基于PLC和IFIX的废水处理系统设计.pdf

收稿日期 作者简介 杨晓鹏 男 山西长治人 硕士 研究方向 智能控制与自动化 引用格式 杨晓鹏 郑 晟 郝振宇 基于 和 的废水处理系统设计 煤炭工程 基于 和 的废水处理系统设计 杨晓鹏 郑 晟 郝振宇 太原理工大学 信息工程学院 山西 太原 摘 要 设计了一种基于西门子 系列 的超滤反渗透控制系统 并运用 组态软件作为上位机对系统运行进行实时监控 整个系统采用分布式控制结构 利用工业以太网 通过 协议实现上位机和下位机的通讯 并通过传感器和智能仪表对实时数据进行采集 实现了对现场设备的精确控制和实时监控 现场应用表明 该系统提高了矿山污水处理系统的工 作效率 对企业的自动化生产和现代化管理有一定的推动意义 关键词 废水处理 超滤 反渗透 中图分类号 文献标识码 文章编号 随着煤炭产业的急速发展 煤矿开采对周围水资源的 污染问题日趋严重 对环境的污染程度越来越严重 并且 可供人类使用的淡水资源不断减少 如何利用现代化的 工业技术手段实现对被污染水资源的回收利用 减少对环 境的污染 实现经济的可持续发展 加强科学管理 进一 步减少企业负担成为目前研究的热点问题 然而生产中 煤炭企业往往对被污染水资源进行处理不足 造成了环境 污染 或者对超滤反渗透系统进行手动控制方式 每隔一 段时间需要人工对系统进行加药清洗 且需要操作人员 不间断监控值守 操作人员工作强度很大 如果对添加的 药剂用量把握不精准 会对超滤反渗透膜造成永久性损坏 不利于废水处理系统的正常运行 针对以上问题 本文设计了一套基于西门子 系 列 的超滤反渗透控制系统 实现矿山水资源处理设备 的自动化运行 并运用 组态软件对工业现场进行监 控 实行数字化管理 工作人员可以通过上位机监控界面 准确的掌握系统各部分的运行状态 为企业的信息化建设 提供了较好的平台 系统介绍 被控对象 该系统主要是针对煤矿企业的超滤系统 反渗透系统 进行联合控制 超滤系统的设备主要包括多介质过滤器 套 超滤装置 套 每套装置有 支超滤膜 超滤水箱 个 化学清洗装置 套 反渗透系统包括有高压水泵 个 反渗透膜 套 每套 支反渗透膜 按 的方式分两 段排列 中控室由可编程控制器和上位机监控系统组成 可编 程控制器通过现场的传感器和智能仪表所检测得到的数据 经过模数转换传入上位机 并在监控系统中显示 实现远 第 卷第 期 煤 炭 工 程 端监控功能 工作原理 回收污水首先流入多介质过滤器 将体积较大的杂质 滤除 防止损坏超滤膜和反渗透膜 经过预处理的废水流 入超滤系统 超滤膜对杂质的截留半径为 主要是对污水中的大分子物质如蛋白质 胶体 藻类等进 行过滤 过滤后的水流入超滤水箱 小部分用于对超滤膜 的反洗 大部分超滤产水经高压泵升压后流入反渗透系统 反渗透膜对离子和无机盐等小分子物质有很好的过滤效果 两层反渗透过滤器可以滤除 以上的无机盐 从而保证 反渗透产水达到工业用水和煤矿日常用水的标准 系统 的工作原理如图 所示 图 系统工作原理图 控制方案 根据现场设备的分布结构 采用集中管理 分散控制 的原则 将系统分为三层 第一层为管理层 由监控计算 机和打印机通过 协议用以太网和 进行连接 并对监控计算机设有操作权限 第二层为控制层 通 过现场总线技术与变频器 智能仪表连接 同时采用 模块使得分布式 与现场的开关量 模拟量设备 连接 既解决了现场设备分布的复杂性 又保证了数据通 信的可靠性与即时性 第三层是设备层 主要包括阀门 电机 传感器和智能仪表等 系统结构如图 所示 图 系统结构图 硬件选型 系统选用西门子公司的 系列 作为控制器 作为工控机 系列组态软件组建上位 机监控系统 模块选用西门子 该模 块有集成的以太网接口 无须独立的以太网模块便可以通 过工业以太网实现与下位机的通信 支持 现场总线通信 电源模块选用交流供电的 输 入 输出模块的选择不仅要根据现场电气元件所需的 点 数 同时要增加 的可扩展备用余量 以便将来系 统升级和维护 由此 数字量输入选用 块额定输入 的 数字量输出选用 块 继电器输出的 模拟量输入选用 块 通道的 模拟量输出选用 块 通道的 根据现场工艺 杀菌剂 阻垢剂和化学清洗试剂的添 加 选用 智能称重仪表 通过数字滤波技术 可以 得到稳定 可靠的用量值 有较高的准确度 温度仪表选 用 系列的智能温度控制仪表 压力的检测采用 压力变送器 进水流量和产水流量的检测选用智能涡街流 量传感器 变频器选用西门子 变频器 作为 主站与现场智能仪表和设备通 信 需要添加 模块及硬件狗 安装串 行通信模板驱动程序及 主站驱动程序 设置通信参 数后 与现场智能仪表通讯参数一致 可通过调用发送或 接受程序块以轮询的方式读取智能仪表数据 控制程序设计 控制要求 系统采用 编写控制程序 控制方式分为远程控 制和就地控制 远程控制又分为手动控制和自动控制 根 据控制要求 编程采用结构化编程方式 将整个控制 程序分为若干个子程序模块 系统要求 超滤膜和反渗透膜的运行和清洗过程要实 现自动控制 并且运行时间和反洗时间能够自行设定 膜 两侧压差要控制在 以内 当膜两侧压差高于标准值 或者产水量比初始值下降 或达到规定的清洗 时间时 就需要启动对超滤 反渗透膜的清洗 并且间隔一 段时间需要对膜进行化学清洗 在系统停止运行后和将要 投入运行前要对膜进行一次清洗 系统运行过程中 对阻 垢剂和杀菌剂的添加非常关键 必须保证用量适中才不会 对膜件产生损坏 如果运行过程产生故障 需设置紧急停 止按钮 保障设备和工作人员的安全 程序设计 编程采用 和 两种语言 对两种语言的灵 活使用可以减少程序开发的时间 为了能快速 稳定的得 到压力值和流量值 软件中的 控制功能模块 实现流量 压力的 控制 控制器可以消除 稳态误差 减小系统的超调量 改善系统的动态性能 是组织块 是初始化程序 作为主程序块对子程序块进行组织调用 子程序块包 括通讯处理子程序 模拟量转换标定子程序 远程手动控 设计技术 煤 炭 工 程 年第 期 制程序 自动控制程序 保护处理程序等 其中 是生 成报表的触发程序 是系统的通讯功能模块 是超滤和反渗透自动控制程序 是用于在上位机 监控 系 统 对 设 备 进 行 远 程 手 动 控 制 分别对应重量 温度 流量以及对变频器的 控制程序 分别为报表 阀门 电机基 本程序 并作为局域背景块供其他 块多重背景编程使 用 和 将现场采集到的模拟量数据进行转换 标定 用于当测量数据超出系统设置上 下限时进行 报警处理 是计时模块 是可供 全局调用的共享数据块 周期调用 进行 运算 通过变频器控制高压泵 反 洗泵和入水泵 实现对膜两侧压差 进 出水流量和反洗时 间的控制 从而达到控制反渗透产水质量的目的 程序结 构如图 所示 图 程序结构图 自动控制流程 超滤反渗透装置的自动运行程序是可编程控制器程序 设计的重点 因为程序设计的对错 繁简直接影响到工作 人员 现场设备的安全和工艺流程的运行效果 对反渗透 产水是否能达到企业生产和日常用水标准密切相关 本系 统采用顺序控制的方法将整个过程分为三个阶段 程序初 始化阶段 系统正常运行阶段和膜件清洗阶段 对膜件清 洗的效果好坏 直接影响到系统运行的安全性和反渗透产 水质量 特别是化学清洗的过程 对所加化学试剂的量有 非常严格的限制 过少则清洗不彻底 过多则会对膜件产 生损坏 影响后期运行维护的效果 因此 在对膜件清洗 的环节 系统采用 控制器进行控制 从而将添加的化 学试剂严格控制在最佳的范围之内 程序控制流程如图 所示 图 自动控制程序图 监控系统 和 的通讯 通过以太网与下位机 进行通讯 具有可靠性 高 通讯速率快 传输量大等优势 可以保证监控室和可 编程控制器在传输大批量数据时的高效性和稳定性 在 中添加 驱动 对驱动进行网络设置 选择 协议 在该驱动下添加通讯通道 在通道 下选择设备 在设备下添加数据块 数据块中变量 地址的设置要和 中数据块地址相一致 人机界面的编写 为了实现对系统的远程监控 上位机采用 系列 组态软件创建监控画面 该组态软件在 系统下 运行 集安全性 通用性和易用性于一身 编程简单 实 时性好 数据库采用标准的 进行 数据处理 归档 支持 功能 可供工作人员随时查 看 上位机运行结构如图 所示 整个系统分为监控画面 历史曲线画面 报警记录画 面 操作记录画面 报表画面和数据监测画面等 监控画 面分为设备监控区和菜单栏两部分 菜单栏主要是用于向 其他附属监控画面的切换 监控画面是对超滤系统和反渗 透系统设备运行情况的实时监控 根据不同的运行状态区 年第 期 煤 炭 工 程 设计技术 图 上位机结构图 分以不同的颜色 同时还为用户设置了安全登录界面 不 同的操作员有不同的操作权限 保证系统运行的安全性 结 语 矿山污水处理系统的超滤反渗透装置通过运用西门子 公司的 系列 实现了系统自动化运行 从系统运 行以来 一直处于高效 稳定的运行状态 控制精度达到 了预期的效果 对污水的回收处理率达到了 以上 大 大降低了工作人员的工作量 实现了以自动化技术代替手 工操作 不仅降低了当地的水污染情况 而且节约了企业 的生产成本 实现了绿色生产的初步目标 提高了废水处 理工艺的自动化水平 具有很高的推广价值和发展前景 参考文献 蒋延梅 污水再生处理超滤 反渗透工艺技术经济型研究 北京 清华大学 王立宁 食品饮料行业微滤 超滤 反渗透膜的清洗 净水技术 闫 晗 动态膜及超滤反渗透在工业水处理中的应用 大连 大连理工大学 靳 雷 李宏伟 基于 和现场总线的锅炉控制系统 仪表技术与传感器 王 勇 苏 杨 商砚冰 等 与设备进行 通信方法 测控技术 梁云峰 虎恩典 周晓辉 等 及组态王在抗 生素发酵控制系统中的应用 制造业自动化 朱 晶 齐向东 基于 以及 的 与 的通信 电子器件 责任编辑 赵巧芝 上接第 页 由此可以得到最佳的拟合曲线方程 在本传感器补偿 中 选取 个测试点 采用上述方程式 得到拟合曲线如 下 通过项式曲线拟 合补偿设计进一步提高了姿态传感器的精度 结 语 通过上述的姿态传感器设计方案 最终实现了双轴量 程为 实际使用精度 电压范围 温度 特性小于 稳定性小于 等相关参 数的无线微功耗自供电姿态传感器 在取得煤矿安标相关 证件后 在唐口煤矿 阳泉煤业等多个煤矿液压支架姿态 监测系统上安装了多套无线微功耗自供姿态传感器 经过 长时间的使用取得了良好的使用效果 在煤矿设备及其它 工业设备上具有很广阔的应用前景 参考文献 范子荣 煤矿顶板压力无线智能监测装置设计 煤炭 工程 周庆飞 徐明龙 基于 的高精度倾角测量系统设 计与实现 自动化与仪器仪表 何 群 郝润芳 低功耗煤矿压力监测系统设计 工 矿自动化 陈烁辉 周 翔 王汉其 等 高精度倾角传感器检测系 统的设计与实现 仪器仪表装置 伊程毅 基于地磁和微惯性器件组合的姿态测量系统研究 哈