造紙廢水深度處理工段DCS方案設計與應用

1、造紙工業(yè)廢水深度處理工段DCS 方案設計與應用李明輝張秦陜西科技大學機電工程學院西安 710021 摘要：針對某造紙工業(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計的整體方案，闡述了控制難點的解決策略，并分析了現(xiàn)場抗干擾措施。最后，該控制系統(tǒng)已經(jīng)在唐山某污水處理廠得到應用，取得了較好的控制效果。關鍵字：廢水深度處理、DCS、抗干擾0、引言造紙行業(yè)是一個用水量大、污染嚴重的行業(yè)，尤其是原漿造紙，其造紙廢水污染物濃度高、治理難度大，各國均將造紙廢水列為主要公害之一。我國造紙企業(yè)普遍規(guī)模較小( 小型造紙廠約有萬家) ，生產(chǎn)工藝和設備落后，管理水平不高，原材料和能源消耗量大，造紙工業(yè)廢水

2、的處理是當今廢水處理的難題之一。經(jīng)過多年努力， 在治理技術的研究和防治工作方面， 取得了一定進展，但我國造紙工業(yè)廢水對水體的污染仍存在一定問題。目前應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造紙工業(yè)廢水中的大分子物質的降解作用實現(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際的運行過程中，隨著造紙企業(yè)通過技術改造，有效提高生產(chǎn)效率的同時，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)。越來越多的污水處理企業(yè)開始引進新工藝、新設備進行技術改造，提高水處理能力。目前項目改造中以在原有基礎上添加廢水深度處理工

3、程者居多，這樣就推動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 方案設計與應用。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，使污水排放達到了造紙工業(yè)水污染排放標準（GB3544-2001 ） 。隨著行業(yè)競爭的日趨激烈，各家造紙企業(yè)紛紛進行技術改造，提高生產(chǎn)效率， 同時也對廢水處理能力也有個較高的要求。按照原來的 “混凝 +沉淀 +生化處理” 的廢水處理 能力已經(jīng)使污水排放不能達到排放標準，于是在 2

4、010年初開始建設廢水深度處理工程，選擇的是增加“混凝+Fenton 氧化 +絮凝”法深度處理工藝。該工業(yè)主要采用高級氧化處理技術，屬于物化作用， 理論上水處理速度相對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好氧生化池二沉池達標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，從二沉池來廢水通過提升泵流入三連通的調節(jié)池，此時水質參數(shù)為COD 在 20020mg/L ，BOD 在 60 5mg/L。伴隨著工業(yè)濃硫酸（濃度為98%）通過計量泵送入調節(jié)池1#工

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

6、主要工藝要求：調節(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；調節(jié)池液位保持在705%；所有藥劑均能按比例實現(xiàn)手/自動調節(jié)加藥量。2、DCS 配置與選型一個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)測控點分析廢水深度處理系統(tǒng)中需要進入DCS 的執(zhí)行對象有：攪拌器、泵（加藥泵、卸料泵、提升泵） 、閥門等。檢測裝置有：液位計、流量計、酸度計（PH 計） 、ORP 計（電離常數(shù)檢測裝置）等。統(tǒng)計該系統(tǒng)的檢測點表見表1。. 表 1 該廢水深度處理工段的檢測點表檢測點數(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/ORP 計2/1 0 0 3 0 四線制總計80 46 16 0 DCS 配置104 60 21 0 注釋：表 1 中的 DCS 配置行點數(shù)統(tǒng)計，是按照 DCS 配置點數(shù)預留30%的余量的一般原則計二沉池來廢水調節(jié)池溢出去沉淀池，達標水排放中和池Fenton反應塔濃硫酸催化劑1#氧化劑2#氧化劑燒堿絮凝劑PH PH ORP 算得到的，實際的項目實施過程中點數(shù)可適當?shù)脑鰷p也是可行的。2.2 控制系統(tǒng)配置從系統(tǒng)的測控點數(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、實際需要，并結合工程實踐經(jīng)驗，選擇綜合性價比較高的西門子（SIEMENS ）SIMA TIC 系列的通用控制器?？紤]到實現(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，可通過交換機的廣播式發(fā)送數(shù)據(jù)模式，實現(xiàn)新添加工段數(shù)據(jù)與工廠其它工段的數(shù)據(jù)共享。其他的相關軟硬件清單見表2。. 表 2 廢水深度處理DCS 配置清單名稱型號規(guī)格數(shù)量生產(chǎn)廠家下位機硬件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 上位機硬件操作員站P4/3.0G/1024M 160G/DVD LCD22 1 DELL 網(wǎng)絡交換機YP-LINK 8 口交換機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、程序設計實現(xiàn)了對整個系統(tǒng)的軟硬件配置和

10、選型后，需要針對控制現(xiàn)場設計相應的上位機和下位機的程序。 在這里采用的是模塊化的程序設計思路，并從整體到局部，由易到難的解決程序設計中的每一個問題。一下從三方面進行闡釋和說明。3.1 下位機程序設計通過西門子Step7軟件進行的下位機程序設計，主要任務有： 首先建立行的工程項目，實現(xiàn)對控制站的硬件組態(tài)，并分好模塊地址，為下一步的程序設計做準備。 模擬量的采樣、 濾波和線性標定。例如系統(tǒng)中的液位、流量、PH、ORP 數(shù)據(jù)的采集，并設計均值濾波，降低干擾，并通過量程標定實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的準確表達。 重要數(shù)據(jù)的分班累計運算。例如廢水處理流量、藥劑流量等。 數(shù)字量的邏輯運算。例如電機和閥門的啟?？刂啤⑹肿?/p>

11、動控制、順序控制等。 單回路和多回路控制程序設計。例如通過調節(jié)閥門的開關實現(xiàn)對流量的穩(wěn)定控制、通過流量的調節(jié)實現(xiàn)對液位的控制等。 重要的聯(lián)鎖控制。例如當調節(jié)池液位高于95%時，可以啟動備用提升泵快速增加調節(jié)池出水，避免溢出等。3.2 上位機人機界面設計利用西門子提供的WinCC 進行上位機人機界面設計，主要任務有： 從工藝圖到WinCC 控制界面圖的轉換， 實現(xiàn)監(jiān)控畫面對現(xiàn)場所有進入自控系統(tǒng)的檢測量的實時顯示，并且要體現(xiàn)出工藝流程路線。 制作小窗口，實現(xiàn)對可執(zhí)行機構的控制。例如泵和攪拌器、閥門等的操作界面。 設置通訊連接，并建立過程變量，實現(xiàn)WinCC 與 PLC 的通訊，并設計過程變量歸檔，

12、實現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的趨勢顯示。 完成對報警信息的設置和相關的報表打印功能。 設置用戶權限，實現(xiàn)對用戶的分層管理。例如操作工只具備對工藝設備的啟停、畫面的切換等任務，而現(xiàn)場工程師具備對控制參數(shù)的修改的權限等。3.3 控制難點及其應對策略a）調節(jié)池液位調節(jié)和中和池PH調節(jié)采用串級PID 控制圖 3 調節(jié)池液位和中和池的PH調節(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節(jié)池出水量之間的串級比例聯(lián)鎖控制圖 4 加藥量的串級PID 聯(lián)鎖調節(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)鎖標志1 0 比例控制PID 流量調節(jié)流量調節(jié)閥流量變送器調節(jié)池出水流量檢測手動設定值液位 SP PD 液位調節(jié)PID 流量調節(jié)電動閥調節(jié)池流量變送器液位變送器 PV_PER :=DB10.DBW138 ,4、現(xiàn)場抗干擾策略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。通常，將控制器的電源與系統(tǒng)的動力設備電源分開配線，對于電源線來的干擾，一般都有足夠強的抑制能

15、力。如果一個系統(tǒng)中含有擴展單元， 則其電源必須與基本單元共用一個開關控制，也就是說， 它們的上電與斷電必須同時進行。良好的接地是保證控制器安全可靠運行的重要條件。一般要求接地用不短于3 米長的扁鐵作地樁，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，應給控制器接專用地線，并且接地點要與其它設備分開，如圖5（ a） 。若達不到這種要求，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）輸入輸出的保護措施現(xiàn)場儀表的輸出信號為420mA 的電流信號， 采用的是兩芯屏蔽線，并且保證儀表線到微機控制柜的距離不超過100 米，屏蔽層統(tǒng)一接到微機控制柜的地排上，即信號屏蔽層與

16、控制柜共地。 對于電機和閥門的反饋信號，通過光電隔離模塊實施保護，有效保證由于接線失誤而導致控制模塊失效。控制柜的輸出控制信號，采用繼電器輸出隔離保護。對于啟停頻率較低的電機控制一般采用常規(guī)繼電器，而對于開關頻率較高的閥門控制采用的是固態(tài)繼電器。3）現(xiàn)場布線方式實現(xiàn)信號線與動力線分開布線?，F(xiàn)場執(zhí)行機構動力線從地溝走線，信號線通過空中橋架走線，橋架有效接地。5、工程實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)過調試已經(jīng)正式投入正常運行。它滿足了處理工藝要求，提高了廢水處理效率， 使出水水質CODcr=705mg/L、BOD5=205mg/L，達到了回用水的水質要求及環(huán)保部門最新規(guī)定排放標準。同時，該控制系統(tǒng)降低了運行操作的勞動強度，使整個系統(tǒng)運行可靠、維護方便，并提高了整個工廠的運行管理水平，值得同行借鑒和推廣