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1、基于S7-300PLC的造纸中段废水处理dcs控制系统设计摘要造纸废水按产工艺主要分三部分：蒸煮黑液，中段废水，纸机网下白水。中段废水 的处理是重点和难点。制浆中段废水指的是经黑液提取后的蒸煮浆料在洗涤，筛选，漂 白以及打浆的过程中所派出的废水。文章针对制浆中段废水的特点特出了一套结构简单应用效果良好的中段废水好氧 处理过程控制方案。废水处理采用好氧牛化处理技术，利用好氧微牛物在多氧条件下对 有机物的很强大的分解功能，采用人工的控制技术从而去除造纸中段废水中的BOD、 COD以及SS成分。针对中段水处理工艺要求以及好氧处理控制过程特点，采用基于 S7-300PLC的DCS控制系统。结合过程控制
2、原理，可以实现报警、监控以及先进算法 自动控制的系统。该方案采用丄位监控计算机和下位机PLC相结合的控制方法。上位监控计算机负 责与PLC进行通讯，对整个废水处理流程进行监视和操作，并具有数据记录、故障报 警、参数设置等功能。下位机PLC对现场的PH、流量、温度，液位信号及泵阀的运行 情况、故障等信号进行采集，并根据预先编制的控制程序输出控制各种泵阀的指示信号, 同时完成将下位机的信号传到监控计算机内以接受监控计算机指令。关键词：PLC,中段水，好氧处理，控制系统目录摘要I1绪论11.1引言11.2国内外发展状况22中段水处理方案选定33中段水好氧处理的自动控制33. 1控制工艺流程33.2液
3、位控制设计43.3进反应器废水温度控制53.4 PH控制单元设计63.5营养物质投加控制84硬件部分设计94. 1 PLC控制系统设计原则和设计步骤94.2控制总体要求104. 3 PLC选型及传感器的连接114.4系统硬件配置174.5硬件连接图174.5. 1电气控制A柜.174.5.2电气控制R柜.214.5.2电气控制C柜215 PLC控制程序部分设计215. 1 STEP7软件的设计步骤215.2程序总体设计方案22总结27参考文献271绪论1.1引言水是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是牛产环境的重要控制性要索。水资 源的可持续运用是经济社会可持续发展的重要保障。我国水资源总量
4、不足，吋空分布不 均，水资源短缺，洪涝灾害严重和水土流失，水污染形式严峻，已成为当前社会和经济 可持续发展的重要制约因素。制浆造纸工业是我国国民经济的重要产业之一，多数金业以稻、麦草为主要原材料。 牛产过程中废水排放量大，每牛产1顿成品纸，平均耗水在400-600吨，年废水排放量 在30亿吨。然而相应的污水处理技术水平跟设备跟不上这种污染速度。远远不能适应 企业和环境保护的要求。造纸工业产牛对水的耗费大，污染物成分复杂，污染负荷高，对环境造成的污染问 题严重，废水的处理要求水平较高。制浆造纸过程中的很多工艺环节都会产牛不同污染 程度的废水，原料的不同，工艺方法的差界，牛产过程中采用的化学药剂的
5、不同，都会 对制浆造纸过程中产牛的废水的性状，污染负荷产牛不同程度的影响。制浆造纸过程中产牛污染性废水的环节主要有以下几个部分：a）备料过程中的废水；b）化学法制浆过程的蒸煮废液；c）污冷凝水；d）机械浆及化学机械浆废水；e）洗涤、筛选过程的中段废水；f）废水回用过程的废水；g）漂白废水。中段水的处理是造纸污水处理的重点跟难点。一般采用的方法有好氧牛物处理方法 普通活性污泥法及牛物膜接触氧化，深井曝气，好氧内循环法等并可结合厌氧消化 处理一一水解酸化+厌氧污泥床（UASB,EGSB,IC）。还可结合气浮处理化学凝聚气 浮。其处理主要是除去BOD, COD,兼顾去除SS及色度的处理。处理后水可冋
6、用于备 料，洗筛工段以及用于厂区绿化，清洁等，处理系统后有污泥产牛。一般处理过程中控 制对象多并且比较分散，并且具有大滞后，非线性等特点。针对以丄情况可设计一种基 于PLCS7-300的中段水控制系统，采用DCS远程控制，结合先进算法可以对设计出一 套经济有效的自动控制方案。可以有效的去除中段水中的BOD,COD等。设计里面并介 绍了处理中段水的工艺过程，分析了液位，温度，以及PH,营养物质等环境因素对处 理过程的影响，以及电器控制部分的设计原理以及图稿。本课题研究n的及意义：木文依照处理工艺要求，设计了助凝剂定量加药配置装置, 采用PLC为控制核心的口动化控制方式，是处理系统完全以口动化方式
7、运行。同时控 制系统提供了必要的软件保护及预警措施，设备安全有可靠保障，使用及维护比较方便。 上位机组态软件的应用使得废水处理的控制过程直观、明了，实现了中段水处理的远程 监控。1.2国内外发展状况造纸工业是水资源消耗大户，据近儿年的资料表明，我国浆纸综合平均每吨产品 取水量接近200m3,其中化学浆为190m3/T,化学草浆为270m3/T,纸和纸板为70m3/T, 与国外相比相差很大。而我国是世界上严重缺水的国家之一，人均水资源拥有量只有 “2300计”为世界平均水平的四分之一。H前，我国己有11个省、区、市的人均水资源 拥有量低于联合国可持续发展委员会确定的1750丹用水紧张线，其中9个
8、地区低于 500nf的严重缺水线。水资源短缺已成为制约我国经济和社会发展的重要因索，如何节约 用水已成为造纸工业发展的一个重要环节。此外，造纸企业是废水排放大户，也是环境污染的主要行业。在美国，造纸工业被 认为是第三大污染企业据估计，在加拿大50%的废水源自造纸厂。我国2002年制浆造纸 工业污染排放量约占全国污染排放总量的10%以上，排放污水 I的化学耗氧量约占全 国排放总量的35.3%,居于第一位。因此造纸废水的治理早己成为我国工业污染防治的焦 点、热点和难点。如何按照科学发展观协调解决好造纸工业的原料与环境问题，使我国 造纸工业走持续发展之路，是经济与社会发展的必然要求。然而一直有些问题
9、困扰着众 多造纸企业。那就是造纸污水处理不仅难度大而且需要很大的资金投入。如何寻找既能 将造纸制浆废水处理好并且能够从节约资源的方面以最小的资源获得最好的效果成为 众多造纸企业对污水处理的优先考虑。造纸废水处理中的难点和重点就是中段水的处 理。H前国内外对于中段水的处理方法主要采用的有絮凝法和牛物法。其中牛物法指的 是好氧法，厌氧法以及好氧厌氧结合的方法。同吋随着PLC的发展，PLC的特点及优势使得PLC在电气控制部分越来越受到重视, 如今PLC在口动控制领域已经发挥着越来越大的作用。H前对中段水的处理自动控制系 统中结合PLC的特点国内外均出现以PLC为基础的自动处理中段水的控制系统。2中段
10、水处理方案选定选择考虑到好氧法和庆氧法的优缺点以及经济和要求等情况，选用好氧法来进行本 次中段水控制系统的设计。PLC具有的输入输出模块可以进行液位位等控制，其具有自 优化温度控制算法和PID算法。故采用PLC作为电气主要控制元件。3中段水好氧处理的自动控制3. 1控制工艺流程好氧处理原理图废水经纤维冋收装置冋收纤维，格栅截留大型悬浮物后进入集水池。根据液位变送 器测定的液位值控制污水提升泵的启动和停止，由泵将污水通过过滤网泵入初沉池，在 这里经过一段时间后，悬浮固体将在这里沉淀，50%的SS以及30%的COD和BOD将 被去除。中段水在这里温度将有一定的控制。通过液位变送器测得的液位值控制送
11、均衡 池泵的启动和停止。将污水送入均衡池。同吋通过吋间控制单元，经过一段设定的吋间 后自动启动污泥泵将出沉池里面的污泥泵入污泥浓缩池。当污水从出沉池泵入均衡池后根据液位变送器的测得值来控制搅拌器的工作将处 理水搅匀，同样根据液位变送器来控制泵的启动和停止来控制调制池供料泵的工作情 况。当污水从均衡池泵到调制池后。在这里污水将被调制成合适的成分和PH值以及适 合好氧微牛物牛长的需要条件。通过投加泵控制单兀加入合适的控制算法控制尿素以及 磷酸三钠。当污水在调制池调制完成后被泵入氧化沟通过液位控制单元来控制曝气机的 工作情况，同吋在曝气池通过溶解氧测定单元来控制鼓风机的工作，以保证氧化沟里面 的溶解
12、氧浓度以更好的为好氧微牛物提供条件更好的去处化学物。通过控制气管路上的 电动阀来实现对风机气流量的控制，当泵停止吋，阀门自动关闭，气管路上的压力传感器 可通过控制变频器，实现对风机产气量的控制，当需要吋，不带变频器的鼓风机会自 动纳入运行，此吋变频器会对第一台风机进行口动调节。当被处理水通过了氧化沟后将 会到达二沉池。在这里污水被沉淀一部分污泥被作为接种污泥冋流到调制池，另一部分 剩余污泥被泵入污泥浓缩池，同吋清水将被排放。在污泥浓缩池剩余污泥与一沉池的沉 淀污泥混合，通过液位控制单元控制助凝剂以及絮凝剂的加入将污泥浓缩。浓缩后的污 泥到达压缩机处被切割压缩。最后污泥到达污泥储池。3. 2液位
13、控制设计在PLC要运作之前，先对PLC内部进行初始化。然后执行程序选择其中一个泵工 作。然后是手动或口动的选择。当水位过高吋就启动报警功能，同样如果泵出现故障同 样报警，当液位变送器测得的液位值过低吋样泵停止工作。卩LC的程序是循环执行的， 在反复的执行过冲中完成控制任务。其控制规则表如下表3-1所示。P (k)表示k吋刻测得的液位值。ALAM液位过高 报警。RUN表示泵的运行。表3-1集水池等单池液位控制规则表序号规则描述1 如果水池内的液位高于4m,则进行高位报警2 如果水池内液位等于4m,则泵启动3 如果液位值小于或等于2m,则泵停止均衡池和调制池的液位连锁控制:好氧处理的前提条件就是要
14、确保进入氧化池里面的水质均匀，流量稳定。为此在进 调制池前设有流量控制回路。该控制回路在均衡池配有一台液位变送器，根据要求的液 位值来控制调制池供料泵以及均衡池潜液式搅拌器的启停。这个控制保证了流量的稳定 因此有必要对均衡池和调制池的液位进行连锁控制。根据经验规则可以得到控制规则表如下表3-2所示。表32连锁控制规则表序号规则描述1如果均衡池的液位大于或等于5m,则进行均衡池高液位报警。2如果均衡池的液位小于或等于lm,则进行均衡池低液位报警，同时停止搅拌器M10L3如果均衡池液位大于1.1m,则启动搅拌器MIOlo4如果均衡池液位小于或等于2m,或者调制池液位大于或等于12m,则停止混合反应
15、池进料泵P10L5如果均衡池液位大于2.1m,并且混合反应池液位小于12m,则启动混合反应池进料泵PlOlo3. 3进反应器废水温度控制为了维持恒定的进反应器废水温度，必须克服各种扰动。引起热交换器出水口温度 变化的扰动因素主要有两方面：一是进交换器废水的流量和温度用D1表示，二是锅炉 房來热水温度，用D2表示。进交换器热水的流量通过FIC301回路调节稳定。锅炉房 來的水的水温发牛变化时，它需要通过反应器的热水仓，管壁，废水管道3个容积以后 才能影响出水温度H1的变化，这时调节器开始动作调节热水阀门。这样很明显，从扰 动开始到调节器动作中间有段吋间被耽搁了，这段时间由于扰动的作用已使1【1出现很 大偏差，因此我们采用了串级控制系统來控制。其原理如下图32所示。因为D2的扰 动很快能在热水仓温度H2上表现出來，所以检测H3通过HC2控制器来调节热水阀稳 定H2,那么调节动作就提前了很多，从而加快了调节速度，改善了调节品质。通过检 测H1送入HC1控制器，该控制器根据H1的偏差来改变给定值，从而稳定H1。温度控制系统原理图3. 4 PH控制单元设计对于中段水处理，PH值是影响微牛物活力的重要性因素其控制质量的好坏直接影 响污水处理的合格程度。混合反应池的的PH值控制原理图如下图3-3所示。调制池入口
