自动控制在中水回用系统中的应用
摘要：该文主要介绍了自动控制在中水回用中的应用,双膜法(超滤+反渗透)中水回用的主要工艺,P LC冗余自动控制系统的主要特点,在中水回用自动控制系统主要完成的功能以及应用中得到的体会和看法。
1 项目背景及工艺简介
本项目属于兖矿集团2006 年投资的煤制油项目,是兖州煤业榆林能化有限公司的一期工程,年产60 万t 甲醇,中水处理系统的规模10000tP d ,回用水水源为循环水排污水、 生化回用水处理后排水以及甲醇精馏与合成装置生产排水的混合水。原水水质相当复杂,硬度、 碱度较高,铁、 铝、 钡、 锶等胶体物、 易结垢物质含量高,硅、 聚磷酸盐及有机物含量高。经过计算、 比较,选择了 “石灰软化 + 超滤 + 反渗透” 的主体处理工艺,回用水经石灰软化、 混凝、 沉淀及过滤后,去除绝大部分对膜系统有害的杂质物,其产水经过超滤去除水中可截留的大部分大分子物质和杂质,然后进入反渗透装置进一步脱盐后作为最终用水。
主要工艺设备:机械搅拌装置2 套,高效过滤器3台,超滤装置 3 套,反渗透装置 3 套,计量加药装置9套。
2 控制系统构成
控制系统包括PC 机监测中心、PLC 监控设备,通讯设备及附件、现场传感器及检测仪表,控制系统网络结构图如图1 。
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PLC 监控设备是工业现场与监测中心之间的桥梁纽带,一方面它采集现场仪表、变送器、设备运行状态等信号,另一方面它又与监测中心通讯,执行有关命令。监控设备一般无人值守,在本控制系统中采用了西门子S7 - 414H 作为中央控制器,双电源冗余, PLC的CPU 采用双机热备。IPO 模板采用ET200M 扩展连接。采用有源总线模块和导轨使得系统可以支持IPO模块的热插拔; 通讯模块冗余设计。通讯协议采用Profibus 协议,数据传输速率可达12MPs ,充分保证数据通讯的高可靠性与高速性,PLC 与上位计算机采用以太环网结构,两台上位机互为备用,整个控制系统实现
了除IPO 卡件以外真正冗余。
为满足工艺控制要求, 现场共需数字输入信号
(DI) 158 点,数字输出信号(DO) 124 点,模拟输入信号
(AI) 78 点、模拟输出信号(AO) 4 点,设计时至少考虑15 %的备用点数。
采用的主要硬件型号为:CPU 模块414H, 2 块;模拟量输出模块SM331 ,8 通道12 块; 模拟量输出模块SM332 ,8 通道1 块; 数字量输入模块, SM321P32 点,6块;数字量输入模块,SM322P32 点,5 块;数字量输出模块,SM322P16 点,1 块;8 路热电阻模拟量输入模块,1块;通讯接口模块IM153 - 2 ,8 块; 以太网通讯模块CP443 ,2 块; 以太网卡CP1613 , 2 块; 冗余电源模块PS407 ,2 块; 开关电源10A ,2 块; 安装机架UR2 - H,1块;同步模块4 块;以太网交换机204 ,2 块。
3 控制系统完成的主要功能
(1) 监视系统内每一个模拟量和数字量:对原水、浓水、产品水的流量、压力、水温、电导率、浊度、氧化还原电位以及PH 值等检测显示;泵电机启动停止、运行状态、电压电流的监控;自动阀门开关状态,条件连锁;系统开机、运行、停机流程的自动运行,正常状态下不需要人工干涉,避免操作失误。
(2) 异常数据显示并自动弹出报警画面确认报警。对于系统所有的异常数据,均有报警画面和数据的闪烁提示;泵电机运行状态的不正常,工艺设备的故障状态等,都可弹出报警画面及故障确认报警画面。
(3) 建立趋势画面并获得趋势信息。所有的流量、压力、温度、电导率、浊度、以及PH 值模拟量显示等都可以建立立式画面及趋势画面,并长久保存在上位计算机内,可以随时调出查阅,方便生产管理和运行维护。
(4) 调整过程设定和偏置等。所有过程值,如原水进水流量、淡水出水温度、高压进水压力等都可实现手动、自动在线调整。所加药剂的配方可以根据需要保存在计算机内,并根据配方自动按比例加药。
4 控制系统的主要特点
(1) 控制器S7 - 414H 冗余系统可以实现双控制器冗余自动切换功能,当主控的CPU 出现故障时,另一个CPU 自动地接替主控CPU 的工作,切换时间为毫秒级。充分的保证了系统的安全运行。
(2) 通信冗余采用PROFIBUS - DP 协议的ET200MIPO 站冗余通讯接口和电缆,实现与双控制器(CPU) 的冗余通讯,对于信号的采集及传输提供了保证。
(3) 电源冗余,10A 直流电源冗余配置,用于CPU和模板供电,保证供电的可靠性。
(4) 系统在调试过程中由于工艺要求变动较大,程序改动比较频繁,但是西门子STEP7 编程软件提供完善的符合IEC1131 标准编程工具, 包括梯形图(LAD2ER) 、语句表( STL) 、连续功能图( CFC) 、顺序功能图(SFC) 、结构化语言( SCL) ,且各种编程工具可混合使用,交叉引用非常方便快捷,另外系统的标准功能块库,提高了编程效率,缩短了工程周期。
(5) 画面监控软件WINCC 6. 0 (视窗监控中心) 是基于WINDOWS 2000PXP 操作系统的开放型全图形化人机操作界面,具有组态方便、操作简单的特点,拥有完备的工业图形库,如阀门、储水罐、模拟传统显示仪表、管道等,方便了设计监控系统的过程画面。
(6)WINCC 6. 0 具有良好的开放性,支持以太网、PROFIBUS 等通讯方式,支持TCPPIP、网络DDE、ODBC、OPC、SQL 、INTERNET 等标准通讯协议,使现场不同厂家的仪表的通讯变得简单容易。
(7) WINCC 提供独特的组态向导,详细的在线帮助,多媒体自学软件,以及全套中文使用手册和参考手册,有利于维护人员在较短的时间内快速掌握。
5 应用体会
(1) 水处理自动控制系统采取PC + PLC 的控制方式,PLC 采用硬件冗余,既满足了工艺过程控制要求,又提高了系统的运行安全性和可靠性,值得在规模较大的中水回用和海水淡化系统中推广应用。
(2) PLC 采用硬件冗余,编程与单个PLC 没有任何区别,在项目设计调试中不需要做过多的考虑,因此可以把更多的精力放在对工艺过程的理解上,极大地节约了时间和精力。
(3) 控制系统的PLC 和组态软件均选用了同一家产品,可充分利用其内部协议,数据资源共享性好,兼容性高,功能齐全,组态界面友好。
参考文献
[1] 崔春卫、何灿星、王勇等《, 自动控制在化学水中的应用》,山东煤炭科技,2003 年第6 期
[2] 崔春卫、何灿星、王勇《浅析反渗透水处理系统的安全保障措施》,山东煤炭科技,2005 年第6 期
[3] 宋二猛、贾海军《基于虚拟仪器的核能海水淡化实验测控平台》水处理自动化网,2006 年
[4] 西门子工业通讯及现场设备产品目录2006 ,STEP7. 5. 3 编程手册
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