PLC在首钢京唐西山焦化污水处理行业中的应用

常宏

（北京中核天友环境科技有限公司 北京市 100020）

唐山首钢京唐西山焦化有限责任公司主要是由干法熄焦工艺进行生产的知名焦化单位，II 期一步规划年产量突破22 万吨。其深度处理项目的最高产能超过210m3/h；系统能够实现24 小时不间断启动，若要保障其连贯性、稳健性、高效性、适应性等，其处理技术需要符合3*210m3/h 要求，其中包括三个系统进行同步建设。

综合考虑原水特点、产水指标和长期稳定运行要求，本工程‐‐深度处理单元采用膜法水处理联合工艺，即超滤+纳滤+反渗透。

控制装置选择的是西门子PLC‐400H 冗余设备。监控载体是操作台，上位机软件属于“组态王”，编程软件属于西门子Step7 5.6。结合一些技术标准来创建一套自控装置，由此来大大减少劳动强度，增强工作效益，提升自控水平，实现该项目的生产效益最大化。

1 自动控制工艺装置要求

选择PLC 控制器以及其他模块进行硬件配置，其中上位PC 机属于动态监控系统，这也是实现工业自控PLC 系统应用的一个主流趋势。利用PLC 和PC 的通信能够对上级绘制工艺操控图、动态数据图、报表数据显示图等，让PLC控制装置拥有一个完整、高效的人机操作界面，确保生产期间工序调度能够实现有效自控，真正地提高其信息化水平，利用上位机对PC 中的信息实施读写监控，同时也能够促进现场信息的采集、传递、生产期间调度的智能化升级，对此其应用范围相对广泛[1]。我们为什么使用PLC 来做控制器呢？因为PLC 技术的主要特点如下：首先，PLC 技术具有安装速度快、维护难度低、操作容易等优点。其次，PLC 技术具有较强的抗干扰能力，能够检测自身系统，及时发现、诊断和修复存在的问题，大大降低问题对于生产过程的影响。再者，PLC 技术具有良好的环境适应能力，能够快速适应生产环境，减少由于环境问题而造成的设备损失。此外，PLC技术实用性比较强。由于PLC 的编程模式为梯形图模式，因此该编程模式比较直观，便于操作员理解[2]。

本设计的工艺步骤见图1 介绍。

图1：工艺流程图

自控装置包括两个部分，即：主程序与子程序。其中，前者对应程序过程一般包括：模拟量处置、均质、电氧化、超滤、纳滤、反渗透等模块。

对于模拟量处理程序来说，其中的参数是由配置的在线检测仪来进行记录，以便于对整个数据的运行过程进行记录，其中的数据参数一般是指：压力、液位、pH 值、流量、电导率等。第一步需要实施数据采集，以便于将其上传至自动控制装置中，在获得相关结论之后，以便于灵活控制，且完成高效操作等目的。

均质与活性程序：原水由上至下均匀流经介质，其运行周期增加，滤层截取的杂质在持续增加，滤料孔隙通道变得愈发密集，滤料会逐步压实，产水质量大大提升。在启动之后，表面滤料间的缝隙会慢慢地聚集大量的污染物，导致表面截污问题出现，乃至会出现膜状物质，导致阻力提升；滤速下滑或者滤膜分裂，导致污染物持续穿过，出现恶水。持续需要实施反洗工艺。利用长期地运行，然后按照出水流量来判断是否有必要实施反洗。

电氧化程序：电化学催化氧化技术一般需要于外加低压直流电场等应用下，对电压或电流等形成的电化学反应、电催化氧化反应等进行调整。对于前一个反应来说，一般是聚集于电极中形成的氧化还原反应；对于后一个反应来说，一般是在电极修饰物表层形成强氧化性，例如：游离基等。我们需要利用调整电极板的电流、电压等确定一个最佳的均衡点，接下来需要对电压与电流等实施监测。

此处我们还采用了36 台高频电源柜，两组，每组18 台。高频电源柜效率高，体积小。在我国内正在兴起，特别对于高浓度及不易荷电的工作条件下，其供电能力比晶闸管控制高压直流电源略强，除尘效率得以部分提高。每组与PLC均采用Modbus RTU 轮询通信。电氧化阶段采用两个CP341模块，每个CP341 模块作为主站。每个主站带18 个高频电源柜，也就是带18 个从站，进行轮询通信。实时监视其运行状态。

超滤：超滤技术是以机械筛分为主要原理，以膜两侧压力差为推动力的膜分离过程；可有效去除水中的悬浮固体、胶体、微生物等非溶解性物质和大分子有机物，净化水质制取高品质产水。超滤系统运行一段周期后，污染物逐渐附着在超滤膜表面导致透膜压差增大；为降低膜污染及浓差极化现象需周期性进行反洗，即用超滤产水通过反洗泵加压后从产水口进入，透过膜从进水口/浓水口排出，将附着在超滤膜表面的污染物带走；为提高反洗的有效性，在反洗过程中引入了空气进行曝气擦洗。

纳滤：纳滤是一种相对较新的压力驱动膜分离技术，借助外界压力推动污水克服纳滤膜的渗透压进行分离、分级、提纯或富集。由于纳滤膜特殊的孔径范围和制备时的特殊处理（如复合化、荷电化），使得纳滤膜具有较特殊的分离性能。纳滤分离性能介于超滤和反渗透之间，能够截留直径大于0.001um 的颗粒物及分子量在200 道尔顿以上的有机物；纳滤对二价及更高价离子具有较高的脱除率（通常在95%以上），而对于一价离子的脱除率较低。利用纳滤技术的显著特征用来脱除原水中硬度、二价及高价可溶性盐，降低硬度及含盐量，去除色度和部分小有机物。

反渗透：反渗透技术是当今世界上领先发展的水处理高新科技之一，具有先进、高效、安全和节能等特性，是地表水、地下水、自来水深度净化为纯净水及工业/城镇污水、中水等受污染水源高品质回用的有效保障及广泛应用手段。

大部分工艺则是结合前后水池液位来对原水泵启动与关闭等进行灵活调节，根据过滤系统前后压差、压差预设的数据等实施分析，若压差增加，必须要对其实施反洗，高于压差的预设值，则需要启动反洗程序。

2 系统的配置

由于在工业电气智能化建设的过程中，对产品的质量及连续性标准要求都相当高。与此同时，由于相关的电气技术还远不能实现全面发展的目的。因此工业电气自动化产品应用中仍然会存在着某些可靠性不足的问题，比如在工业电路设计的过程中，因为一个支路而造成整个电路发生故障或用电等复杂问题。这一问题的发生，很有可能会影响到其他支路，特别是对主要道路上的供电运作。在严重情况下，甚至还会对整个工业动力系统的正常运行产生负面影响。但是，通过电子数据、通讯等各个技术，在使用的过程中如果总是发生故障，则故障电路就会把这些信号传送到主干或者其他支路，从而进行故障的自动管理，以减少对供电线路和电子设备的影响，并及时地把电路中的故障信号报告给工程技术人员[3]因此本项目选择的是西门子PLC‐400H 冗余装置。已经是一套很成熟的系统硬件。硬件冗余系统的好处是能够：

（1）平滑的主从切换。

（2）自动事件同步。

（3）集成的错误识别和错误定位功能。

（4）操作期间可对系统进行修改。

（5）类似标准CPU 的在线编程。

（6）下载程序时，只考虑单个CPU，程序可自动拷贝到另一个CPU 中。

（7）CPU 修复后自动再进入。

（8）运行中所有部件可更换。

软冗余实现原理：系统运行过程中两个CPU 同时启动和运行，但是在正常运行时只有主CPU 发出控制命令，而备用CPU 检测主CPU 状态和记录主CPU 发出的命令，当主CPU 发生故障时能够延续当时的实际状态接替主CPU 发出执行命令。与主CPU 通信的IM1532 模块处于激活状态时主CPU 能访问I／0 模块。当系统发生特定故障时，系统可以实现主备切换，备站接替主站继续运行。项目CPU采用的是西门子415H 系列，2 个CPU 利用交换机通过以太网模式和上位机实施通讯。CPU 和通讯系统选择Profibus‐DP 方法实时通讯。该模块下侧配置西门子300I/O 模块，由此来获得较强的性价比。该装置的适应范围集中在污水处理方面，技术完善、稳定性强，能够真正地达到本套水处理等方面的工艺标准。

上位监控站通过组态王6.6SP2 版本，利用合并且已修缮的故障，大大提升产品的稳健性；利用扩大图库规模、增强6.53 加密锁的适应性等，增强产品的应用质量；利用强化SVG 图形文件的导入水平、完善II 次授权APP 平台，增强产品的功能性。整个操作更加便捷与灵活，其功能是对装置的全部操作、监控等实施控制。也就是说：上位监控站明确操作指令，利用PC 控制层的逻辑计算，把上位监控站发射出的一系列指令上传至现场装置中，对其整体运行实施操控，并且还需要把现场装置的运行参数，包括：水质参数、流量、压力、温度、液位、水泵等给予明确，然后逐步将其上传至上位监控平台中，然后一并上传至系统创建的生产历史信息库中，通过技术人员对其中的数据进行整理，能够调整各个工作参数的变化范围，真正地实现高质量控制等目的。

工控机配置的是西门子6AG4010‐5BB20‐0XX5 型号，其优点：

（1）机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。

（2）机箱内有专用底板，底板上有PCI 和ISA 插槽。

（3）机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力。

（4）要求具有连续长时间工作能力。

（5）一般采用便于安装的标准机箱。

并且把组态王软件、PLC 编程软件等运用其中，一并配置在相同的计算机系统中，需要将其增设一个相同的IP 段，各个IP 地址，通常能够通过TCP／IP 协议达到数据互通等目的。也就是以太网通信。

2.1 系统的硬件配置

该设计包括三个PLC 室，即：均质室、中央配电室、深度处理室（核心），其中，深度处理室的CPU 位于室内，其它2 个冗余的CPU 配置的是以太网通讯，它和远程I/O配置的是Profibus‐DP 通讯。2 个操作站能够对全部数据实施监控，而且能够发射相关指令。并且还要于中控室内配置1 台打印机，确保能够对其中的参数进行动态打印。

2.2 系统程序的编程要求

（1）PLC 程序的类型主要有：①初始化程序；②设备控制子程序（诸如水泵子程序、输药泵子程序等）；③I/O映射程序（根据设备单元进行划分）；④模拟量处理装置（根据柜体进行划分）；⑤手动程序（根据设备单元进行划分）；⑥自动启动程序‐‐‐‐主循环/故障处置程序（骤停程序）。

各单元或各类型的程序块根据工艺排序进行科学配置。

（2）结合具体IO，本系统对废水站各主要电机、阀门等电气设备控制方式分为2 种：就地方式和远程方式（集中控制室）；就地为纯手动方式，集中控制室远程操作站操作可

选“手动”或“自动”方式。“就地‐远程”选择开关设置在现场操作箱上。当选择“就地”操作时，可在机旁操作箱上操作并监视设备的运转状态，PLC 不参与控制，只监视设备，这样可方便现场检修及调试；选择“远程”方式操作时，操作人员可在操作室通过鼠标操作现场电气设备，如解除相关设备的连锁，可对单体设备进行“启动”和“停止”操作；若选择“远程”“自动”方式操作时PLC 按照预先设定的连锁关系将相关设备自动“启动”运转及故障时自动停机。

（3）全部设备的启动周期、液位高低、流量大小、压力变化等必须要满足要求：①明确参数对应的用户权限，全部设置参数必须要明确其上下限范围；②PLC 程序初始化的过程中，必须要明确相关参数赋值（结合调试结果灵活调整），同时关于画面设置而言，则需要选择一键初始化参数进行调整；③基于常态环境下，不同设备的运行参数保持较强的独立性。

主、子程序图。将所有阀门。泵等都认定是子程序，接下来需要通过多重背景调和，操作便捷，实用性强。I/O 映射对应的是一个独立的FB，能够把I/O 点→DB 点进行操作，其优势包括：如果外界的输入点受损，那么需要更新其地址，无需在程序内部更新，仅需替换相应的I 和DB 之间的关系即可。但是目前的标签化编程法的应用无需进行这种方式的处理。并且，在选择触摸屏等上位机的情况下，考虑到个别上位机无法直接运用到I 范围，对此必须要转化至DB 范围，方可对其全面操控，由此能够达到上位机的运行效果，确保对现场开关实施同步控制与调整。接下来还需要确定某一位点，便于筛查。

（4）流程画面：每幅画面将显示站内的一套主要的生产流程。每幅流程画面的内容取决于每套工艺的流程和设备控制需要。在最大可能范围内，流程画面应包括一套完整生产流程的所有设备、状态、数值和控制回路；具体包括泵类设备、阀门工作状态显示等。废水站的所有主要工艺流程都会在流程画面中显示。操作面板/趋势显示：一个操作面板和趋势显示将用于系统的每个模拟控制回路，可由操作人员改变设定值。运用鼠标点取画面上的菜单可以迅速和容易地进入每一幅显示画面；通过下拉菜单，每幅画面都能切换进入当前的报警清单。每个画面上部的一个标准菜单条允许选择进入所有的应用操作。

3 控制系统的应用

因为现场实际运行等方面的要求，控制系统对应的功能包括：

3.1 热备功能

控制系统能够促进主备控制系统之间的数据交流，同时实现无障碍的切换。通过2 套处理系统与热备系统能够同时运行，不过其运行模式有差异。主处理系统通常能够在正常的运转情况下进行，系统存在输入，也存在输出；根据处理器的通电运行情况，能够一并接收对应的输入信号，其中的参数见的处理和计算，和直接运行的那一套对应的信号是完全不一样的。2 套之间选择硬件互联法来实现故障切换与处理。在正常状态下，主处理系统承担着控制功能，备用系统需要持续性地更新数据，却不会外输。如果主处理系统发生故障，那么备用处理系统能够自动转化成主控制设备，发挥控制等作用。这一功能于上位机中也能够具备监控功能，这应该是组态王的固有特征。在正常运行下，右侧的主、备CPU 全部是绿色。只要其中一个持续问题，即可转化成红色，能够让操作人员第一时间察觉，明显地缩短处理时间。

3.2 运行设备能够自由筛选

因为现场实际应用与检修等方面的独特要求，控制装置程序设计一定要满足运行规定，保障运行系统能够自由筛选与搭配等。例如：均质过滤器装置、活性过滤器装置等，全部都属于4 套，在正常运行的前提下，全部是以3 备1，在正常启动的条件下：均质过滤装置是三个运行，一个备用；而超滤、纳滤、反渗透等装置在正常条件下，通常是以2 备1，无需对检修造成干扰，存在较强的人性化优势。

3.3 上位机操作功能的应用

此上位机的画面一般设计出均质、初级、电氧化、超滤、报警等若干个画面。它们都对应着不同的重点内容，各个画面都能够显示出主系统和辅助系统的启用情况，同时还需要对流量、液位、压力等实施动态监控，利用对相关模拟数据的监控，对其中的状态进行全方位地掌握与解析，由此获得最理想的运行状态。

同时于系统总图中明确用户的具体操作范围、用户登录流程等，由此能够预防操作人员启动多余画面，或者做一些不相干的行为，可以真正地规避上位画退出运行等方面的错误行为，大大提高对整个过程的控制与监督效力，确保过程计算机的安全运行与稳健。

3.4 PLC系统将提供以下报警清单和操作能力

打印系统报警和过程报警并送至历史信息存储至少6 个月；

PLC 系统历史记录、趋势和报表软件功能，给操作者和工程师提供了分析先前生产数据和参数的工具，以帮助他们有效地操作该系统。不同的历史记录和数据自动归档，用于系统的趋势和报表功能，用于周期性的历史数据（日报和周报）和生产数据的长期归档。系统历史记录保留时间为六个月，以便生产管理人员在将来任何时候均可分析该数据。这是研究生产过程和寻找排除故障的有效工具。趋势软件包允许操作人员在TFT 显示的图表上对选定时间周期内的生产变化进行研究，无论是当前的还是历史的数据都能看到其变化趋势。

系统报表生产软件包具有以下功能：

（1）按要求生成报表；

（2）报表在硬盘上归档；

（3）报表自动打印。

为了保证生产安全和维护方便，PLC 系统将提供系统备份的功能，可在系统出现故障时，方便、快捷的重建系统，恢复生产。PLC 系统具有广阔的综合控制和I/O 软件包。该控制和I/O 软件在以下三个领域提供控制功能：回路控制、逻辑控制、顺序控制。

4 结束语

控制装置启动后，焦化废水处置系统的运行更加高效与平稳，并未发生过一次故障问题。全套技术均属于自动化控制，能够减少操作人员的工作压力与工作强度，增强系统的运行效益。因为控制系统的技术水平的提升，能够促使逻辑控制系统更加完善，而且，还能够把酸、碱、阻垢剂、还原剂、杀菌剂、加药箱等看作是再一次实施相关程序控制的参照指标，由此能够有效地控制了相关药剂的使用量，达到环保、低碳、高效等目的。

本设计选择的是统一监控与岗位人员的科学配置等方法，确保能够在内部实施统一调配与管理。

本设计只是在水处理领域的一个典型事例，存在较强的参考价值，未来的PLC 控制装置在不同的功能应用、通讯领域等方面的影响力逐步提升，且在不同行业中的应用率也在逐步增加，其应用价值更强、应用范围更广。