毕业设计（论文）-联合站污水处理自动化控制.docVIP

大庆石油学院本科生毕业设计（论文）摘 要为了满足联合站污水处理自动化控制的需要，在深入研究了联合站污水处理自动化控制特点的基础上，结合联合站污水处理系统的工艺特点，介绍了联合站污水处理系统的工艺流程，阐述由plc和上位机组成的自动控制系统的主要功能，设计了基于西门子s7-300plc的自动反冲洗程序，plc的程序采用西门子公司的step7软件编写。为支持结构化程序设计，step7将用户程序分类归并为不同的块，根据程序要求可选用组织块 (ob)、功能块(fb)或功能(fc)等三种类型的逻辑块而数据块db则用来存储执行用户程序时所需的数据。应用工业组态软件wincc开发了相应的生产管理软件，wincc作为一种标准的人机界面(hmi)被用于监控工业生产的动态过程。具有生产参数显示、流程显示、上下限报警及设置、控制参数设置、历史曲线显示、实时曲线显示、报表生成及打印等功能。关键词：污水处理；plc；step7；winccabstractin order to meet the requisitions that controls the dealing with sewage automatically. study hard with the characteristic and the specialties of the process. combined with the features of sewage treatment technology in the union station the technical process of sewage treatment in the union station is introduced. the main function of the sewage treatment automatic control system which is consisted of plc and an upper computer is elaborated. the automatic backwashing program which is based on s7-300plc has been designed in this paper. the programmer of plc is developed by siemens step7 software. to support structured programming, step7 classification procedures to merge the different pieces under the procedural requirements can choose organization block (ob), function block (fb) or function (fc), three types of logic block. db data block is used to store user implementation of procedures required. the production management software is developed by wincc software. wincc configuration software with a human man-machine interface (hmi) is used to monitor the dynamical industrial process. with the production parameters, process showed that the lower limit set alarm and control parameter setting, historical curve, real-time curve, report generation and printing functions. key words: sewage treatment; plc; step7; wincc39目 录第1章 前 沿1第2章 工艺流程22.1油田联合站污水的来源和处理要求22.1本章小节6第3章 工艺流程的自动控制73.1含油污水自动加药控制原理73.2反冲洗自动控制83.3污泥处理系统控制103.4压力滤罐液位控制113.5本章小节13第4章 下位机控制程序设计144.1 plc和程序设计软件144.2下位机程序功能154.3反冲洗程序创建与设置154.4反冲洗程序设计184.5创建与编辑背景db214.6本章小节23第5章 上位机监控界面组态245.1监控系统245.2监控界面的功能245.3组态步骤255.4本章小节32结 论33参考文献35致 谢36附 录37第1章 前 沿多年来,人们采用继电器、电子定时器、计数器、及机械鼓形控制器等控制装置控制顺序型的设备和生产过程。复杂系统使用了成百上千个各式各样的继电器,查找和排除故障非常困难。继电器本身并不昂贵,但是控制柜内部的安装、接线工作量极大，因此整个控制柜的价格相当高。如果工艺要求发生变化,控制柜内的元件和接线也需作相应变动,但是改造工期长、费用高,以至于有的用户宁愿扔掉旧控制柜,制作另外一台控制柜。可编程序控制器(plc)是以微处理器为基础的新型工业控制装置。它采用可编程序的存贮器,在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令,并通过数字式、模拟式输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。plc功能强,应用广,使用灵活,稳定可靠,只要编制出不同程序,就可满足各种控制要求。其需要空间小,可重复使用,修改程序,而不需要变动它的组成元件和修改内部接线,出现故障时易于诊断和维修。另外,plc编程采用梯形图语言,简单易学。现代plc不仅能实现对开关量的逻辑控制,还具有数学运算、数据处理、运动控制、模拟量pid控制、联网通讯等功能。目前我国陆上油田各联合站目前采用的污水处理系统大都设计的比较早，整套流程大部分依靠手工操作，劳动强度高。大罐液位还需定时上罐人工检尺，效率低、危险性大。而含油污水处理是关系到水质是否合格的关键步骤，而滤罐的反冲洗时间和效果则直接影响污水的过滤质量，所以定时反冲洗，按要求控制反冲洗的流量曲线是控制水质质量的核心。油田部分污水站反冲洗装置处于手动状态，变频器与电动阀不能精确配合，变频器无法投用，反冲洗流量无法控制，出现冲走滤料等问题，影响反冲洗效果。整个反冲洗过程水泵始终处于满负荷运转，造成大量电能损失，而且每个罐都需单独操作，操作工人劳动强度很大。这些都对生产造成不利的影响。因此对现有手动反冲洗装置的自动化改造，不仅可减轻操作工人的劳动强度，更重要的是能提高系统反冲洗的质量，使设备达到最佳的运行效果。采用plc控制的联合站污水处理自控系统，可以较好地解决上述问题。第2章 工艺流程2.1油田联合站污水的来源和处理要求随着油田开采年代的增长，采水液的含水率不断上升，有的区块已达到90以上，这些含油污水已成为油田的主要注水水源。随着油田外围低渗透油田和表外储层的连续开发，对油田注水水质的要求更加严格。2.1.1油田联合站污水来源油田联合站污水主要包括原油脱出水(又名油田采出水)、钻井污水及站内其它类型的含油污水。油田常采用注水方式保持油层压力来提高采收率。采用注水开采的油田，从注水井注人油层的水，其中大部分通过采油井随原油一起回到地面，这部分水在原油外运和外输前必须加以脱除，脱出的污水中含有原油，因此被称为油田采出水。由此可见，污水主要来自原油脱水站，及联合站内各种原油储罐的罐底水将含盐量较高的原油用其它清水细盐后的污水以及定期对注水井进行洗井作业产生的污水等等。钻井污水成分十分复杂，主要包括钻井液、洗井液等。钻井污水的污染物主要包括钻屑、石油、粘度控制剂(如粘土)、加重剂、粘土稳定剂、腐蚀剂、防腐剂、杀菌剂、润滑剂、地层亲和剂、消泡剂等，钻井污水中还含有重金属。其它类型污水主要包括油污泥堆放场所的渗滤水、洗涤设备的污水、油田地表径流雨水、生活污水以及事故性泄露和排放引起的污染水体等。由于油田污水种类多，地层差异及钻井工艺不同等原因，各油田污水处理站不仅水质差异大，而且油田污水的水质变化大，这为油田污水的处理带来困难。2.1.2污水处理利用的重要性随着油田注水开发生产的进行带来了两大问题。一是注入水的水源问题，油田注水开发初期注水水源是通过开采浅层地下水或地表水来解决，过量开采清水会引起局部地层水位下降，影响生态环境；二是原油含水量不断上升。含油污水量越来越大。污水的排放和处理是个大问题。在生产时间中，人们认识到油田污水回注是合理开发和利用水资源的正确途径。油田污水回注可以补充由于采油造成地层亏空的水量，使油田污水资源变废为宝。首先可持续发展，提高油田注水开发的总体技术经济效益。2.1.3采油污水的水质特点油田外排的采油污水,主要来源于油田生产过程中注采不平衡时产生的污水,以及油气集输装置大修和冲洗地面管线时排放的污水。该污水水质成分较为复杂,污水中的污染成分来源于采油生产的各个生产工序。其中既有原油,又有从地层中携带出来的各种盐类、气体和悬浮固体。在油气集中输送过程中,又掺进了一些化学药剂,同时污水中还含有一些微生物。总体而言,采油污水水质具有以下几方面特点:含油量远高大于各种回用去向所要求的水质标准;悬浮物含量高,颗粒细小;富含有机物含有大量离子,其中既有成垢离子,又有腐蚀性的离子;色度高;含有微生物。2.1.4油田开发对注水水质的要求油田污水的处理依据油田生产、环境等因素可以有多种方式。当油田需要注水时，油田污水经处理后回注地层，此时要对水中的悬浮物、油等多项指标进行严格控制，防止其对地层产生伤害。如果是作为蒸汽发生器或锅炉的给水，则要严格控制水中的钙、镁等易结垢的离子含量、总矿化度以及水中的油含量等。如果处理后排放，则根据当地环境要求，将污水处理到排放标准。油田注水水质标准根据油层性质不同,应有不同的注水水质标准,但概括起来注水水质应满足以下几点：注入水中应尽量少含悬浮杂质,其含量和颗粒粒径应不对注水井渗透端面和油层引起堵塞。注入水质不因温度、压力等的改变而产生结垢、沉淀现象,也不能因地层水或地表水相混合时产生结垢或沉淀。注入水质对注水工程不产生腐蚀。注入水中的细菌繁殖不能产生新的悬浮杂质,更不能影响注水系统正常生产。注入水质还应防止油层粘土膨胀。2.1.5联合站污水处理工艺国内各油田常用的油水分离技术包括立式除油沉降罐、粗粒化/聚结技术、气浮技术等。立式除油沉降罐除油完全依赖于重力分离和化学处理,是油田污水处理中应用最广泛的处理设备;粗粒化/聚结技术利用粗粒化材料的聚结性能使细小油珠变为大油珠,更加有利于重力分离除油;气浮技术在油田含油污水处理中的应用主要是密闭加压溶气气浮技术,气源采用天然气。过滤技术是油田含油污水处理的重要工艺。我国各油田早期多用重力式下向流石英砂过滤器,现已基本不使用。目前在各油田应用较广泛的过滤器有核桃壳过滤器、双层滤料过滤器、多层滤料过滤器和双向过滤器大多为压力式。目前油田很多含油污水处理站。这些污水处理站的处理工艺主要是将污水经处理后回注地下而设计的,污水处理的主要目的是用于回注地下进行驱油,所要去除的主要污染物是油、悬浮物以及对管线、设备有腐蚀作用和结垢倾向的微生物和金属离子等。所采用的处理方法以物理法和物化法为主,主要有自然除油、聚结除油、混凝沉降、过滤。近年来,为提高油田污水的处理深度及效率,开始尝试水力旋流、浮选等方法,也对单元设备的改进和研究做了大量的工作,以提高其处理效率和适应聚驱采出水的处理。出现了横向流除油器、双层滤料过滤罐、核桃壳过滤罐、精细过滤器等多种新型处理设备。在处理工艺流程上,逐步将重力过滤的处理流程改为压力过滤的处理流程,有时为了提高污水的处理深度,采用两级过滤、甚至三级过滤。油田污水处理常见的处理工艺流程有：污水聚结除油重力沉降过滤出水；污水重力沉降混凝沉降过滤出水；污水重力沉降浮选过滤出水；污水水力旋流混凝沉降过滤出水。上述处理工艺流程对控制出水中的油含量和悬浮物很有效,污水经不同的处理方法所组合成的不同处理工艺流程处理后,能够满足不同区块及不同渗透层的注水水质要求。由于外排水中除了可浮油、乳化油以及胶体和悬浮物外,还有大量溶解态的有机污染物。以处理水回注为目的的处理工艺,对溶解态有机物的去除率达不到外排的要求,因此,采用上述处理工艺流程不能满足采油污水达标排放的处理要求。鉴于目前外排的采油污水主要为有机污染物,即cod值达不到排放标准的状况,选用成熟可靠的工艺方法和处理设备降低外排水中cod的含量是解决问题的关键。处理cod类物质的方法有很多,工业上较常应用且技术上成熟可靠的主要有混凝、化学氧化、吸附、膜分离、相分离及生化等方法。在这些处理方法中,生化法以其工艺成熟、处理效果明显、适用范围广并且经济可行而得到广泛应用。油田污水中的有机污染物大体上由烷烃、芳烃、醇、醛、酮、酸、含氮化合物等组成。不同区块的油田污水,各污染物所占的比例有所不同。根据外排污水中有机污染物的种类,可以确定油田外排污水属于可生化降解污水,其降解难易程度为中等,其中最不易生物降解的为聚合物。通过适当的预处理措施,使其可生化性提高后,采用生化法对其进行处理而达标排放。根据采油污水水质特征分析,以及各种处理方法的比较,确定采油污水达标排放处理工艺为以除油为目的的预处理和以生化降解有机物为目的的核心处理工艺。达标排放处理工艺的选择原则。对于采油污水达标排放处理工艺的选择,本着以下几条原则：对于外排水中的不同污染物,采取不同的处理方法；外排水中可浮油和乳化油的去除采用油田常用处理工艺；采取水解酸化工艺提高污水的可生化性；有机污染物的核心处理工艺选用好氧生化处理工艺；由水解酸化单元解决剩余污泥的消化处理,不设污泥消化池。2.1.6污水处理工艺流程联合站是油田生产的一个重要部门，其主要作用是将开采的原油集中进行运输、存储。在此过程中，要对含水原油进行脱水处理。如图2.1 所示为典型的三段污水处理工艺即：自然除油混凝沉降压力过滤流程也称“重力式流程”。基本的处理流程为：来自联合站的含油污水首先进入自然除油罐，在重力的作用下，利用油、水和淤泥的密度差使油上浮到罐上部，淤泥下沉到罐底部，经过一段时间，污油、污水和油水混合液中的污泥自然分离。污油从大罐中上部的溢流口排入到污油罐；污泥由罐底的定时开关的排泥阀排入回收水罐。经过初次处理的污水进入混凝沉降罐后由加药控制系统向沉降罐中添加化学药剂通过电中和、吸附桥架、网扫所用使其中的胶体失去稳定性并使微小悬浮物聚集沉降到罐底部。在这里油、水、淤泥和沉降物进一步分离，污油从大罐中上部的溢流口排入到污油罐，淤泥和沉降物由罐底的定时开关的排泥阀排入回收水罐。污水进过缓冲罐缓冲作用后稳定下来，接下来由污水提升泵将污水输送到压力滤罐顶部，污水经过过滤器时由具有一定厚度且多孔的颗粒状物质的过滤床通过物理和化学作用（吸附、絮凝、沉淀和截留）去除部分污油。金属元素的化合物。经过这几步后就已经净化了再通过向处理后的水中添加杀菌剂就可以得到用于回注的净化水。系统运行一段时间后压力滤罐就要进行反冲洗作业以便清除污物，反冲洗时先关闭压力滤罐的进出口阀门，然后打开反冲洗水罐的进出口阀门启动反冲洗水泵进行反冲洗，反冲洗后的污水通过管道注入到回收水罐再由回收水泵将污水反送到未处理的含油污水管道重新处理。回收的污油定期由污油泵外输计量，回收水罐底部是大量的淤泥和沉淀物，由污泥提升泵送至污泥处理系统处理。图2-1油田联合站污水处理工艺流程2.1本章小节本章结合油田联合站污水处理实际情况，详细分析了油田联合站污水的来源、联合站污水处理的重要意义、并由油田注水开发对污水处理的水质要求对传统的三段式污水处理工艺流程的各个环节做了比较详细的分析。第3章 工艺流程的自动控制3.1含油污水自动加药控制原理在来水管路安装流量计量仪表，将来水信息传递给计算机控制系统，由计算机将处理后信息反馈给变频调速器，由变频调速器控制加药泵流量，从而实现对ph的控制。这套自控系统现场使用方便，质量可靠，操作简便，能够准确控制ph，合理加药。注水开发是中原油田稳定生产的基础,而注入水水质直接影响着注水效果。油田产出水矿化度高、腐蚀性强、注入性能差,必须经过处理才能回注。在污水处理过程中,污水处理工艺与加药方式起到决定性作用,尤其是加药的准确性、稳定性至关重要。自动加药工作原理是:根据来水量通过plc来控制a,b的加入。其中a剂的投加还与ph值有关plc根据所设定ph值来调整a剂加入量,直至ph值达到达标范围。图1为改进的加药系统总体结构及现场布置框图。图3-1自动加药系统图中flr为来水流量计(电磁流量计);ph1表示加药混合后水的ph值;变频器1,2是加药泵的变频器。a剂通过来水流量和加药混合后的ph值双参数控制加药量,使混合后的ph值在所设定范围内小幅度波动,达到自动加药的目的;b剂通过来水流量参数,经过plc处理控制变频器达到自动加药的目的。3.2反冲洗自动控制3.2.1反冲洗意义油田联合站反冲洗过程是采油生产中的一项基础工作，它对油田污水过滤罐的过滤系统进行清洗操作，是提高油田污水过滤效果的一个重要措施，同时延长了过滤罐的使用寿命，提高了石油生产的经济效益。目前的一些联合站反冲洗系统没有监控报警和自动控制系统，使岗位工人的工作量很大，同时由于人为疏忽导致生产事故，影响了正常工作生产。因此，反冲洗过程自动控制系统，反冲洗系统的自动监控报警技术对于提高反冲洗效率和联合站自动化水平具有十分重要的意义。含油污水处理是关系到水质是否合格的关键步骤，而滤罐的反冲洗时间和效果则直接影响污水的过滤质量，所以定时反冲洗，按要求控制反冲洗的流量曲线是控制水质质量的核心。油田部分污水站反冲洗装置处于手动状态，变频器与电动阀不能精确配合，变频器无法投用，反冲洗流量无法控制，出现冲走滤料等问题，影响反冲洗效果。整个反冲洗过程水泵始终处于满负荷运转，造成大量电能损失，而且每个罐都需单独操作，操作工人劳动强度很大。这些都对生产造成不利的影响。因此对现有手动反冲洗装置的自动化改造，不仅可减轻操作工人的劳动强度，更重要的是能提高系统反冲洗的质量，使设备达到最佳的运行效果。3.2.2反冲洗流程联合站反冲洗系统可以在污水处理工艺流程图上看到，其工艺流程为：来自联合站的污水，进入自然除油罐，一段时间后再进入缓冲罐，通过缓冲罐的升压泵将污水打入过滤罐进行过滤，经过滤后的污水最后输出到站外，供联合站其它系统使用，需要对过滤罐进行反冲洗时，用反冲洗泵将反冲洗罐液体打入过滤罐进行反冲洗操作，最后把反冲洗产生的深度污水回收到回收水罐。3.2.3反冲洗控制系统原理采用可编程序控制器,按编好的程序和时间顺序和组合方式,通过电磁阀自动控制蝶阀开关,达到反冲洗滤罐的目的。滤罐的反冲洗控制可分为两部分：反冲洗启动和反冲洗过程的控制。反冲洗启动有两种途径，一是由上位机下达反冲洗命令；二是当反冲洗条件满足时自动开始反冲洗。反冲洗条件有二：定时冲洗和根据水头损失情况冲洗。这两个条件是并列的，只要满足一个，就必须进行反冲洗。定时冲洗可以设置为具体时间，也可以按照过滤的运行时间来安排，即当滤池连续过滤一定时间后自动启动反冲洗。本工程选用后者，在反冲洗结束、过滤开始的时候，启动一计时器，定时2小时30分钟，时间到便开始反冲洗程序。水头损失反冲洗可以这样设计：在液位控制中，如果清水阀已开到最大，就把采样液位与预先设置的水头损失液位比较，如果超出，再看液位是否上升，如果是，则条件满足，启动反冲3.2.4反冲洗步骤关闭待反冲洗罐过滤进、出口阀门，开启反冲洗进、出口阀门；开启反冲洗水泵，按阶梯形提高水泵电机频率直到达到50hz；反冲洗15分钟后，开启反冲洗滤罐搅拌器，搅拌15分钟后关闭搅拌器；关闭下一台待反冲洗罐过滤进、出口阀门，开启反冲洗进、出口阀门；重复以上步骤，直至全部过滤罐反冲洗完毕；关闭水泵，打开滤罐进出口阀门，关闭水罐进出口阀门开始过滤。图3-2 反冲洗过程反冲洗过程比较繁琐，有一系列开、关阀门，开、关风机，开、关水泵的命令，大致过程如下：关过滤罐污水进水阀，液位降低到一定程度后关出口水阀，再打开反冲洗罐进水阀及出口阀，之后再启动一台反冲洗泵运行30分钟，15分钟后开启过滤罐上的搅拌器搅拌15分钟。结束时，先关反冲洗泵，再关反冲洗进出口水阀，反冲洗完毕，最后打开过滤罐进出口阀门开始过滤污水。在编制梯形图时，对开、关阀门的条件必须严格限制，避免错误的、不适时机的开、关阀门命令。大量的阀门故障，计时校验等报警也必不可缺。其中两个报警更需要特别处理。其一是反冲洗中的关阀故障，除报警外，如果短时间内无法排除故障，就要重新打开进水阀否则液位一直下降会使砂面暴露；其二是水冲泵停止后应允许反冲洗结束后进入过滤，但却不允许其它滤罐进行反冲洗。反冲洗中的水罐、水泵都只有一套，为多个滤罐共用，因而单个滤罐的手动命令必须在水泵控制命令中有所体现，避免出现滤罐切换到手动后，水泵仍处于运行状态，导致事故发生。反冲洗控制在污水处理自动化中属于较难设计的环节,主要表现在反冲洗过程中开、关阀顺序和开、关阀条件的复杂上。这相应地导致了plc程序的复杂。对于一些工艺上有要求,却会加剧plc程序复杂性或不便用plc实现的功能(如反冲洗排序等),可以通过上位机编程来实现,上、下位机结合进行自动控制,弥补了plc功能的一些不足,能够达到很好的经济社会效益使加药准确度和精确度提高,减少了药剂的浪费；改善水质,增强驱油效果；自动化程度提高,降低工人劳动强度；设备维修、保养费用大大降低。3.3污泥处理系统控制3.3.1系统方案的提出传统的排污方式是靠人工手动启闭排污阀,每4 h一次,12个排污口全部排完近40 min。缺点是不能定时排污,排污量不足或过高,排污激动强度不够,进而影响到排污的质量和连续性,致使水质出现波动,能耗增加,成本上升，严重时甚至会出现堵罐、堵管线事故,污水处理站被迫停运检修。因此开发一种受人为因素影响较小的排污方式在水处理过程中显得尤为重要。为了保证排污质量,提高自动化管理水平,根据污泥量及罐内排污结构确定排污周期和排污方式,编制排污程序,对两具一次沉降罐的排污进行了自动化设计。自控系统以西门子300plc为控制核心,控制对象为两具一次沉降罐的排污蝶阀。该控制系统具有操作简单、控制可靠、维修方便、按要求可重新编程等特点实现了一次沉降罐的自动排污。现场使用的排泥阀为电动蝶阀，旁边有 1 个控制柜，用 3 个按钮控制电机的正转、反转、停止，分别对应阀门的开、关、停。3 个按钮的操作具有自锁与互锁功能。使用 plc 的 do模块控制 3 个小继电器的动作，再把其触点与 3 个按钮开关并联或串联，达到远程控制的目的。为保证自控系统断开时现场仍能手动操作，在使用小继电器的触点时，要注意常开、常闭的选择。3.3.2手动自动控制手动排污:如果某一沉降罐泥位相对较高,需要单独进行排污,可将该罐排污方式选择开关“手动/自动”扳至“手动”位置,将定时器旋转至所需时间,按下“手动排污”按钮,可启动手动排污按钮将泥排出；自动排污:在正常情况下,一般每4小时排污一次。当需要逐罐进行排污时,可将沉降罐的排污方式选择开关“手动/自动”转至“自动”位置,将定时器旋转至所需时间,按下“自动排污”按钮,可启动自动排污。3.3.3 连锁停泵当罐内液位较低时，系统发出声光报警，提醒操作人员注意检查，如液位继续降低，则自动发出连锁停泵信号，停止外输泵的运行。原外输泵电机由一控制柜控制，工作电压为 380v，在 plc 与控制柜之间增设一中间继电器，其常闭触点串联在电机控制回路中，当 plc 发出停机信号后，电机控制回路断电停机。为保证操作人员与设备的安全性，自控系统不设远程启动功能，当需要再次开启外输泵时，由操作人员手动控制。3.3.4泵运行状态的检测由于泵需要定期维护，因此需要累计泵的运行时间，这就要求对泵的运行状态进行检测。检测方法为从泵的控制回路的辅助触点取信号，送入 plc 的开关量测量模块。为使现场与 plc 完全隔离，中间需加辅助继电器。3.3.5排污池液位报警控制排污池主要接受沉降罐排污水,由于排入量突然增大,很容易造成冒池危险。为了使排污操作人员在排污过程中监控到排污池液位情况,根据现场状况选用具有防爆性能的浮球液位控制器,浮球随容器内液位上升或下降而变化,并借助壳体的磁钢动作而使控制电触头断开和闭合,这时安装在监控室内的二次仪表声光报警器就可以发出声光报警信号,实现对液位的控制。3.4压力滤罐液位控制3.4.1液位控制原理当滤罐正常过滤的时候，其工艺要求就是要保持滤罐水位的恒定(8m)，以保证滤池有一个稳定的生化环境。由于进水阀全开，瞬时进水量上下波动比较大，所以就需要通过控制滤后水阀的开启度，以达到滤池水位的恒定。在如何确定滤后水阀开启度的方法上，传统控制和plc控制存在相当大的不同。在传统的控制中，往往依靠操作人员的目测估计水位的高低，进而手动调整滤后水阀的开启度，达到水位的相对平稳，显然这种操作方式受各种因数的影响不能满足自动化和精度的要求；而在plc自动控制系统中，超声波水位计实时监测水位的变化，并传送回模拟数据，plc利用专门的pid回路控制(闭环控制)指令，通过pid算法确定出滤后水阀的开启度，再以此控制滤后水阀，使滤池水位保持相对恒定。pid回路的控制方法是pid（比例微分积分控制）调节，其数学表达式为：其中：p为调节器的输出变化量；kp为调节器的放大倍数；e为调节器的输入，即偏差；ti为积分时间；td为微分时间。3.4.2液位控制过程当滤池正常生产一段时间之后，就需要对滤池进行反冲洗，以去除滤料层的杂质。根据滤罐水位利用pid算法调节滤后水阀开启度，滤池反冲洗正式结束，滤罐正常过滤开始。图3-3 液位控制说明来自液位计的ai采样信号作为反馈值与设定值比较，判断是否超出预定范围，若不在预定范围内，再进行液位升降判断，决定阀门是否动作。当液位低于设定下限且仍在下降时，给出关阀命令，当液位高于设定上限且仍在上升时，给出开阀命令。其它情况下，阀门不动作。本框图在具体实现中有两个问题必须解决。第一，清水阀由全开到全关的动作时间大约为18s，这对于液位升降的速度来说很短。如果没有任何措施，则一旦给出开(关)阀命令，该阀会一直开(关)到底；第二，液位信号始终是波动的(尽管很小)，这会影响对液位升降的判断，而当其在上、下限设定值附近波动时，更会造成plc频繁给出开、关阀命令。实际工程中，是通过两个定时器来解决的。第一个定时器加在采样前，使采样从每扫描周期一次，变为每定时器周期一次。只要定时时间设定足够长，便可消除波动影响。第二个定时器加在开、关阀命令中，将每次开、关阀动作限制在较短的时间里。另外，液位升降的判断是通过最新采样值与上一周期采样值相减得出的，因此编制程序时有必要将旧采样值保存。3.5本章小节工艺流程的自动控制是污水处理的核心环节，这章在内容上详细的叙述了三段式油田污水处理流程里需要实现自动控制的各个环节，自动加药、过滤罐的反冲洗自动控制以及污泥处理系统是污水处理里面三个比较重要的控制部分，在本章，针对这三个方面的控制原理作了非常细致的介绍，另外，除了这三个环节还对各个罐的液位控制、过滤罐压力控制以及各个泵的连锁停泵控制作了简单介绍。第4章 下位机控制程序设计4.1 plc和程序设计软件图4-1系统结构总貌simense plc 以其体积小、功能多、可靠性高、只需编写少量的代码即可生成高质量的控制系统等优点，在自控行业中得到了广泛的使用。整套污水处理流程包括压力、流量、温度、液位、频率、泵运行状态等众多个监控点。各物理参数通过相应的变送器得到 420ma 的标准信号，通过屏蔽电缆接至 plc的 ai或 di 模块。由于采用电流方式传输，因此传输距离远，而且具有较好的抗干扰能力。控制信号通过plc 的 ao 或 do 模块发出，控制现场的执行机构动作。由于现场有大量的油、气，因此所有设备均采用防爆产品。由于现场监控点多，为降低成本，减轻维护工作量，在模块选择上应注意以下几点：（1）模块种类要尽量少，以减少备件，便于更换；（2）单一模块采样点数要多，如选取的 ai模块最多可采集 8 点，do 模块可输出 32 点；（3）采样精度要高，尤其是对流量的计量，关系到全站的日处理能力综合评价。操作人员通过上位机向 plc 发出相应的控制指令后，由 plc 对现场进行直接控制。下位机plc的用户程序是在基于siemens公司的simatic step7 v5. 2软件平台上完成硬件组态、地址和站址的分配以及用户程序的设计开发。step7主要有3种编程方法:线性编程、分布式编程、模块化编程。系统应用模块化编程方法,根据所控制设备的实际情况,可把整个污水处理流程分为若干个分流程,每个分流程对应一个功能(fc)或功能块(fb)。把程序分成若干程序块,各程序块分别含有一些设备和任务的程序指令,每个功能区被分成不同的块进行编程,整个程序通过组织块ob1控制调用各功能。在主程序(ob1)中将各种控制功能和各站点间的通讯数据分别编写在不同的子程序(功能块fb、db、fc)中。系统中另外还有一些中间转换控制模块,例如从温度传感器上通过plc的模拟量输入模块中得到的数据必须通过量程转换才能变成实际的温度值,通过编写单独的模块,完成从word到实数的转换。4.2下位机程序功能（1）手动操作；（2）全自动操作；（3）压力滤罐反冲洗自动控制；（4）通过 pid 调节功能，实现污水加药的自动控制；（5）沉降罐定时收油，回收水罐的定时排泥；（6）液位高、低限报警连锁停泵；（7）压力滤罐液位控制。手动和自动工作方式一般只在设备调试或维修时使用,系统主要以全自动操作方式为主。在这种方式下,各类泵的开、停,各种工况的切换都由plc按照预先编制的程序自动生成,不需要操作人员干预。每种工况的运行时间及各种测量参数均可以在线或离线调整,每台设备和每种工况的运行情况也都可以由上位机进行监控。现场的泵类、风机等信号通过plc的控制转化也在上位机上显示。这样,既能对设备开关量(如各类泵、搅拌器等的开停)进行控制,又能对现场的模拟量(如混凝沉降罐内的ph值等)进行调节,使全厂的工艺、设备运行得到全面的控制。4.3反冲洗程序创建与设置4.3.1创建项目在编写控制程序之前，首先要创建一个项目。由于没有plc实物我的程序作为独立于实物的程序放在项目目录下。打开simatic manager，建立一个空白页在弹出的对话框中选择user projects标签，输入项目名称如污水处理，单击ok按钮，新建一个项目。选中新建项目的根目录向其中插入一个s7程序。添加完成后，s7会自动建立琐琐碎碎琐琐碎碎琐琐碎碎琐琐碎碎s7程序的目录结构，并建立一个空的ob1和符号表。可以看到，以这种方式添加的s7程序存放在项目根目录下，它是独立于设备组态的。4.3.2编辑符号表在窗口中双击打开符号表编辑，向其中添加符号名称，绝对地址和注释。编辑完成后的符号表如下图所示：图4-2编辑好的符号表4.3.3插入程序块根据对任务的规划，需要向用户程序中添加的程序块有ob1，fb1.新建的s7程序中已经自动插入了ob1。现在要修改它的属性，选中ob1，单击右键，在弹出的窗口中打开属性对话框，在文本框中填入ob1的符号，在这里我取的是main program，在created in下选择lad即梯形图编成方式完成属性设置。在blocks目录下的空白区域单击右键，在弹出的快捷菜单中选择并新建一个fb，在编写fb1的过程前，首先要定义变量。在fb1的变量声明区中，定义变量如图下所示：图4-3在fb1中定义输入变量图4-4在fb1中定义输出变量图4-5在fb1中定义静态变量4.4反冲洗程序设计下面编写的程序总共有10个程序段，以下分别介绍：network1为延时定时器，使用接通延时定时器为反冲洗过程定时30分钟，程序如下：图4-6编程代码network1 使用接通延时定时器定时2小时30分钟反冲洗一次，程序如下：图4-7编程代码network2 开启反冲洗水泵进行30分钟反冲洗作业，程序如下：图4-8编程代码network3编制程序关闭过滤罐进水阀，程序如下：图4-9编程代码network4编制程序关闭过滤罐出水阀，程序如下：图4-10编程代码network5编制程序开启反冲洗水罐进水阀，程序如下：图4-11编程代码network6编制程序开启反冲洗水罐出水阀，程序如下：图4-12编程代码network7编制程序控制过滤器中的搅拌器搅拌15分钟，程序如下：图4-13编程代码network8反冲洗过程结束后先关闭反冲洗水泵，程序如下：图4-14编程代码network9待反冲洗水泵关闭后，打开过滤器进出口阀门，关闭反冲洗水泵进出口阀门，程序如下：图4-15编程代码network104.5创建与编辑背景db 在fb1编辑完成后，需要创建一个与之关联的背景db，存储控制程序的数据三个定时器的定时时间分别为30分钟，15分钟，2小时30分钟。因此还要编辑背景db，修改其中的数值。在blocks目录下的空白区域单击右键，在弹出的快捷菜单中选择insert new object：data block插入一个db。此时弹出的db属性对话框，在这个对话框中填入db的名称为污水处理，在db的类型下拉对话框中选择instance db，并指定与之关联的fb为fb1。单击ok按钮，完成db的插入和属性设置， 在创建完成后，在blocks目录下将看到ob1，fb1，db1三个对象。4.5.1编辑背景db1 在blocks目录下，双击db1打开它。此时会弹出一个对话框，让选择db编辑器，或者用lad程序编辑器打开，单击ok，用db编辑器打开db1。修改三个定时器的定时时间，结果如下：图4-16打开db并修改其中的值4.5.2用lad编写ob1在ob1中，通过调用已经完成的fb1实现整个反冲洗系统的控制。在编程元素窗口的fb blocks中列出了可调用的fb，选中梯形图路径，将要调用的fb1拖拽到路径上，？处表示需要填入背景db的名称，表示的参数可以赋实参，也可以不赋实参。调用完成后的ob1就如同封装后的芯片如下图所示，可以选中它点击右键打开编好的程序代码。图4-17 fb1的调用方法（lad）用plc设计的自控系统大大降低了操作人员的劳动强度,改善了操作人员的工作环境。设备具有调试简单、操作方便、使用工程技术安全、运行可靠、效率高、故障率低,污水处理效果好的特点。4.6本章小节基于西门子公司s7-300系列plc及其配套的step7编程软件设计了下位机的控制程序，其中主要介绍了基于lad（梯形图）自动反冲洗程序设计的详细步骤，与其它公司的编程软件相比，step7主要采用结构化的编程语言和体系结构，而像欧姆龙就采用线性化的编程结构，step7编程的过程有点类似c 语言，通过各个功能块的调用来实现整个程序所要实现的功能，在编写较大的程序时要明显优于其它编程软件。第5章 上位机监控界面组态5.1监控系统为保证系统的稳定性和可靠性，采用两级控制方案对整套污水处理流程进行监控。上位机选用工业控制计算机（ipc），下位机选用 西门子公司的s7-300plc，系统构成如下图所示。图5-1系统构成上位机的作用主要是提供一个人机交互界面，使操作人员可以直观的了解现场各工艺参数，根据生产需要发出相应的控制指令。另外还可以使用大容量存储器记录历史数据，管理人员据此了解一段时间内的生产状况，为提高生产效率制定新的生产方案提供可靠的依据。为实现以上功能，组态软件是最优的选择。这里使用的是西门子公司的wincc6.0作为开发平台，它集控制技术、数据库技术、网络技术、人机界面技术、图形技术于一身，包含动态显示、报警、控件、趋势、网络通信等组件，系统提供了一个友好的用户界面。5.2监控界面的功能上位机的监控软件采用了wincc6. 0。根据系统要求,设计了以下几个主要界面：参数显示画面用以总览所有参数实测值及流量等的累计值；总貌画面用以实时、动态地显示各个反应池的工艺流程、工艺参数和现场设备的运行状态。生动、直观；趋势画面实时趋势画面可动态显示参数的变化曲线,历史趋势画面可保留30天的参数变化曲线,均可打印输出；报警画面在语音报警同时,弹出报警框,提示故障位置,并做历史记录； 具有生产运行参数报表打印功能，可随时打印各种实时报表和历史数据报表。图5-2 wincc组态5.3组态步骤5.3.1建立项目启动wincc，双击windows control center6.0，wincc的基本组件是组态软件和运行软件。wincc项目管理器是组态软件的核心，对整个工程项目的数据组态和设置进行全面的管理。开发和组态一个项目时，使用wincc项目管理器中的各个编辑器建立项目使用不同的元件。使用wincc来开发和组态一个项目的步骤如下：启动wincc。建立一个项目。选择及安装通讯驱动程序。定义变量。建立和编辑过程画面。指定wincc运行系统的属性。激活wincc画面。使用变量模拟器测试过程画面。按照上面的步骤组态软件第一次运行wincc时，出现一个对话框，选择建立新项目的类型包括以下三种：单用户项目；多用户项目；客户机项目。在这里我们现在单用户项目，在导航窗口中单击“计算机”图标，在右边窗口中将显示与我的计算机名一样的计算机服务器。在这里为便于记忆我把计算机名改成“malinxu”。新建一个项目命名为“水处理”。5.3.2组态变量由于是在计算机上仿真，在变量组态时只建立内部变量组名称为“yewei”，它们分别是自然除油罐液位，沉降罐液位，缓冲罐液位，压力滤罐液位，反冲洗水罐液位，回收水罐液位，污油罐液位，不过改用相应的拼音。数据类型为无符号32位数。图5-3组态内部变量5.3.3创建过程画面右键点击图“形编辑器选中”，点击“新建画面”新建一个图形编辑器窗口。在“对象选象板”中的“标准对象”下选择“静态文本”，在图形编辑器窗口中添加一个静态文本，内容写“联合站污水处理监控系统工艺流程图”。在工具栏上选择“库”，打开“库”在全局库目录下展开siemens hmi symbol library 1.3，选择“罐”向编程窗口中添加5个表面平滑的罐，一个储藏设备，一个简易表面平滑的罐，5个离心水泵，2个电磁流量计，3个控制阀。以上是工艺图的主要设备，将它们按照书本中实际图在窗口中布局好，在“智能对象”选择“输入输出域”向每个罐上添加一个输入输出域，在弹出的i/o域组态对话框中设置更新时间为500毫秒，对应变量的选择按照各个罐的名称选择相应的拼音名字，然后在“智能对象”中选择棒图向每个罐上添加一个棒图并且设置相应的属性。这样主要的元件已经添加和设置完成，在工具栏上选择库打开库选中管道将各个泵和流量计，阀门，泵连接起来，完成这一步骤后用箭头标明工艺流程流向，最后向编辑窗口中添加24个静态文本框并修改名称，组态完成的最终图如下所示：图5-4联合站污水处理监控系统工艺流程图5.3.4创建参数显示画面新建一个图形编辑器窗口，向其中添加一个表格并添加几个静态文本框用来显示被显参数，相应的再添加几个输入输出域用来显示动态值输入输出域的变量设置选择对应的被显参数至此参数显示画面组态完成。其组态画面如下所示：图5-5 参数显示5.3.5过程值归档过程值归档的目的是采集，处理和归档工业现场的过程数据。wincc中使用“变量纪录”组件来归档过程值的归档，这里为便于测试我在组态时使用内部变量替代过程变量。在归档中使用了以前创建的几个内部变量。首先打开变量纪录编辑器，使用winncc的变量纪录编辑器可对归档，需要组态日的变量，采集时间定时器和归档周期进行组态。单击“变量纪录”编辑器左边浏览窗口中的“定时器”时，在此编辑器的右边数据窗口中将显示所有已经组态的定时器。在默认的情况下，系统提供了5个定时器，可以自己组态一个10秒钟的定时器用于归档，已组态的定时器可用于变量的采集和归档周期。在“变量纪录”编辑器中，使用归档向导来创建归档，并选择要归档的变量。为归档文件命名为“水处理”。点击“下一步”单击“选择”按钮从打开的“变量选择”对话框中选择变量chengjiangguanyewei并单击确定关闭对话框。点击“完成”按钮，这样在归档系统中生成了一个名为水处理的归档此归档中只包含对一个变量chengjiangguanyewei的归档。选中该变量添加新的一行定义别的变量，添加完毕后修改它们的属性选择采集周期为1秒，选择归档周期为1*1tenseconds最后选择过程值归档的存放位置单击工具栏上的保存图标结束组态。组态结果如下图所示：图5-6过程值归档5.3.6输出过程值归档winncc的图形系统提供两个activex控件用于过程值归档;一个以表格的形式显示已归档的过程变量的历史值和当前值，另一个以趋势的形式显示。在这里我按照任务书上的要求选择趋势方式显示。首先创建趋势图，在项目管理器重建立一个名为taglogging.pdl的图形文件，并用 图形编辑器打开此图形文件。在“对象选项板”上选择“控件”选项卡，然后选择wincc online trend control控件。将鼠标指针指向绘图区中放置此控件的位置，拖动至合适的尺寸后释放。然后编辑控件的属性输入“除油罐液位”作为第一条曲线的名称，单击“选择归档/ 变量”框中的“选择”按钮，打开对话框选择变量chuyouguanyewei完成后关闭对话框。在上一步中的对话框只是一个快速配置的对话框它只