海上石油平台生活污水处理装置的设计与开发

李旗 钱光磊 谢陈鑫

摘  要： 为了开发一种专业、控制有序的海上石油平台生活污水处理装置， 设计了采用PLC的电解法生活污水自动处理装置。文章分析了控制系统的电气原理图和控制系统中的输入/输出信号，对控制逻辑和人机界面设计进行了说明。现场调试与实际使用表明，该装置通过PLC对现场各仪表数据进行采集与分析，实现了自动处理生活污水的功能。

关键词： 生活污水处理; PLC; 控制系统; 自动控制

Abstract： In order to develop a professional and orderly controlled domestic sewage treatment device for offshore oil platform， a PLC based automatic domestic sewage treatment device with electrolysis method is designed. This paper analyzes the electrical diagram of the control system and the input/output signals of the control system， and explains the control logic and human-machine interface design. The field debugging and practical application show that the device collects and analyzes the data of the field instruments through PLC， and realizes the function of automatic treatment of domestic sewage.

0 引言

随着海上开采石油的迅猛发展，海洋污染的问题越来越突显，主要体现在对排放污水的指标越来越严格。传统的生化法生活污水处理工艺简单，但无论是处理效果还是处理量来说都有其局限性。电催化氧化法生活污水处理装置是一种利用电催化氧化方式对海上石油平台生活污水进行处理的装置。操作人员通过控制柜上的人机界面，实现手动、自动控制，通过程序控制实现各执行元件的相互配合，达到污水处理达标并排放的功能。

1 系统整体工艺设计

自控系统设计可实现手动与自动模式。

1.1 手动控制模式

本系统可分别对装置中的粉碎泵、风机、排放泵、直流柜，电动阀等执行元件进行手动打开与关闭。该模式的作用为单设备检修，试运行及初上电调试时使用。

1.2 自动控制模式

1.2.1 电催化自动控制系统

通过安装于缓冲罐顶部的超声波液位计，实时地测量缓冲罐中污水的液位高度，当达到预设高度时，粉碎泵启动，将污水从缓冲罐中抽出粉碎，并将水注入反应器中。

污水进入反应器后，液位逐渐升高，触发液位开关产生动作信号，PLC控制直流电源进行直流放电，驱动电催化极板进行电催化反应。

经过电催化反應后的污水，自流进入清水罐，同时位于清水罐中的压差式液位计实时测量液位高度，当达到预设高度时，排放泵启动，将处理完毕的污水排出。

在电催化反应进行中，风机同步运行，实现强制排放反应中可能产生的危险气体的功能。

1.2.2 电极自动换相系统

固定在反应器中的电极板，由于长时间加直流电进行电催化反应，会在极板上产生垢，这就需要定期对电极板的正负极进行切换，利用其中一极在电化学反应中产生的气泡使极板上的垢脱落，从而实现自我脱垢的功能。

1.2.3 废渣自动排放系统

通过电极自动换相功能而分离出的污垢，经一段时间沉淀后，会堆积在反应器底部，这就需要定时对其排垢。具体操作：通过直流电源运行反馈信号作为计时条件，当计时达到预设值时，打开排放电动阀门，待阀门打开反馈信号有效时，排放泵运行一段时间（可设定），最后关闭排放泵与排放电动阀。这样可及时排除固体沉淀，从而实现延长设备良好运行的效果。

2 控制系统设计

自控系统组态设计如图1所示。

2.1 PLC组态

PLC选用西门子S7-1200系列中的1215C，本身具有14数字输入和10个数字输出，通过添加扩展模块，扩展出多个模拟输入与模式输出，作为采集与控制其他设备的接口。如图2所示。PLC在进行硬件组态时需要对每一个扩展口的I/O地址（包括起始与结束地址）做设定，这在后续的编程中作为物理端口的影射，通过程序处理调用。

2.2 PLC与其他设备的连接

PLC通过自身与扩展的IO接口模块，接收现场检测各各种信号（其中包括数字输入输出信号，模拟输入输出信号），对这些数据进行处理，并执行PLC程序中发出的各种控制指令。数字输入部分主要有液位开关、电动阀的打开与关闭反馈，电动机接触器的辅助触点以及直流电源的状态反馈;数字输出部分主要有对电动阀、控制电机的交流接触器以及直流电源的启停控制;模拟输入部分主要有流量计、液位计以及直流电源的电流电压模拟输出反馈;模拟输出部分主要针对直流电源电流输出幅值的控制信号。

3 编程设计

3.1 人机界面设计

使用博途TIA（V14）绘制界面[1-3]，通过硬件组态与画面绘制，将人机界面与PLC通过Profinet通信协议，经网线进行数据交互，实现对装置的运行状态、报警历史、参数设定和手动调节等进行反馈，便于操作者对设备的状态进行及时有效地把控。图3为流程界面。流程界面为设备运行中处于长期显示的重要画面，其中包括了各动力设备的启停状态，各电动阀的开合状态，各仪表的数据反馈状态，还有每种设备的故障检测状态。不同的运行模式下，可以直观的通过画面看到各种状态信息与数值反馈，便于操作者或者巡检员快速、直接且有效的判断设备运行情况。

为了便于将来的仪表更换与设备检修，还编写了仪表校准和控制页面（如图4），其中仪表页面主要是对系统中传输模拟信号的仪表进行4-20mA与实际仪表量程的校准;控制页面主要分成四部分，第一部分为系统模式切换;第二部分为手动模式中各执行元件（包括风机、粉碎泵、海水阀、排放阀与直流柜）的单独启/停，便于维修人员对单一设备的运行测试;第三部分为主备设备的手动与自动切换，当设置为自动切换时，系统根据运行时间与参数页面的设定时间，对主备设备进行定期切换，避免主设备长期工作，备用设备长期闲置，导致两台设备实际运行寿命不一致的情况，实现两台设备都具备良好的使用状态，当设置为手动切换时，系统不再对各设备的实际运行时间进行累加，主备设备不再自动切换，而是通过选择按钮实现人工切换;第四部分为不停机检修隔离按钮，对所有执行元件进行检修状态设定，当检修状态激活时，设备在自动模式下不再运行，避免在不停机检修时对人或者物造成潜在的安全隐患。

3.2 PLC程序设计

3.2.1 程序框架设计

通过PLC的IO端口，监控各仪表与各设备的工作状态，并根据装置所处的工作模式决定工作流程，如图5所示。每个执行部件都采用一用一备的热备用方式，当一台设备出现故障时，程序自动切换使用备用设备，实现整个装置的连续运转，保证运行稳定性与可靠性。程序编写依靠IEC61131-5及国标15969.3-2017相关标准进行编写[4-5]。

具体程序设计，首先对每一个功能建立功能块（FB）及其数据块（DB），包括实现功能需要的内部变量与全局变量;其次，对每一个功能块进行独立编程，实现各功能独立，在组织块（OB1）中用对应的指令调用各功能块，从而提高CPU的执行效率，便于后期调试与功能添加。

3.2.2 换相程序

换相功能的程序如图6所示，在直流电源运行时，通过分钟脉冲信号作为计数器的累加触发。当计数值大于等于预设值时，触发换相流程：先停止直流电源运行，并激活“延时接通”指令，其设定值为90秒，这主要的作用是等待直流電源的输出端电压下降到安全值，避免立即换相导致接触电流过大触发设备意外报警;当接通延时指令激活达到预设时间后，PLC对直流电源发出换相指令，并回复直流电源运行;当正负切换两次后，计数器清零，开始重新计数。

3.2.3 排放程序

定时排放功能程序如图7所示，在自动模式下通过分钟脉冲作为计数器触发源，当计数达到预设值且粉碎泵在工作时，进入排放流程：打开电动阀，通过触发“延时打开”指令，延迟一段时间后，排放泵运行，再经过一段时间后，排放泵停止，电动阀关闭，重置排放计时值。

4 结束语

本装置在西门子博途编程平台下完成了基于Profinet连接的触摸屏与PLC，通过IO接口对执行元件进行互联，智能、高效地对生活污水进行电催化处理，从而有效降低污水中的化学需氧量（COD）。通过实际运行可证明：该生活污水自动处理装置可高效可靠的实现海上石油平台生活污水的处理任务，达到排海要求，功能完整，设备易于操作维护，运行稳定。该装置已在多个海上石油平台上推广使用。

参考文献（References）：

[1] 刘华波，刘丹，赵岩岭，马艳，山炳强.西门子S7-1200 PLC编程与应用[M].机械工业出版社，2018.

[2] 向晓汉，李润海.西门子S7-1200/1500 PLC学习手册——基于LAD和SCL[M].化学工业出版社，2018.

[3] 西门子（中国）有限公司.S7-1200 可编程控制器系统手册[Z]，2009.

[4] 彭瑜.IEC 61131-3编程语言及应用基础[M].机械工业出版社，2009.

[5] GBT 15969.3-2017.可编程序控制器（第3部分）：编程语言[S].