毕桂芳--基于PLC的油田污水处理系统的设计与实现改

工程硕士学位论文 基于 PLC 的污水处理系统的 设计与实现 毕桂芳 哈尔滨理工大学 2013 年 月 国内图书分类号 工程硕士学位论文 基于 PLC 的污水处理系统的 设计与实现 硕士研究 生 毕桂芳 导师 宋清昆 副 导师 申请学位级别 工程硕士 工 程 领域 控制工程 所 在 单位 自动化学院 答 辩 日期 2013 年 月 授予学位单位 哈尔滨理工大学 Classified Index Dissertation for the Master Degree of Engineering The System of designing and Application for Sewage Treatment Based on PLC Candidate Bi Guifang Supervisor Song Qingkun Vice Supervisor Academic Degree Applied for Master of Engineering Professional Field Conctol Engineering Date of Oral Examination 2013 University Harbin University of Science and Technology 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 基于 PLC 的污水处理系统 的设计与实现 是本人在导师指导下 在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果 据本人所知 论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果 对本文研究工作做出贡献的个人和集体 均 已在文中以明确方式注明 本声明的法律结果将完全由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于 PLC 的污水处理系统的设计与实现 系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文 本论文的研究成果归哈尔 滨理工大学所有 本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表 本人完全了 解哈尔滨理工大学关于保存 使用学位论文的规定 同意学校保留并向有关部 门提交论文和电子版本 允许论文被查阅和借阅 本人授权哈尔滨理工大学可 以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 可以公布论文的全部或部分内容 本学位论文属于 保密 在 年解密后适用授权 书 不保密 请在以上相应方框内打 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 I 基于 PLC 的污水处理系统的设计与实现 摘 要 本文介绍了含油污水处理工艺中自动化仪表的配置 对自动控制系统进行 了分析 与现有的油田污水处理工艺流程结合在一起 研究并设计了一种油污 水处理自动化系统 相比于其他系统来说 集成度较高 文中细致的阐述了污水处理自动化系统的控制方案 总结这些方案的利弊 从而得出污水处理自动化系统的最佳方案 工控机和可编程逻辑控制器 PLC 这里详细了解了控制设备和现场检测仪表的特点 分析了污水处理 系统的各个工艺流程 使系统模型更加准确 本文为某个污水站提出了一个相对合理的系统模型 在现有的控制设备和 自动化仪表的基础上 在这个系统模型的基础上 系统控制的方案分层控制 由于控制功能及控制目标不同 在仪表设备的选型中 要按控制任务来选择 文章介绍了西门子 SIMATIC 系列 PLC 和组态软件 WinCC 的特点 为了提高 开发效率 将 PLC 开发软件 STEP7 中定义的变量集成到 WinCC 中 对于加药 子系统与过滤子系统 本文也提出了一种好用的解决方法 关键词 污水处理 PLC WinCC 自动控制 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 目 录 摘 要 I 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景及意义 1 1 2 污水处理系统自动化技术国内外现状 2 1 2 1 国外发展现状 2 1 2 2 国内发展现状 2 1 3 课题研究的主要内容 3 第 2 章 油田污水处理控制系统总体方案 4 2 1 某油田污水处理工艺流程 4 2 1 1 某油田污水处理工艺流程 4 2 1 2 某油田污水站除油工艺 5 2 2 控制系统分析 6 2 2 1 控制系统的选型分析 6 2 2 2 控制系统的功能分析 7 2 3 控制系统的设计方案 8 2 3 1 系统的结构设计 8 2 3 2 控制系统工作原理 9 2 4 仪表选型 10 2 5 可编程控制设备及开发 11 2 5 1S7 300 系列产品的重要构成模块 12 2 5 2 PLC 控制系统的通讯网络结构 14 2 5 3 PLC 控制系统工作原理 15 2 5 4 PLC 的工作过程 18 2 6 本章小结 19 第 3 章 控制系统的硬件实现 20 3 1 控制系统的硬件实现 20 3 1 1 系统硬件选型及配置方案 20 3 1 2 PLC 输入输出信号 21 3 1 3 PLC 控制柜的安装 22 3 2 过滤子系统 23 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 3 2 1 过滤机理 23 3 2 2 过滤自动化系统基本组成 24 3 2 3 过滤系统的自动化实现方法 24 3 2 4 纤维球过滤器及其自动化实现 26 3 3 加药子系统 27 3 3 1 加药子系统的性能指标 27 3 3 2 加药系统的基本组成 28 3 3 3 加药系统的实现 28 3 4 本章小结 30 第 4 章 系统的软件实现 31 4 1 PLC 软件设计 31 4 1 1 主要控制流程 31 4 1 2 模拟量滤波 32 4 1 4 数字 PID 控制 33 4 1 5 变频器的控制 36 4 2 WinCC 组态软件设计 37 4 2 1 WinCC 的组成部分 37 4 2 2WinCC 调用 STEP7 中的变量 39 4 2 3 通讯实现 41 4 3 本章小结 42 结论 43 参考文献 44 个人简历 47 致谢 48 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1 1 课题背景及意义 油田采出水 钻井污水及站内其它类型的含油污水是油田污水的主要组成 部分 根据油田生产 环境等因素 油田污水可以有多重处理方式 由于油田 的石油储量和具有的能量是有限的 在开发油田过程中 随着油田年龄的不断 增加 被用掉的地层能量越来越多 地层压力大大下降 当压力降到某一值时 就会使原来的高压自喷的油井停止自喷 而不得不改为其他的采油方式 1 想要 使油田的采收率既高又稳 就需要补偿采油是用掉的压力 方法就是把处理过 的油田污水或者其他水源注入到油田中去 这样对水的质量就有一定的要求 水处理的质量提高了 就可对不堵塞地下油层起到一定的保证作用 并保持油 层有较高的压力水平 有利于提高最终的采收率 2 随着油田的不断开采 水的 比例在原油中越来越多 油田产出的含水油经油水分离后产生了大量的含油污 水 如果含油污水的处理不能达到国家 污水综合排放标准 GB8978 1996 中 的石油化工水污染物最高允许排放浓度 即石油类 10mg L 排放后将严重破坏 水体卫生条件 抽取出的水会有异味 对日常使用有很大的影响 因此油田的 含油污水处理越来越重要 1 除此之外 由于环境问题日益尖锐 国务院明确规定所有工业污染源都必 须达到排放标准 2 我国大部分油田采油年纪较长 采出来的油中含水率相对增 加 含油污水越来越多 每个油田如果想要保证原油产量 就要寻找新的油田 加快驱油技术的发展 那么含油污水处理就会面对新的问题 3 4 随着近海油田 的开发 含水会增多 渗透会降低 这样增加了油田的污水量 污水处理难度 也随之增加 5 6 因此 越来越多的污水经过污水处理站来处理多会考虑到节油 环保 注 水等各种因素 在油田污水处理环节上 自动控制技术在油田污水处理所面临 的问题是 如何合理的设计安全可靠和便于操作及维护的自动监测控制系统 保证污水处理站生产的平衡运行和合理优化控制 实现节能降耗 降低员工劳 动强度 提高处理污水效率 提高管理水平 现在国内外科学研究的热点问题之一就是自动控制系统 有一部分油田应 用了污水处理自动化系统 可这些系统实现自动化的部分只有一部分 特别是 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 2 加药自动化在系统中所涉及到的并不多 不十分完善的自动化水平 将污水处 理系统全部实现自动化的可能性不大 这成为油田注水系统中存在的一个问题 所以 将最新的工艺 PLC 控制技术以及计量自控检测仪表有效结合起来 将成 为当前油田污水处理控制系统提供有效的自控方法 7 1 2 污水处理系统自动化技术国内外现状 1 2 1 国外发展现状 在欧美等西方经济发达的国家 一直在污水处理的理论与技术有研究与创 造 对污水处理自动控制方面的问题更加注重 各种智能型 集成性以及高效 性的污水处理和自控仪表被研发出来 将计算机自控处理工艺应用到污水处理 系统中 得到了令人欣慰的结果 8 某些污水处理厂实现全自动无人值守控制 模式 主要采用的是用计算机将信息记载和运行过程控制 9 如二十世纪九十年 代年由美国艾姆科公司成功开发了多元合式智能型一体化污水处理装置 荷兰 大学开发的计算机控制内循环式水解生塔 意大利开发出一系列在线水质监测 控制仪 美国米顿罗公司也相继开发出了系列在线水质监测控制仪等 8 污水处理厂在应用计算机控制这方面在现代已经很普遍了 欧美国家使用 全自动化无人值守控制 用计算机进行信息存储和对运行过程进行空中 像美 国爱阿华水厂 在一九七零年开始考虑用计算机对污水处理厂的加药系统进行 自动控制 1975 年实现用计算机自动控制加矾的剂量 一年之后发现不但矾的 消耗降低了 20 管理的水平比以往好了很多 水质也相对稳定了很多 此外 俄罗斯莫斯科水厂 日本东京朝霞水厂等开始使用计算机自动控制污水厂 得 到的结果很乐观 如今有很对由集散型的自动控制系统控制的水厂 许多台计 算机设置在水厂的区域范围内 利用多环路控制系统 将污水进行处理 各个 现场级计算机和设备仪表中记录的信息通过中控室的显示频传达给操作人员 显示图表 曲线 每个设备的运行情况 设备是否出现问题等 一旦系统运行 异常 自动控制过程要及时的转换成手动控制 7 1 2 2 国内发展现状 国内污水处理厂与国外发达国家相比是非常落后的 手工操作是主要实现 过程 但近几年有很大改善 近些年有些城市将全部或局部计算机控制引到国 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 3 内污水厂中运行 取得了一定的经验 目前 大规模自动化改建将在国内污水 处理方面完成 9 现今 国内污水处理基本分为三个大的档次 1 手动操作 通过污水处理过程中的仪表的观察 并记录液位 流量 温度 浊度 PH 值 污泥浓度等性能指标的数据 根据数据得到所需的控制条件 操作员通过 全部手动的方式控制现场的主要设备如阀门的开闭 是否让电机运行 鼓风量 的多少调节等等 2 半自动控制 将采集到的数据取部分传入控制室 控制室中上位机上所显示的工艺流程 如液位 流速 浑浊度 酸碱度等这些过程参数 电机 阀门等设备运行 来 检测生产过程中是否发现异常 现场工作者收集 记录指标参数 以及现场控 制设备是否运行并写下这些信息 3 全自动控制 在处理污水时 全部的生产过程利用计算机控制和多层次的网络结构 下 位机接收有变动器输送的生产过程控制中的各种信号 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 1 3 课题研究的主要内容 1 研究调查出水处理站的工艺及处理流程 观测污水处理站内的各类仪表 和工艺运行设备的情况 如泵 变频器 滤罐 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 研究各种自动控制仪表设备的参数 原理及特点 通过对生产状况的研 究 确定重要工艺流程中的各类参数 3 根据所选择的仪表设备建立合适的过程控制模型 根据相应功能模块制 定系统实现模块规划 4 系统的软硬件设计 根据系统的需求 设计与实现系统所需的软硬件细 节 其中包括可编程逻辑控制器和组态软件的使用及开发方法 还有一些控制 过程的关键算法和实现方法 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 4 第 2 章 油田污水处理控制系统总体方案 国内的采油污水处理系统基本上是围绕地层回注和回灌而设定的 系统工 艺设计是在沉降 气浮 混凝 过滤的基础上 一般使用混凝 浮选 压力除油 重力除油 过滤等技术 设计的主要工艺为 1 自然沉降 混凝沉降 压力过滤 选这项工艺是因为它出水水质稳定 在 除油方面效果较好 且容易维护 15 2 混凝除油 压力过滤 由于石油脱水设备将原三段改进成为两段 致使污 水含油量越来越低 可他也存在一定的弊端 即抗冲击性差 16 污水处理中油 水分离的过程中 由于大量的泥砂混入其中 变成了油 水 泥这几种分离的 状况 3 过程为粗粒化去除油工艺然后在进行混凝除油工艺最后经过压力过滤 此种技术大大提高了系统的处理能力增强了处理的效果 还将除油罐体积过大 问题解决了 可却增多了原油中的含砂量 弊端的影响远大于利端 这项技术 慢慢的不被使用 16 4 斜板除油 气浮 压力过滤 此种技术虽然具有较少的占地面积 且有较 高的去除率 可是存在不容忽视的不足 抗冲击能力差 对进水要求高 9 2 1 关于油田污水处理工艺的流程简介 2 1 1 关于油田污水处理工艺的流程简介 由于油田生产产生的污水具有非常复杂的的成份 油田采出水是采出的油 通过油 水 器三相分离后得到的 都经历了原油联合站 生产单井和各计量 站等各生产环节 污水中含有硫化物 原有 提炼原油产生的固体颗粒 以及 可溶性盐化物等等成分组成的混合溶液 图如 2 1 所示的为某油田污水处理站工程工艺流程 从油田传送来的含油污水 第一步 让最初的油 汽 水分离在调储罐中 进行 第二步 将污水放入储油罐进行再次的沉降过程 第三步 将经过除油 罐出来的污水送进沉降罐中进行再次沉降过滤 这个过程结束后将污水在缓冲 罐中做最后的过滤 在进行这一过程的处理过程之中将过滤出来的污泥通过每 个罐的排油系统排出 在将提升泵从缓冲罐吸水升高压力送入过滤罐做过滤过 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 5 程 由外输泵进入外输水管中过滤后的水输送到注水站 经过除油 排泥 加 药 过滤等一系列工艺以后才能排出 图 2 1 某油田污水站工程工艺流程图 2 1 2 某油田污水站除油工艺 如图 2 2 所示为某油田污水站除油工艺 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 6 外来污水二次沉降罐一次沉降罐升压罐 升压泵 滤罐净化水罐外输泵外输 气浮选机 图 2 2 某油田污水站除油工艺 一次沉降罐的作用是 水和油的密度不同 分离时利用他们的比重差 治 理含油污水的主要理论就是重力分离 经过油水分离的多次试验可以得出 增 加油水沉淀的时长 浮油从水中分离的境况会更好 要是从外面运输进来的污 水 则必须进行一次沉淀 地点在一次沉降罐中 然后进行油水分离 浮油便 进入收油槽中 进行收集 由于固体絮状物的表面上沾有一些泥砂和油点 在 沉罐底下就形成了油 固体物等杂质 这些杂质会通过排泥装置排走 水质比以 前干净了很多 二次沉降罐的作用是 将一次沉降罐来的污水进行二次沉降 进一步除去 浮油和部分乳化油 降低污水中的含油 滤罐的作用是 经过压力过滤罐处理后的污水 其中的杂质颗粒和油珠都 被去除 就达到了污水回注及外排的要求 外输反冲洗罐的作用是 存储一部分过滤后的水 将其输送到注水站 这 样做的主要目的是有一个缓冲的作用 还有一个作用是作为滤罐反冲洗的水源 2 2 控制系统分析 2 2 1 控制系统的选型分析 当前国内用于污水处理的主要自控控制系统广泛具有如下几个特点 11 12 1 广泛使用集散式控制系统 设有操作员站 工程人员通过操作员站对生 产过程进行控制和监控 大大提高生产效率和安全可靠性实现现场无人值守 2 为了使每个控制站具有独立的工作能力 用冗余化设计设计监控系统 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 7 这样做的目的是增强系统的安全生产能提和抗干扰能力 3 把智能化控制系统引入到污水处理系统 实现了每个处理过程的自动化 如果污水源发生变化 可以通过智能化的控制系统对生产过程进行调整 万一 产生问题可切换成手动工作状态 4 为提供数据检测的精度和数据控制的准确 大量引用先进的智能化仪表 和在线式水质分析仪表 5 把遥测 遥控装置引入到系统当中 提高了对共享资源的使用效率 2 2 2 控制系统的功能分析 1 控制功能 流程控制 为了方便污水被每个设备处理 将含油污水按照规定的次序通 过系统的各个设备依次进行管理 污水处理产线管理 过滤罐的管理 伺服电机 以及各种阀门 从而使整 个处理过程实现自动化 2 各仪表的监视功能 流量监视 对处理设备 过滤罐等设备流量进行监视 液位监视 检测显示污水池 污油地目前的液位进行显示检测 设备运行监视 对各个部分的当前工作状态 通过分析数据信息对各个部 分是否正常运行进行判断 3 智能决策功能 存储设备工作时的重要的信息 与以往的信息结合在一起适合此时的最优 策略 例如 系统自动记录的有关加药的历史数据 根据以前的纪录 自动调 整对所加的药剂种类 加药量等决策 随着运行时间的累计 系统的各项指标 得到持续的改进 通过所得到的数据分析判断问题所在 对比较普遍的问题提出处理办法并 具有学习记忆功能 为将来处理同类问题积累了一定的经验 4 设置功能 每种运行参数能够让系统比较容易的设置 像沉淀时间 过滤时常 加药 量 缓冲时间等等 安装在厂房的控制柜通常用作两种作用 首先一种是为了实现手动工作 其次是为了与通讯站进行链接通信数据交换 使 PLC 的每部分模块通过设备的 当前信息作出控制动作 手动的优先级高于中央控制模块和分布控制站 当开 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 8 关设置为自动状态时 程序控制的远程设备这时才能起作用 所以现场个控制 柜调试完成后 才可以对智能化自动控制进行调试工作 只有在现场设备安全 时才能进行远程遥控控制 把智能控制系统与监视装置引入到污水处理系统当中 可以获得更多的实 时控制信息 所以系统才能在运行过程中实现自动化自处理功能 2 3 管理控制系统的设计想法 2 3 1 处理系统的组成结构 系统的设计的主要内容 检测与控制污水处理厂中生产设备的运行数据 如 除油罐 沉降罐 调储罐 缓冲罐和加药系统 其中 阀门的开闭 泵的 运行状态 罐体液位 污水流量 供气压力和加药系统信号的远程控制传递现 实和处理是控制关键 对污水厂的生产监视与远程控制工作人员只需在值班室 就可以进行 根据目前顺序控制系统和工业过程控制的主流趋势和特性 在充分了解用 户需求和现场实际的情况下 我们采用 plc 为控制器的加工控机集中的集散控制 系统的设计想法 智能控制系统构成 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 9 图 2 3 系统结构图 仪表设备层中各个电气设备 受可编程控制器 DCS 控制层的控制 依照事 先设定好的控制程序运行 依照设定好的工艺过程对污水进行处理 现场环境 信息与设备执行情况通过电气设备执行层的传感器与设备开关 返回 PLC 集散 控制层 在工控机监控中 PLC 集散控制层主要采集环境信息的数据 记录设 备运行数据 输入控制信号 通过工控机监控管理层 用户根据系统运行数据 判断系统是否正常运行 根据工艺需求控制系统运行 根据工作需求对数据进 行管理 2 3 2 主要控制原理简述 此控制系统是一个电气控制系统 1 工作的仪器仪表 污水厂将某些非电量的生产工艺参数 处理污水的 PH 值 流量 液位 通 过在线 PH 计 流量计 液位计 换算成 4 20mA 的模拟电流信号 在 PLC 控 制系统中 技术指标为 24V 直流电源供电 4 20mA 为输出的模拟电流信号共用 一根双绞线 PLC 的中央处理器通过模拟量接收部分接收输出的模拟电流信号 依照现场仪器仪表显示的上下限 可以分析计算出所需的各个监测数据 2 动力模块 动力模块包括 气动阀 动力除油泵 注药泵 搅拌装置等 以上这些设 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 10 备都用 24V 4 20mA AC220V 标准电压电流信号作为驱动动力 把整个去污工 艺过程完成 气动阀门配有两位三通的电磁装置 该气动阀使用 24V 直流电源 供电 通过直流继电器将供电电源接入到 PLC 的数字量输出模块 PLC 的 CPU 在设定的程序下自动控制输出 1 0 使气动蝶就完成开 关动作 3 设备状态 气动蝶阀的开关动作是否到位决定了动力排泥泵供电回路的触点的当前状 态 除污设备处于手动自动的工作模式 整个的工作过程 都是以标准的 24V 4 20mA AC220V 电压电流来输出的 PLC 中的数字量输入模块的数据输入 是气动蝶阀配带限位开关和各种泵的供电主回路的空气开关 主接触器的相应触 点通过前连接器输入的 PLC 的 CPU 依据输入通过模数转换转换成 0 1 信号 检测开关动作是否完成 以及各个供电主回路的供电情况是否正常 动力泵是 否工作 4 管理控制模块 此设计的核心控制器件是 PLC 模块 主要有 plc 控制柜以及控制柜所需的 各种配套设备 1 PLC 的模拟量输入数字量输入通道可以将外部模拟量信号转换为数字 量输出 以二进制为主 2 CPU 控制器可以按顺序逐条运行指令 亦可逐个模块的运行 根据实 际工作现场的工作状态 将控制率输入到 CPU PLC 根据事先设计的控制规律 进行控制 进行管理控制 分析与决策 3 PLC 控制模块将 CPU 数字量通过数模转换转换成能完成控制的模拟信 号 对外部设备进行控制管理 31 5 实现控制的组态系统 PLC 控制模块中的通信部件与工业控制模块通过控制网络进行信息交换数据 处理 根据工作需要可以对现场设备进行控制 读取仪表显示的数据 观测设 备是否正常运行 这些操作员通过工控机图形应用软件就可以实现 除此之外 工控机图形应用软件还应具有开放性和好的人机交流平台 提供各种必要资料 如数据报表 流程图 趋势图等 让操作人员更好的了解当前设备的工作情况 在设计一般的系统是 通常可以在操作员站上直接将操作站和工程师站的功 能放在同一个画面中 这样就可以使系统操作管理站具有一般 DCS 操作站和工 程师站的功能 21 历史趋势数据记录是计算机在一定时间间隔内将系统采集来的数据经过压 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 11 缩处理后以文件形式存入硬盘上 用户可以自己确定数据信息在存储设备中保 存的时长 但通常保存时间为一个月 计算机会自动删除一个月之前的系统运 行数据 存储设备中就会有足够的内存来存储新信息 因而 历史信息曲线图 可以通过显示频被操作人员观察分析 所得到的曲线图可以根据需要进行放大 放大后能够观察到所有时间范围内参数的具体变化的情况 每个时间点的参数 值可以移动时间光标得到 打印报表可以选择定时打印和实时打印 定时打印 就是设定一个打印的时间 当到所设的时间时 打印机就会自动运行 实时采 集所需数据 对所需的实时数据进行打印 2 4 仪器仪表型号的选择 1 检测压力仪表 选用 Y 150 压力检测仪表 精度为 0 4 有效测量范围为 0 2 6MP 在工 作环境较为恶劣的环境中比较适用 21 2 检测界面仪表 有比重差的不相溶的液体所产生分界面叫做界面 本文中主要指油田的油 和水 液体与固体颗粒沉淀物的分界面 工作原理 射频导纳物位仪表是基于电容式物位测量技术演变而来的 是 目前较为准确可靠的物位控制技术 20 3 检测液位仪表 选用超声波液位仪 超声波液位仪的测量原理是回升测距原理 通过超声 波产生超声脉冲的原理工作的 在超声波传送到液位时 将信号反社会感应探 头 通过计录发射到接收超声波的时间间隔 测量出罐中的空位高度 总高度 减去空罐的高度就是所需检测的液位 20 4 检测流量仪表 此次设计所采用的流量检测仪表是罗茨流量计 转子与机壳 转子与端盖 构成封闭的立体容积 液体流动推动转子运动 当转子 机壳尺寸固定时 转 子转数与流体流量成正比 流量计的旋转是靠出口压力差产生的动力推动的 转子之间通过齿轮进行传动 而转子之间 转子与机壳以及转子与端盖之间均 保持微小间隙 这种设计方式使流量计的测量精度得到了保证 由于测量元件 运动时互相不接触 在长期运动过程中磨损很小 所以精度高 运行可靠是它 的特点 13 5 PH 测量 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 12 测量 PH 值时选用在线 PH 计为 PHG 5201 系列 它主要应用在需要测量连 续 ph 值的工业环境中 仪表的 CPU 芯片性能较高 精度较高的数模转换技术 和 SMT 技术 具有温度补偿 自动校准 多参数测量 自动报警等智能优化功 能 仪表不仅支持现场编程 还有开放传送功能 软件的选择范围是 0 11mA 或 4 19mA 输出 30 6 PLC 选择 PLC 控制部件中的 CPU 模块 电源模块 模拟量模块 数字量模块等控制 模块采用的是德国西门子公司的 S7 300 系列通用高性能模块 备件容易 能适 应各种恶劣的工业工作环境 23 2 5 可编程控制设备及开发 设备选用西门子的 SIMATIC 系统 PLC 的 S7 300 来充当 PLC 控制部件中的 各个模块 实现智能控制功能 SIMATIC 控制器可以做到主动 柔性 经济的 响应新挑战 在面向未来的投资上拓宽了领域 能给各个企业带来一下帮助 39 1 快速的中央处理器和智能优化的控制功能工业大大提高了工作效率 2 超大的内存容量可以自由设计其他用户所需的功能 3 控制器的体积 小更易于安装使用 4 高效的工程软件 全集成自动化带来的集成性和应用 程序的可重用性可以带来更低的市场响应时间 5 集散式控制方式减少调试 的难度减少调试设备所需的资金 6 对于标准和故障安全要求的应用可以共 用一套系统 7 自检功能使系统更加可靠 8 市场占有率高 由机架 CPU 模块 信号模块 功能模块 接口模块 通信处理器 电源 模块和编程设备组成 S7 300 S7 300 属于模块式 PLC SIMATIC S7 300 是一 种即经济又切合实际设备 它是一种通用型的 PLC 其模块化 无风扇结构 易于实现分布式的配置以及易于掌握等特性 使得 S7 300 在实施各种控制任务 时 能适合自动化工程中的各种应用场合 2 5 1S7 300 系列产品的重要构成模块 几个重要的模块有供电的电源陌路爱 中央处理器 cpu 输入输出模块 功能模块和负责总线通信的模块 如图 2 4 所示 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 13 图 2 4 S7 300 模块图 1 中央处理器 cpu S7 300 总共有 8 种不同的 CPU 型号 常使用于小型设备的 CPU312 313 集 成的用于数字输入输出的结构紧凑型的 CPU CPU314 经常使用在系统是中等 规模程序和指令执行速度为中等的程序 CPU315 318 用于中型规模的程序和 PROFIBUS DP 进行分布式配置的设备 36 可以构建一个 MPI 多点接口 网络 或 DP CPU 性能较高的模块 CPU324 DP 用来实现控制任务规模是中小型的 任务是非常合适的 对浮点运算和二进制的处理能力很强 其结构采用分散式 简单而且实用 易于扩展 I O 模块 在工业环境较为恶劣的环境中经常实用 因 其具有极强的电磁兼容性 抗震性和冲击性的优点 2 IM 接口模块 为使传统的 PLC 系统增多信号模块 使用 IM360 IM361 时接口模块最多 可以扩展 3 个机架 使一个传统的 PLC 系统最多处理 32 个信号模块 IM360 插 入到 CPU 所在的中央机架 CR 上 IM361 插入到扩展机架 ER 上 3 开关量输入 DI 模块 a SM321 16 点输入 24V DC 14 31V 为信号 1 28 5V 为信号 0 21 b SM321 16 点输入 120V 230V AC 81 266V 为信号 1 0 39V 为 信号 0 4 开关量输出 DO 模块 a SM322 16 点输出 24V DC 信号 1 时输出 L 0 8V 0 5HZ 为最高输 出频率的感性负载 100HZ 为最高输出的阻性负载 0 5A 为每条通道的最大输 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 14 出电流 支持漏电保护功能 b SM322 8 点输出 继电器接点 接点闭合在信号 1 输出时 接点断开 在信号 0 输出时 接点容量 8 5A 21 5 模拟量输入 AI 模块 SM331 8 点模拟量输入 在电阻测量时 为 4 点 21 具体类型的输入信号 如下 a 电压 70mV 251 mV 499mV 2 5V 5V 1 5V 10V b 电流 10mA 20 mA 0 20 mA 4 20 mA c 电阻 150 欧 301 欧 608 欧 d 热电偶 E N J K 型 e 热电阻 Pt100 标准 Ni100 标准 f 分辨率 14 位 6 模拟量输出 AO 模块 SM332 4 点模拟量输出 21 a 电压输出 0 10V 10V 1 5V b 电流输出 4 20mA 20mA 0 20mA c 分辨率 12 位 7 FM 功能模块 1 实现各种计数功能的计数模块 2 实现设备的定位任务和步进电机配套使用的步进电机控制模块 3 对各个测量量实现 pid 闭环控制抗干扰性能更佳 8 通讯处理器 a PROFIBUS DP 处理器 CP342 5 用于连接 SIEMENS S7 300 和 PROFIBUS DP 的主 从的接口模块 通过 PROFIBUS 简单的进行配置和编程 b PROFIBUS FMS 处理器 CP343 5 用于连接 SIEMENS S7 300 和 PROFIBUS FMS 的接口模块 通过 PROFIBUS 简单的进行配置和编程 c 工业以太网处理器 CP343 1 用于连接 SIEMENS S7 300 和工业以太 网接口 2 5 2 PLC 控制系统的通讯网络结构 S7 300 系统网络通信模式很丰富 多点接口网络的 MPI 可达到 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 15 197 5Kbits s 至 14Mbits s 的通信速率 最大通信距离 50 米 主要实现操作站与 工程师站的信息交流数据传输 他们之间的距离较短 PROFIBUS FMS 网络 可达到 1 6Mbits s 的通信速率 最大通信距离 600 米 可实现远距离的操作员 站的数据传输 工业以太网 可达到 101Mbits s 的通信速率 最大连接距离 100 米 光纤结束 实现最大通信距离 3111 米 在长距离的工程师站和操作员 站的连接上该网得到广泛的应用 1 小型的系统构成 Plc 工程师站操作员站只有一个 I O 点数通常在 128 点以下 工程师站一 个 S7 300 CPU 一个 2 中型系统 在小型系统的基础上可扩展到中型操作系统 多一个可扩展的 PLC 模块和 一个操作员站的中型系统 I O 点通常在 256 1024 点之间 工程师站一个 S7 300 CPU 一个 操作员站一个 MPI 通讯接口的 CP5611 或 CP5613 工业以太 网卡两个 3 大型系统 多个扩展 PLC 和拥有若干个操作员站的较为大型控制系统 一般 I O 点数 在 1024 点以上 工程师站一个 操作员站三个往上 S7 315 2DP CPU 一个 工业以太网络 1613 网卡三个以上 分布式 I O 站两个以上 电源模块三个以上 若干信号处理模块若干 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 16 2 5 3 PLC 控制系统工作原理 AC 电源模块 接口模块 输 入 模 块 CPU模块 通信接口 输 出 模 块 其他设备 其他PLC 计算机 选择 开关 按钮 限位 开关 电源 通信网络 扩展机架 接触器 电磁阀 指示灯 电源 图 2 5 PLC 控制系统示意图 PLC 控制系统构成原理如上图 2 5 22 PLC 用循环程序来操作工业流程 32 OB1 是进行循环操作的组织模块 主 程序 他的优先级最高 或被中断程序停止 启动动作完成之后 重复调用 OB1 在 OB1 中也能调用其它任意的逻辑块 在循环程序处理的过程中允许被 其他突发事件中断 在以上的循环过程中 CPU 不访问 I O 模块的输入地址寄 存器和输出地址寄存器 而是访问 CPU 内的 I O 过程映像区 批量进行输入和 输出 以上过程如图 2 6 所示 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 17 执行OB100 启动循环时间监控 数据写入输出模块 读取输入模块状态 执行用户程序 执行其他任务 图 2 6 扫描全过程 图 2 7 表示逻辑公式为 Q4 0 I0 1 Q4 0 I0 2 的 PLC 接线图 梯形图表示 方式及输入输出的波形 I0 1 I0 2 Q4 0 t1 Q4 0I0 2 I0 1 输入映像寄存器 I0 1 I0 2 输出映像寄存器 FR KM AC 220 I0 1 I0 2 MQ4 0 1L SB1 SB2 DC24V 起动 停止 图 2 7 数字接线与梯形图输入输出 图 2 8 至 2 11 为 S7 300 的数模转换原理图 33 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 18 背 线 总 线 接 口 24V M M 图 2 8 数字量输入 背 线 总 线 接 口 M M 负载 L 图 2 9 数字量输出 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 19 ADC 逻辑 内部电源 多路开关 光电隔离 背板总 线接口 L M 24v CH0 CH1 CH6 CH7 MANA 图 2 10 模拟量输入 DAC 内部电源 光电隔离 背板总 线接口 24V L M 电流输出 电压输出 QI0 QV0 S0 S0 MANA MANA QI1 QV1 S0 S0 MANA MANA CH0 CH1 图 2 11 模拟量输出 2 5 4 PLC 的工作过程 PLC 工作在循环扫描的工作状态中 当 PLC 上电后马上进行如下几个阶段 的动作 36 1 初始化系统 清除 I O 及内部次要继电器 同时将大部分计时器复位 并检测 I O 接口的 连接情况 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 20 2 贮存器里的程序是采用串行输出的工作方式工作的 1 公共的处理阶段 2 执行外设的命令阶段 3 程序的执行阶段 3 输入与输出的更新 Cpu 每来一个脉冲将进行一次扫描 CPU 初级进行扫描 把此刻输入端的 状态送到相应的输入寄存器当中 同时 在输出寄存器中通过数模转换将控制 信号转换为设备能接受的模拟信号 以便驱动被控制设备 2 6 本章小结 本章主要介绍了油田污水处理工艺流程及设备 对控制系统进行了分析 并给出了油田污水处理控制系统的设计方案 简要介绍了仪表的选型以及可编 程控制设备及开发 为油田污水处理系统提供了理论基础 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 21 第 3 章 控制系统的硬件实现 3 1 控制系统的硬件实现 3 1 1 系统硬件选型及配置方案 系统硬件选型时要遵循一定原则 存储器容量与用户内存容量相匹配 I O 点数估算 包括 DI 数字输入 DO 数字输出 AI 模拟输入 A0 模拟输出 通 信协议的选择 局域网络通信协议 多点主从协议 有点对点协议 运行环境 方面包括使用场合 工作环境 控制对象 性价比 计数运算 逻辑运算 定 时运算 四则运算的软件需求 考虑实际功能需求 硬件控制任务 确定的选 用小型系统 一层结构的模式 在完成 PLC 与上位机的数据通讯的同时 底层 与现场设备和仪器的通讯由 PLC 实现 系统硬件主要是由工控机 变频控制柜 和 PLC 控制柜组成 PLC 机架模块安装实物图如图 3 1 所示 上一排是开关单元和电源 下一 排自左向右分别是 PS 电源模块 CPU 模块 CP 通讯模块 DI 数字量输入模块 DO 数字量输出模块 AI 模拟量输入模块 AO 模拟量输出模块 图 3 1 PLC 模块安装实物图 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 22 PLC 控制柜的硬件配置如表 3 1 所示 表 3 1 PLC 控制柜硬件配置表 序号设备名称规格数量备注 1工控机研华 IPC 6101台湾 研华 2显示屏PHILIPS IT1681荷兰 飞利浦 3工业屏国产1国产 4打印机彩喷1美国 惠普 5UPS 电源2KVA1美国 三特 6分屏器一拖二1国产 7通讯卡CP6111德国 西门子 8总线连接器RS485 连接器4德国 西门子 9总线电缆1德国 西门子 10CPU 模块CPU314C1德国 西门子 11MMC 微存储卡64K1德国 西门子 12AI 模块SM3311德国 西门子 13AO 模块SM3321德国 西门子 14DI 模块SM3211德国 西门子 15DO 模块SM3221德国 西门子 16DI DO 模块SM3231德国 西门子 17CPU 电源模块PS307 5A1德国 西门子 18安装导轨480mm1德国 西门子 19前连接器40 针3德国 西门子 20前连接器20 针2德国 西门子 21中间继电器OMRON100日本 欧姆龙 22VGA 显示器50m1国产 23PLC 控制柜800 2100 6001定做 3 1 2 PLC 输入输出信号 在 PLC 控制系统中 是通过 PLC 中的 I O 模块来和外界联系的 在连接外 部的连线时要正确 才能使得每个 I O 都能够正确对应 确保控制程序的正确运 行 因为一个 PLC 控制系统中的每一个 I O 所代表的含义和在程序中的地址分 配是不一样的 在 S7 300 中有两种地址分配方式 模版的地址取决于它所在的机架号和槽 位号 这种是面向槽位编址的地址分配 在 CPU 的地址范围内 可分配任何地 址给任何模板 这种是面向用户编址的地址分配 此种地址分配方式的优点在 于当生成标准软件时 可以编制独立于 S7 300 组态的地址 在模板之间不会出 现地址空隙 可以使编址区域实现最优化利用 37 在本系统中采油第二种编址 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 23 方式 所有的输入输出分为 DI AI DO AO 四个部分 数字量输入 阀门的开关信号 自动控制开关手动控制开关 水泵运行状 态信号 包括启动 关闭 故障等信号 数字量输出 变频器启动 复位信号 阀门开关控制信号 水泵开关控制信 号 模拟量输入 净水罐 污泥池 调储罐 污油池 溶药槽液位测量监视 反应罐 沉降罐 升压缓冲罐 压力 流量变送器信号 PH 计变送器信号 模拟量输出 变频器控制信号 包括水泵 加药计量泵 3 1 3 PLC 控制柜的安装 PLC 控制系统根据对应用环境 电气接线和抗干扰措施方面的影响 来改 进控制系统的抗干扰能力 以适应比较恶劣的工业现场环境 22 由于模板是由 背板总线连接 必须要按照电源 CUP IM SM FM CP 的顺序安装模板 并且要紧靠安装 为保护模板 安装时模板的背板总线的电流不能超过 1 2A 为使用热交换器的封闭机柜允许最大温度 45 度 端子排间隙及控制柜的空间的 安排可根据 PLC 的功率进行操作 在安装模板时 CPU 的右边不能超过八个 1 环境因素 环境因素有环境的温度 工作温度及湿度 周边的振动和冲击和强电磁场 以及防护的防尘防水参数 2 安装 螺栓固定和 DIN 标准导轨固定是 PLC 常用的两种固定方式 为确保 PLC 模块局部温度 应做好不同机架之间的通风措施以及 PLC 在控制柜中的位置 3 电源 AC220V 110V 和 DC24V 是常用 PLC 的供电电源 PLC 对供电电源波动有 范围规定 应在允许的范围内波动 要对波动较大 或干扰明显的电源采用隔 离变压器 UPS 改用高性能的 AC DC 装置或稳压电源等净化措施 4 接地 在抑制加在电源及输入端 输出端的干扰和避免偶然发生的电压冲击对 PLC 的危害上 都可以通过接地来改善 所以接地的良好很重要 5 布线与接线 PLC 系统的布线与接线应当做好以下几点 强电要与弱电 动力电与信号 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 24 电 分开布线 模拟量信号布线要采用屏蔽线 要注意悬着好路线 信号线不 宜过长 输入输出的回路上可多选用 4 20mA 信号 预防回路电流过大超过通 道的承载能力 还可采用继电器隔离的方法 来改善电流过大 3 2 过滤子系统 3 2 1 过滤机理 在除水中悬浮物 胶体 微生物时我们一般选用过滤 它是水处理系统中净 化水质必不可少的环节 也是一种快速 经济 有效的手段 迁移机理 附着 机理和脱落机理是过滤的三类机理 29 迁移机理 就是迁移过程 通过与滤料接触使悬浮颗粒脱离流线的过程 附着机理 就是附着过程 经过迁移过程悬浮颗粒附着在滤料表面上不再 脱离 脱落机理 通过用水进行反冲 使截流和附着于滤料上的悬浮物在受到高 速反冲水的冲刷 和滤料颗粒在水流中旋转 碰撞 摩擦的双重作用下脱落 反冲效果主要取决于冲洗强度和时间 压力式和重力式是目前常用的两种过滤器 有石英砂过滤器 核桃壳过滤 器 纤维球过滤器 双层滤料过滤器 多层滤料过滤器等 34 过滤环节是决定 油田污水处理质量的主要环节 它是污水处理必不可少的环节 在滤料的选择上我们要多加考虑 因为滤料的选择是最为关键的 而现多 数滤料对油的过滤和反洗再生能力较差 只是对悬浮物的截留 含油污水的出 水水质受到精细过滤技术影响 亲水疏油的纤维是江汉石油研究所研制出的一 种滤料 试验证明它不但反洗再生性能优越 而且对油和杂质的拦截能力好 它在正常过滤采用低进高出流程 水中悬浮物自然沉降 不污染滤料反洗操作采 用高进低出流程 滤层表面堆积的泥饼 油污很容易被冲掉 反洗时想要克服 纤维球泥芯洗不净的缺点 可采用释放纤维束压力 正 反向交替旋转纤维束 这使反洗更彻底 更干净 生产中含油污水的含油量得到有效控制 悬浮物得到明显降低是每一个含 油污水处理站要达到的目的 针对这一要求 滤罐的过滤质量是污水处理站关 键的步骤之一 滤料的良好决定了过滤的效果 滤罐在生产过程中同滤料的反 冲洗情况也是紧密相连的 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 25 3 2 2 过滤自动化系统基本组成 过滤过程中 也要对过滤装置采取保护措施 由于过滤过程中滤料也会受 到污染 因此定期的对滤料进行反冲洗是十分必要的 过滤与反冲是过滤自动 化的两个环节 迁移机理与附着机理应用在了过滤环节上 而脱落机理应用在 了反冲环节 PLC 是整个过滤自动化控制系统的核心 过滤过程由 PLC 程控阀 门定位器控制阀门的打开与闭合完成 过滤自动化系统的基本组成如图 3 2 所示 过滤器 其他 阀门 上位机 PLC 控制单元 底层信号采 集仪表 排气阀门 PLC程控 反冲阀门 PLC程控 反冲出水管线 PLC程控 反冲进水管线 正滤进水管线 正滤阀门 通讯 控制 正滤出水管线 图 3 2 过滤自动化装置结构图 由图可知 上位中央计算机 PLC 控制单元 底层信号采集单元与执行阀 门 分别为过滤系统的三个层次 其中 依靠队阀门的控制按照一定的规则打 开与闭合来实现过滤自动化 由其核心 PLC 来控制最