造纸废水深度处理工段DCS方案设计与应用

1、造纸工业废水深度处理工段DCS 方案设计与应用李明辉张秦陕西科技大学机电工程学院西安 710021 摘要：针对某造纸工业废水深度处理工段，提出了合理的DCS 软硬件配置和程序设计的整体方案，阐述了控制难点的解决策略，并分析了现场抗干扰措施。最后，该控制系统已经在唐山某污水处理厂得到应用，取得了较好的控制效果。关键字：废水深度处理、DCS、抗干扰0、引言造纸行业是一个用水量大、污染严重的行业，尤其是原浆造纸，其造纸废水污染物浓度高、治理难度大，各国均将造纸废水列为主要公害之一。我国造纸企业普遍规模较小( 小型造纸厂约有万家) ，生产工艺和设备落后，管理水平不高，原材料和能源消耗量大，造纸工业废水

2、的处理是当今废水处理的难题之一。经过多年努力， 在治理技术的研究和防治工作方面， 取得了一定进展，但我国造纸工业废水对水体的污染仍存在一定问题。目前应用比较成熟的废水处理工艺为“混凝+沉淀 +水生化处理” ，它主要利用微生物对造纸工业废水中的大分子物质的降解作用实现废水的回收处理，如图1。图 1 造纸废水处理的工艺流程图在实际的运行过程中，随着造纸企业通过技术改造，有效提高生产效率的同时，废水的日排放量也随之增加，采用原有的“混凝 +沉淀 +水生化处理”工艺面临着巨大的挑战。越来越多的污水处理企业开始引进新工艺、新设备进行技术改造，提高水处理能力。目前项目改造中以在原有基础上添加废水深度处理工

3、程者居多，这样就推动了废水深度处理工艺处理工艺的发展 （图 1 中的虚线框中部分） 。本文主要研究造纸工业废水深度处理工段DCS 方案设计与应用。1、废水深度处理工艺概述以某工业区的污水处理厂废水深度处理工程为例说明。该厂位于唐山市某一造纸工业园区，需要处理附近近10 家小型造纸厂排放污水。在 08 年上污水处理工程后，使污水排放达到了造纸工业水污染排放标准（GB3544-2001 ） 。随着行业竞争的日趋激烈，各家造纸企业纷纷进行技术改造，提高生产效率， 同时也对废水处理能力也有个较高的要求。按照原来的 “混凝 +沉淀 +生化处理” 的废水处理 能力已经使污水排放不能达到排放标准，于是在 2

4、010年初开始建设废水深度处理工程，选择的是增加“混凝+Fenton 氧化 +絮凝”法深度处理工艺。该工业主要采用高级氧化处理技术，属于物化作用， 理论上水处理速度相对原有的生化处理有很大的提高，具体工艺如图2 所示。提升泵抄纸废水集水池混凝反应沟辐流沉淀池中间水池絮凝剂助凝剂纸浆回收中段废水提升泵回用水加压泵造纸工序各用水点好氧生化池二沉池达标水排放废水深度处理提升泵图 2 某纸厂废水深度处理流程图工艺分析：首先，从二沉池来废水通过提升泵流入三连通的调节池，此时水质参数为COD 在 20020mg/L ，BOD 在 60 5mg/L。伴随着工业浓硫酸（浓度为98%）通过计量泵送入调节池1#工

5、位，将待处理废水酸化，并经过搅拌混合后进入调节池2#工位。然后，通过加药泵向2#位注入氧化反应所需的催化剂，搅拌混合后送入到调节池3#工位与注入的1#氧化剂混合反应。接着，通过进Fenton 氧化塔提升泵将废水从塔底送入塔内，充分反映后通过溢流管道将经氧化后的废水送入到三连通的中和池的1#工位，并通过检测中和池的ORP（电离反应常数）值，控制是否添加2#氧化剂。接下来通过调节烧碱的注入量将中和池内 PH 维持在 7.00.5。 最后将反应后并和絮凝剂混合充分后的废水通过溢出送入三沉池，有效的物理沉淀后可达到达标水质。出水水质要求CODcr80mg/L、BOD5 20mg/L、色度低于10 倍。

6、主要工艺要求：调节池废水的PH 值控制在 3.50.5；中和池水的PH 控制在 7.0 0.5；调节池液位保持在705%；所有药剂均能按比例实现手/自动调节加药量。2、DCS 配置与选型一个合格又高效的废水处理工程，除了优良的工艺支撑外，稳定的控制系统也是不可或缺的。2.1 系统测控点分析废水深度处理系统中需要进入DCS 的执行对象有：搅拌器、泵（加药泵、卸料泵、提升泵） 、阀门等。检测装置有：液位计、流量计、酸度计（PH 计） 、ORP 计（电离常数检测装置）等。统计该系统的检测点表见表1。. 表 1 该废水深度处理工段的检测点表检测点数量DI DO AI AO 备注泵和搅拌器34 68 3

7、4 0 0 V 型电动阀6 12 12 0 0 液位变送器7 0 0 7 0 二线制流量变送器6 0 0 6 0 四线制PH 计/ORP 计2/1 0 0 3 0 四线制总计80 46 16 0 DCS 配置104 60 21 0 注释：表 1 中的 DCS 配置行点数统计，是按照 DCS 配置点数预留30%的余量的一般原则计二沉池来废水调节池溢出去沉淀池，达标水排放中和池Fenton反应塔浓硫酸催化剂1#氧化剂2#氧化剂烧碱絮凝剂PH PH ORP 算得到的，实际的项目实施过程中点数可适当的增减也是可行的。2.2 控制系统配置从系统的测控点数量分析可知，该系统属于中小型控制系统，为了满足工程

8、实际需要，并结合工程实践经验，选择综合性价比较高的西门子（SIEMENS ）SIMA TIC 系列的通用控制器。考虑到实现工厂数据的共享，配置了以太网通讯接口模块CP343-1，可通过交换机的广播式发送数据模式，实现新添加工段数据与工厂其它工段的数据共享。其他的相关软硬件清单见表2。. 表 2 废水深度处理DCS 配置清单名称型号规格数量生产厂家下位机硬件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 上位机硬件操作员站P4/3.0G/1024M 160G/DVD LCD22 1 DELL 网络交换机YP-LINK 8 口交换机1 华为网线双胶线100m AMP 软件WINCC 6AV6 381-1BE06-0DV0 1 SIEMENS STEP7 V5 软件6ES7 810-5CC08-0YA5 1 SIEMENS 3、程序设计实现了对整个系统的软硬件配置和

10、选型后，需要针对控制现场设计相应的上位机和下位机的程序。 在这里采用的是模块化的程序设计思路，并从整体到局部，由易到难的解决程序设计中的每一个问题。一下从三方面进行阐释和说明。3.1 下位机程序设计通过西门子Step7软件进行的下位机程序设计，主要任务有： 首先建立行的工程项目，实现对控制站的硬件组态，并分好模块地址，为下一步的程序设计做准备。 模拟量的采样、 滤波和线性标定。例如系统中的液位、流量、PH、ORP 数据的采集，并设计均值滤波，降低干扰，并通过量程标定实现现场数据的准确表达。 重要数据的分班累计运算。例如废水处理流量、药剂流量等。 数字量的逻辑运算。例如电机和阀门的启停控制、手自

11、动控制、顺序控制等。 单回路和多回路控制程序设计。例如通过调节阀门的开关实现对流量的稳定控制、通过流量的调节实现对液位的控制等。 重要的联锁控制。例如当调节池液位高于95%时，可以启动备用提升泵快速增加调节池出水，避免溢出等。3.2 上位机人机界面设计利用西门子提供的WinCC 进行上位机人机界面设计，主要任务有： 从工艺图到WinCC 控制界面图的转换， 实现监控画面对现场所有进入自控系统的检测量的实时显示，并且要体现出工艺流程路线。 制作小窗口，实现对可执行机构的控制。例如泵和搅拌器、阀门等的操作界面。 设置通讯连接，并建立过程变量，实现WinCC 与 PLC 的通讯，并设计过程变量归档，

12、实现重要数据的趋势显示。 完成对报警信息的设置和相关的报表打印功能。 设置用户权限，实现对用户的分层管理。例如操作工只具备对工艺设备的启停、画面的切换等任务，而现场工程师具备对控制参数的修改的权限等。3.3 控制难点及其应对策略a）调节池液位调节和中和池PH调节采用串级PID 控制图 3 调节池液位和中和池的PH调节控制示意图程序： 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）各种药剂添加量与调节池出水量之间的串级比例联锁控制图 4 加药量的串级PID 联锁调节控制示意图程序： 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 联锁标志1 0 比例控制PID 流量调节流量调节阀流量变送器调节池出水流量检测手动设定值液位 SP PD 液位调节PID 流量调节电动阀调节池流量变送器液位变送器 PV_PER :=DB10.DBW138 ,4、现场抗干扰策略1）控制器的电源与接地控制器（ PLC）本身的抗干扰能力一般都很强。通常，将控制器的电源与系统的动力设备电源分开配线，对于电源线来的干扰，一般都有足够强的抑制能

15、力。如果一个系统中含有扩展单元， 则其电源必须与基本单元共用一个开关控制，也就是说， 它们的上电与断电必须同时进行。良好的接地是保证控制器安全可靠运行的重要条件。一般要求接地用不短于3 米长的扁铁作地桩，接地电阻不高于4，为了抑制附加在电源及输入端、输出端的干扰，应给控制器接专用地线，并且接地点要与其它设备分开，如图5（ a） 。若达不到这种要求，也可采用公共接地方式，如图5（ b） 。图 5 控制器接地示意图2）输入输出的保护措施现场仪表的输出信号为420mA 的电流信号， 采用的是两芯屏蔽线，并且保证仪表线到微机控制柜的距离不超过100 米，屏蔽层统一接到微机控制柜的地排上，即信号屏蔽层与

16、控制柜共地。 对于电机和阀门的反馈信号，通过光电隔离模块实施保护，有效保证由于接线失误而导致控制模块失效。控制柜的输出控制信号，采用继电器输出隔离保护。对于启停频率较低的电机控制一般采用常规继电器，而对于开关频率较高的阀门控制采用的是固态继电器。3）现场布线方式实现信号线与动力线分开布线。现场执行机构动力线从地沟走线，信号线通过空中桥架走线，桥架有效接地。5、工程实践该造纸废水深度处理DCS，采用“混凝+Fenton 氧化 +絮凝”法深度处理工艺，已于2010 年 11 月初经过调试已经正式投入正常运行。它满足了处理工艺要求，提高了废水处理效率， 使出水水质CODcr=705mg/L、BOD5=205mg/L，达到了回用水的水质要求及环保部门最新规定排放标准。同时，该控制系统降低了运行操作的劳动强度，使整个系统运行可靠、维护方便，并提高了整个工厂的运行管理水平，值得同行借鉴和推广