楊云鵬 于有生

摘? ? ? 要： 針對(duì)傳統(tǒng)化工企業(yè)廢水池排水系統(tǒng)工作中，存在排水過程無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)、缺少實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)備不帶保護(hù)及自動(dòng)化流程不完備而易導(dǎo)致系統(tǒng)故障等諸多問題，設(shè)計(jì)了基于S7-1500PLC搭載人機(jī)界面的，并結(jié)合溫度、濕度、系統(tǒng)液位、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等多層保護(hù)融合的自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過人機(jī)界面對(duì)工作過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行;通過傳感器對(duì)高低液位、設(shè)備溫濕度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，防止系統(tǒng)故障;通過PLC程序?qū)ο到y(tǒng)啟停、持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等信息進(jìn)行優(yōu)先級(jí)判斷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的自動(dòng)排水系統(tǒng)能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性，降低故障率。

關(guān)? 鍵? 詞：廢水池;PLC;多層保護(hù);排水系統(tǒng);人機(jī)界面

中圖分類號(hào)：TQ 09? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）09-2055-04

Abstract： In view of problems existing in the drainage system of waste water pool in traditional chemical enterprises， such as failure of automatic regulation in drainage process， lack of real-time monitoring， incomplete automation process， and so on， an automatic control system based on S7-1500 PLC with human-machine interface and the integration of multi protection such as temperature， humidity， system liquid level and equipment operation time was designed. The real-time monitoring of working process was carried out through human-machine interface to ensure stable operation of the system; real-time feedback of information such as liquid level， temperature and humidity of equipment was carried out through sensors to prevent system failure; the priority judgment of information such as system start and stop， continuous operation time was carried out through PLC program to realize the optimal operation of system. The test results showed that the system improved the stability and safety， and reduced failure rate.

Key words： Wastewater pool; PLC; Multi-layer protection; Drainage system; Human-machine interface

化工企業(yè)廢水處理與排放一直是困擾企業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)難題，隨著化工企業(yè)產(chǎn)能逐漸提高，廢水處理量不斷加大，廢水池作為生產(chǎn)環(huán)節(jié)的終端，是化工企業(yè)高效生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)中關(guān)鍵的一環(huán)[1]。傳統(tǒng)化工廢水池通常使用簡(jiǎn)單的電控箱與潛水泵配合搭接組成排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行效率較低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、需要長(zhǎng)時(shí)間巡視現(xiàn)場(chǎng)并手動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作狀態(tài);同時(shí)，系統(tǒng)由于自動(dòng)化集成度不高，通常不設(shè)置溫度、濕度等保護(hù)方式，降低大規(guī)模排水系統(tǒng)整體安全系數(shù)[2-3]。在此情況下，通過廢水池排水系統(tǒng)中多臺(tái)潛水泵的自動(dòng)化控制可以明顯改善廢水處理工作效果，提高廢水處理效率[4]。

目前有關(guān)化工廢水池排水系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的研究較多，陳冠鋒[5]從化工廠應(yīng)急事故用廢水池的設(shè)計(jì)出發(fā)，著重介紹了廢水池系統(tǒng)的組成及廢水池的容積計(jì)算，在排水系統(tǒng)架構(gòu)上進(jìn)行了優(yōu)化;陳徐? ?榮[6]從工藝參數(shù)驗(yàn)算、設(shè)備及結(jié)構(gòu)分析、開啟順序等方面設(shè)計(jì)了廢水池自吸泵控制系統(tǒng)，提出解決排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型難題的路徑;孫立柱[7]等基于節(jié)能運(yùn)行和零排放理念，設(shè)計(jì)了化工廢水池排水系統(tǒng)回用于循環(huán)冷卻水的控制方法，優(yōu)化了排水系統(tǒng);孟影子[8]設(shè)計(jì)了煤化工廢水池自動(dòng)排放系統(tǒng)，著重研究了通過對(duì)排水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，使排水系統(tǒng)達(dá)到指標(biāo)要求。但是，面向化工廢水池排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中融合設(shè)備的多層保護(hù)，達(dá)到系統(tǒng)附帶相關(guān)聯(lián)鎖、優(yōu)先級(jí)運(yùn)行控制的研究較少。鑒于此，本文從融合液位、溫度、濕度、持續(xù)運(yùn)行時(shí)間等實(shí)時(shí)反饋信息的多層保護(hù)自動(dòng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)出發(fā)，以西門子S7-1500PLC為核心，通過設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)判斷算法，選取內(nèi)嵌式數(shù)字量溫、濕度傳感器及數(shù)字量固定式液位傳感器實(shí)時(shí)采集運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，搭載具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警反饋功能的基于昆侖通態(tài)TPC7062Ti的人機(jī)界面系統(tǒng)，從而構(gòu)造一池多泵協(xié)同運(yùn)行和優(yōu)化控制系統(tǒng)，目的是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效運(yùn)行和延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命。

1? 系統(tǒng)工作原理

化工廢水池自動(dòng)排水系統(tǒng)包含2臺(tái)30 kW防水型潛水泵交替工作，系統(tǒng)工作原理根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行動(dòng)作以及反饋至系統(tǒng)下位機(jī)的相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)完成控制要求。

1）化工廢水池設(shè)高中低3個(gè)液位，使用2支固定式液位傳感器負(fù)責(zé)3個(gè)液位信號(hào)的傳遞，若高液位傳感器有信號(hào)，則判定為高液位;中液位有信號(hào)而高液位無(wú)信號(hào)則判定為中液位;中液位無(wú)信號(hào)，則判定為低液位。系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)控制、手動(dòng)操作、系統(tǒng)急停、單臺(tái)泵啟停4種功能。當(dāng)系統(tǒng)自動(dòng)/手動(dòng)切換按鈕切換至手動(dòng)操作時(shí)，系統(tǒng)啟停需在距廢水池較近位置指定控制箱完成，且系統(tǒng)不受自動(dòng)控制模式下邏輯、聯(lián)鎖、優(yōu)先級(jí)控制。

2）當(dāng)廢水池處在低液位時(shí)，開啟1臺(tái)潛水泵運(yùn)行，且系統(tǒng)計(jì)時(shí)2 min后自動(dòng)停止運(yùn)行;當(dāng)廢水池處在中液位時(shí)，開啟1臺(tái)潛水泵運(yùn)行;若廢水池運(yùn)行8 min后仍檢測(cè)在中液位，未到達(dá)低液位，則系統(tǒng)開啟2臺(tái)潛水泵同時(shí)運(yùn)行，并報(bào)“持續(xù)中液位”警;若廢水池未處在高液位或持續(xù)中液位下，1臺(tái)潛水泵持續(xù)運(yùn)行15 min，則系統(tǒng)自動(dòng)停止本臺(tái)潛水泵，切換另1臺(tái)潛水泵運(yùn)行;當(dāng)廢水池處在高液位時(shí)，同時(shí)開啟2臺(tái)潛水泵;運(yùn)行8 min后，檢測(cè)廢水池若仍處于高液位，則報(bào)“持續(xù)高液位”警，但系統(tǒng)不關(guān)停潛水泵。

3）潛水泵運(yùn)行過程中出現(xiàn)溫度、濕度異常時(shí)，不論液位處在何處，故障潛水泵自動(dòng)停止運(yùn)行，同時(shí)系統(tǒng)判斷在保證滿足切換條件下轉(zhuǎn)至無(wú)故障潛水泵運(yùn)行，并報(bào) “溫度異?！本颉皾穸犬惓！本?，溫度閾值設(shè)為60 ℃。系統(tǒng)控制流程如圖1所示。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 硬件設(shè)計(jì)

多保護(hù)融合的化工廢水池自動(dòng)排水系統(tǒng)硬件配置如圖2所示，控制系統(tǒng)以S7-1500PLC CPU及其6ES7523輸入輸出模塊為核心，通過按鈕、人機(jī)界面輸入指令信號(hào)，通過溫度、濕度、液位傳感器實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)信號(hào)至PLC中心進(jìn)行邏輯運(yùn)算和處理，根據(jù)系統(tǒng)工作原理轉(zhuǎn)化為PLC內(nèi)部控制程序，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)后，向終端輸出特定的指令，例如潛水泵運(yùn)行指令、潛水泵停止指令、系統(tǒng)報(bào)警指令、系統(tǒng)運(yùn)行指示等;同時(shí)，利用人機(jī)界面與PLC間的實(shí)時(shí)通信功能從而對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)模式下的操作。

為了方便觀測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)狀況，防止手動(dòng)控制模式下遠(yuǎn)距離操作時(shí)系統(tǒng)發(fā)生意外，特別設(shè)計(jì)了手動(dòng)操作與自動(dòng)模式分離控制方式，手動(dòng)操作模式僅可在現(xiàn)場(chǎng)指定的控制箱完成操作，人機(jī)界面不包含手動(dòng)模式，僅保留手動(dòng)/自動(dòng)切換按鈕功能。

2.2? 系統(tǒng)I/O分配

根據(jù)西門子S7-1500PLC模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及功能可擴(kuò)展性優(yōu)點(diǎn)，為滿足系統(tǒng)功能需求和未來系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)展可行性[9]，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用CPU 1511F-1 PN作為控制執(zhí)行中心和西門子6ES7523- 1BL00-0AA0模塊進(jìn)行16位數(shù)字量接收和輸出功用。如表1所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了11個(gè)數(shù)字量輸入和4個(gè)數(shù)字量輸出位，通過I1.0、I1.1、I1.2、I1.3實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制潛水泵運(yùn)行， 通過I1.4、I1.5搭載液位傳感器輸入液位實(shí)時(shí)信號(hào)，作為系統(tǒng)判斷液位的依據(jù)，I1.6、I1.7分別用作潛水泵帶電機(jī)盒內(nèi)溫度傳感信號(hào)的輸入，I2.0、I2.1分別用作潛水泵帶電機(jī)盒內(nèi)濕度傳感信號(hào)的輸入，I2.2為現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)突發(fā)故障急停操作。

3? PLC程序設(shè)計(jì)

選取廢水池處于中液位時(shí)系統(tǒng)典型運(yùn)行模式為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)帶多層保護(hù)及優(yōu)先級(jí)運(yùn)行的PLC程序，構(gòu)造置位優(yōu)先和復(fù)位優(yōu)先寄存器模塊，分別用RS和SR表示。圖3為系統(tǒng)中液位時(shí)PLC控制程序，第一級(jí)程序任務(wù)為判斷是否處在中液位，只有在中液位的運(yùn)行狀態(tài)下，且需做切換的潛水泵無(wú)故障，此時(shí)泵間切換功能才被允許，若液位處于非中位，則復(fù)位優(yōu)先判斷后向第二級(jí)輸出0信號(hào);第二級(jí)程序任務(wù)控制方式為，設(shè)1#泵處于正常運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)溫度、濕度及運(yùn)行時(shí)間超限等任一監(jiān)測(cè)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，2#潛水泵啟動(dòng)運(yùn)行，1#潛水泵復(fù)位停止，待運(yùn)行時(shí)間達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定運(yùn)行時(shí)限時(shí)，或運(yùn)行中2#泵出現(xiàn)故障報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)則重新切換1#潛水泵投入運(yùn)行，如此往復(fù)，直到判定回歸低液位，則系統(tǒng)停止運(yùn)行;若某一時(shí)刻1#潛水泵處于故障狀態(tài)，不滿足切換運(yùn)行條件，則利用系統(tǒng)設(shè)置聯(lián)鎖保護(hù)功能，系統(tǒng)停止運(yùn)行并報(bào)故障警，保證系統(tǒng)在做1#和2#潛水泵切換時(shí)，無(wú)失效事故發(fā)生。

4? 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

組態(tài)技術(shù)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域，其人性化界面、搭載觸摸式操作功能，已初具應(yīng)用規(guī)模[10]。設(shè)計(jì)選用昆侖通態(tài)TPC7062Ti嵌入式一體化人機(jī)界面，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排水系統(tǒng)同時(shí)兼具監(jiān)控功能與操作功能，顯示屏為分辨率800×480的7英寸高亮TFT，處理器搭載主頻600 MHz的Cortex-A8 CPU，滿足化工廠實(shí)際應(yīng)用環(huán)境對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)控和歷史數(shù)據(jù)查詢功能的需求[11]。

圖4為化工廠廢水池自動(dòng)排水系統(tǒng)人機(jī)見面總畫面，畫面設(shè)置兩座模擬化工廢水池，自動(dòng)/手動(dòng)功能切換按鈕，溫度、濕度及廢水池液位報(bào)警指示燈，歷史報(bào)警數(shù)據(jù)查詢界面切換功能。

5? 運(yùn)行結(jié)果監(jiān)測(cè)

將系統(tǒng)應(yīng)用于化工廠廢水池項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)30日段內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)周期的設(shè)備故障檢修記錄、人機(jī)界面報(bào)警記錄畫面等統(tǒng)計(jì)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相較原系統(tǒng)，新設(shè)計(jì)的自動(dòng)排水系統(tǒng)周期內(nèi)故障發(fā)生次數(shù)為0，系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)報(bào)警2次，其中1起是由于廢水池內(nèi)雜質(zhì)堵塞1#潛水泵入料口，葉輪受力加大造成泵體超負(fù)載溫度升高;

另1起是由于某一時(shí)間段內(nèi)液位持續(xù)偏高，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)無(wú)修整時(shí)間造成2#泵體溫度升高。系統(tǒng)報(bào)警監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如圖5所示。

系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)廢水池液位，保證廢水池?zé)o外溢現(xiàn)象;潛水泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常，無(wú)異常聲響。對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行跟蹤，得出數(shù)據(jù)與舊系統(tǒng)對(duì)比如表2所示。

6? 結(jié)束語(yǔ)

考慮化工企業(yè)廢水池排水過程的現(xiàn)狀及存在問題，通過將原有排水泵單一電氣控制方式進(jìn)行重構(gòu)，構(gòu)建搭載TIA-V15程序的S7-1500PLC與嵌入式組態(tài)的昆侖通態(tài)TPC7062Ti人機(jī)界面為核心的化工廢水池自動(dòng)排水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于多層保護(hù)相融合的系統(tǒng)控制流程、硬件設(shè)施、PLC程序、人機(jī)界面，通過現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)及記錄對(duì)比，達(dá)到理想運(yùn)行效果。

1）系統(tǒng)采用多層保護(hù)優(yōu)先級(jí)設(shè)定，通過電氣系統(tǒng)液位、溫度、濕度及設(shè)備持續(xù)運(yùn)行時(shí)間4種保護(hù)層級(jí)間的融合保護(hù)，使系統(tǒng)自動(dòng)化程度提高的同時(shí)安全性得到保障。

2）系統(tǒng)改變以往人工切換的方式，通過程序端自動(dòng)設(shè)定多臺(tái)排水泵交替優(yōu)化運(yùn)行規(guī)則，降低了單臺(tái)排水泵連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)的概率，提高了設(shè)備使用壽命的同時(shí)增大維修間隔，延長(zhǎng)了系統(tǒng)運(yùn)維周期。

3）系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)集約化控制特點(diǎn)，摒棄了搭建多臺(tái)PLC造成大量I/O點(diǎn)空余現(xiàn)象，系統(tǒng)利用數(shù)字量輸入輸出模塊配合S7-1500PLC構(gòu)建系統(tǒng)控制核心，降低不必要的冗余設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性;同時(shí)， CPU模塊沒有集成I/O點(diǎn)，完全使用模塊化I/O點(diǎn)輸入輸出，方便未來系統(tǒng)擴(kuò)容和升級(jí)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王泓皓. 煤氣化廢水深度處理實(shí)驗(yàn)研究[J].當(dāng)代化工，2019，48（12）：2801-2803.

[2]莊微. 處理工業(yè)有機(jī)廢水新技術(shù)研究進(jìn)展[J].當(dāng)代化工，2019，48（12）：2944-2947.

[3]許敏，胡邦，黃平岳，等.江陰利港電廠含煤廢水處理系統(tǒng)改造工程設(shè)計(jì)[J].給水排水，2019，55（S1）：214-216.

[4]張?zhí)炝?，王剛，蔣榮芳.淺談某涂裝車間廢水處理系統(tǒng)運(yùn)行控制[J].現(xiàn)代涂料與涂裝，2014，17（8）：64-66.

[5]陳冠鋒.化工建設(shè)項(xiàng)目應(yīng)急事故廢水池的設(shè)計(jì)探討[J].上海化工，2016，41（3）：12-14.

[6]陳徐榮.含氯廢水池自吸泵技術(shù)改造與系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)[J].石油化工設(shè)備，2019，48（3）：66-69.

[7]孫立柱，王成琦，張?jiān)?江蘇某鋰電池生產(chǎn)廢水零排放工程設(shè)計(jì)[J].廣東化工，2020，47（6）：170-172.

[8]孟影子.煤化工廢水處理自動(dòng)化控制研究[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2019，45（12）：12-13.

[9]于方偉.精細(xì)化工中廢水處理技術(shù)及控制對(duì)策分析[J].化工管理，2020（5）：61.

[10]朱科寅，馬萬(wàn)里，安曌.關(guān)于精細(xì)化工廢水處理技術(shù)及控制對(duì)策的研究[J].現(xiàn)代鹽化工，2020，47（2）：1-2.

[11]包穎.罐區(qū)自動(dòng)排水裝置設(shè)計(jì)[J].當(dāng)代化工，2010，39（2）：156-157.