劉曉毛,郭 棟

(水口山有色金屬集團(tuán)公司,湖南衡陽 421513)

基于 PLC的有色冶金廢水處理控制系統(tǒng)

劉曉毛,郭 棟

(水口山有色金屬集團(tuán)公司,湖南衡陽 421513)

介紹了基于 PLC的有色冶金廢水處理控制系統(tǒng),應(yīng)用先進(jìn)的MPI通信、Profibus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),展開系統(tǒng)實(shí)施。系統(tǒng)具有實(shí)時性、可操作性、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性能等方面的優(yōu)勢,提高了企業(yè)的自動化控制水平和經(jīng)濟(jì)效益,促進(jìn)企業(yè)節(jié)能減排,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

PLC;MPI;Profibus;以太網(wǎng);工控機(jī)

1 引言

有色金屬冶煉過程中會產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水,該種廢水含有多種重金屬離子且濃度較高。為了實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放,需要進(jìn)行多道工序的處理。為落實(shí)國家節(jié)能減排目標(biāo),湖南某有色集團(tuán)特從美國引進(jìn)專利——電絮凝處理技術(shù),并且對該技術(shù)進(jìn)行消化,成功應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)冶金廢水處理。

隨著我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,工業(yè)廢水處理的發(fā)展趨勢必然是朝著自動化程度較高的方向發(fā)展,近年來由于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)地位在企業(yè)自動化進(jìn)程中的確立,以可編程控制器 PLC、現(xiàn)場總線 Profibus-DP、MPI網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)以太網(wǎng) (Industry Ethernet)組成的集散控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化領(lǐng)域代表了前沿的發(fā)展水平,在湖南某有色金屬集團(tuán),由該系統(tǒng)組成的有色冶金廢水處理自動化裝置及網(wǎng)絡(luò)已得到了成功應(yīng)用。

2 冶金工業(yè)廢水電絮凝處理工藝簡介

廢水處理工藝流程如圖 1所示。工業(yè)原水經(jīng)管道被引流到均化池,也稱原水池。均化池的作用是將流量不穩(wěn)定的原水積累起來保證進(jìn)入后面工藝的水量恒定;另一個作用是曝氣,將沉淀的污泥與原水充分的混合,形成渾濁的原水。原水經(jīng)集水井由提升泵將其引流入 pH調(diào)節(jié)池。pH調(diào)節(jié)池包括兩部分,一部分是攪拌池,是向原水中加由石灰乳制備間提供的石灰乳使其pH值穩(wěn)定在 8.5～11之間;另一部分是斜板污泥池,加過石灰乳的原水經(jīng)攪拌池從該池底部注入,其中清液經(jīng)斜板流到引流槽進(jìn)入電絮凝設(shè)備;污泥由泵抽出送到污泥井。清液在電絮凝設(shè)備中處理后,轉(zhuǎn)化為有泡沫的綠色絮體混合液,同時在絮凝槽底部裝有氣動閥初步去除污物。綠色絮體混合液由加壓泵經(jīng)專用管道進(jìn)入除泡池,在除泡池上部有向該池中加“絮凝劑”的裝置,經(jīng)攪拌,混合液中的絮體在與除泡池相連的斜板二沉池中下沉到底部,經(jīng)吸刮泥機(jī)將污物排入污泥井,污泥井中的污物經(jīng)壓濾再次冶煉,至此重金屬離子已被完全回收;而上部清液經(jīng)斜板由引流槽進(jìn)入中間水池,后經(jīng)離子交換軟水器后,進(jìn)入回用水池,而此時的回用水池中的水已基本滿足外排或再次使用的要求。

圖 1 有色冶金工業(yè)廢水電絮凝處理工藝簡圖

3 自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在整個系統(tǒng)中,以西門子中型 PLC S7-300為核心,W inCC監(jiān)控軟件為界面,配套以 Profibus-DP現(xiàn)場總線、MPI網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)以太網(wǎng)通信連接模式組成的互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控及管理,設(shè)計(jì)由下而上分三層網(wǎng)絡(luò)控制方式來實(shí)現(xiàn)。

3.1 現(xiàn)場級

現(xiàn)場級是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的最基層,與工廠現(xiàn)場設(shè)備相連,包括:西門子 S7-300 PLC、控制總線 Profibus -DP、電絮凝設(shè)備電控柜和現(xiàn)場的被控設(shè)備?，F(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備有變頻器、pH計(jì)、液位計(jì)、流量計(jì)、電導(dǎo)儀、泵等。在過程控制領(lǐng)域,尤其是在工業(yè)廢水處理控制中,Profibus-DP總線應(yīng)用的非常廣泛,與西門子PLC也有很好的兼容性,在本廢水系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)電絮凝設(shè)備電控柜與 PLC的通信,其通信速率為9.6～12Mbit/s,傳輸介質(zhì)采用雙絞線[1]。液位、流量、電導(dǎo)、pH值、鎘含量等模擬量信號和泵等的開關(guān)量數(shù)字信號連接至 PLC,實(shí)現(xiàn)信息監(jiān)控。通過泵旁的現(xiàn)場控制箱上的“自動 -停 -手動”標(biāo)簽選擇“自動”就能在工控機(jī)上控制其啟停。

3.2 監(jiān)控級

監(jiān)控級主要是利用帶有監(jiān)控軟件W inCC的工控機(jī)和可編程控制器 PLC之間的數(shù)據(jù)通信,即:對各個池、泵的各種模擬量和數(shù)字量、電絮凝設(shè)備電控柜送來的電絮凝設(shè)備操作信息等進(jìn)行監(jiān)視控制。系統(tǒng)中工控機(jī)是集生產(chǎn)一線信息的動態(tài)顯示、控制報警、歷史曲線顯示、重要參數(shù)上下限修改、組態(tài)報表打印系統(tǒng)于一體的操作工作站。監(jiān)控級工控機(jī)與 PLC之間的通信通過MPI通信卡 CP5611,將計(jì)算機(jī)連接到MPI網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和 PLC的信息交換。MPI通信是一種簡單經(jīng)濟(jì)的通信方式,物理層是 RS-485,通信速率為 9.2k～12Mbit/s,最大通信距離 50m。

3.3 管理級

管理級主要是以廠調(diào)度中心作為客戶機(jī),采用工業(yè)以太網(wǎng)將現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)信息經(jīng)MOXA工業(yè)交換機(jī)遠(yuǎn)傳至廠調(diào)度中心,工業(yè)以太網(wǎng)提供了針對制造業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),該技術(shù)利用了交換以太網(wǎng)結(jié)構(gòu),有很高的網(wǎng)絡(luò)安全性、可操作性、時效性和開放性,是企業(yè)信息化的基礎(chǔ),速率為 10～100 Mbit/s。本廢水處理系統(tǒng)通過CP343-1西門子工業(yè)以太網(wǎng)模塊實(shí)現(xiàn)自動化系統(tǒng) S7-300通信,可以方便高層管理人員通過 TCP/IP協(xié)議訪問以交換機(jī)作為服務(wù)器,了解廢水處理實(shí)時情況及設(shè)備運(yùn)行狀況。

圖 2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)配置

4.1 現(xiàn)場級、監(jiān)控級硬件配置

這兩部分的硬件主要包括:工控機(jī)部分、PLC部分、電絮凝設(shè)備電控柜及底層設(shè)備。系統(tǒng)中工控機(jī)采用研華 IPC-610L,能基本滿足廢水處理系統(tǒng)的監(jiān)控要求,并且監(jiān)控畫面采用W inCC V5.3組態(tài)軟件設(shè)計(jì),選擇W inCC是因?yàn)樗俏鏖T子公司開發(fā)的自動化視窗控制中心,是該公司自動化領(lǐng)域的代表軟件,所以它和西門子 PLC通信具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢[2]。PLC部分選用西門子 S7-300,它是整個廢水處理系統(tǒng)的核心,其特點(diǎn)是:循環(huán)周期短、處理速度快;指令集功能強(qiáng)大,可用于復(fù)雜功能;有不同檔次的 CPU,各種各樣的功能模塊和 I/O模塊可供選擇,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊,可用于空間有限的場合。CPU選用“CPU312”,適合于全集成自動化和對處理速度中等要求的應(yīng)用,其運(yùn)行時需要一個作為數(shù)據(jù)和記憶存儲的微型存儲卡 (MMC卡)。信號模塊,包括模擬量 I/O和數(shù)字量 I/O,A I S M331和 AO S M332分別為 4個、1個;D I S M321和DO S M322分別為 2個、1個,該信號模塊直接與底層設(shè)備送來的模擬、數(shù)字信號通信。電源模塊采用 PS 307將UPS電源提供的交流市電轉(zhuǎn)換為所需的 24V直流工作電壓。電絮凝設(shè)備電控柜,其核心部件 CPU采用西門子公司產(chǎn)品,操作模式分為自動運(yùn)行、手動運(yùn)行兩種方式,它的作用是以 Profibus-DP總線方式連接 PLC,將電絮凝設(shè)備的各種運(yùn)行狀況提供給 PLC監(jiān)控,使操作員時刻了解設(shè)備的運(yùn)行狀況。底層設(shè)備包括智能化儀表和泵、閥、變頻器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

4.2 管理級硬件配置

該層硬件(待實(shí)現(xiàn))包括:廠調(diào)度中心上位機(jī)、交換機(jī)部分、工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。廠調(diào)度中心上位機(jī)選DELL服務(wù)器仍然采用西門子W inCC監(jiān)控軟件,在 PLC柜中添加 CP343-1西門子以太網(wǎng)模塊,通過雙絞線連接至工業(yè)級光電轉(zhuǎn)換器,拉光纖于較遠(yuǎn)的廠調(diào)度中心MOXA交換機(jī)上,再通過雙絞線接至調(diào)度中心上位機(jī),完成以工業(yè)交換機(jī)為服務(wù)器的工業(yè)以太網(wǎng)通信。由于該交換機(jī)有 2個光纖口,所以另一個未用的光纖口為以后系統(tǒng)擴(kuò)展備用。

5 軟件配置

5.1 控制軟件

該系統(tǒng) PLC的編程工具選用西門子 STEP 7 V5.3,STEP應(yīng)用程序的編程在對程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,依據(jù)從下向上的方法進(jìn)行,即被調(diào)用的 FC和DC首先建立,然后依次在更高層次上建立邏輯塊,直至全部塊建立,也就是從上而下建立結(jié)構(gòu),從下而上豐富完善內(nèi)容。

圖 3 控制軟件數(shù)據(jù)塊圖

5.2 監(jiān)控軟件

在該工業(yè)廢水處理系統(tǒng)中,由于 PLC選用的是西門子 S7-300,所以監(jiān)控層上位機(jī)、廠調(diào)度中心客戶機(jī)就都選用W inCC,監(jiān)控軟件選擇W inCC有比較大的優(yōu)勢,即:易于擴(kuò)展、組態(tài)方便、功能強(qiáng)大、通信簡單。系統(tǒng)中監(jiān)控軟件分為:系統(tǒng)工藝流程圖、重要參數(shù)顯示與報警、石灰乳泵變頻調(diào)節(jié)畫面、現(xiàn)場泵的啟?？刂频牟僮鳟嬅?、實(shí)時歷史曲線畫面、重要參數(shù)表格打印、高權(quán)限用戶管理調(diào)節(jié)設(shè)置部分。整個監(jiān)控軟件中系統(tǒng)工藝流程圖是監(jiān)控的主畫面,其它各畫面都有相應(yīng)的按鍵切換。

圖 4 監(jiān)控畫面方框圖

6 系統(tǒng)功能

該工業(yè)廢水處理系統(tǒng)選用以西門子 S7-300 PLC為核心的控制系統(tǒng),監(jiān)控工控機(jī)配以 STEP 7編程軟件及W inCC監(jiān)控軟件作為操作人員的監(jiān)控畫面。整個工控機(jī)人機(jī)界面友好,操作方便,現(xiàn)場設(shè)備及儀器儀表通過智能 I/O與 CPU通信。對現(xiàn)場設(shè)備和儀器儀表進(jìn)行監(jiān)控,如:均化池 2個液位,初沉池 9個 pH計(jì)、3個液位、1個電導(dǎo),電絮凝設(shè)備進(jìn)水1臺電磁流量計(jì),除泡池 1個 pH計(jì),中間水池液位1個、電導(dǎo) 1個、pH計(jì) 1個,回用水池液位 1個,鎘離子含量檢測儀 1臺,出水流量 1臺電磁流量計(jì),底層設(shè)備中液位計(jì)、電導(dǎo)儀、pH計(jì)都選用的是 E+H產(chǎn)品,性能可靠,安裝方便靈活,這些儀器儀表的信息在對應(yīng)的“系統(tǒng)工藝流程圖”中進(jìn)行集中監(jiān)視管理[3]。對變頻器控制下的石灰乳泵向 pH調(diào)節(jié)池加的石灰量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。對均化池 6臺引水泵和 1臺提升泵、pH調(diào)節(jié)池 2臺泵、污泥井 2臺泵、離子交換軟水器 6臺水泵和回用水池 2臺水泵,只要控制箱上對應(yīng)的開關(guān)打到標(biāo)簽“自動 -停 -手動”上的“自動”檔指標(biāo)上,監(jiān)控室工控機(jī)就能在相應(yīng)的畫面中對這些泵進(jìn)行啟?？刂?。工控機(jī)界面對液位、pH值、電導(dǎo)和各種執(zhí)行泵閥等各種參數(shù)的越位報警、實(shí)時曲線、歷史曲線等都進(jìn)行顯示、處理。電絮凝設(shè)備配置了“電絮凝設(shè)備電控柜”于現(xiàn)場,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時操控,提高了生產(chǎn)的安全性和高效性,并將某些重要的參數(shù)與 PLC直接進(jìn)行 Profibus-DP通信,提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。更高一級的管理級通信 (待實(shí)現(xiàn))采用工業(yè)以太網(wǎng)通過交換機(jī)將工業(yè)現(xiàn)場信息傳送給高層管理者,供下一步?jīng)Q策參考使用。整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、信息處理和共享傳送時效性較強(qiáng)。

圖 5 工控機(jī)監(jiān)控畫面

7 結(jié)束語

基于 PLC的廢水處理控制系統(tǒng)在湖南某集團(tuán)公司的成功運(yùn)用,充分發(fā)揮了廢水處理裝置的效能,實(shí)現(xiàn)了廢水達(dá)標(biāo)排放。忽略經(jīng)處理后的潔凈水的價值,單從鋅、鉛、鎘和砷等重金屬離子回收的角度觀察,每年減少工業(yè)固體污物量排放超過了 2000t,直接或間接產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益每年約 100余萬元。雖然該系統(tǒng)是針對冶煉工業(yè)廢水處理的,但也易于在制藥、化工和造紙等工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能環(huán)保項(xiàng)目推廣。

REFERENCES

[1] 吳飛.德興銅礦礦山廢水治理現(xiàn)狀及其前景[J].銅業(yè)工程, 2000,(1):27-29.

[2] 王曙光,楊春杰,魏秋月,等.S7-300/400 PLC入門與開發(fā)實(shí)例[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[3] 晁陽,胡軍,熊偉.可編程控制器原理應(yīng)用與實(shí)例解析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[4] 王再英,陳毅靜.過程控制系統(tǒng)與儀表[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

PLC-based control system for non-ferrousmetallurgy wastewater treat ment

L IU Xiao-mao,GUO Dong
(shuikoushan nonferousmetals group co.,LTD,Hengyang,421513)

This paper introduces the PLC-based control system for non-ferrous metallurgy wastewater treat ment.The system used advancedMPI communication,Profibus Fieldbus control system and industrial Ethernet for application.It’s have the advantage with real-time,operability,stability,scalability for improving the corporate’s automation level of control and economic benefits and promoting enterprise energy conservation,sustainable development.

PLCMPIprofibus ethernet IPC

book=86,ebook=5

X756

B

1009-3842(2010)02-0086-04

2010-02-04

劉曉毛(1963-),男,湖南常寧人,高級工程師,主要從事計(jì)控技術(shù)應(yīng)用與管理工作。E-mail:sksliuxiaomao@163.com