（控制科学与工程专业论文）基于plc的油田污水处理监控系统设计与实现.pdf

i 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 摘摘 要要 油田污水中含有大量的含油污泥、硫化物等，直接排放对环境会造成很严重的 污染，本文针对油田污水处理工艺流程，并根据污水处理的控制要求，开发了一套 经济高效，结构紧凑，技术含量高的含油污水处理全程自动监控系统。 文章分别从系统的总体构架设计，plc 控制器和变频控制器的设计，硬件的实 现，下位机、上位机软件实现，这几个方面阐述。论文根据目前国内外油田污水处 理监控系统主流趋势，结合江汉油田王场第一联合站的工业现场环境，深入了解用 户的需求之后，确定采用以 siemens s7-300 系列 plc 为核心控制器的小型集散系 统构架，并根据控制任务选型仪表设备。同时，针对控制功能的需求，采用传统的 闭环 pid 算法和模糊自整定 pid 算法相结合的控制器设计方案， 对加药量和 ph 值实 现了可靠、稳定、实时的变频控制效果。系统采用 siemens s7-300 系列 plc 配套 的 simatic step7 开发软件对下位机程序开发，其中自动加药子系统通过控制变频 器的频率来控制投药泵和搅拌电机，自动排泥子系统通过控制进口阀和出口阀的憋 压时间和排泥时间来控制排泥效果。上位机人机界面选用功能强大的 fameview 组 态软件，实现了画面丰富、动态显示、按钮操作的程控功能，数据报表显示和打印 功能，故障诊断和报警功能。文章综述了系统的运行状况，对先进智能控制算法作 了一定的阐述，可以系统后续开发的方向。 本文通过研究分析，实现了一个功能强大、运行可靠、性能稳定的油田联合含油 污水处理监控系统。 关键词：污水处理 监控系统 plc 自动加药 自动排泥 ii 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 abstract the sewage of oilfield contains large quantity of oily dirty mire and sulfide. its direct drainage would result in serious pollution. this thesis aimes at the process flow of oil-field sewage treatment and develops a whole-course automatic monitoring system of oily sewage treatment. the main contents can be summarized as follows: the overall architecture design of the system, the design of the plc controller and variable frequency controller, the hardware implementation and the software implementation for both upper-end and lower-end computers. according to the main trend of oilfield sewage treatment process control system at home and abroad, i analyze the operation principle diagrams and performance indexes, inquire the users more deeply about their requests in the given industrial environment. after analyzing the control tasks, i decided on the system architecture which uses the siemens s7-300 series plc as the core controller, and also choosed the corresponding instrumentation types. in order to meet the control function requirements, i crystallized the controller design which combines the traditional self-tuning pid algorithm and fuzzy self-tuning pid algorithm to achieve reliable, stable and real-time control effect for automatic variable frequency chemical feed and ph values. then, the thesis illustrates the software development of the system from two aspects: the kernel modules for lower-end computer consisted of chemical-feed automation and mud-removing automation. i adopted the simatic step 7 development platform to do underlying plc application development, and for human-machine interface of upper-end computer, i choosed the powerful fameview component software, implement the functions of colorful screen picture, automatic displaying and button-based operations. at last, the thesis provides an overview of the operation conditions of the system, and elaborates to some extent the subsequent development, the expansion of the system and some advanced intelligent control algorithms which have not been used yet. the purpose of this thesis is to implement a whole-course automatic monitoring system of oily sewage treatment, which is practical, powerful and reliable. key words: sewage treatment supervisory control plc chemical-feed automation mud-removing automation 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 绪论绪论 1.1 课题背景和意义课题背景和意义 本文旨在设计和实现一个功能强大、运行可靠、性能稳定的含油污水处理监控 系统。长期以来在石油开采过程中，所产生的工业污水未经任何处理或者仅经过非 常简单的沉淀及油水分离后就排放在工业现场，对生态环境造成了极大的破坏，同 时也造成了资源的浪费12。胜利油田、中原油田、长庆油田的采出液综合含水率均 已达到90%以上，每天需外排污水约8万m3 ，而外排达标率只有30%左右3。提高采 油污水处理率及采用先进有效的处理工艺成为解决采油污水外排问题的关键4。 根据环保部门要求处理后水的ph值应在68之间， 通常某工厂的生产工艺稳定 后，ph值要么呈现酸性，要么呈现碱性，所以加入药水的性质也是一定的。由于水 的ph值在7附近极易波动，如果加入的中和用药水过多或过少，都会使其ph值发生 偏差5。采用人工控制的方式很难完成控制要求，需要依靠自动控制系统，并配以 pid及模糊控制算法来保证控制精度。在工业现场中，通常有大量的强电设备，电 源和电磁环境有时非常复杂， 采用单片机为核心的自动控制系统可能因为无法适应 这样的环境而发生死机，可靠性很难满足要求。同时单片机自身性能上的局限性， 所以无法满足控制要求。采用工控机为核心的控制系统，在性能方面没有问题，但 成本相对较高。由于可编程逻辑控制器可靠性高、环境要求低，有多种输入、输出 开关量点数组合，开关量和模拟量有良好的可扩展性，可独立组成成本较低的自动 控制系统，也可以与工业计算机构成上、下位机系统，在污水处理控制系统中大量 采用6。 监控系统的开发有着重要的意义。随着人们环保意识的增强，及国家在环保方 面的相关政策的实施和本着高效节能的原则， 各个油田近几年相继在部分作业单位 实施污水处理计划，开展污水处理生产项目。其中污水处理过程的自动化控制是污 水处理项目中的重要组成部分。通过对生产污水的处理，使油水分离，沉淀分离水 中悬浮物，将生产污水处理成酸碱度适宜，所含盐分较少的工业净化水7。这样一 方面可以减小工业污水对油田生态环境的破坏， 另一方面充分提高了含油污水的回 收利用，减少对普通油井回注水的需求，不仅可以节约生产成本和资源消耗，而且 具有较大的经济效益89。 2 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1.2 国内外的发展现状及趋势国内外的发展现状及趋势 1.2.1 工业过程控制系统历程工业过程控制系统历程 从瓦特的“离心式蒸汽调节阀”问世以来，自动控制开始成长，经过了100多年 的发展，自动化技术已经成为了工业生产的命脉，也是一个国家工业水平和综合国 力体现。 1) 模拟仪表控制系统 模拟仪表控制系统于二十世纪六七十年代占主导地位。设备之间传输的信号为 15v或420ma的直流模拟信号。显著缺点是：模拟信号精度低，易受干扰；模拟 仪表功能单一，完成不同的控制任务，需选用大量多种型号的仪表；在操作监视方 面，大型工厂采用集中监控，需要安装在控制室仪表盘上的二次仪表多达数百台， 非常不便实时监控和故障处理10。 2) 集中式数字控制系统 集中式数字控制系统于二十世纪七八十年代占主导地位11。采用单片机、plc 或微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统 中模拟信号精度低的缺陷；提高了系统的抗干扰能力；在控制方式、控制时机的选 择上可以统一调度和安排12。然而集中式数字控制系统也有自身的局限，对控制器 本身的处理能力和可靠性要求很高，一旦控制器本身出现故障，系统就会瘫痪；另 一方面，为保证系统不间断运行，必须要对主控设备备份，因此增加了备份成本。 3) 集散控制系统 集散控制系统 dcs（distributed control system）于二十世纪八、九十年代 占主导地位13。其核心思想是，上位机集中监控管理，若干台下位机分布式控制现 场仪表设备，各上、下位机之间通过网络传递信息14。“集散控制系统”较 “集中式 数字控制系统”最大的改进就是集中管理、分散控制，风险分散化，具有高性能、高 质量、低成本、配置灵活的优点。可编程程序控制器控制系统 plc（programmable logic controller）、分散控制系统 dcs、监控和数据采集系统 scada（supervisory control and data acquisition ），广泛用于电站、发电厂、钢铁、石化、造纸、水泥 等工业领域的过程控制和信息管理15。 4) 现场总线控制系统 20世纪90年代走向实用化的现场总线控制系统fcs（fieldbus contorl syestem） 3 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 的时代16。fcs的突出特点是用开放的、可互操作的现场总线将各控制器及现场仪 表设备互连，将控制功能下放到现场；同时降低了安装成本和维护费用。随着现场 总线技术与智能仪表管控一体化的发展，用数字通讯代替420ma模拟传输，现场 总线控制系统实现了彻底分散的分布式控制系统。 5) “以太网+串行通信”的工业控制应用 随着时间的推移，工业以太网已经渐渐发展进入全球自动化的标准通信技术之 列。工业以太网为用户提供了更高的效率、更多的功能和更高的适应性，使得从管 理级到现场级的数据通信采用统一的方式。没有了接口互不兼容的问题，就可以在 整个公司网络中使用基于web标准的工具17。 1.2.2 目前国外、国内的污水处理技术状况目前国外、国内的污水处理技术状况 1) 国外污水处理技术状况 现代污水处理厂采用计算机控制日益普遍，欧美国家一些城市污水处理厂己经 用计算机进行数据记录和运行过程控制，甚至实现全自动化无人值守控制模式18。 如美国爱阿华水厂，在七十年代初开始研究微机自动控制水厂投加药剂，1975年应 用直接数字式计算机控制自动加矾，运转一年就降低矾耗20，并且提高了管理水 平和稳定了水质。此外，俄罗斯莫斯科水厂、日本东京朝霞水厂等也先后采用计机 自动控制水厂工艺，取得较理想效果19。现今许多美国大中型水厂均由集散型的自 动控制系统进行控制。在厂区范围内设有若干台计算机，对整个水处理过程实行多 环路控制，其中包括沉淀、过滤及反冲洗、化学药剂投放、泵等，设在中控室里的 计算机从各个现场级计算机和智能仪表中收集数据，供图表显示、曲线、各个设备 动作记录、设备故障报警等。在系统发生故障时，每一个自动控制过程都可切换成 手动控制20。 2) 国内的污水处理技术状况 国内污水处理厂虽还较落后，前几年基本仍是手工操作，但有些城市污水处理 厂引进全部或局部计算机控制，取得了一定的经验。目前，国内污水处理开始较大 规模的自动化改建进程21。现金，国内污水处理基本分为三个大的档次。 （1）手动操作 采用常规分散仪表对污水处理过程中的液位、流量、温度、浊度、ph值、污泥 浓度等性能指标进行离线或在线采集，根据数据得出控制要求，由操作员全人工的 方式在现场控制主要设备，如阀门的开闭，电机的启停，鼓风量的调节等等。 4 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 （2）半自动控制 通过数据采集器等手段采集局部过程量送入控制室，在控制室中由上位机显示 工艺流程的液位、流量、浊度、ph值、污泥浓度等过程参数，以及电机、阀门运行 状态，对生产过程进行监控；操作人员在线人工采集指标参数，现场控制设备的启 停并记录相关数据。 （3）全自动控制 采用计算机控制技术与多层次的网络结构，对污水处理全程生产工序进行全自 动控制。 生产过程控制中的各种信号通过相应变送器送入下位机， 比如plc作为控制 单元，运用pid控制、模糊控制等算法，实现现场设备的实时控制。这种控制方式将 是本文阐述的污水监控系统完成任务。 3) 我国石油石化行业含油污水的自动监控现状 经过50多年的发展，我国的石油和化工自动化已经从手动操作发展到自动控制， 从单一生产过程控制发展到复杂的控制系统。随着dcs的逐步成熟和引入，到上世 纪80年代，在石化行业已经取代了以前的常规仪表控制与pc机直接控制模式，着自 动化技术的发展，仪表更新换代的加快，电子仪表的使用比例越来越高。目前国际 石油和化工自动化系统软件的比重不断增加。过去自动化系统硬、软比例为7：3， 现在整个自动化系统的硬、软比例为3：7。我国自动化市场有着巨大的潜力，具估 计仅石化行业就有超过3000亿的石化自动化设备需要更新。自2003年，中国dcs市 场的规模为45亿元，到2008年将增加到90亿元22。 1.2.3 含油污水处理的新技术研究及现状含油污水处理的新技术研究及现状 针对目前实际应用处理技术的缺陷开展了大量新技术的研究工作。主要包括: 1) 膜分离技术：处理采油污水，方法简单，分离效率高。研究表明，陶瓷膜具有较 佳的分离效果，含油污水处理后达到排放要求23。 2) 超声波破乳技术：主要是声强、频率、作用时间、介质温度、声波对介质的作用 方式等要素的作用。对三次采油采出液进行破乳脱水，是三次采油中的配套技术 之一，对提高三次采油的经济效益具有重要意义。 3) 高级氧化技术(aop)：主要包括臭氧氧化技术，光催化氧化技术，超临界氧化技 术，湿式氧化技术等，虽然处理效果好，但由于成本高、技术欠成熟，并未大面 积推广使用24。 5 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1.3 课题研究的内容与设计目标课题研究的内容与设计目标 1.3.1 研究内容研究内容 1) 研究污水处理站的工艺状况及目前站内各类工艺运行设备（如泵、变频器、灌） 的运行状况，调查污水处理站的生产流程，为课题的深入研究打下良好的基础。 2) 通过对生产状况的研究，确定重要工艺流程中的各类参数，调查各种计量自控仪 表的参数及原理特性。 3) 简历合适的过程控制模型，更具相应功能模块制定系统实现模块规划。 4) 系统的软硬件实现细节包括刻变成逻辑控制器和组态软件的使用开发方法及一 些控制过程的关键算法和实现方法。 1.3.2 设计目标设计目标 对系统进行合理规划，在符合污水处理工艺要求的基础上，使系统具有可扩展 性，并从软件和硬件方面入手，确保污水处理的质量及较高的自动化程度。 1) 硬件控制任务 根据江汉油田采油厂王一联合站的含油污水处理工艺要求，本流程包括有调储 罐、除油罐、沉降罐、缓冲罐、加药系统。主要是阀门和泵的运行状态、污水流量、 罐体液位、气路供气压力以及加药系统信号的远传显示和处理。控制系统采用 plc 分散控制，工业屏和工控机人机交互界面同步集中显示，从而实现采用计算机集散 控制思想，对污水处理过程进行分散远程控制、集中监视和管理控制。 2) 系统软件功能具体要求 根据操作现场的要求，系统必须具有手动、自动切换功能，同时系统不能因手 动、自动控制模式的切换影响到各阀、开关状态的集中显示；系统画面包括罐、管 线灯静态图形的显示和 ph 值、液位、开关状态等动态参数的显示；动态显示的仪表 数据，必须设定其允许的安全界限，超过安全范围则弹出报警信息；对控制系统的 硬件和软件运行情况进行远程诊断，显示正常或故障的相关信息；动态更新子模块 或子系统回路的实时数据，根据实际情况的需要及时做出调整和反应，实现对系统 的最优化控制；可以在总体工艺流程中显示流量、压力、液位、进液排污时间、ph 值等重要参数的实时曲线图，一年以内的历史数据查询，以及各种班报表、日报表、 周报表等多种形式 excell 文件形式输出和打印。 6 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1.4 论文的内容安排论文的内容安排 全文内容主要分五个部分阐述： 第一部分，叙述了本文的课题研究背景，纵览污水处理自动控制技术国内外的 发展现状及趋势，提出了研究内容及设计目标，并对论文的内容做了总体安排。 第二部分，通过对油田污水站的工艺流程、运行设备及相关参数的分析，提出 整体的设计方案，并对控制系统的功能，系统设备及仪表选用，变频器系统，可编 程程序控制器等系统组件进行阐述分析，为实现项目设计打好技术理论基础。 第三部分，系统硬件的实现。确定系统的硬件总体设计方案，设计对现场设备 和仪表的控制方法，以实现控制任务。 第四部分，系统软件的实现。下位机编，实现 plc 与现场设备的交互；上位机 及人机界面的设计。主要的功能模块有，自动加药子系统、自动排泥子系统、实时 及历史数据查询模块、报警处理模块。 第五部分，总结全文，综合评价系统的运行性能和特点，并提出对系统后续开 发的展望。 7 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 油田污水站监控系统总体设计方案油田污水站监控系统总体设计方案 2.1 油田污水联合站的基本状况油田污水联合站的基本状况 联合站就是油气集中处理联合作业站。作为采油工程的配套设施，主要功能是 油气集中处理（原油脱水、天然气净化、原油稳定、轻烃回收等） 、油田注水、污水 处理、供变电和辅助生产。为了彻底改变设备陈旧、工艺落后、基础管理复杂、工 人技术素质低等现象，自 2004 年，江汉油田采油厂开始全面的对油区、作业区的污 水联合站进行改建扩建工程。 王场联合站担负着油田王场、张港、代河等 6 个主力区块的原油脱水、脱盐、 脱气、油气集输、污水处理和污水回注任务，属“甲级防爆、一级防火”重点安全 生产单位，是油田油气生产的中枢部位25。该站自 1969 年建站以来，年均输油 45 万吨，处理、回注污水 270 万立方米。目前，原油三脱处理集输量已经达到 1000 吨左右26。 从国内外油田生产情况来看，油田含油污水经处理后的去向一般有三种： (1) 回注代替清水资源直接回注地层或配制聚合物后回注地层； (2) 回用处理后作为热采锅炉的给水； (3) 外排处理后达到国家污水排放标准，直接排放。 2.2 油田联合站相关工艺流程油田联合站相关工艺流程 2.2.1 国内含油采出水处理的主要工艺国内含油采出水处理的主要工艺 国内采油污水处理工艺大多是以满足地层回注和回灌为目的设计的。以沉降 - 气浮 - 混凝 - 过滤为基础，采用的主要技术包括重力除油、压力除油、混凝、浮 选、过滤等。主要工艺为： （1）自然沉降混凝沉降压力过滤。 该工艺具有除油效果高， 出水水质稳定， 易维护的优点27。 （2）混凝除油压力过滤。随着原油脱水设备的改进，来水含油量越来越低， 在原三段基础上改进成两段，但存在抗冲击性差的缺点28。但是随着污水中大量泥 砂的出现，污水处理由原来的油、水两相分离改为油、水、泥三相分离29。 8 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 （3）粗粒化除油混凝除油压力过滤。提高了处理设备的处理效果和能力， 解决了除油罐体积过大问题，但随着采出液含砂量的增加，此技术逐渐被淘汰30。 （4）斜板除油气浮压力过滤。 处理效果要远远优于混凝除油， 具有占地少、 去除率高的优点，但存在抗冲击能力差，对进水要求高的缺点31。 2.2.2 王一污水联合站的主要工艺流程王一污水联合站的主要工艺流程 江汉油田王场第一污水联合站改建工程工艺流程图32，如图 2.1 所示： 图 2.1 江汉油田王场第一污水联合站工艺流程总图 污水来自油区 污泥去污泥堆场 污油去油站 缓冲罐 沉降罐 2 除油罐 1 沉降罐 1 调储罐 污水池 过滤器 污泥池 王一污水联合站改造工艺流程图 绘制人：李菲 液碱 杀菌剂 缓蚀剂 絮凝剂 处理水去注水站 除油罐 2 9 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 油田采出水是从生产单井和各计量站、原油联合站等各生产环节对原油进行简 单的油、水、气三相分离后产生的，含有原油、固体杂质颗粒、硫化物、和溶解盐 类等多组分的混合液体。 来自油区的含油污水，首先进入调储罐进行最初的油、汽、水分离；其次，进 入除油罐1、2进行一次沉降；然后，进入沉降罐1、2进行二次沉降；最后沉降后的 污水进入缓冲罐做最后处理。同时在各个罐中用排泥器排出污泥，再由提升泵从缓 冲罐吸水升压后进入滤罐过滤，过滤后的水进入外输水罐，由外输泵送至注水站。 经过除油、排泥、加药、过滤等工艺之后方可排放。 1) 王一污水联合站除油工艺 观国内油田采油污水处理技术，大都是以“老三套”为基础处理，达到注水标 准和外排标准33。按照主要处理工艺过程可分为重力除油工艺、压力除油工艺、气 浮除油工艺和精细过滤工艺等。江汉油田王一站采用的是重力除油工艺，如图2.2所 示： 图 2.2 除油工艺流程图 （1）重力除油工艺的主要特点： 利用油、浮游固体和水的密度差，依靠重力进行分离。 （2）重力除油工艺的工作原理： 一般分为两级，一级是一次除油罐中为自然沉降，将浮油、颗粒较大的固体除 去，同时还具有均匀水质和水量的作用；二级是二次混凝沉降罐的去除对象是油田 采出水中的分散油等，通过投加水质净化剂形成絮凝体。在重力作用下使油珠悬浮 物从水中分离，最后经多级过滤，出水水质基本可满足高渗透油藏注水需要。 （3）重力除油的优点： 该工艺简单，处理效果稳定，运行费用低，对原水含油量变化适应性强。缺点 是当处理水量大时滤罐数量多，流程相对复杂，自动化程度低，沉降时间长，一次 外来污水一次沉降罐二次沉降罐 滤 罐 升压泵 气浮选机 升压罐 外输泵外 输 净化水罐 10 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 投资高，适应于对注水水质要求低的油田。 2) 王一污水联合站加药工艺 含油污水的主要成分为游离态的原质稠油、乳化态油、胶质、有机物及无机盐 等，在含油废水处理中，利用多种化学药剂针对性地去除水中需要去除的成份。首 先用a剂中和废水中胶体微粒和乳化油表面电荷，破坏胶团的双电层，使乳化油胶团 的排斥电位消失， 而形成团聚逐渐与水分离； 再利用b剂 （有机高分子聚合物助凝剂） 形成团状絮凝体。废水通过加压、加气、加药、气药水混匀、释放的处理工艺流程， 达到净水的目的。 （1）絮凝a剂：在沉降罐1、沉降罐2和污水池的入口加入。 絮凝剂是用来使溶液中的溶质、胶体或者悬浮物颗粒产生絮状沉淀的物质， 在 固液分离和水处理过程中， 用以提高微细固体物的沉降和过滤效果。 （2）杀菌剂：在缓冲罐的出口加入。 杀菌剂顾名思义就是对污水起杀菌作用。需要指出若只是投加在外输出口管线 上，由于加药点在处理工艺的末端，一方面站内取样无法监测到杀菌效果，细菌残 骸会造成二次污染；另一方面过滤器内细菌滋生，造成滤料变质，影响处理效果。 而将杀菌剂和絮凝剂混合同时投入除油罐和沉降罐内，药剂投加方式由单一的冲击 式投加，改为站内连续投加和站外管线冲击式投加相结合的方式，以保证杀菌的持 续性。 （3）缓蚀剂：在调储罐之前和过滤器之后加入。 20世纪70年代以来对co2腐蚀的研究表明，在相同ph值下，co2水溶液的腐蚀性 能比盐酸强，同时在采出水中也含有一定的h2s气体，也具有相当的腐蚀性。投加有 针对性的缓蚀剂，能够改善污水性质，防止对罐体和管线的腐蚀。 （4）液碱：直接加入沉降罐1和沉降罐2中。 烧碱具有强碱性，在水中有相对高的溶解性，这样液态的烧碱（液碱）容易衡 量。用以消除水的硬度；调节水的ph值；对废水进行中和；离子交换树脂的再生； 通过沉淀消除水中重金属离子。 3) 王一污水联合站排泥工艺 在污水站的沉降罐底部安装负压排泥或穿孔管排泥工艺，配套完善污泥浓缩工 艺。可以避免污泥在系统内恶性循环。排泥后沉降罐底部的悬浮物含量可下降 66 324mg/l， 对改善水质有重要作用34。 针对回收水池底部清淤困难， 污油结盖的情况， 11 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 对各污水站的回收系统进行改造，在池底部安装负压排泥装置，池内安装了可上下 爬行的潜水泵，将上部污油回收进入收油罐，中部的污水回收进污水系统，保证水 系统的平稳运行和减少污水波动。 4) 辅助工艺 （1）反冲洗工艺应用变频技术 通过变频控制反冲洗强度，可以有效解决手动反洗工艺反冲洗强度难控制，过 大造成滤料流失，过小难以保证反洗效果的问题，提高反冲洗效果。 （2）反冲洗分配装置 反冲洗分配装置，即将反洗前 7 分钟和后 8 分钟排水分段回收，前 7 分钟排水 最后进入污泥浓缩装置，后 8 分钟排水回收到水处理系统前段。可以有效解决滤罐 反洗初期排水悬浮固体和含油量高的问题，完善反洗水回收工艺，如图 2.3 所示： 图 2.3 反冲洗流程图 （3）污水回收二次处理 回收污水池和污泥池内的污水可以通过回收泵输入到一次沉隆罐进行二次处 理，避免了一次排污不足而对资源的浪费，回收流程如图 2.4 所示： 图 2.4 回收污水流程图 2.2.3 生产运行中的相关参数生产运行中的相关参数 整个污水处理站在生产过程中运行的设备很多，主要的运行设备有，启动蝶阀、 排泥器、排泥动力泵、污水提升压泵、外输泵、回收泵、搅拌电机、电磁流量计、 变频控制柜、各类计量自控仪表、工控机系统，相应的设备参数有一下几种。 1) 生产监测参数 从污水处理站工艺流程中可以看到，为了保证污水处理站安全平稳有效运行， 必须要时刻监测一些生产运行参数35。主要有罐液位，回收污水池及污泥池的液位， 外站来污水流量、外输水流量、ph 剂量计值。 清 水 回收污水池反冲洗泵 过滤器 污水池液位监测 污泥池液位监测 启污水提升泵 一次沉降 12 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2) 自动控制单元 气动阀开、关程序控制及状态，四路变频加药调节及搅拌器的开、关程序控制。 3) 排泥器的进口阀和出口阀的排泥时间和憋压时间 排泥质量主要取决三个方面:排泥强度、排泥时间、排泥周期，通过控制进口阀 和出口阀的闭合，来决定排泥时间和憋压时间，从而控制排泥的强度和效果。 4) 处理后排出水指标要求 含油20mg/l、固体悬浮物20mg/l、悬浮物料径中值 5mg/l36。 2.3 项目开发步骤项目开发步骤 项目开发遵循调查分析、项目立项、项目计划、项目实时、交付实施，到后期 服务和技术支持的过程，我们的自动监控系统的开发项目也有着自己的一个完成的 项目实施阶段的安排，如图 2.5 所示： 图 2.5 项目实施阶段图 联机统调 评估控制任务 是否满足 模拟运行 程序检查、 调试 程序设计 做控制柜 控制流程设计 plc 机型选择 i/o 配线 plc 安装 程序备份 交付使用 修改软、硬件 13 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 在了解了现场工艺流程和相应的背景资料后，开始对系统进行总体设计和方案 选定。从需求分析、控制任务评估、硬件选型、程序设计、到联机调试、交付使用， 必须系统有序的逐步完成。 2.4 控制系统的功能分析控制系统的功能分析 2.4.1 系统硬件构成系统硬件构成 根据江汉油田采油厂王一联合站的含油污水处理工艺要求，本流程有新增的调 储罐、除油罐 2 具、沉降罐 2 具、缓冲罐、加药系统构成，约有 40 余个控制节点。 通过阀门和泵运行状态可采用开关信号、电磁流量计流量、雷达液位计液位、压力 以及加药系统信号的远传显示及处理，控制系统采用工业屏 plc 集中显示及工控机 人机交互，从而实现采用计算机集散控制方式，对污水处理过程进行分散控制、集 中监视和管理控制37。具体的控制任务如下： 1) 每具罐的自动排泥任务。调储罐是两个进口阀，两个出口阀；其它 5 具罐均是一 个进口阀，两个出口阀。根据憋压时间和排泥时间，控制阀的闭合，实现罐的自 动排泥。 2) 每具罐的罐内液位显示与报警。 通过雷达液位计的反馈信号确定罐内液位是否在 安全范围内，从而控制阀的闭合。 3) 排泥动力泵的启停。 4) 污水提升泵的启停。 5) 四路变频加药的控制。每路变频控制根据电磁流量计和 ph 计的反馈信号，又分 别每个加药槽的搅拌机和计量泵进行控制。 2.4.2 系统软件功能要求系统软件功能要求 软件部分，包括了下位机 plc 的程序开发，用于与现场设备仪表数据通讯及控 制任务的完成；上位机的人机界面的开发，为操作员提供一个远程控制设备的图形 化操控平台。 1) 具有手动、自动切换功能，集中显示不受（手动、自动）控制方式影响。 2) 流程图画面功能：显示静态图形和动态参数（如动态数据、开关、趋势图、动态 液位等） 。单击动态参数可在流程图画面上弹出该信号点相应的内部仪表，在动 态数据上单击鼠标右键可弹出动态数据的相关信息，最好采用动画方式显示。 14 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3) 报警一览画面功能： 根据组态信息和工艺运行情况动态查找新产生的报警信息并 显示符合报警条件的信息。每条信息可显示：报警时间、位号、描述、动态数据、 类型、优先级、确认时间、消除时间等。并可根据要求修改、组合报警信息的显 示内容。 4) 故障诊断画面功能： 对控制系统的硬件和软件运行情况进行远程诊断， 以便及时、 准确地掌握控制系统运行状况，显示全过程的各种故障，操作员可以查看故障内 容，便于维护管理和应急处理。 5) 调整画面功能：根据组组态信息和工艺运行情况，动态更新某个模入或回路位号 的实时数据值、历史趋势图、相应仪表的参数和状态，实现对系统的优化控制。 6) 数据报表功能：显示生产工艺所需的流量、压力、液位、进液排污时间、ph、 加药系统相关参数等的历时、动态数据并可以报表方式输出。 2.5 控制系统的选型分析控制系统的选型分析 分析目前工业自动化控制系统的潮流，并且结合江汉油田采油厂对王一污水联 合站监控系统的功能需求和实际控制任务，比较各种模式系统的优缺点，选定最佳 的系统设计方案。 2.5.1 工业过程控制系统工业过程控制系统 目前，在连续型流程生产自动控制或习惯称之谓工业过程控制中，有三大控制 系统，即可编程逻辑控制器 plc、集散控制系统 dcs 和现场总线控制系统 fcs。20 世纪 60 年代末研制的作逻辑运算的 plc，主要应用于汽车制造业。20 世纪 70 年 代中期已完成模拟量控制的集散系统， 又称分布式控制系统， 代替以 hd 运算为主的 模拟仪表控制。到了 20 世纪 90 年代走向实用化的现场总线控制系统，较 dcs 控制 系统突出的特点是开放式、数字化、多点通信的最底层的通信网络。真正实现了现 场底层设备之间以及现场设备与外界的信息交换。 1) plc、dcs、fcs 三大系统的趋同性： 首先指出的是，随着“四 c 技术：计算机(computer)、通信(communication)、 crt 显示和控制(control)”的飞速发展，plc 输入输出功能的发展，dcs 网络通讯 方面的完善，智能仪表技术的发展，大型的 plc、dcs 和 fsc 之间已经没有了明显 的界限。 15 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 （1）从功能来说 plc 已经具备了模拟量的控制功能， 有的 plc 系统模拟量处理能力甚至还相当 强大，比如西门子的 s7 400、abb 的 control logix 和施耐德的 quantum 系统。而 dcs 也具备相当强劲的逻辑处理能力。 （2）从系统结构来说 plc 与 dcs 的基本结构是一样的。plc 发展到今天，已经全面移植到计算机系 统控制上了，传统的编程器早就被淘汰。小型应用的 plc 一般使用触摸屏，大规模 应用的 plc 全面使用计算机系统。和 dcs 一样，控制器与 io 站一般也是采用的基 于 rs485 或 rs232 异步串口通讯协议的总线方式，控制器与计算机之间，也就是说 只使用一台计算机的情况下，也会使用这个总线通讯。但如果有不止一台的计算机 使用，系统结构就会和 dcs 一样，上位机平台使用以太网结构。 （3）fcs 是 plc 和 dcs 的共同发展方向 小型化的 plc 将向更专业化的使用角度发展，比如功能更加有针对性、对应用 的环境更有针对性等等。大型的 plc 与 dcs 的界线逐步淡化，直至完全融和。dcs 将向 fcs 的方向继续发展。fcs 的核心除了控制系统更加分散化以外，特别重要的 是仪表。fcs 在国外的应用已经发展到仪表级。控制系统需要处理的只是信号采集 和提供人机界面以及逻辑控制，整个模拟量的控制分散到现场仪表，仪表与控制系 统之间无需传统电缆连接，使用现场总线连接整个仪表系统。 2) plc 和 dcs 区别 （1）从发展的来源上说 dcs 从传统的仪表盘监控系统发展而来。dcs 的天性在于重仪表的控制，比如 abb 的 freelance2000 dcs 系统甚至没有 pid 数量的限制； 而 plc 从传统的继电器 回路发展而来，强调的是逻辑运算能力，最初的 plc 甚至没有模拟量的处理能力。 （2）从系统的可扩展性和兼容性的方面来 plc 系统一般针对于设备来使用，一般没有扩展需求，比如两个或以上的系统 要求资源共享，对 plc 来讲也是很困难的事。dcs 发展中各厂家内部（过程级）的 通讯协议不同，但操作级的网络平台都选择了以太网络，采用标准或变形的 tcp/ip 协议，提供了很方便的可扩展能力。在这种网络中，控制器、计算机均作为一个节 点存在，各个系统也可很方便的通讯，以实现资源共享。 16 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 （3）从数据库方面来说 dcs 一般都提供统一的数据库。当一个数据存录入数据库中，就可在任何情况 下引用，比如在组态软件中，监控软件中，趋势图中，报表中统一引用。而 plc 系 统的数据库通常都不是统一的，组态软件和监控软件甚至归档软件都有自己的数据 库。西门子 plc 到了 pcs7 系列系统才使用统一的数据库。 （4）从时间调度上来说 plc 程序是从头到尾执行一次后又从头开始执行，而 dcs 可以设定任务周期， 比如快速任务等。同样是传感器的采样，压力传感器的变化时间很短，我们可以用 200ms 的任务周期采样， 而温度传感器的滞后时间很大， 可以用 2s 的任务周期采样， 这样，dcs 可以合理的调度控制器的资源。 （5）从网络结构发面来说。 常见的 plc 系统为一层网络结构，因为工作任务相对简单，传输的数据量不太 大，所以，过程级网络和操作级网络要么合并在一起，要么过程级网络简化成模件 之间的内部连接。 dcs 惯常使用两层网络结构，第一层网络为过程级和第二层网络为操作级。过 程级上，比如西门子的 profibus、abb 的 can bus、施耐德的 modbus，均建立在标 准串口传输协议 rs232 或 rs485 协议的基础上。由于现场 io 模块，特别是模拟量 的采样数据十分庞大，干扰因素较多，应选用基于 rs485 串口异步通讯方式的总线 结构。而在操作级上，io 的采样数据经 cpu 转换后变为整形数据或实形数据，在操 作级网络上传输，因操作级网络一般布置在控制室内，抗干扰要求较低，可以采用 数据吞吐量适中、 传输速度快、 连接方便的 tcp/ip 标准以太网， 一般可达 100mbit/s 的通讯速度。 （6）从应用对象的规模上来说 plc 一般应用在小型自控场所，设备的控制或少量的模拟量的控制，大型的应 用一般都是 dcs。习惯上把大于 600 点的系统称为 dcs，小于这个规模叫做 plc。 3) fsc 较 plc、dcs 的突出特点 （1）层级结构不同 通常 plc 是一层结构，dcs 是两层结构，而 fsc 是三层结构，工业现场分工厂 级、车间级和现场级，有的大型的工厂分五层，即工厂级、车间级、单元级、工作 17 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 站级和现场级。 （2）i/o 接线方式不同 基于 pc、plc、dcs 的分布式控制系统，其主要特点之一，现场层设备与控制 器之间的连接是一对一的 i/o 接线方式，一个 i/o 点对应一个测控点，传送模拟量 信息的信号传递 420ma 或传送开关量信息的信号传递 24vdc。 一对一的接线方式 如图 2.6 所示： 图 2.6 dcs 系统层次及 i/o 接线图 4）现场总线技术的意义 （1）现场总线技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通 信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信 电缆将智能化、 带有通信接口的现场设备连接， 用数字化通信代替 420ma/24vdc 信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。 （2）传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、420ma/24vdc 信号， 信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工 厂中的“信息孤岛”，严重制约了企业信息集成及综合自动化的实现。 （3）基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统 与设备加入工厂信息网络， 构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一 直延伸到生产现场。在 cims 系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延 伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。 18 华华 中中 科科 技技 大大