基于PLC與組態軟件鋼鐵廠廢酸水處理控制系統

摘要：根據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，及上位工控機組態王6.5在本控制系統中的應用。
關鍵詞：PLC；PH值；廢酸水；組態王

Abstract:According to requirement of steel factory dealing with waste acid water, this article puts forward how to control the PH of steel factory dealing with waste acid water .Introducing CPM2AH small programmable controller of OMRON company ,and kingview 6.5 which applies in this control system.
Key words: PH value, waste acid water， KingView

1.引言

近年來，我國小型冷軋鋼廠的發展速度較快。這些冷軋鋼廠大多為鄉鎮民營企業，年產冷軋鋼材在30萬噸以內，生產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、油及表面活性物質酸霧凈等，酸腐蝕性較強。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的設計與實現。眾所周知，以PLC為主體的控制系統與單片機、牛頓數據采集模塊相比，具有運行穩定可靠，控制功能強，網絡化等優點，成為工業控制應用的主流。本工程采用歐姆龍公司的CPM2AH型小型可編程控制器，上位工控機組成控制系統。上位機監控制軟件采用北京亞控科技發展有限公司的6.5“組態王”組態軟件，實現對廢酸水處理系統的過程監控及數據處理。

2.廢酸水處理工藝

本工程對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。由于廢酸液的產出量較小，采用回收工藝的投資大，設備維修率高，回收產品質量不穩定。從投入產出比看，回收工藝投資大，運行成本高，回收產出低，經濟性差，所以不采用。因而處理工藝采用將酸性廢水和廢酸液混和后用石灰為中和介質中和處理，處理工藝圖如圖1所示：

3.廢酸水處理控制系統的特點及控制指標

3.1 PH控制過程的特點

酸堿中和過程通常呈現嚴重非線性和滯后性，主要表現為PH值在中和點附近的增益很大，此時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PH值遠離中和點時的增益很小，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管路中進行,使得系統存在較大的時滯，給PH值控制不僅帶來極大困難，而且浪費大量中和劑，為此PH值被公認為最難的控制變量之一,PH中和過程的滴定曲線如圖2所示：

3.2 控制目標

一級中和反應，出口PH控制為：5～6；
二級中和反應，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，廢水排放指標符合國家污水綜合排放二級標準。

4.控制系統的硬件設計

4.1 硬件結構

根據工藝要求，整個系統采用二級計算機控制方式，基礎自動化級采用歐姆龍公司最新推出的CPM2AH系列PLC，實現各種工作泵的啟、停和聯鎖控制；實現對PH值、石灰乳槽的液位進行控制。監控級為臺灣研華生產的工業控制機，完成對系統的組態、監控、報警、制表等功能。

（1）系統檢測點配置

4～20mA輸入5點，4～20mA輸出2點;繼電器輸入信號：30點，繼電器輸出信號：30點。

（2）監控級配置

監控級配置臺灣研華工控機一臺，運行標準的組態和監控軟件， 以實現對系統的的組態與監測。運行環境為WINDOWS2000，并配置打印機一臺，交流穩壓電源和UPS電源各一臺。

（3）基礎自動化級配置

基礎自動化配置CPM2AH系列PLC一套，2個I/O擴展模塊，北京宏拓 PC-7413板卡、PC-7423板卡各一塊。運行I/O控制站軟件，完成對I/O信號的采集以及各種工作泵的聯鎖和控制，由通訊電纜將各工位狀態信號送往工控機，并接收監控的數據；結構如圖3所示：

4.2 監控系統

監控系統完全實現了工藝提出的功能要求 ,可以實現“手動”和“自動”操作兩種控制模式，其中“手動”又分為“現場操作”與“就地柜操作”兩種手動控制，控制模式原理如圖4所示，并且無論處在何種控制模式，都可對工藝參數越限進行報警。控制系統處于自動狀態時，系統可根據操作人員設定的指令自動開、停提升泵，并且泵的開關具有順序鎖定作用，防止誤操作，達到自動調節加石灰水量,更好地控制廢酸水品質的目的。

上位機采用研華工控機，CPU為PIV2.4G、256Ｍ內存、80Ｇ硬盤、32Ｍ顯存、19英寸大屏顯示器。上位監控軟件采用亞控6 .5版“組態王”256點運行態軟件,負責廢酸水處理系統監控界面顯示、數據處理、保存、信息交流等。上位機通過Modbus協議與PLC的進行雙向數據交流。上位機可讀取PLC采集的泵的啟停狀態，可輸出開關量控制信號給PLC。上位軟件可對加藥實行遠程手動CRT操作及遠程自動、就地手動的CRT全程監控。具有歷史曲線、報表、報警等界面。其中：SB1～SBS1：手動模式時，中控室電氣柜面板上的停止與啟動按鈕。

SB2～SBS2：手動模式時，現場機旁控制箱面板上的停止與啟動按鈕。
KM：接觸器及接觸器常開觸點。
KA：中間繼電器常開觸點（自動控制時，由計算機控制中間繼電器是否得電）。

4.3　PLC控制單元

PLC控制單元是自動控制的核心部分,采集加藥計量泵、廢水提升泵等泵的運行工作狀態信號，同時上傳到上位機。并實時執行上位機輸出指令，控制泵的起、停。

5.控制系統的軟件設計

5.1 軟件功能描述

軟件包括上位機的監控軟件與下位機的軟件。上位監控軟件采用亞控6.5版“組態王”256點運行態軟件,負責廢酸水處理系統監控界面顯示、數據處理、保存、信息交流等。在上位計算機中人機界面是以圖形畫面的方式顯示控制系統平面圖及工藝流程圖，有動態的實時參數值顯示，如水的流量、PH值等，實時顯示各泵運行狀和事故報警信息列表以及電氣運行狀態顯示等可切換的動態畫面，對工藝參數值做出實時趨勢曲線和歷史數據趨勢曲線同時，組態王軟件系統還可以與EXCEL、ACCESS等數據庫管軟件進行DDE通訊，將數據傳送至數據庫中，以備將來移植到他系統中供調度員分析比較，以便找出污水廠的最佳運行規律；并且可以自動生成生產報表（班、日、月），定時或根據需要進行打印，供生產管理之用；上位機通過Modbus協議,與PLC的進行雙向數據交流。上位機可讀取PLC采集的泵的啟停狀態,可輸出開關量控制信號給PLC。上位機可對加藥實行遠程手動CRT操作及遠程自動、就地手動的CRT全程監控。下位機主要是采集泵的啟停狀態，并且接收上位機的指令從而控制泵的啟停。

上位機與下位機所用的開發工具如下所示：
上位機：操作系統：Windows 2000，開發工具：組態王6.5，
支持軟件：Microsoft office2000。
下位機：開發工具：CX-programmer 3.10。

5.2 軟件設計

上位機主要是利用了組態軟件來構筑整個系統，具體實現不多描述，下面重點描述下位機（PLC）軟件的設計。根據工藝流程的要求，在PLC中編制出符合現場運行規范的工藝控制程序，進行相應的自動調節和信息反饋，具體的控制依據及各工藝流程需要的設備簡述如下：

（1）各相獨立單元設備啟動控制

•PAM制備單元：0108A設備加水、投加藥劑后啟動攪拌機A按鈕，攪拌約30分鐘停止，起動0109A、B中的一臺泵開始供藥。此時0108B設備加水、投加藥劑后啟動攪拌機B按鈕，攪拌約30分鐘停止，待0108A設備中的藥劑完畢后人工切換（閥門操作）到0108B設備供藥。如此循環作業。0109A、B設備一臺作業一臺備用。

•壓濾機單元：0112A、B設備的液壓油泵起動，壓緊濾框（約10分鐘）此時0112A壓濾機可以進料，由011A、B中的一臺設備中供料，約1小時，人工切換（閥門操作）到0112B壓濾機進料。0112A壓濾機的液壓油泵啟動，集料斗閘門關閉，松開濾框，自動拉扳機啟動，人工卸渣，約25分鐘，0112A壓濾機的液壓油泵啟動壓緊濾框，準備下一回作業。運渣車到達時，集料斗閘門打開，振打電機啟動，卸料完畢振打電機停，集料斗閘門關閉。0112A、B設備按此循環作業。

•石灰乳制備單元：0105A石灰消化器啟動，0118A斗式提升機給料同時0114濾液泵向石灰消化器供水，當0106A設備液位到達要求時（上限報警），人工切換（閥門操作到0106B設備），當0106B設備液位到達要求時（上限報警）停0118A斗式提升機和0114濾液泵，此時消化器中剩余物料供至0106A設備，當0105A石灰消化器中無物料時停0105A、0117螺桿泵。0105B和0118B設備為備用設備。

（2）故障停車順序

壓濾機故障：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軟件設計

PLC軟件用歐姆龍公司的CX-programmer 3.10編程軟件設計,梯形圖編程,模塊化結構,由一個主程序和多個子程序組成。主程序流程如圖6所示。

6.結束語

本文從工程應用實際出發，基于組態軟件的開發平臺，采用常用的PLC作為控制器，實現了對大時滯、非線性、強干擾的污水處理的中和過程的控制。實際運行表明：該系統具有控制精度高、運行可靠、操作簡單、抗干擾和適應能力強等特點，完全可以滿足污水中PH值控制的工藝需要。創新點：采用了組態軟件和PLC結合來對廢酸水PH值的處理，系統簡單、可靠！

參考文獻

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作者簡介
龍偉（1952-） 男 教授/碩士生導師，長期從事計算機控制及自動控制理論的教學與科研,在國內外各種雜志發表論文多篇。