化工废水池自动排水系统设计

分类：化工论文发表 时间：2020-10-14 10:27 关注：(1)

　　针对传统化工企业废水池排水系统工作中，存在排水过程无法自动调节、缺少实时监控、设备不带保护及自动化流程不完备而易导致系统故障等诸多问题，设计了基于S7-1500PLC搭载人机界面的，并结合温度、湿度、系统液位、设备运转时间等多层保护融合的自动控制系统。通过人机界面对工作过程进行实时监控，保证系统稳定运行；通过传感器对高低液位、设备温湿度等信息进行实时反馈，防止系统故障；通过PLC程序对系统启停、持续运转时间等信息进行优先级判断，实现系统优化运行。试验测试结果表明，设计的自动排水系统能提高系统稳定性、安全性，降低故障率。

　　关键词：废水池；PLC；多层保护；排水系统；人机界面

　　化工企业废水处理与排放一直是困扰企业生产的一个难题，随着化工企业产能逐渐提高，废水处理量不断加大，废水池作为生产环节的终端，是化工企业高效生产、环境保护中关键的一环[1]。传统化工废水池通常使用简单的电控箱与潜水泵配合搭接组成排水系统，该系统运行效率较低、工人劳动强度大、需要长时间巡视现场并手动调节系统工作状态；同时，系统由于自动化集成度不高，通常不设置温度、湿度等保护方式，降低大规模排水系统整体安全系数[2-3]。在此情况下，通过废水池排水系统中多台潜水泵的自动化控制可以明显改善废水处理工作效果，提高废水处理效率[4]。目前有关化工废水池排水系统自动化设计的研究较多，陈冠锋[5]从化工厂应急事故用废水池的设计出发，着重介绍了废水池系统的组成及废水池的容积计算，在排水系统架构上进行了优化；陈徐荣[6]从工艺参数验算、设备及结构分析、开启顺序等方面设计了废水池自吸泵控制系统，提出解决排水系统设计选型难题的路径；孙立柱[7]等基于节能运行和零排放理念，设计了化工废水池排水系统回用于循环冷却水的控制方法，优化了排水系统；孟影子[8]设计了煤化工废水池自动排放系统，着重研究了通过对排水系统的实时监控，使排水系统达到指标要求。但是，面向化工废水池排水系统设计中融合设备的多层保护，达到系统附带相关联锁、优先级运行控制的研究较少。鉴于此，本文从融合液位、温度、湿度、持续运行时间等实时反馈信息的多层保护自动排水系统设计出发，以西门子S7-1500PLC为核心，通过设计优先级判断算法，选取内嵌式数字量温、湿度传感器及数字量固定式液位传感器实时采集运行状态信号，搭载具有实时监控、报警反馈功能的基于昆仑通态TPC7062Ti的人机界面系统，从而构造一池多泵协同运行和优化控制系统，目的是实现系统高效运行和延长系统使用寿命。

　　1系统工作原理

　　化工废水池自动排水系统包含2台30kW防水型潜水泵交替工作，系统工作原理根据现场执行机构的运行动作以及反馈至系统下位机的相关监测数据信号完成控制要求。1）化工废水池设高中低3个液位，使用2支固定式液位传感器负责3个液位信号的传递，若高液位传感器有信号，则判定为高液位；中液位有信号而高液位无信号则判定为中液位；中液位无信号，则判定为低液位。系统设置自动控制、手动操作、系统急停、单台泵启停4种功能。当系统自动/手动切换按钮切换至手动操作时，系统启停需在距废水池较近位置指定控制箱完成，且系统不受自动控制模式下逻辑、联锁、优先级控制。2）当废水池处在低液位时，开启1台潜水泵运行，且系统计时2min后自动停止运行；当废水池处在中液位时，开启1台潜水泵运行；若废水池运行8min后仍检测在中液位，未到达低液位，则系统开启2台潜水泵同时运行，并报“持续中液位”警；若废水池未处在高液位或持续中液位下，1台潜水泵持续运行15min，则系统自动停止本台潜水泵，切换另1台潜水泵运行；当废水池处在高液位时，同时开启2台潜水泵；运行8min后，检测废水池若仍处于高液位，则报“持续高液位”警，但系统不关停潜水泵。3）潜水泵运行过程中出现温度、湿度异常时，不论液位处在何处，故障潜水泵自动停止运行，同时系统判断在保证满足切换条件下转至无故障潜水泵运行，并报“温度异常”警或“湿度异常”警，温度阈值设为60℃。系统控制流程如图1所示。

　　2系统设计

　　2.1硬件设计

　　多保护融合的化工废水池自动排水系统硬件配置如图2所示，控制系统以S7-1500PLCCPU及其6ES7523输入输出模块为核心，通过按钮、人机界面输入指令信号，通过温度、湿度、液位传感器实时反馈系统信号至PLC中心进行逻辑运算和处理，根据系统工作原理转化为PLC内部控制程序，对输入信号进行响应后，向终端输出特定的指令，例如潜水泵运行指令、潜水泵停止指令、系统报警指令、系统运行指示等；同时，利用人机界面与PLC间的实时通信功能从而对系统运行状态、报警信息实时监控和显示，并对系统进行自动模式下的操作为了方便观测到现场状况，防止手动控制模式下远距离操作时系统发生意外，特别设计了手动操作与自动模式分离控制方式，手动操作模式仅可在现场指定的控制箱完成操作，人机界面不包含手动模式，仅保留手动/自动切换按钮功能。

　　2.2系统I/O分配

　　根据西门子S7-1500PLC模块化结构设计特点及功能可扩展性优点，为满足系统功能需求和未来系统升级扩展可行性[9]，系统设计中使用CPU1511F-1PN作为控制执行中心和西门子6ES7523-1BL00-0AA0模块进行16位数字量接收和输出功用。如表1所示，系统设计了11个数字量输入和4个数字量输出位，通过I1.0、I1.1、I1.2、I1.3实现手动控制潜水泵运行，通过I1.4、I1.5搭载液位传感器输入液位实时信号，作为系统判断液位的依据，I1.6、I1.7分别用作潜水泵带电机盒内温度传感信号的输入，I2.0、I2.1分别用作潜水泵带电机盒内湿度传感信号的输入，I2.2为现场系统突发故障急停操作。

　　3人机界面设计

　　组态技术广泛应用于自动化领域，其人性化界面、搭载触摸式操作功能，已初具应用规模[10]。设计选用昆仑通态TPC7062Ti嵌入式一体化人机界面，以实现自动排水系统同时兼具监控功能与操作功能，显示屏为分辨率800×480的7英寸高亮TFT，处理器搭载主频600MHz的Cortex-A8CPU，满足化工厂实际应用环境对实时监控和历史数据查询功能的需求[11]。

　　4PLC程序设计

　　选取废水池处于中液位时系统典型运行模式为研究对象，设计带多层保护及优先级运行的PLC程序，构造置位优先和复位优先寄存器模块，分别用RS和SR表示。图3为系统中液位时PLC控制程序，第一级程序任务为判断是否处在中液位，只有在中液位的运行状态下，且需做切换的潜水泵无故障，此时泵间切换功能才被允许，若液位处于非中位，则复位优先判断后向第二级输出0信号；第二级程序任务控制方式为，设1#泵处于正常运行状态，此时系统监控发现温度、湿度及运行时间超限等任一监测出现报警时，2#潜水泵启动运行，1#潜水泵复位停止，待运行时间达到系统设定运行时限时，或运行中2#泵出现故障报警时，系统则重新切换1#潜水泵投入运行，如此往复，直到判定回归低液位，则系统停止运行；若某一时刻1#潜水泵处于故障状态，不满足切换运行条件，则利用系统设置联锁保护功能，系统停止运行并报故障警，保证系统在做1#和2#潜水泵切换时，无失效事故发生。图4为化工厂废水池自动排水系统人机见面总画面，画面设置两座模拟化工废水池，自动/手动功能切换按钮，温度、湿度及废水池液位报警指示灯，历史报警数据查询界面切换功能。

　　5运行结果监测

　　将系统应用于化工厂废水池项目进行现场试验，据现场30日段内运转周期的设备故障检修记录、人机界面报警记录画面等统计对比发现，相较原系统，新设计的自动排水系统周期内故障发生次数为0，系统共监测报警2次，其中1起是由于废水池内杂质堵塞1#潜水泵入料口，叶轮受力加大造成泵体超负载温度升高；另1起是由于某一时间段内液位持续偏高，系统连续运转无修整时间造成2#泵体温度升高。系统报警监控数据如图5所示。系统能自动调节废水池液位，保证废水池无外溢现象；潜水泵运转正常，无异常声响。对新系统进行运行跟踪，得出数据与旧系统对比如表2所示。

　　6结束语

　　考虑化工企业废水池排水过程的现状及存在问题，通过将原有排水泵单一电气控制方式进行重构，构建搭载TIA-V15程序的S7-1500PLC与嵌入式组态的昆仑通态TPC7062Ti人机界面为核心的化工废水池自动排水系统，设计了基于多层保护相融合的系统控制流程、硬件设施、PLC程序、人机界面，通过现场运行监测及记录对比，达到理想运行效果。1）系统采用多层保护优先级设定，通过电气系统液位、温度、湿度及设备持续运行时间4种保护层级间的融合保护，使系统自动化程度提高的同时安全性得到保障。2）系统改变以往人工切换的方式，通过程序端自动设定多台排水泵交替优化运行规则，降低了单台排水泵连续运转发生设备损坏风险的概率，提高了设备使用寿命的同时增大维修间隔，延长了系统运维周期。3）系统为实现集约化控制特点，摒弃了搭建多台PLC造成大量I/O点空余现象，系统利用数字量输入输出模块配合S7-1500PLC构建系统控制核心，降低不必要的冗余设计，保证设计经济性；同时，CPU模块没有集成I/O点，完全使用模块化I/O点输入输出，方便未来系统扩容和升级。

　　参考文献：

　　［1］王泓皓.煤气化废水深度处理实验研究[J].当代化工，2019，48（12）：2801-2803.

　　［2］庄微.处理工业有机废水新技术研究进展[J].当代化工，2019，48（12）：2944-2947.

　　［3］许敏，胡邦，黄平岳，等.江阴利港电厂含煤废水处理系统改造工程设计[J].给水排水，2019，55（S1）：214-216.

　　［4］张天林，王刚，蒋荣芳.浅谈某涂装车间废水处理系统运行控制[J].现代涂料与涂装，2014，17（8）：64-66.

　　［5］陈冠锋.化工建设项目应急事故废水池的设计探讨[J].上海化工，2016，41（3）：12-14.

　　［6］陈徐荣.含氯废水池自吸泵技术改造与系统设计注意事项[J].石油化工设备，2019，48（3）：66-69.

　　［7］孙立柱，王成琦，张越.江苏某锂电池生产废水零排放工程设计[J].广东化工，2020，47（6）：170-172.

　　［8］孟影子.煤化工废水处理自动化控制研究[J].化工设计通讯，2019，45（12）：12-13.

　　［9］于方伟.精细化工中废水处理技术及控制对策分析[J].化工管理，2020（5）：61.

　　［10］朱科寅，马万里，安曌.关于精细化工废水处理技术及控制对策的研究[J].现代盐化工，2020，47（2）：1-2.

　　［11］包颖.罐区自动排水装置设计[J].当代化工，2010，39（2）：156-157.

　　作者：杨云鹏 于有生