石油平臺(tái)生活污水處理裝置設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

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摘要：為了開(kāi)發(fā)一種專(zhuān)業(yè)、控制有序的海上石油平臺(tái)生活污水處理裝置，設(shè)計(jì)了采用PLC的電解法生活污水自動(dòng)處理裝置。文章分析了控制系統(tǒng)的電氣原理圖和控制系統(tǒng)中的輸入/輸出信號(hào)，對(duì)控制邏輯和人機(jī)界面設(shè)計(jì)進(jìn)行了說(shuō)明。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與實(shí)際使用表明，該裝置通過(guò)PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)處理生活污水的功能。

關(guān)鍵詞：生活污水處理；PLC；控制系統(tǒng)；自動(dòng)控制

引言

隨著海上開(kāi)采石油的迅猛發(fā)展，海洋污染的問(wèn)題越來(lái)越突顯，主要體現(xiàn)在對(duì)排放污水的指標(biāo)越來(lái)越嚴(yán)格。傳統(tǒng)的生化法生活污水處理工藝簡(jiǎn)單，但無(wú)論是處理效果還是處理量來(lái)說(shuō)都有其局限性。電催化氧化法生活污水處理裝置是一種利用電催化氧化方式對(duì)海上石油平臺(tái)生活污水進(jìn)行處理的裝置。操作人員通過(guò)控制柜上的人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)控制，通過(guò)程序控制實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行元件的相互配合，達(dá)到污水處理達(dá)標(biāo)并排放的功能。

1系統(tǒng)整體工藝設(shè)計(jì)

自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與自動(dòng)模式。

1.1手動(dòng)控制模式

本系統(tǒng)可分別對(duì)裝置中的粉碎泵、風(fēng)機(jī)、排放泵、直流柜，電動(dòng)閥等執(zhí)行元件進(jìn)行手動(dòng)打開(kāi)與關(guān)閉。該模式的作用為單設(shè)備檢修，試運(yùn)行及初上電調(diào)試時(shí)使用。

1.2自動(dòng)控制模式

1.2.1電催化自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)安裝于緩沖罐頂部的超聲波液位計(jì)，實(shí)時(shí)地測(cè)量緩沖罐中污水的液位高度，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)高度時(shí)，粉碎泵啟動(dòng)，將污水從緩沖罐中抽出粉碎，并將水注入反應(yīng)器中。污水進(jìn)入反應(yīng)器后，液位逐漸升高，觸發(fā)液位開(kāi)關(guān)產(chǎn)生動(dòng)作信號(hào)，PLC控制直流電源進(jìn)行直流放電，驅(qū)動(dòng)電催化極板進(jìn)行電催化反應(yīng)。經(jīng)過(guò)電催化反應(yīng)后的污水，自流進(jìn)入清水罐，同時(shí)位于清水罐中的壓差式液位計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量液位高度，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)高度時(shí)，排放泵啟動(dòng)，將處理完畢的污水排出。在電催化反應(yīng)進(jìn)行中，風(fēng)機(jī)同步運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制排放反應(yīng)中可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)氣體的功能。

1.2.2電極自動(dòng)換相系統(tǒng)固定在反應(yīng)器中的電極板，由于長(zhǎng)時(shí)間加直流電進(jìn)行電催化反應(yīng)，會(huì)在極板上產(chǎn)生垢，這就需要定期對(duì)電極板的正負(fù)極進(jìn)行切換，利用其中一極在電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的氣泡使極板上的垢脫落，從而實(shí)現(xiàn)自我脫垢的功能。

1.2.3廢渣自動(dòng)排放系統(tǒng)通過(guò)電極自動(dòng)換相功能而分離出的污垢，經(jīng)一段時(shí)間沉淀后，會(huì)堆積在反應(yīng)器底部，這就需要定時(shí)對(duì)其排垢。具體操作：通過(guò)直流電源運(yùn)行反饋信號(hào)作為計(jì)時(shí)條件，當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，打開(kāi)排放電動(dòng)閥門(mén)，待閥門(mén)打開(kāi)反饋信號(hào)有效時(shí)，排放泵運(yùn)行一段時(shí)間（可設(shè)定），最后關(guān)閉排放泵與排放電動(dòng)閥。這樣可及時(shí)排除固體沉淀，從而實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)設(shè)備良好運(yùn)行的效果。

2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自控系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.1PLC組態(tài)

PLC選用西門(mén)子S7-1200系列中的1215C，本身具有14數(shù)字輸入和10個(gè)數(shù)字輸出，通過(guò)添加擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展出多個(gè)模擬輸入與模式輸出，作為采集與控制其他設(shè)備的接口。如圖2所示。PLC在進(jìn)行硬件組態(tài)時(shí)需要對(duì)每一個(gè)擴(kuò)展口的I/O地址（包括起始與結(jié)束地址）做設(shè)定，這在后續(xù)的編程中作為物理端口的影射，通過(guò)程序處理調(diào)用。

2.2PLC與其他設(shè)備的連接

PLC通過(guò)自身與擴(kuò)展的IO接口模塊，接收現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)各各種信號(hào)（其中包括數(shù)字輸入輸出信號(hào)，模擬輸入輸出信號(hào)），對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并執(zhí)行PLC程序中發(fā)出的各種控制指令。數(shù)字輸入部分主要有液位開(kāi)關(guān)、電動(dòng)閥的打開(kāi)與關(guān)閉反饋，電動(dòng)機(jī)接觸器的輔助觸點(diǎn)以及直流電源的狀態(tài)反饋；數(shù)字輸出部分主要有對(duì)電動(dòng)閥、控制電機(jī)的交流接觸器以及直流電源的啟停控制；模擬輸入部分主要有流量計(jì)、液位計(jì)以及直流電源的電流電壓模擬輸出反饋；模擬輸出部分主要針對(duì)直流電源電流輸出幅值的控制信號(hào)。

3編程設(shè)計(jì)

3.1人機(jī)界面設(shè)計(jì)

使用博途TIA（V14）繪制界面[1-3]，通過(guò)硬件組態(tài)與畫(huà)面繪制，將人機(jī)界面與PLC通過(guò)Profinet通信協(xié)議，經(jīng)網(wǎng)線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警歷史、參數(shù)設(shè)定和手動(dòng)調(diào)節(jié)等進(jìn)行反饋，便于操作者對(duì)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)有效地把控。圖3為流程界面。流程界面為設(shè)備運(yùn)行中處于長(zhǎng)期顯示的重要畫(huà)面，其中包括了各動(dòng)力設(shè)備的啟停狀態(tài)，各電動(dòng)閥的開(kāi)合狀態(tài)，各儀表的數(shù)據(jù)反饋狀態(tài)，還有每種設(shè)備的故障檢測(cè)狀態(tài)。不同的運(yùn)行模式下，可以直觀的通過(guò)畫(huà)面看到各種狀態(tài)信息與數(shù)值反饋，便于操作者或者巡檢員快速、直接且有效的判斷設(shè)備運(yùn)行情況。為了便于將來(lái)的儀表更換與設(shè)備檢修，還編寫(xiě)了儀表校準(zhǔn)和控制頁(yè)面（如圖4），其中儀表頁(yè)面主要是對(duì)系統(tǒng)中傳輸模擬信號(hào)的儀表進(jìn)行4-20mA與實(shí)際儀表量程的校準(zhǔn)；控制頁(yè)面主要分成四部分，第一部分為系統(tǒng)模式切換；第二部分為手動(dòng)模式中各執(zhí)行元件（包括風(fēng)機(jī)、粉碎泵、海水閥、排放閥與直流柜）的單獨(dú)啟/停，便于維修人員對(duì)單一設(shè)備的運(yùn)行測(cè)試；第三部分為主備設(shè)備的手動(dòng)與自動(dòng)切換，當(dāng)設(shè)置為自動(dòng)切換時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行時(shí)間與參數(shù)頁(yè)面的設(shè)定時(shí)間，對(duì)主備設(shè)備進(jìn)行定期切換，避免主設(shè)備長(zhǎng)期工作，備用設(shè)備長(zhǎng)期閑置，導(dǎo)致兩臺(tái)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行壽命不一致的情況，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)設(shè)備都具備良好的使用狀態(tài)，當(dāng)設(shè)置為手動(dòng)切換時(shí)，系統(tǒng)不再對(duì)各設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行累加，主備設(shè)備不再自動(dòng)切換，而是通過(guò)選擇按鈕實(shí)現(xiàn)人工切換；第四部分為不停機(jī)檢修隔離按鈕，對(duì)所有執(zhí)行元件進(jìn)行檢修狀態(tài)設(shè)定，當(dāng)檢修狀態(tài)激活時(shí)，設(shè)備在自動(dòng)模式下不再運(yùn)行，避免在不停機(jī)檢修時(shí)對(duì)人或者物造成潛在的安全隱患。

3.2PLC程序設(shè)計(jì)

3.2.1程序框架設(shè)計(jì)通過(guò)PLC的IO端口，監(jiān)控各儀表與各設(shè)備的工作狀態(tài)，并根據(jù)裝置所處的工作模式?jīng)Q定工作流程，如圖5所示。每個(gè)執(zhí)行部件都采用一用一備的熱備用方式，當(dāng)一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，程序自動(dòng)切換使用備用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，保證運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性。程序編寫(xiě)依靠IEC61131-5及國(guó)標(biāo)15969.3-2017相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編寫(xiě)[4-5]。具體程序設(shè)計(jì)，首先對(duì)每一個(gè)功能建立功能塊（FB）及其數(shù)據(jù)塊（DB），包括實(shí)現(xiàn)功能需要的內(nèi)部變量與全局變量；其次，對(duì)每一個(gè)功能塊進(jìn)行獨(dú)立編程，實(shí)現(xiàn)各功能獨(dú)立，在組織塊（OB1）中用對(duì)應(yīng)的指令調(diào)用各功能塊，從而提高CPU的執(zhí)行效率，便于后期調(diào)試與功能添加。

3.2.2換相程序換相功能的程序如圖6所示，在直流電源運(yùn)行時(shí)，通過(guò)分鐘脈沖信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的累加觸發(fā)。當(dāng)計(jì)數(shù)值大于等于預(yù)設(shè)值時(shí)，觸發(fā)換相流程：先停止直流電源運(yùn)行，并激活“延時(shí)接通”指令，其設(shè)定值為90秒，這主要的作用是等待直流電源的輸出端電壓下降到安全值，避免立即換相導(dǎo)致接觸電流過(guò)大觸發(fā)設(shè)備意外報(bào)警；當(dāng)接通延時(shí)指令激活達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間后，PLC對(duì)直流電源發(fā)出換相指令，并回復(fù)直流電源運(yùn)行；當(dāng)正負(fù)切換兩次后，計(jì)數(shù)器清零，開(kāi)始重新計(jì)數(shù)。

3.2.3排放程序定時(shí)排放功能程序如圖7所示，在自動(dòng)模式下通過(guò)分鐘脈沖作為計(jì)數(shù)器觸發(fā)源，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值且粉碎泵在工作時(shí)，進(jìn)入排放流程：打開(kāi)電動(dòng)閥，通過(guò)觸發(fā)“延時(shí)打開(kāi)”指令，延遲一段時(shí)間后，排放泵運(yùn)行，再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，排放泵停止，電動(dòng)閥關(guān)閉，重置排放計(jì)時(shí)值。

4結(jié)束語(yǔ)

本裝置在西門(mén)子博途編程平臺(tái)下完成了基于Profinet連接的觸摸屏與PLC，通過(guò)IO接口對(duì)執(zhí)行元件進(jìn)行互聯(lián)，智能、高效地對(duì)生活污水進(jìn)行電催化處理，從而有效降低污水中的化學(xué)需氧量（COD）。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行可證明：該生活污水自動(dòng)處理裝置可高效可靠的實(shí)現(xiàn)海上石油平臺(tái)生活污水的處理任務(wù)，達(dá)到排海要求，功能完整，設(shè)備易于操作維護(hù)，運(yùn)行穩(wěn)定。該裝置已在多個(gè)海上石油平臺(tái)上推廣使用。

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作者：李旗 錢(qián)光磊 謝陳鑫 單位：中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司