造紙廢水深度處理工段DCS方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、造紙工業(yè)廢水深度處理工段DCS 方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用李明輝張秦陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院西安 710021 摘要：針對(duì)某造紙工業(yè)廢水深度處理工段，提出了合理的DCS 軟硬件配置和程序設(shè)計(jì)的整體方案，闡述了控制難點(diǎn)的解決策略，并分析了現(xiàn)場(chǎng)抗干擾措施。最后，該控制系統(tǒng)已經(jīng)在唐山某污水處理廠得到應(yīng)用，取得了較好的控制效果。關(guān)鍵字：廢水深度處理、DCS、抗干擾0、引言造紙行業(yè)是一個(gè)用水量大、污染嚴(yán)重的行業(yè)，尤其是原漿造紙，其造紙廢水污染物濃度高、治理難度大，各國(guó)均將造紙廢水列為主要公害之一。我國(guó)造紙企業(yè)普遍規(guī)模較小( 小型造紙廠約有萬(wàn)家) ，生產(chǎn)工藝和設(shè)備落后，管理水平不高，原材料和能源消耗量大，造紙工業(yè)廢水

2、的處理是當(dāng)今廢水處理的難題之一。經(jīng)過(guò)多年努力， 在治理技術(shù)的研究和防治工作方面， 取得了一定進(jìn)展，但我國(guó)造紙工業(yè)廢水對(duì)水體的污染仍存在一定問(wèn)題。目前應(yīng)用比較成熟的廢水處理工藝為“混凝+沉淀 +水生化處理” ，它主要利用微生物對(duì)造紙工業(yè)廢水中的大分子物質(zhì)的降解作用實(shí)現(xiàn)廢水的回收處理，如圖1。圖 1 造紙廢水處理的工藝流程圖在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，隨著造紙企業(yè)通過(guò)技術(shù)改造，有效提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，廢水的日排放量也隨之增加，采用原有的“混凝 +沉淀 +水生化處理”工藝面臨著巨大的挑戰(zhàn)。越來(lái)越多的污水處理企業(yè)開(kāi)始引進(jìn)新工藝、新設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，提高水處理能力。目前項(xiàng)目改造中以在原有基礎(chǔ)上添加廢水深度處理工

3、程者居多，這樣就推動(dòng)了廢水深度處理工藝處理工藝的發(fā)展 （圖 1 中的虛線框中部分） 。本文主要研究造紙工業(yè)廢水深度處理工段DCS 方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用。1、廢水深度處理工藝概述以某工業(yè)區(qū)的污水處理廠廢水深度處理工程為例說(shuō)明。該廠位于唐山市某一造紙工業(yè)園區(qū)，需要處理附近近10 家小型造紙廠排放污水。在 08 年上污水處理工程后，使污水排放達(dá)到了造紙工業(yè)水污染排放標(biāo)準(zhǔn)（GB3544-2001 ） 。隨著行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，各家造紙企業(yè)紛紛進(jìn)行技術(shù)改造，提高生產(chǎn)效率， 同時(shí)也對(duì)廢水處理能力也有個(gè)較高的要求。按照原來(lái)的 “混凝 +沉淀 +生化處理” 的廢水處理 能力已經(jīng)使污水排放不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，于是在 2

4、010年初開(kāi)始建設(shè)廢水深度處理工程，選擇的是增加“混凝+Fenton 氧化 +絮凝”法深度處理工藝。該工業(yè)主要采用高級(jí)氧化處理技術(shù)，屬于物化作用， 理論上水處理速度相對(duì)原有的生化處理有很大的提高，具體工藝如圖2 所示。提升泵抄紙廢水集水池混凝反應(yīng)溝輻流沉淀池中間水池絮凝劑助凝劑紙漿回收中段廢水提升泵回用水加壓泵造紙工序各用水點(diǎn)好氧生化池二沉池達(dá)標(biāo)水排放廢水深度處理提升泵圖 2 某紙廠廢水深度處理流程圖工藝分析：首先，從二沉池來(lái)廢水通過(guò)提升泵流入三連通的調(diào)節(jié)池，此時(shí)水質(zhì)參數(shù)為COD 在 20020mg/L ，BOD 在 60 5mg/L。伴隨著工業(yè)濃硫酸（濃度為98%）通過(guò)計(jì)量泵送入調(diào)節(jié)池1#工

5、位，將待處理廢水酸化，并經(jīng)過(guò)攪拌混合后進(jìn)入調(diào)節(jié)池2#工位。然后，通過(guò)加藥泵向2#位注入氧化反應(yīng)所需的催化劑，攪拌混合后送入到調(diào)節(jié)池3#工位與注入的1#氧化劑混合反應(yīng)。接著，通過(guò)進(jìn)Fenton 氧化塔提升泵將廢水從塔底送入塔內(nèi)，充分反映后通過(guò)溢流管道將經(jīng)氧化后的廢水送入到三連通的中和池的1#工位，并通過(guò)檢測(cè)中和池的ORP（電離反應(yīng)常數(shù)）值，控制是否添加2#氧化劑。接下來(lái)通過(guò)調(diào)節(jié)燒堿的注入量將中和池內(nèi) PH 維持在 7.00.5。 最后將反應(yīng)后并和絮凝劑混合充分后的廢水通過(guò)溢出送入三沉池，有效的物理沉淀后可達(dá)到達(dá)標(biāo)水質(zhì)。出水水質(zhì)要求CODcr80mg/L、BOD5 20mg/L、色度低于10 倍。

6、主要工藝要求：調(diào)節(jié)池廢水的PH 值控制在 3.50.5；中和池水的PH 控制在 7.0 0.5；調(diào)節(jié)池液位保持在705%；所有藥劑均能按比例實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)調(diào)節(jié)加藥量。2、DCS 配置與選型一個(gè)合格又高效的廢水處理工程，除了優(yōu)良的工藝支撐外，穩(wěn)定的控制系統(tǒng)也是不可或缺的。2.1 系統(tǒng)測(cè)控點(diǎn)分析廢水深度處理系統(tǒng)中需要進(jìn)入DCS 的執(zhí)行對(duì)象有：攪拌器、泵（加藥泵、卸料泵、提升泵） 、閥門等。檢測(cè)裝置有：液位計(jì)、流量計(jì)、酸度計(jì)（PH 計(jì)） 、ORP 計(jì)（電離常數(shù)檢測(cè)裝置）等。統(tǒng)計(jì)該系統(tǒng)的檢測(cè)點(diǎn)表見(jiàn)表1。. 表 1 該廢水深度處理工段的檢測(cè)點(diǎn)表檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量DI DO AI AO 備注泵和攪拌器34 68 3

7、4 0 0 V 型電動(dòng)閥6 12 12 0 0 液位變送器7 0 0 7 0 二線制流量變送器6 0 0 6 0 四線制PH 計(jì)/ORP 計(jì)2/1 0 0 3 0 四線制總計(jì)80 46 16 0 DCS 配置104 60 21 0 注釋：表 1 中的 DCS 配置行點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)，是按照 DCS 配置點(diǎn)數(shù)預(yù)留30%的余量的一般原則計(jì)二沉池來(lái)廢水調(diào)節(jié)池溢出去沉淀池，達(dá)標(biāo)水排放中和池Fenton反應(yīng)塔濃硫酸催化劑1#氧化劑2#氧化劑燒堿絮凝劑PH PH ORP 算得到的，實(shí)際的項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中點(diǎn)數(shù)可適當(dāng)?shù)脑鰷p也是可行的。2.2 控制系統(tǒng)配置從系統(tǒng)的測(cè)控點(diǎn)數(shù)量分析可知，該系統(tǒng)屬于中小型控制系統(tǒng)，為了滿足工程

8、實(shí)際需要，并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選擇綜合性價(jià)比較高的西門子（SIEMENS ）SIMA TIC 系列的通用控制器?？紤]到實(shí)現(xiàn)工廠數(shù)據(jù)的共享，配置了以太網(wǎng)通訊接口模塊CP343-1，可通過(guò)交換機(jī)的廣播式發(fā)送數(shù)據(jù)模式，實(shí)現(xiàn)新添加工段數(shù)據(jù)與工廠其它工段的數(shù)據(jù)共享。其他的相關(guān)軟硬件清單見(jiàn)表2。. 表 2 廢水深度處理DCS 配置清單名稱型號(hào)規(guī)格數(shù)量生產(chǎn)廠家下位機(jī)硬件CPU 314 6ES7 314-1AF00-0AB0 1 SIEMENS PS 307 10A 6ES7 307-1KA00-0AA0 1 SIEMENS CP 343-1 6GK7 343-1CX10-0XE0 1 SIEMENS SM3

9、31/AI 6ES7 331-7KF02-0AB0 3 SIEMENS SM321/DI32 6ES7 321-1BL00-0AA0 3 SIEMENS SM322/DO32 6ES7 322-1BL00-0AA0 2 SIEMENS 上位機(jī)硬件操作員站P4/3.0G/1024M 160G/DVD LCD22 1 DELL 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)YP-LINK 8 口交換機(jī)1 華為網(wǎng)線雙膠線100m AMP 軟件WINCC 6AV6 381-1BE06-0DV0 1 SIEMENS STEP7 V5 軟件6ES7 810-5CC08-0YA5 1 SIEMENS 3、程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件配置和

10、選型后，需要針對(duì)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的上位機(jī)和下位機(jī)的程序。 在這里采用的是模塊化的程序設(shè)計(jì)思路，并從整體到局部，由易到難的解決程序設(shè)計(jì)中的每一個(gè)問(wèn)題。一下從三方面進(jìn)行闡釋和說(shuō)明。3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)通過(guò)西門子Step7軟件進(jìn)行的下位機(jī)程序設(shè)計(jì)，主要任務(wù)有： 首先建立行的工程項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制站的硬件組態(tài)，并分好模塊地址，為下一步的程序設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。 模擬量的采樣、 濾波和線性標(biāo)定。例如系統(tǒng)中的液位、流量、PH、ORP 數(shù)據(jù)的采集，并設(shè)計(jì)均值濾波，降低干擾，并通過(guò)量程標(biāo)定實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確表達(dá)。 重要數(shù)據(jù)的分班累計(jì)運(yùn)算。例如廢水處理流量、藥劑流量等。 數(shù)字量的邏輯運(yùn)算。例如電機(jī)和閥門的啟?？刂?、手自

11、動(dòng)控制、順序控制等。 單回路和多回路控制程序設(shè)計(jì)。例如通過(guò)調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的穩(wěn)定控制、通過(guò)流量的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的控制等。 重要的聯(lián)鎖控制。例如當(dāng)調(diào)節(jié)池液位高于95%時(shí)，可以啟動(dòng)備用提升泵快速增加調(diào)節(jié)池出水，避免溢出等。3.2 上位機(jī)人機(jī)界面設(shè)計(jì)利用西門子提供的WinCC 進(jìn)行上位機(jī)人機(jī)界面設(shè)計(jì)，主要任務(wù)有： 從工藝圖到WinCC 控制界面圖的轉(zhuǎn)換， 實(shí)現(xiàn)監(jiān)控畫面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所有進(jìn)入自控系統(tǒng)的檢測(cè)量的實(shí)時(shí)顯示，并且要體現(xiàn)出工藝流程路線。 制作小窗口，實(shí)現(xiàn)對(duì)可執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。例如泵和攪拌器、閥門等的操作界面。 設(shè)置通訊連接，并建立過(guò)程變量，實(shí)現(xiàn)WinCC 與 PLC 的通訊，并設(shè)計(jì)過(guò)程變量歸檔，

12、實(shí)現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的趨勢(shì)顯示。 完成對(duì)報(bào)警信息的設(shè)置和相關(guān)的報(bào)表打印功能。 設(shè)置用戶權(quán)限，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的分層管理。例如操作工只具備對(duì)工藝設(shè)備的啟停、畫面的切換等任務(wù)，而現(xiàn)場(chǎng)工程師具備對(duì)控制參數(shù)的修改的權(quán)限等。3.3 控制難點(diǎn)及其應(yīng)對(duì)策略a）調(diào)節(jié)池液位調(diào)節(jié)和中和池PH調(diào)節(jié)采用串級(jí)PID 控制圖 3 調(diào)節(jié)池液位和中和池的PH調(diào)節(jié)控制示意圖程序： L Input.L1001 L Scale.L1001 /R T LD 0 L LD 0 L 1.000000e+002 *R T Loop.SP_YW01 CALL CONT_C , DB20 , SP_INT :=Loop.SP_YW01 PV_IN :=Pr

13、ocess.L1001 , CALL CONT_S , DB21 , SP_INT :=DB20.DBD72 PV_IN :=Process.F1001 , QLMNUP :=Q0.0 QLMNDN :=Q0.1 b）各種藥劑添加量與調(diào)節(jié)池出水量之間的串級(jí)比例聯(lián)鎖控制圖 4 加藥量的串級(jí)PID 聯(lián)鎖調(diào)節(jié)控制示意圖程序： A DB40.DBX 0.4 JNB M005 L DB100.DBD 64 L DB40.DBD 18 *R T DB60.DBD 20 M005: L DB60.DBD 20 T LD 40 L DB90.DBD 168 L DB90.DBD 172 -R T LD 44

14、L LD 40 L LD 44 /R T DB61.DBD 20 L 1.000000e+002 *R T DB61.DBD 20 CALL CONT_S , DB55 , SP_INT :=DB61.DBD20 聯(lián)鎖標(biāo)志1 0 比例控制PID 流量調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥流量變送器調(diào)節(jié)池出水流量檢測(cè)手動(dòng)設(shè)定值液位 SP PD 液位調(diào)節(jié)PID 流量調(diào)節(jié)電動(dòng)閥調(diào)節(jié)池流量變送器液位變送器 PV_PER :=DB10.DBW138 ,4、現(xiàn)場(chǎng)抗干擾策略1）控制器的電源與接地控制器（ PLC）本身的抗干擾能力一般都很強(qiáng)。通常，將控制器的電源與系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備電源分開(kāi)配線，對(duì)于電源線來(lái)的干擾，一般都有足夠強(qiáng)的抑制能

15、力。如果一個(gè)系統(tǒng)中含有擴(kuò)展單元， 則其電源必須與基本單元共用一個(gè)開(kāi)關(guān)控制，也就是說(shuō)， 它們的上電與斷電必須同時(shí)進(jìn)行。良好的接地是保證控制器安全可靠運(yùn)行的重要條件。一般要求接地用不短于3 米長(zhǎng)的扁鐵作地樁，接地電阻不高于4，為了抑制附加在電源及輸入端、輸出端的干擾，應(yīng)給控制器接專用地線，并且接地點(diǎn)要與其它設(shè)備分開(kāi)，如圖5（ a） 。若達(dá)不到這種要求，也可采用公共接地方式，如圖5（ b） 。圖 5 控制器接地示意圖2）輸入輸出的保護(hù)措施現(xiàn)場(chǎng)儀表的輸出信號(hào)為420mA 的電流信號(hào)， 采用的是兩芯屏蔽線，并且保證儀表線到微機(jī)控制柜的距離不超過(guò)100 米，屏蔽層統(tǒng)一接到微機(jī)控制柜的地排上，即信號(hào)屏蔽層與

16、控制柜共地。 對(duì)于電機(jī)和閥門的反饋信號(hào)，通過(guò)光電隔離模塊實(shí)施保護(hù)，有效保證由于接線失誤而導(dǎo)致控制模塊失效。控制柜的輸出控制信號(hào)，采用繼電器輸出隔離保護(hù)。對(duì)于啟停頻率較低的電機(jī)控制一般采用常規(guī)繼電器，而對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率較高的閥門控制采用的是固態(tài)繼電器。3）現(xiàn)場(chǎng)布線方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)線與動(dòng)力線分開(kāi)布線?，F(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力線從地溝走線，信號(hào)線通過(guò)空中橋架走線，橋架有效接地。5、工程實(shí)踐該造紙廢水深度處理DCS，采用“混凝+Fenton 氧化 +絮凝”法深度處理工藝，已于2010 年 11 月初經(jīng)過(guò)調(diào)試已經(jīng)正式投入正常運(yùn)行。它滿足了處理工藝要求，提高了廢水處理效率， 使出水水質(zhì)CODcr=705mg/L、BOD5=205mg/L，達(dá)到了回用水的水質(zhì)要求及環(huán)保部門最新規(guī)定排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，該控制系統(tǒng)降低了運(yùn)行操作的勞動(dòng)強(qiáng)度，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，并提高了整個(gè)工廠的運(yùn)行管理水平，值得同行借鑒和推廣