通雙絞線已經無法滿足該項目的傳輸要求。新老車間和上位機通信需要通過光纖完成。需要選擇自帶千兆光纖接口的交換機。

    另外, 污水站控制系統要求納入廠內DCS集中管理。三暢考慮到系統傳輸距離以及網絡獨立性, 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以太網由4個以太網交換機構成, 實現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。設置分站的主要目的由于廠區跨度太大, 分散控制可以避免從主站鋪設大量的控制電纜、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三暢儀表的過程控制器CPU315和分布式I/O設備ET200M組成, 模塊化的安裝結構、很容易實現分布式的配置, 并且電磁兼容性強、抗震動、抗沖擊、擴展性強、通訊結構功能完善。主站由電源模塊PS307、中央處理單元CPU315、模擬量模塊SM331、數字量輸入模塊SM321、數字量輸出模塊SM322組成, 分站只需要由接口模塊IM153, 及模擬量和數字量模塊組成。

    永通公司主要產生砂漿廢水, 為避免管道淤積堵塞, 處理系統中不設置閥門及管道流量計。自動控制狀態下主要設備的起停都是通過對水池液位的監控來完成。三暢采用磁翻板液位計, 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, 因此數字量信號在進出PLC之前都應采用中間繼電器隔離。

    由于車間面積很大, 即便設置了分站, 部分設備和分站機柜之間的距離相差也非常大。如現場的控制信號采用直流驅動, 長距離傳輸很容易產生壓降。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驅動, 再通過觸點閉合完成對外部的元件驅動。

    驅動元件需要根據動力設備的使用功率選擇。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, 當達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速等功能。變頻啟動具有軟啟動的所有功能, 并且可以設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, 攪拌機數量根據池子大小配置, 8個收集池共11臺攪拌機。當池子的高液位達到液位計設定值時, 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控制。用戶可根據池內液位的高低, 設定攪拌機啟動條件。當攪拌機槳葉高于液面時, 攪拌機停止工作。用戶可以設定攪拌機的啟動時間和運行時間, 也可以根據實際情況手動操作攪拌機。閉環控制如廢水收集池控制流程圖 (圖1) 。

圖1 廢水收集池控制流程圖

4.2、攪拌調節池：

    調節攪拌池主要由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選擇啟動停止。也可以根據實際情況, 根據時間設定先后順序啟動。

    每套加藥裝置配備兩臺加藥泵, 加藥泵為1用1備用, 可通過控制系統設定時間自動切換, 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, 對罐體內液位進行實時監控, 當罐內液位過低時, 加藥泵停止工作。為確保藥劑一直處于備用狀態, 只有當加藥罐攪拌機運行參數設定后, 才能激活加藥泵的運行。

    在自動控制下, 當收集池提升泵啟動時, 調節池內的攪拌機開始工作, 同樣可以對攪拌機進行選擇啟動, 或設定時間先后順序啟動。

    當設定控制系統設定好的攪拌機完全啟動后, 加藥泵開始工作。

4.3、混凝反應A/B池：

    混凝反應A/B池內各安裝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選擇分離池進行操作。攪拌機和加藥裝置設置與調節池一致。

    液位計檢測反應池的液位, 便于控制提升泵及時將多余的廢水排出反應池, 確保反應池內藥劑和廢水的動態平衡。及時的液位監控有利于減少控制系統的能源消耗和藥劑的浪費。

    反應池和調節池相通, 因此調節攪拌池內的處理裝置同樣受反應池液位計的控制。

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設定攪拌時間或定時攪拌。渣漿泵可手動操作, 也可以根據反應池對應的提升泵的運行時間來調整啟動。

    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對應的提升泵來設定調整啟動和關閉的時間。

  渣漿泵控制流程如分離池控制流程圖 (圖2) 。

圖2 分離池控制流程圖

4.5、污泥調質A/B池：

    污泥調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置與調節池一致。

    污泥泵為2用1備用, 可手動運行, 也可以根據污泥池液位自動選擇操作。控制流程見調質池控制流程圖 (圖3) 。

圖3 調質池控制流程圖

 

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。

    當清水池液位達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, 當水位低于反沖洗液位時, 回用泵停止運行。控制流程見清水池控制流程圖 (圖4) 。

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定控制。控制流程見地表水收集池控制流程圖 (圖5) 。

圖4 清水池控制流程圖

 

 

圖5 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組態軟件, 軟件功能包括:處理過程自動控制、水位實施監視、設備故障顯示報警、聯鎖保護功能等等, 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, 提高企業管理效率, 從而減少企業在環保工程上的運行成本。

    上位機軟件配置動態工藝流程圖, 流程圖可在計算機屏幕上實時顯示同場設備的運行狀態、重要工藝參數的變化情況以及儀表實時數據。操作人員可以很方便的利用鼠標鍵盤對設備運行狀態進行變更和干預。

    實時監控的數據會根據時間順序存入歷史數據庫, 可以做到有據可查, 責任到人。

    設備分兩級操作方式。一級控制主要通過軟件集中監控, 不同用戶等級可操作的設備數量是受限的。二級控制通過現場操作盒完成, 操作盒設置手動和遠程選擇開關, 選擇手動時, 可就地對設備進行手動操作。一級操作可根據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。

    當設備出現故障報警時, 系統會顯示報警畫面, 來提示操作人員對故障進行處理。報警窗口分為兩部分:當前報警和歷史報警。當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的報警信息都會從當前報警中消失;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的報警信息仍可以顯示和查詢。

6、結語：

    該砂漿廢水自控方案經實際證明, 運行穩定, 處理效果好。全程通過液位監控, 避免類似管道流量計出現堵塞影響運行的狀況發生, 并且為今后砂漿廢水的自控方案升級提供了相應的參考參數。