摘要：根據(jù)鋼鐵廠排放廢酸水處理的要求，本文提出了鋼鐵廠廢酸水PH值的控制；介紹了歐姆龍公司的CPM2AH型小型可編程控制器，及上位工控機(jī)組態(tài)王6.5在本控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
1.引言
近年來，我國小型冷軋鋼廠的發(fā)展速度較快。這些冷軋鋼廠大多為鄉(xiāng)鎮(zhèn)民營企業(yè)，年產(chǎn)冷軋鋼材在30萬噸以內(nèi)，生產(chǎn)過程中排放的酸洗廢水主要為熱軋鋼材酸洗除銹過程中的余酸清洗廢水，通常與少量的板卷表面處理過程中產(chǎn)生的含油堿性廢水混合排放。綜合廢水污染物濃度高，呈暗棕色，含鐵鹽、油及表面活性物質(zhì)酸霧凈等，酸腐蝕性較強(qiáng)。由于普遍缺少污染治理措施，小型冷軋鋼廠的排污問題給地方環(huán)保工作造成一定壓力。
本文介紹江西某鋼廠廢酸水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。眾所周知，以PLC為主體的控制系統(tǒng)與單片機(jī)、牛頓數(shù)據(jù)采集模塊相比，具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制功能強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)控制應(yīng)用的主流。本工程采用歐姆龍公司的CPM2AH型小型可編程控制器，上位工控機(jī)組成控制系統(tǒng)。上位機(jī)監(jiān)控制軟件采用北京亞控科技發(fā)展有限公司的6.5“組態(tài)王”組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢酸水處理系統(tǒng)的過程監(jiān)控及數(shù)據(jù)處理。
2.廢酸水處理工藝
本工程對(duì)酸性廢水處理采用石灰中和法，而廢酸液由于含硫酸和硫酸亞鐵，可以采用回收的工藝。由于廢酸液的產(chǎn)出量較小，采用回收工藝的投資大，設(shè)備維修率高，回收產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。從投入產(chǎn)出比看，回收工藝投資大，運(yùn)行成本高，回收產(chǎn)出低，經(jīng)濟(jì)性差，所以不采用。
3.廢酸水處理控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及控制指標(biāo)
3.1 PH控制過程的特點(diǎn)
酸堿中和過程通常呈現(xiàn)嚴(yán)重非線性和滯后性，主要表現(xiàn)為PH值在中和點(diǎn)附近的增益很大，此時(shí)添加的中和劑略有變化，就能引起PH值較大幅度的變化，而當(dāng)PH值遠(yuǎn)離中和點(diǎn)時(shí)的增益很小，PH值變化較緩慢，加入大量的中和劑才能使PH值上升或下降。加上處理過程一般在大容器和循環(huán)管路中進(jìn)行,使得系統(tǒng)存在較大的時(shí)滯，給PH值控制不僅帶來極大困難，而且浪費(fèi)大量中和劑，為此PH值被公認(rèn)為最難的控制變量之一,
3.2 控制目標(biāo)
一級(jí)中和反應(yīng)，出口PH控制為：5～6；
二級(jí)中和反應(yīng)，出口PH控制為：7～8；
最終廢水排放的PH值控制在7～8，COD控制在150mg/L，廢水排放指標(biāo)符合國家污水綜合排放二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
4.控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
4.1 硬件結(jié)構(gòu)
根據(jù)工藝要求，整個(gè)系統(tǒng)采用二級(jí)計(jì)算機(jī)控制方式，基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)采用歐姆龍公司最新推出的CPM2AH系列PLC，實(shí)現(xiàn)各種工作泵的啟、停和聯(lián)鎖控制；實(shí)現(xiàn)對(duì)PH值、石灰乳槽的液位進(jìn)行控制。監(jiān)控級(jí)為臺(tái)灣研華生產(chǎn)的工業(yè)控制機(jī)，完成對(duì)系統(tǒng)的組態(tài)、監(jiān)控、報(bào)警、制表等功能。
（1）系統(tǒng)檢測點(diǎn)配置
4～20mA輸入5點(diǎn)，4～20mA輸出2點(diǎn);繼電器輸入信號(hào)：30點(diǎn)，繼電器輸出信號(hào)：30點(diǎn)。
（2）監(jiān)控級(jí)配置
監(jiān)控級(jí)配置臺(tái)灣研華工控機(jī)一臺(tái)，運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)和監(jiān)控軟件， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的的組態(tài)與監(jiān)測。運(yùn)行環(huán)境為WINOOWS2000，并配置打印機(jī)一臺(tái)，交流穩(wěn)壓電源和UPS電源各一臺(tái)。
（3）基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)配置
基礎(chǔ)自動(dòng)化配置CPM2AH系列PLC一套，2個(gè)I/O擴(kuò)展模塊，北京宏拓 PC-7413板卡、PC-7423板卡各一塊。運(yùn)行I/O控制站軟件，完成對(duì)I/O信號(hào)的采集以及各種工作泵的聯(lián)鎖和控制，由通訊電纜將各工位狀態(tài)信號(hào)送往工控機(jī)，并接收監(jiān)控的數(shù)據(jù)；
4.2 監(jiān)控系統(tǒng)
監(jiān)控系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了工藝提出的功能要求 ,可以實(shí)現(xiàn)“手動(dòng)”和“自動(dòng)”操作兩種控制模式，其中“手動(dòng)”又分為“現(xiàn)場操作”與“就地柜操作”兩種手動(dòng)控制，控制模式原理如圖4所示，并且無論處在何種控制模式，都可對(duì)工藝參數(shù)越限進(jìn)行報(bào)警。控制系統(tǒng)處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)操作人員設(shè)定的指令自動(dòng)開、停提升泵，并且泵的開關(guān)具有順序鎖定作用，防止誤操作，達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)加石灰水量,更好地控制廢酸水品質(zhì)的目的。
上位機(jī)采用研華工控機(jī)，CPU為PIV2.4G、256Ｍ內(nèi)存、80Ｇ硬盤、32Ｍ顯存、19英寸大屏顯示器。上位監(jiān)控軟件采用亞控6 .5版“組態(tài)王”256點(diǎn)運(yùn)行態(tài)軟件,負(fù)責(zé)廢酸水處理系統(tǒng)監(jiān)控界面顯示、數(shù)據(jù)處理、保存、信息交流等。上位機(jī)通過Modbus協(xié)議與PLC的進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交流。上位機(jī)可讀取PLC采集的泵的啟停狀態(tài)，可輸出開關(guān)量控制信號(hào)給PLC。上位軟件可對(duì)加藥實(shí)行遠(yuǎn)程手動(dòng)CRT操作及遠(yuǎn)程自動(dòng)、就地手動(dòng)的CRT全程監(jiān)控。具有歷史曲線、報(bào)表、報(bào)警等界面。其中：SB1～SBS1：手動(dòng)模式時(shí)，中控室電氣柜面板上的停止與啟動(dòng)按鈕。
SB2～SBS2：手動(dòng)模式時(shí)，現(xiàn)場機(jī)旁控制箱面板上的停止與啟動(dòng)按鈕。
KM：接觸器及接觸器常開觸點(diǎn)。
KA：中間繼電器常開觸點(diǎn)（自動(dòng)控制時(shí)，由計(jì)算機(jī)控制中間繼電器是否得電）。
4.3 PLC控制單元
PLC控制單元是自動(dòng)控制的核心部分,采集加藥計(jì)量泵、廢水提升泵等泵的運(yùn)行工作狀態(tài)信號(hào)，同時(shí)上傳到上位機(jī)。并實(shí)時(shí)執(zhí)行上位機(jī)輸出指令，控制泵的起、停。
5.控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
5.1 軟件功能描述
軟件包括上位機(jī)的監(jiān)控軟件與下位機(jī)的軟件。上位監(jiān)控軟件采用亞控6.5版“組態(tài)王”256點(diǎn)運(yùn)行態(tài)軟件,負(fù)責(zé)廢酸水處理系統(tǒng)監(jiān)控界面顯示、數(shù)據(jù)處理、保存、信息交流等。在上位計(jì)算機(jī)中人機(jī)界面是以圖形畫面的方式顯示控制系統(tǒng)平面圖及工藝流程圖，有動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)參數(shù)值顯示，如水的流量、PH值等，實(shí)時(shí)顯示各泵運(yùn)行狀和事故報(bào)警信息列表以及電氣運(yùn)行狀態(tài)顯示等可切換的動(dòng)態(tài)畫面，對(duì)工藝參數(shù)值做出實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)曲線同時(shí)，組態(tài)王軟件系統(tǒng)還可以與EXCEL、ACCESS等數(shù)據(jù)庫管軟件進(jìn)行DDE通訊，將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)庫中，以備將來移植到他系統(tǒng)中供調(diào)度員分析比較，以便找出污水廠的最佳運(yùn)行規(guī)律；并且可以自動(dòng)生成生產(chǎn)報(bào)表（班、日、月），定時(shí)或根據(jù)需要進(jìn)行打印，供生產(chǎn)管理之用；上位機(jī)通過Modbus協(xié)議,與PLC的進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交流。上位機(jī)可讀取PLC采集的泵的啟停狀態(tài),可輸出開關(guān)量控制信號(hào)給PLC。上位機(jī)可對(duì)加藥實(shí)行遠(yuǎn)程手動(dòng)CRT操作及遠(yuǎn)程自動(dòng)、就地手動(dòng)的CRT全程監(jiān)控。下位機(jī)主要是采集泵的啟停狀態(tài)，并且接收上位機(jī)的指令從而控制泵的啟停。
上位機(jī)與下位機(jī)所用的開發(fā)工具如下所示：
上位機(jī)：操作系統(tǒng)：WINOOWs 2000，開發(fā)工具：組態(tài)王6.5，
支持軟件：Microsoft office2000。
下位機(jī)：開發(fā)工具：CX-programmer 3.10。
5.2 軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)主要是利用了組態(tài)軟件來構(gòu)筑整個(gè)系統(tǒng)，具體實(shí)現(xiàn)不多描述，下面重點(diǎn)描述下位機(jī)（PLC）軟件的設(shè)計(jì)。根據(jù)工藝流程的要求，在PLC中編制出符合現(xiàn)場運(yùn)行規(guī)范的工藝控制程序，進(jìn)行相應(yīng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)和信息反饋，具體的控制依據(jù)及各工藝流程需要的設(shè)備簡述如下：
（1）各相獨(dú)立單元設(shè)備啟動(dòng)控制
?PAM制備單元：0108A設(shè)備加水、投加藥劑后啟動(dòng)攪拌機(jī)A按鈕，攪拌約30分鐘停止，起動(dòng)0109A、B中的一臺(tái)泵開始供藥。此時(shí)0108B設(shè)備加水、投加藥劑后啟動(dòng)攪拌機(jī)B按鈕，攪拌約30分鐘停止，待0108A設(shè)備中的藥劑完畢后人工切換（閥門操作）到0108B設(shè)備供藥。如此循環(huán)作業(yè)。0109A、B設(shè)備一臺(tái)作業(yè)一臺(tái)備用。
?壓濾機(jī)單元：0112A、B設(shè)備的液壓油泵起動(dòng)，壓緊濾框（約10分鐘）此時(shí)0112A壓濾機(jī)可以進(jìn)料，由011A、B中的一臺(tái)設(shè)備中供料，約1小時(shí)，人工切換（閥門操作）到0112B壓濾機(jī)進(jìn)料。0112A壓濾機(jī)的液壓油泵啟動(dòng)，集料斗閘門關(guān)閉，松開濾框，自動(dòng)拉扳機(jī)啟動(dòng)，人工卸渣，約25分鐘，0112A壓濾機(jī)的液壓油泵啟動(dòng)壓緊濾框，準(zhǔn)備下一回作業(yè)。運(yùn)渣車到達(dá)時(shí)，集料斗閘門打開，振打電機(jī)啟動(dòng)，卸料完畢振打電機(jī)停，集料斗閘門關(guān)閉。0112A、B設(shè)備按此循環(huán)作業(yè)。
?石灰乳制備單元：0105A石灰消化器啟動(dòng)，0118A斗式提升機(jī)給料同時(shí)0114濾液泵向石灰消化器供水，當(dāng)0106A設(shè)備液位到達(dá)要求時(shí)（上限報(bào)警），人工切換（閥門操作到0106B設(shè)備），當(dāng)0106B設(shè)備液位到達(dá)要求時(shí)（上限報(bào)警）停0118A斗式提升機(jī)和0114濾液泵，此時(shí)消化器中剩余物料供至0106A設(shè)備，當(dāng)0105A石灰消化器中無物料時(shí)停0105A、0117螺桿泵。0105B和0118B設(shè)備為備用設(shè)備。
（2）故障停車順序
壓濾機(jī)故障：停0101、0107、0102、0103、0104、0109、0110、0111
石灰乳制備單元故障：停0101、0107、0102、0103、0104、0109、0110、0111、0112
（3）PLC端口分配表
（4）PLC軟件設(shè)計(jì)
PLC軟件用歐姆龍公司的CX-programmer 3.10編程軟件設(shè)計(jì),梯形圖編程,模塊化結(jié)構(gòu),由一個(gè)主程序和多個(gè)子程序組成。主程序流程如圖6所示。
6.結(jié)束語
本文從工程應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，基于組態(tài)軟件的開發(fā)平臺(tái)，采用常用的PLC作為控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大時(shí)滯、非線性、強(qiáng)干擾的污水處理的中和過程的控制。實(shí)際運(yùn)行表明：該系統(tǒng)具有控制精度高、運(yùn)行可靠、操作簡單、抗干擾和適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，完全可以滿足污水中PH值控制的工藝需要。創(chuàng)新點(diǎn)：采用了組態(tài)軟件和PLC結(jié)合來對(duì)廢酸水PH值的處理，系統(tǒng)簡單、可靠！
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