張亞軍，郭來(lái)功

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南，232001）

0 引言

淮北市某水廠現(xiàn)有生產(chǎn)工業(yè)清水規(guī)模為23 萬(wàn)噸/天，采用“反應(yīng)+沉淀+過(guò)濾+消毒”工藝，原水經(jīng)處理后加壓輸送至用戶。為了保護(hù)環(huán)境，節(jié)約水資源，該水廠對(duì)生產(chǎn)廢水進(jìn)行回用。生產(chǎn)廢水主要包括沉淀池的排泥水和濾池反沖洗時(shí)產(chǎn)生的反沖洗廢水，這類廢水一般約占水廠總進(jìn)水量3%～8%[1]。該水廠近幾年來(lái)提供的工業(yè)清水年均供水約2030 萬(wàn)噸，日供水約5.6 萬(wàn)噸，生產(chǎn)過(guò)程生產(chǎn)廢水每年約155 萬(wàn)噸，其中濾池反沖洗廢水約130 萬(wàn)噸，沉淀池排泥水約25 萬(wàn)噸。在該水廠回用生產(chǎn)廢水的過(guò)程中采用手動(dòng)控制的方式，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)廢水回用過(guò)程的自動(dòng)化控制和優(yōu)化，本文采用PLC 對(duì)回用水池進(jìn)行控制，并結(jié)合實(shí)時(shí)的監(jiān)控畫(huà)面，改善了回用廢水過(guò)程的自動(dòng)化控制。

1 反沖洗廢水回用工藝

該水廠濾池反沖洗廢水回用水池和沉淀池排泥水的排泥池采用分開(kāi)構(gòu)建的方式，將濾池反沖洗廢水和沉淀池排泥水分開(kāi)收集，經(jīng)排泥池排出的排泥水經(jīng)過(guò)濃縮和壓濾脫水處理成泥餅[2]。在污泥濃縮時(shí)的上清液回收至回用水池，回用水池經(jīng)一段時(shí)間沉淀后的上清液回用至沉淀池，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)廢水的回用，其工藝如圖1 所示。

圖1 反沖洗廢水回用工藝

反沖洗廢水回用水池采用的是雙池結(jié)構(gòu)，其水池結(jié)構(gòu)如圖2 所示，兩個(gè)水池的進(jìn)水口有電動(dòng)閥門(mén)，可以通過(guò)閥門(mén)控制廢水進(jìn)入的水池，每個(gè)水池都分別配有一個(gè)排水泵和一個(gè)排污泵。

圖2 回用水池結(jié)構(gòu)

2 反沖洗廢水回用系統(tǒng)

反沖洗廢水回用系統(tǒng)主要包括三個(gè)層面如圖3 所示，監(jiān)控層是在中控室操作員可以通過(guò)監(jiān)控畫(huà)面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行和運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)，并可以遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以及對(duì)故障報(bào)警進(jìn)行預(yù)處理[3]。PLC 控制層是將現(xiàn)場(chǎng)儀器采集的數(shù)據(jù)信息傳遞到PLC 中，經(jīng)過(guò)程序設(shè)計(jì)的處理后，再輸出指令對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層有排水泵、排污泵、步進(jìn)電機(jī)、濁度儀和超聲波液位計(jì)，各自分布在工藝現(xiàn)場(chǎng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息采集和進(jìn)行廢水回用運(yùn)行。回用水池主要進(jìn)水是反沖洗廢水，其次是排泥水濃縮過(guò)程的上清液，針對(duì)回用水池的排水排泥，配備了兩臺(tái)排水泵和兩臺(tái)排污泵?；赜盟嘏潘门匝b有步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的可上下移動(dòng)的帶平臺(tái)的滑桿，可移動(dòng)的平臺(tái)上固定有濁度儀和排水泵進(jìn)水口軟管。濁度儀采集到的濁度值實(shí)時(shí)反饋到PLC，PLC 根據(jù)當(dāng)前濁度值和設(shè)定濁度值比較出差值，然后通過(guò)PLC 對(duì)差值信號(hào)進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果通過(guò)PLC 輸出控制驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，從而控制濁度儀的位置，達(dá)到固定濁度回用上清液的目的[4]。

圖3 反沖洗廢水回用系統(tǒng)圖

系統(tǒng)配有三種控制方式：自動(dòng)控制、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制[5]。現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制是通過(guò)回用水池旁的現(xiàn)場(chǎng)按鈕實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟動(dòng)與停止；遠(yuǎn)程控制是通過(guò)中控室的監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作回用水池設(shè)備，可以控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的啟停；自動(dòng)控制是PLC 控制器根據(jù)程序設(shè)定自動(dòng)運(yùn)行反沖洗廢水回用系統(tǒng)。

3 反沖洗廢水回用硬件設(shè)計(jì)

■3.1 PLC 的設(shè)計(jì)

在本次反沖洗廢水回用系統(tǒng)中，選用西門(mén)子S7-1200系列的PLC 作為控制器，其型號(hào)為CPU 1214C DC/DC/DC。該P(yáng)LC 具有高速脈沖輸出可以驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，CPU 機(jī)身配有PROFINET 以太網(wǎng)接口，可以實(shí)現(xiàn)HMI、上位機(jī)和其他PLC 之間的通信，并擴(kuò)展RS485 通訊模塊CM1241，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集。

■3.2 濁度儀的設(shè)計(jì)

該水廠在對(duì)濾池進(jìn)行6 分鐘反沖洗時(shí)，測(cè)得反沖洗過(guò)程反沖洗廢水濁度值約在22～300NTU 之間。沉淀池的排泥水在工作期間測(cè)得濁度約為450NTU，故在此反沖洗廢水回用中濁度儀可選擇0.01～3000NTU 量程，精度小于測(cè)量值的±5%，型號(hào)為聯(lián)測(cè)SIN-PTU-8010。濁度儀的測(cè)量原理是通過(guò)發(fā)射高強(qiáng)度的單色光，光束穿過(guò)水體遇到水中的微粒產(chǎn)生散射光，通過(guò)測(cè)量垂直于光束方向的散射光強(qiáng)度計(jì)算水體的濁度。由于濁度儀工作原理是激光散射法，工作時(shí)處于水中，而且沉淀池排泥水的濁度較大，長(zhǎng)期工作濁度儀發(fā)散光束的鏡面會(huì)附著許多雜質(zhì)，影響濁度儀的測(cè)量精度。所以選擇了配有自清洗功能的濁度儀，根據(jù)設(shè)定可以進(jìn)行手動(dòng)自清洗，或者固定時(shí)間間隔進(jìn)行自動(dòng)自清洗。

■3.3 超聲波液位計(jì)的設(shè)計(jì)

根據(jù)查閱該廠對(duì)回用水池的構(gòu)建資料，可知回用水池深度為5m，故在本系統(tǒng)中選用超聲波液位計(jì)的量程為0～10m，測(cè)量精度為0.5%FS，型號(hào)為美控MIK-DFG。采用的是分體式的超聲波液位計(jì)，配有RS485 通信，可實(shí)現(xiàn)多路測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)讀數(shù)。由于溫度對(duì)超聲波的傳播有影響，并且液位數(shù)據(jù)直接影響著水泵的啟停，故選擇配有智能溫補(bǔ)功能的超聲波液位計(jì)，保證測(cè)量精度。

■3.4 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是用于負(fù)責(zé)滑桿上平臺(tái)進(jìn)行升降的動(dòng)力源，可升降的平臺(tái)上固定有濁度儀和排水泵進(jìn)水軟管，通過(guò)軟管在水體中的升降實(shí)現(xiàn)固定濁度值回用上清液，提高了回用水的質(zhì)量，降低了回用反沖洗廢水時(shí)對(duì)原水的沖擊。由于濁度儀重量0.8kg，加上和軟管固定在平臺(tái)上，可選用力矩為4.5N·m，步距角為1.8°，額定電流為6.0A，型號(hào)為達(dá)川智能86HB80-401A 的步進(jìn)電機(jī)。PLC 和步進(jìn)電機(jī)之間需要連接驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行方向和轉(zhuǎn)速控制，配套驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為DMA860-S，該驅(qū)動(dòng)器具有多種電流與細(xì)分設(shè)置，支持交直流寬電壓輸入（VAC：20～80V、VDC：24V～110V），采用矢量控制技術(shù)，高速且力矩大，內(nèi)置參數(shù)自整定功能，光隔離差分信號(hào)輸入，具有短路、欠壓、過(guò)壓等保護(hù)功能。PLC和驅(qū)動(dòng)器的基本控制接線如圖4 所示，24V 直流電為PLC的輸出端口供電，輸出點(diǎn)Q0.0 輸出脈沖信號(hào)連接驅(qū)動(dòng)器的PUL+，輸出點(diǎn)Q0.1 輸出方向控制信號(hào)連接DIR+，由于采用的是西門(mén)子S7-1200 系列的PLC 來(lái)發(fā)出脈沖信號(hào)，所以驅(qū)動(dòng)器采用的是共陰極接法。驅(qū)動(dòng)器的供電可選用直流電24V～110V 或者交流電20～80V。

圖4 驅(qū)動(dòng)器控制接線

■3.5 水泵控制主回路

由于采用的是能輸出高速脈沖的晶體管輸出型PLC，其輸出端是24V 直流電，不能直接驅(qū)動(dòng)交流接觸器控制三相380V 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，所以需要中間繼電器來(lái)控制交流接觸器，起到弱電控制強(qiáng)電的作用，而且可以進(jìn)行電氣隔離。每個(gè)排水泵和排污泵的主回路接線都如圖5 所示，圖中QF 是斷路器可以控制整個(gè)主回路電路，電路發(fā)生故障時(shí)，可以自動(dòng)切斷線路保護(hù)電路中的其他設(shè)備。FU1 是熔斷器在水泵主控制回路中發(fā)生短路或過(guò)流時(shí)可以保護(hù)電路。FR1 是熱繼電器主要對(duì)水泵電機(jī)起過(guò)載保護(hù)作用。本文中選用的PLC 輸出點(diǎn)為24V 直流電，可以控制中間繼電器的線圈KA1 得電，中間繼電器的一組常開(kāi)觸點(diǎn)KA1 和交流接觸器線圈KM1 一同接入380V 交流電回路中，交流接觸器線圈KM1 得電，交流接觸器常開(kāi)觸點(diǎn)KM1 吸合，可以控制水泵的啟動(dòng)。采用中間繼電器不僅可以解決PLC 輸出不能直接控制交流接觸器的問(wèn)題，而且還可以起到低電壓控制高電壓的作用。

圖5 水泵主回路接線圖

4 反沖洗廢水回用軟件設(shè)計(jì)

PLC 軟件采用的是西門(mén)子TIA Portal V15.1，該軟件能夠與S7-1200PLC實(shí)現(xiàn)契合[6]。反沖洗廢水回用系統(tǒng)根據(jù)回用水池的液位和濁度信息，對(duì)水泵工作進(jìn)行控制。根據(jù)需要PLC 控制方式包括：自動(dòng)控制、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程控制是中控室通過(guò)上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控和操作控制，可以對(duì)突發(fā)的報(bào)警故障進(jìn)行遠(yuǎn)程預(yù)處理。一般系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)為自動(dòng)控制，自動(dòng)控制流程如圖6 所示，包括水池切換程序，提升機(jī)工作到設(shè)定濁度液位程序。主要過(guò)程為有水池液位過(guò)高或者液位過(guò)低會(huì)切換水池進(jìn)行廢水收集，切換水池后高液位的水池進(jìn)行一定時(shí)間的沉淀，達(dá)到沉淀時(shí)間后提升機(jī)移動(dòng)升降平臺(tái)到設(shè)定濁度液位進(jìn)行上清液回用。

圖6 工作流程

（1）回用水池切換程序。系統(tǒng)上電后會(huì)默認(rèn)打開(kāi)兩個(gè)回用水池中液位相對(duì)較高的進(jìn)水閥門(mén)，在有水池達(dá)到高液位信號(hào)或者有水池達(dá)到低液位信號(hào)，通過(guò)關(guān)閉高液位水池進(jìn)水閥門(mén)，打開(kāi)低液位水池進(jìn)水閥門(mén)，切換水池進(jìn)行廢水收集。

（2）提升機(jī)工作程序。固定液位回用上清液，不僅需要的沉淀時(shí)間長(zhǎng)，而且回用上清液的濁度較大，與原水混合產(chǎn)生的沖擊較大。采用升降平臺(tái)進(jìn)行回用上清液過(guò)程為：在水池切換后，高液位水池進(jìn)行半小時(shí)的沉淀，沉淀時(shí)間過(guò)后會(huì)給提升機(jī)工作信號(hào)，使升降平臺(tái)找到設(shè)定濁度的液面，在具備開(kāi)泵安全液位范圍內(nèi)開(kāi)啟排水泵回用上清液。

5 上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)

上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)和控制器完成通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)間的讀取和設(shè)定，通過(guò)在WinCC RT Advanced 上完成監(jiān)控畫(huà)面的制作，監(jiān)控畫(huà)面如圖7 所示。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并且可以在監(jiān)控畫(huà)面上直接讀取到一些實(shí)時(shí)顯示的數(shù)據(jù)。監(jiān)控畫(huà)面上設(shè)置了可以點(diǎn)擊的手動(dòng)按鈕，方便在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

圖7 監(jiān)控畫(huà)面

6 總結(jié)

本反沖洗廢水回用系統(tǒng)采用西門(mén)S7-1200 系列PLC 作為控制器，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和上位機(jī)監(jiān)控畫(huà)面，完成了對(duì)反沖洗廢水回用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)反沖洗廢水回用過(guò)程的自動(dòng)化控制，提高了反沖洗廢水回用時(shí)上清液的濁度，降低了回用時(shí)與原水混合時(shí)的沖擊，提高了制水的質(zhì)量。