制革污水处理控制系统设计.pdf

* 国家水体污染控制与治理科技重大专项课题 2009ZX07210- 003 。 制革污水处理控制系统设计 * 薛美盛 1 雷超杰 1 吴军 2 1． 中国科学技术大学自动化系，合肥 230026;2． 南京大学环境工程系，南京 210046 摘要 阐述了一种制革污水处理控制系统的设计方案。该方案中， 工控机作为集中管理层， PLC 作为现场控制层， 电气 设备作为远程设备层。详细阐述了该控制系统的上位机监控系统和下位机控制程序的开发过程。目前该系统已经成 功投运， 从经济成本、 控制系统功能和现场的实际运行情况看， 该控制系统具有经济性、 先进性、 可靠性等优点， 对工业 污水处理控制系统的设计具有一定的示范意义。 关键词 制革污水;控制系统;工控机;PLC CONTROL SYSTEM DESIGN OF THE TANNERY WASTEWATER TREATMENT Xue Meisheng1Lei Chaojie1Wu Jun2 1． Dept． of Automation，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China; 2． Dept． of Environmental Engineering，Nanjing University，Nanjing 210046，China AbstractIt was described a controlling system that was designed for the tannery waste water process． This controlling system consisted of an industrial PC that worked in the centralized administration，a suite of PLC that worked in the site control，and many types of electric equipment that worked in the remote equipment layer．It was mainly elaborated the upper-level monitoring system design and the low-level controlling programs design work． This controlling system had been successfully applied in the factory． From the aspect of the cost，functions and the actual operatings in the field，this control system showed high economy，advancement，reliability and so on，which could be a good reference for design of the controlling system of industrial wastewater treatment． Keywordstannery sewage;control system;IPC;PLC 0引言 据中国皮革协会报道 2011 年 16 月全国销售 收入2 000万元以上制革企业工业总产值达 692 亿 元 ［1］， 对我国的经济发展具有重要意义。然而， 制革 工业污水水量巨大， 加工一张牛皮排污水达0. 5 ～ 1 t， 加工1 t皮革排出30 ～ 60 t污水 ［2］。制革污水的污 染物浓度高， 成分复杂， 悬浮物多， 氨氮含量高， 尤其 含有有毒重金属物质铬， 污水处理难度较大， 不易达 到排放标准 ［3］。2011 年 2 月， 国务院批复的重金属 污染综合防治“十二五” 规划 中把皮革及其制品业 列入五大重点控制行业。 污水处理系统中采用自动控制技术， 不仅可以提 高系统的性能、 生产率、 可靠性， 而且还可以增强系统 的稳定性、 降低操作成本、 加快启动过程等 ［4］。调查 显示， 我国 55 个城市5 000多套工业污水处理设施 中， 运行效果比较好的仅占 24 ［5］。目前我国的污 水处理系统普遍存在效率低下， 自动化控制水平差， 控制系统的设计与实际工艺不相符等缺点 ［6］。本文 以某示范工程为背景， 设计了一套完整的计算机控制 系统， 有助于实现控制站无人值守， 并且对于促进低 碳社会的节能减排具有积极的示范意义。 1工艺简介 制革污水的处理采用二段厌氧处理、 循环腐殖填 料床 CHF 、 基于新型吸附材料的深度处理及尾水回 用等关键技术， 通过组合工艺系统优化， 实现出水达 标排放和部分回用。 二段厌氧处理技术包括一段水解酸化工艺和二 段厌氧产甲烷工艺。一段采用封闭的水解酸化罐， 增 加碱吸收塔为主的硫化氢回收系统; 二段厌氧产甲烷 工艺采用新型厌氧腐殖填料床工艺 AHF ， 设计沼 13 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 气脱硫及利用辅助系统。酸化反应器由于一定量的 酸积累， 使得混合液 pH 逐步下降， 为了保持反应器 的效率， 混合液 pH 值应当保持在 7 ～ 7. 5， 从而促进 硫化氢从液相向气相的分离。AHF 装置中降解微生 物的最佳生存环境为弱酸性， 即 pH 处于 6. 5 ～ 7; AHF 装置内由于持续的生化反应会积累大量的无害 气体， 使压力增加， 同时混合液温度升高， 因此， 保持 一定的 pH、 压 力 和 温 度 对 于 AHF 装 置 是 至 关 重 要的。 系统内共有循环腐殖填料床装置 4 套， 为了实现 高效化和循环利用的资源化， 该组 CHF 装置需进行 3 台反应器， 1 台再生器定时轮转切换; 此外， CHF 装置 复杂， 每套装置配有 1 台自循环泵和 1 台管道串联 泵， 泵的启、 停受工况和定时控制。 总体而言， 制革污水处理系统的工艺复杂， 既有 传统污水处理系统的特点， 又兼具制革污水处理特殊 的考虑和设计。为了满足各种工艺条件， 尤其是苛刻 的 pH 控制条件， 单靠人工手动控制是远远不够的， 必须配备一套完整的自动控制系统。 2控制系统设计 工业污水处理系统对电气控制的基本要求是 在 恶劣的工业环境中能连续、 稳定、 可靠地运行， 同时能 实现日常管理的信息化， 对所控制的量能够实现在线 连续监测和控制 ［7］。结合制革污水处理工艺的特 点， 采用以工控机、 PLC 为主的小型集散控制系统， 其 主要特征是集中管理， 分散控制。 该系统中， 通过 PLC 直接控制各类执行机构的 启动与停止两种状态， 从而避免采用电磁阀、 变频器 等连续控制设备以及可能因此导致的 PLC 扩展模块 及其相关配套电缆、 接触器、 断路器等电气设备增加 所带来的高昂费用; 更进一步地， 会降低工程设计难 度、 硬件维护成本和软件设计成本。这使得该控制系 统具有明显的经济性。 2. 1灵活、 通用的控制系统架构 工控机 PLC 的硬件配置可以实现两种控制方 案 1 上位机 工控机 作开发机、 运行监控软件; 下 位机 PLC 实现常规控制; 2 上位机 工控机 作开发机、 运行监控软件、 实 现复 杂 控 制 算 法; 下 位 机 PLC等 效 为 高 速 I/O 模块。 这种硬件选配具有灵活通用和扩展性强的优点。 在系统运行初期， 采用常规开关控制策略， 简单而又 能基本满足控制要求， 后期针对 pH 值， 液位等复杂 非线性被控变量， 主要实施先进控制算法。以下主要 描述第一种控制方案。 按照集中管理、 分散控制的思想， 将控制系统的 架构分为 3 层 ［8］ 集中管理层 上位机 /工控机 ， 现 场控制层 下位机 /PLC 与远程设备层 执行装置 ， 控制架构如图 1 所示。 图 1控制系统架构 集中管理层位于中央控制室， 采用 DELL 工控机 作为上位机， 主要实现系统监控、 工艺参数设置和数 据储存等功能; 下位机采用性能可靠的台达 DVP-SV 系列 PLC， 用以执行数据采集和实时控制; 远程设备 层主要是工业现场的各种转子泵、 排泥泵、 计量泵、 仪 表和变送器等电气设备。针对制革污水悬浮物浓度 高和污水处理过程中产生大量污泥等特点， CHF 装 置的自循环泵采用可正、 反转的污泥排出转子泵， 定 时执行反转冲洗， 避免堵塞。 上位机与下位机通过 RS- 232 和 RS- 485 协议通 讯， 通讯内容分为两部分 控制程序的上载与下载， 和 实时监控的数据传输。现场所有电气设备都是通过 管线直接接入 PLC 所在的电气柜中。这种层次分 明、 三位一体的控制系统架构在污水处理系统中具有 广泛应用。 2. 2上位机监控和数据采集系统设计 采 用 组 态 王 6. 53 进 行 SCADA supervisory control and data acquisition［9］， 即上位机监控和数据采 集， 以下简称“上位机监控” 系统的开发， 实现对远 程设备层的状态监控和数据采集、 分析 ［10］。该监控 系统主要由 3 部分构成 前台面板、 后台数据库和用 户管理 ［11- 12］， 如图 2 所示。 23 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 图 2上位机监控系统架构 2． 2． 1前台面板 前台面板如图 3 所示。 图 3监控系统主界面 前台面板由工艺流程界面， 模拟量实时值界面， 模拟量实时趋势曲线界面， 模拟量历史趋势曲线界 面， 参数设置界面等构成。 工艺流程界面里， 除了工艺总貌图， 还有系统菜 单， 手、 自动切换以及 CHF 装置轮转运行切换等功 能， 这使得操控人员不仅能对系统各装置的实时状态 一目了然， 而且能够方便地对系统运行模式进行切换 和监控。本系统中， I/O 模拟量由液位、 pH 值、 温度 和风压构成， 共有 24 路。这些模拟量的采集对于 PLC 控制量的产生、 现场设备的启、 停具有直接性影 响， 是控制逻辑产生的最重要依据， 因此， 不仅需要对 模拟量的实时值进行监控， 而且需要对其实时趋势和 历史趋势进行分析、 制图， 可以说对模拟量的监控是 整个上位机监控系统中最重要的一环。 图 4 和图 5 分别为液位实时趋势和历史趋势曲 线。借助这些曲线， 很容易查看系统的实时运行和历 史运行状况， 对于数据统计、 分析故障、 查找多个变量 之间的关系非常有帮助。 自动控制系统的运行过程中， 很多控制参数和工艺 参数都需要在线设定。这些参数有 8 组 CHF 时间值， 例如 CHF 转子泵正转和反转时间; 11 组液位值， 例如分 图 4液位实时趋势曲线 图 5液位历史趋势曲线 流池提升泵启动和停止液位; 6 组 pH 值， 例如液碱投加 隔膜泵的启动和停止 pH; 2 组风机保护风压值， 例如脱 硫罐循环风机的启动和停止压力。需要在线设定的控 制参数则分别是液位、 pH、 温度和风压的采样周期等。 通过对 I/O 参数的在线设定， 既能方便地实现控制系统 的在线调试， 又有助于污水处理工艺的参数寻优。 上位机监控系统的前台面板集成了组态王提供 的多种图库元素， 同时采用了组态王和微软的多种控 件， 以及脚本编程语言， 实现了多种弹出式窗口、 警示 窗口、 状态指示等界面功能。 2． 2． 2后台数据库 监控系统后台数据库由变量历史库、 报警数据库 和帮助资料库构成。变量历史库储存了组态王数据 词典中的全部有用变量; 报警数据库储存设置了高、 低限报警的变量数据， 以及报警时刻、 报警动作等记 录信息; 帮助资料库则储存了超级文本 rich text 形 式的帮助文件。得益于工控机强大的存储能力， 后台 数据库内容可以大量存储在本地计算机， 不仅实现了 数据存储、 备份， 而且能够快速查询。 2． 2． 3用户管理 上位机监控系统安全管理的实现主要是通过对 象优先级、 系统安全区和用户管理来达到的。对象和 操作者分别设置访问优先级和安全区， 只有当前用户 的优先级大于对象设定优先级， 并处于系统安全区时 33 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 才具有对该对象的访问权限。该系统中， 分别设置了 3 个 用 户 等 级管 理 员 administrator ，操 作 员 operator 和监视员 monitor 。管理员具有最大权 限， 能够监视状态， 控制设备和在线设定参数; 操控员 能够监视状态和控制设备， 但不能在线设定参数; 监 视员则只能进行状态监视。通过对监控系统中不同 对象的重要等级进行划分， 同时对应到相适合的用户 权限， 系统管理员能够方便、 安全地调试和维护系统。 综上所述， 通过完善的监控设计、 数据库管理、 报 警管理和用户管理， 该上位机监控系统具备运行可靠 和安全性高的优点， 而且从根本上实现了自动控制， 解决了人工控制的低效率、 低安全性等问题， 因而其 具备一定的先进性。 2. 3下位机 PLC 控制程序开发 PLC programmable logic controller 类似于微型 计算机， 但专用于控制目的 ［13］。下位机部分由 PLC 主控模块， 电源模块， 模拟量输入扩展模块， 数字量输 入扩展模块， 数字量输出扩展模块等构成。 PLC 主控模块负责发出和接收各种运行程序指 令， 是整个控制系统的中枢部分 ［14］。本系统的台达 DVP PLC 以0. 24 μs为周期进行循环扫描， 主要完成 3 项任务 1 采集现场模拟量信号， 在 PLC 内部完成 控制逻辑判断， 并将实时值传送至上位机监控界面; 2 采用定时模块， 对需要定时切换运行模式的设备 进行控制; 3 接收上位机控制指令和在线参数， 实施 控制动作和在线设定。 台达 PLC 的编程采用 WPLSoft2. 20 软件， 编程语 言为梯形图。程序内容分为以下部分 2． 3． 1初始化参数 对于需要进行自动控制的设备， 一般均需设定设 备启动和停止分别对应的模拟量值， 有的还需要设定 报警值。这些值都可在程序运行过程中进行在线修 改， 如图 6 所示。 图 6参数初始化程序段 2． 3． 2手动控制 系统处于手动控制状态时， 所有执行机构都能且 仅能以手动方式开启和停止。这些手动操作是由在上 位机监控界面的点击完成的， 当在监控界面改变某设 备的控制变量时， 该变量相对应的 PLC 内部变量的值 也会随之改变， 从而驱动继电器的吸合， 如图 7 所示。 图 7手动控制程序段 2． 3． 3自动控制 相对于手动控制方式适用于系统调试阶段， 自动 控制则是系统正式投运后的主要方式， 如图 8 所示。 自动状态下， PLC 依据采集的模拟量值， 同初始化值 或在线设定值 相比较后， 进行逻辑判断并驱动继 电器动作; 当采用定时控制时， 计时器依据 PLC 内部 的时钟周期决定时间继电器线圈的闭合， 当计时值超 过6 553. 6 s时， 则需要计数器配合使用， 每当计时值 达到设定时， 计数值便自动加 1， 因此， 最终的定时时 间为 定时时间 计数值 计时周期 当前计时值。 图 8自动控制程序段 从集中管理、 分散控制的角度看， 该控制系统具 有分散风险的特点， 即当上位机出现故障时， 短时间 内下位机 PLC 仍然可以独立执行控制任务， 不至于 工艺处理过程瘫痪。因此， 集散式控制系统先天的优 点、 完善的上位机功能组件和可靠的 PLC 硬件等， 是 该系统可靠运行的保障。 为了实现系统紧急停车， 在 PLC 程序中， 通过共 享内存变量， 设置当由自动状态转入手动状态时， 清 除各个启动位， 使所有设备停止运行。这种紧急停车 机制， 从侧面反映了该控制系统的安全性。 3总结 本文针对某制革企业污水处理进行了自动控制 系统的搭建， 以工控机作为集中管理层， PLC 作为现 43 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期 场控制层， 电气设备作为远程设备层构建了一套小型 的集散控制系统。目前该系统已经成功投运， 从经济 成本、 控制系统功能和现场的实际运行情况看， 该系 统具有经济性、 先进性、 可靠性等优点， 对于工业污水 处理控制系统的设计具有一定的示范意义。 为了进一步提高控制效果， 降低设备功耗和物理 损耗， 将于后期在此控制系统架构的基础上更改控制 方式， 实施先进控制策略。 参考文献 ［1］中国皮毛交易网． 16 月我国规上制革行业产值、 产量增速比 上年 回 落［EB /OL］．http / /www． furtrade． cn/news/201108 / 325372. html，2011 /08 /15． ［2］互动百科． 制革工业废水处理［EB /OL］． 2010- 05- 17http / / www．hudong．com/wikdoc/sp/qr/history/version．do ver 5＆hisiden FQhxfQEcEX0RaVhBO， G， 1hATw，2010 /05 /17． ［3］张涛，任昭，刘智峰． 制革废水处理方法综述［J］． 西部皮革， 2011， 33 428- 32． ［4］徐立军，段友莲，黄卉． 基于 PLC 的回收地膜清洗污水处理自 动控制系统［J］． 环境工程，2010， 28 3 60． ［5］朱武，崔村燕． 污水处理厂自动控制系统综述［J］． 环境工程， 2002， 20 3 30． ［6］吕睿． 污水模拟生成装置集散控制系统的研究［D］． 北京 北 京化工大学，2007． ［7］赵 红 霞， 李 育．PLC 在 污 水 处 理 中 的 应 用 ［J］．Value Engineering，2011， 6 6 45． ［8］亓学鹏，王国勇，赵聪，等． PLC 技术和组态王 6_52 在污水处 理厂中的应用［J］． 中国仪器仪表，2008 10 42- 45． ［9］DaneelsA， Geneva．Whatisscada ［C］/ /International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems，Trieste，1999339． ［ 10］苏静明，洪炎． 基于 PLC 和组态王的节能控制站远程监控系 统研究［J］． 工矿自动化，2011， 2 220- 24． ［ 11］陈佳奇． 基于 PLC 的污水处理自动控制系统研究［J］． 自动化 与仪器仪表，2010 3 20- 21． ［ 12］李玉军，王明渝，刘述喜． 基于组态王和 PLC 的主变压器冷却 监控系统设计［J］． 自动化仪表，2007 8 42- 44． ［ 13］Ryan james Leduc． PLC implementation of a DES supervisor for a manufacturing test bed animplementationperspective ［D］． TorondoUniversity of Tornto，1996． ［ 14］李跃磊，王武． 基于 PLC 的污水处理厂自控系统设计［J］． 自 动化博览，2010 5 92- 94． 作者通信处薛美盛230026安徽省合肥市金寨路 96 号中国科学 技术大学自动化系 E- mailxuems ustc． edu． cn 2011 － 10 － 24 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 3 页 1 /n ＞ 2 时吸附不能进行。该参数介于 0. 1 ～ 0. 5， 表 明改性沸石对铬 Ⅵ 的吸附性能良好。 改性沸石对铬 Ⅵ 的吸附符合 Langmuir 单分子 层吸附行为。由 Langmuir 推导得出吸附剂的饱和吸 附容量为5. 624 mg/g， 吸附容量较大。 3结论 氯化铝改性沸石对铬 Ⅵ 有较好的吸附作用， 吸 附 容 量 达 5. 624 mg/g，且 吸 附 符 合 Freundlich 和 Langmuir 等温线。最佳改性条件为 氯化铝溶液质量 分数为 20 ， 液固 比 为12 mL/g， 室 温 下 恒 温 振 荡 8 h。改性沸石处理含铬 Ⅵ 地下水， 在 pH 为 4 ～ 8， 最佳用量为0. 03 g/mL， 反应2 h后铬 Ⅵ 去除率可达 99 以上， 满足 GB/T 1484893Ⅲ类标准。利用改 性沸石处理铬 Ⅵ 适用 pH 范围较广， 在原水 pH 条 件下即可， 减少运行成本。 参考文献 ［1］Anandkumar J，Mandal B．Removal of Cr Ⅵ from aqueous solution using Bael fruit Aegle marmelos correa shell as an adsorbent［J］． Journal of Hazardous Materials，2009 168 633- 640． ［2］Sikaily A E，Nemr A E，Khaled A，et al．Removal of toxic chromiumfrom wastewater using green alga Ulva lactuca and its activated carbon［J］． J Hazard Mater，2007 148 216- 228． ［3］张惠灵， 王淑英， 伊江明． 沸石对含铬废水的处理［J］． 工业安 全与环保， 2006， 32 10 5- 7． ［4］詹予忠， 杨向东， 章培培， 等． 改性斜发沸石吸附除水中铬 Ⅵ 的研究［J］． 中国矿业， 2006， 15 8 57- 62． ［5］黄少云， 葛学贵， 石磊． 介微孔复合沸石分子筛对重金属离子吸 附性能的实验研究［J］． 岩石矿物学杂志， 2004， 23 1 57- 60． ［6］湛毅， 徐芳， 徐实． Zeolite-A 沸石分子筛去除水体中重金属污染 物［J］． 理化检验 － 化学分册， 2008 44 55- 60． ［7］张慧宁， 王德举， 唐颐． 低温水热合成超微 NaA 沸石［J］． 日用 化学工业， 2004， 34 4 226- 228． ［8］郑礼胜， 王士龙． 用沸石处理含铬废水的试验研究［J］． 环境工 程， 1997， 15 3 13- 15． 作者通信处黄玉洁100083北京市海淀区学院路 29 号中国地质 大学 北京 S09 水环 E- mailinuyashayujie1 126. com 2011 － 12 － 15 收稿 53 环境工程 2012 年 8 月第 30 卷第 4 期