毕桂芳--基于PLC的油田污水处理系统的设计与实现改

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1、精选优质文档-倾情为你奉上工程硕士学位论文基于PLC的污水处理系统的设计与实现毕桂芳哈尔滨理工大学2013年 月国内图书分类号：工程硕士学位论文基于PLC的污水处理系统的设计与实现硕士研究生：毕桂芳导师：宋清昆副导师：申请学位级别：工程硕士工程领域：控制工程所在单位：自动化学院答辩日期：2013年 月授予学位单位：哈尔滨理工大学Classified Index：Dissertation for the Master Degree of EngineeringThe System of designing and Application for Sewage Treatment Based on

2、 PLCCandidate：Bi GuifangSupervisor：Song QingkunVice Supervisor：Academic Degree Applied for：Master of EngineeringProfessional Field：Conctol EngineeringDate of Oral Examination：，2013University：Harbin University of Science and Technology哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于PLC的污水处理系统的设计与实现，是本人在导师指导下

3、，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书基于PLC的污水处理系统的设计与实现系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅

4、。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于 保密 ，在 年解密后适用授权书。 不保密 ，（请在以上相应方框内打）。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日专心-专注-专业基于PLC的污水处理系统的设计与实现摘 要本文介绍了含油污水处理工艺中自动化仪表的配置，对自动控制系统进行了分析，与现有的油田污水处理工艺流程结合在一起，研究并设计了一种油污水处理自动化系统，相比于其他系统来说，集成度较高。文中细致的阐述了污水处理自动化系统的控制方案，总结这些方案的利弊，从而得出污水处理自动化系统的最佳方案：工控机和可编程

5、逻辑控制器（PLC）。这里详细了解了控制设备和现场检测仪表的特点，分析了污水处理系统的各个工艺流程，使系统模型更加准确。本文为某个污水站提出了一个相对合理的系统模型，在现有的控制设备和自动化仪表的基础上。在这个系统模型的基础上，系统控制的方案分层控制，由于控制功能及控制目标不同，在仪表设备的选型中，要按控制任务来选择。文章介绍了西门子SIMATIC系列PLC和组态软件WinCC的特点，为了提高开发效率，将PLC开发软件STEP7中定义的变量集成到WinCC中。对于加药子系统与过滤子系统，本文也提出了一种好用的解决方法。关键词 污水处理；PLC；WinCC；自动控制目 录第1章 绪论1.1 课题

6、背景及意义油田采出水、钻井污水及站内其它类型的含油污水是油田污水的主要组成部分。根据油田生产、环境等因素，油田污水可以有多重处理方式。由于油田的石油储量和具有的能量是有限的，在开发油田过程中，随着油田年龄的不断增加，被用掉的地层能量越来越多，地层压力大大下降，当压力降到某一值时，就会使原来的高压自喷的油井停止自喷，而不得不改为其他的采油方式1。想要使油田的采收率既高又稳，就需要补偿采油是用掉的压力，方法就是把处理过的油田污水或者其他水源注入到油田中去。这样对水的质量就有一定的要求，水处理的质量提高了，就可对不堵塞地下油层起到一定的保证作用，并保持油层有较高的压力水平，有利于提高最终的采收率2。

7、随着油田的不断开采，水的比例在原油中越来越多，油田产出的含水油经油水分离后产生了大量的含油污水，如果含油污水的处理不能达到国家污水综合排放标准GB8978-1996中的石油化工水污染物最高允许排放浓度，即石油类10mg/L，排放后将严重破坏水体卫生条件，抽取出的水会有异味，对日常使用有很大的影响，因此油田的含油污水处理越来越重要1。除此之外，由于环境问题日益尖锐，国务院明确规定所有工业污染源都必须达到排放标准2。我国大部分油田采油年纪较长，采出来的油中含水率相对增加，含油污水越来越多。每个油田如果想要保证原油产量，就要寻找新的油田，加快驱油技术的发展，那么含油污水处理就会面对新的问题 3-4。

8、随着近海油田的开发，含水会增多，渗透会降低，这样增加了油田的污水量，污水处理难度也随之增加 5-6。因此，越来越多的污水经过污水处理站来处理多会考虑到节油、环保、注水等各种因素。在油田污水处理环节上，自动控制技术在油田污水处理所面临的问题是：如何合理的设计安全可靠和便于操作及维护的自动监测控制系统，保证污水处理站生产的平衡运行和合理优化控制，实现节能降耗，降低员工劳动强度，提高处理污水效率，提高管理水平。现在国内外科学研究的热点问题之一就是自动控制系统。有一部分油田应用了污水处理自动化系统，可这些系统实现自动化的部分只有一部分，特别是加药自动化在系统中所涉及到的并不多。不十分完善的自动化水平，

9、将污水处理系统全部实现自动化的可能性不大，这成为油田注水系统中存在的一个问题。所以，将最新的工艺、PLC控制技术以及计量自控检测仪表有效结合起来，将成为当前油田污水处理控制系统提供有效的自控方法7。1.2 污水处理系统自动化技术国内外现状1.2.1国外发展现状在欧美等西方经济发达的国家，一直在污水处理的理论与技术有研究与创造，对污水处理自动控制方面的问题更加注重。各种智能型，集成性以及高效性的污水处理和自控仪表被研发出来，将计算机自控处理工艺应用到污水处理系统中，得到了令人欣慰的结果 8。某些污水处理厂实现全自动无人值守控制模式，主要采用的是用计算机将信息记载和运行过程控制9。如二十世纪九十年

10、代年由美国艾姆科公司成功开发了多元合式智能型一体化污水处理装置；荷兰大学开发的计算机控制内循环式水解生塔；意大利开发出一系列在线水质监测控制仪；美国米顿罗公司也相继开发出了系列在线水质监测控制仪等8。污水处理厂在应用计算机控制这方面在现代已经很普遍了，欧美国家使用全自动化无人值守控制，用计算机进行信息存储和对运行过程进行空中。像美国爱阿华水厂，在一九七零年开始考虑用计算机对污水处理厂的加药系统进行自动控制，1975年实现用计算机自动控制加矾的剂量，一年之后发现不但矾的消耗降低了20%，管理的水平比以往好了很多，水质也相对稳定了很多。此外，俄罗斯莫斯科水厂、日本东京朝霞水厂等开始使用计算机自动控

11、制污水厂，得到的结果很乐观。如今有很对由集散型的自动控制系统控制的水厂。许多台计算机设置在水厂的区域范围内，利用多环路控制系统，将污水进行处理。各个现场级计算机和设备仪表中记录的信息通过中控室的显示频传达给操作人员，显示图表、曲线，每个设备的运行情况，设备是否出现问题等。一旦系统运行异常，自动控制过程要及时的转换成手动控制 7。1.2.2国内发展现状国内污水处理厂与国外发达国家相比是非常落后的，手工操作是主要实现过程，但近几年有很大改善。近些年有些城市将全部或局部计算机控制引到国内污水厂中运行，取得了一定的经验。目前，大规模自动化改建将在国内污水处理方面完成9。现今，国内污水处理基本分为三个大

12、的档次。1、手动操作通过污水处理过程中的仪表的观察，并记录液位、流量、温度、浊度、PH值、污泥浓度等性能指标的数据，根据数据得到所需的控制条件，操作员通过全部手动的方式控制现场的主要设备如阀门的开闭，是否让电机运行，鼓风量的多少调节等等。2、半自动控制将采集到的数据取部分传入控制室，控制室中上位机上所显示的工艺流程，如液位、流速、浑浊度、酸碱度等这些过程参数，电机、阀门等设备运行，来检测生产过程中是否发现异常；现场工作者收集、记录指标参数，以及现场控制设备是否运行并写下这些信息。3、全自动控制在处理污水时，全部的生产过程利用计算机控制和多层次的网络结构。下位机接收有变动器输送的生产过程控制中的

13、各种信号，比如PLC作为控制单元，运用PID控制、模糊控制等算法，实现现场设备的实时控制。1.3 课题研究的主要内容1、研究调查出水处理站的工艺及处理流程，观测污水处理站内的各类仪表和工艺运行设备的情况（如泵、变频器、滤罐），调查污水处理站的生产流程，为课题的深入研究打下良好的基础。2、研究各种自动控制仪表设备的参数、原理及特点，通过对生产状况的研究，确定重要工艺流程中的各类参数。 3、根据所选择的仪表设备建立合适的过程控制模型，根据相应功能模块制定系统实现模块规划。4、系统的软硬件设计。根据系统的需求，设计与实现系统所需的软硬件细节，其中包括可编程逻辑控制器和组态软件的使用及开发方法，还有一

14、些控制过程的关键算法和实现方法。第2章 油田污水处理控制系统总体方案国内的采油污水处理系统基本上是围绕地层回注和回灌而设定的。系统工艺设计是在沉降-气浮-混凝-过滤的基础上，一般使用混凝、浮选、压力除油、重力除油、过滤等技术。设计的主要工艺为：1、自然沉降-混凝沉降-压力过滤。选这项工艺是因为它出水水质稳定，在除油方面效果较好，且容易维护15。2、混凝除油-压力过滤。由于石油脱水设备将原三段改进成为两段，致使污水含油量越来越低，可他也存在一定的弊端，即抗冲击性差16。污水处理中油、水分离的过程中，由于大量的泥砂混入其中，变成了油、水、泥这几种分离的状况。3、过程为粗粒化去除油工艺然后在进行混凝

15、除油工艺最后经过压力过滤。此种技术大大提高了系统的处理能力增强了处理的效果，还将除油罐体积过大问题解决了，可却增多了原油中的含砂量，弊端的影响远大于利端，这项技术慢慢的不被使用 16。4、斜板除油-气浮-压力过滤。此种技术虽然具有较少的占地面积，且有较高的去除率，可是存在不容忽视的不足：抗冲击能力差，对进水要求高9。2.1关于油田污水处理工艺的流程简介2.1.1关于油田污水处理工艺的流程简介 由于油田生产产生的污水具有非常复杂的的成份，油田采出水是采出的油通过油、水、器三相分离后得到的，都经历了原油联合站、生产单井和各计量站等各生产环节，污水中含有硫化物，原有，提炼原油产生的固体颗粒，以及可溶

16、性盐化物等等成分组成的混合溶液。 图如2-1所示的为某油田污水处理站工程工艺流程。从油田传送来的含油污水，第一步，让最初的油、汽、水分离在调储罐中进行；第二步，将污水放入储油罐进行再次的沉降过程，第三步，将经过除油罐出来的污水送进沉降罐中进行再次沉降过滤，这个过程结束后将污水在缓冲罐中做最后的过滤。在进行这一过程的处理过程之中将过滤出来的污泥通过每个罐的排油系统排出，在将提升泵从缓冲罐吸水升高压力送入过滤罐做过滤过程，由外输泵进入外输水管中过滤后的水输送到注水站。经过除油、排泥、加药、过滤等一系列工艺以后才能排出。图2-1 某油田污水站工程工艺流程图2.1.2某油田污水站除油工艺如图2-2所示

17、为某油田污水站除油工艺。图2-2 某油田污水站除油工艺一次沉降罐的作用是：水和油的密度不同，分离时利用他们的比重差，治理含油污水的主要理论就是重力分离。经过油水分离的多次试验可以得出：增加油水沉淀的时长，浮油从水中分离的境况会更好。要是从外面运输进来的污水，则必须进行一次沉淀，地点在一次沉降罐中，然后进行油水分离，浮油便进入收油槽中，进行收集。由于固体絮状物的表面上沾有一些泥砂和油点，在沉罐底下就形成了油-固体物等杂质，这些杂质会通过排泥装置排走，水质比以前干净了很多。二次沉降罐的作用是：将一次沉降罐来的污水进行二次沉降，进一步除去浮油和部分乳化油，降低污水中的含油。滤罐的作用是：经过压力过滤

18、罐处理后的污水，其中的杂质颗粒和油珠都被去除，就达到了污水回注及外排的要求。外输反冲洗罐的作用是：存储一部分过滤后的水，将其输送到注水站，这样做的主要目的是有一个缓冲的作用，还有一个作用是作为滤罐反冲洗的水源。2.2 控制系统分析2.2.1控制系统的选型分析当前国内用于污水处理的主要自控控制系统广泛具有如下几个特点11-12： 1、广泛使用集散式控制系统，设有操作员站，工程人员通过操作员站对生产过程进行控制和监控，大大提高生产效率和安全可靠性实现现场无人值守；2、 为了使每个控制站具有独立的工作能力，用冗余化设计设计监控系统，这样做的目的是增强系统的安全生产能提和抗干扰能力；3、把智能化控制系

19、统引入到污水处理系统，实现了每个处理过程的自动化，如果污水源发生变化，可以通过智能化的控制系统对生产过程进行调整，万一产生问题可切换成手动工作状态。4、为提供数据检测的精度和数据控制的准确，大量引用先进的智能化仪表和在线式水质分析仪表；5、把遥测，遥控装置引入到系统当中，提高了对共享资源的使用效率。2.2.2控制系统的功能分析1、控制功能流程控制：为了方便污水被每个设备处理，将含油污水按照规定的次序通过系统的各个设备依次进行管理。污水处理产线管理：过滤罐的管理，伺服电机，以及各种阀门，从而使整个处理过程实现自动化。2、各仪表的监视功能流量监视：对处理设备，过滤罐等设备流量进行监视液位监视：检测

20、显示污水池，污油地目前的液位进行显示检测。设备运行监视：对各个部分的当前工作状态，通过分析数据信息对各个部分是否正常运行进行判断。3、智能决策功能存储设备工作时的重要的信息，与以往的信息结合在一起适合此时的最优策略。例如：系统自动记录的有关加药的历史数据，根据以前的纪录，自动调整对所加的药剂种类、加药量等决策，随着运行时间的累计，系统的各项指标得到持续的改进。通过所得到的数据分析判断问题所在，对比较普遍的问题提出处理办法并具有学习记忆功能，为将来处理同类问题积累了一定的经验。4、设置功能每种运行参数能够让系统比较容易的设置。像沉淀时间，过滤时常，加药量，缓冲时间等等。安装在厂房的控制柜通常用作

21、两种作用：首先一种是为了实现手动工作，其次是为了与通讯站进行链接通信数据交换。使PLC的每部分模块通过设备的当前信息作出控制动作。手动的优先级高于中央控制模块和分布控制站，当开关设置为自动状态时，程序控制的远程设备这时才能起作用。所以现场个控制柜调试完成后，才可以对智能化自动控制进行调试工作，只有在现场设备安全时才能进行远程遥控控制。把智能控制系统与监视装置引入到污水处理系统当中，可以获得更多的实时控制信息，所以系统才能在运行过程中实现自动化自处理功能。2.3 管理控制系统的设计想法2.3.1处理系统的组成结构系统的设计的主要内容：检测与控制污水处理厂中生产设备的运行数据，如：除油罐、沉降罐、

22、调储罐、缓冲罐和加药系统。其中，阀门的开闭、泵的运行状态、罐体液位、污水流量、供气压力和加药系统信号的远程控制传递现实和处理是控制关键。对污水厂的生产监视与远程控制工作人员只需在值班室就可以进行。根据目前顺序控制系统和工业过程控制的主流趋势和特性，在充分了解用户需求和现场实际的情况下，我们采用plc为控制器的加工控机集中的集散控制系统的设计想法，。智能控制系统构成：图2-3 系统结构图仪表设备层中各个电气设备，受可编程控制器DCS控制层的控制，依照事先设定好的控制程序运行，依照设定好的工艺过程对污水进行处理；现场环境信息与设备执行情况通过电气设备执行层的传感器与设备开关，返回PLC集散控制层；

23、在工控机监控中，PLC集散控制层主要采集环境信息的数据，记录设备运行数据，输入控制信号；通过工控机监控管理层，用户根据系统运行数据判断系统是否正常运行，根据工艺需求控制系统运行，根据工作需求对数据进行管理。2.3.2主要控制原理简述 此控制系统是一个电气控制系统。1、工作的仪器仪表：污水厂将某些非电量的生产工艺参数（处理污水的PH值，流量，液位）通过在线PH计、流量计、液位计，换算成 420mA的模拟电流信号。在PLC控制系统中，技术指标为24V直流电源供电420mA为输出的模拟电流信号共用一根双绞线，PLC的中央处理器通过模拟量接收部分接收输出的模拟电流信号，依照现场仪器仪表显示的上下限，可

24、以分析计算出所需的各个监测数据。2、动力模块：动力模块包括：气动阀、动力除油泵、注药泵、搅拌装置等，以上这些设备都用24V/420mA/AC220V标准电压电流信号作为驱动动力，把整个去污工艺过程完成。气动阀门配有两位三通的电磁装置，该气动阀使用24V直流电源供电，通过直流继电器将供电电源接入到PLC的数字量输出模块，PLC的CPU在设定的程序下自动控制输出1/0，使气动蝶就完成开/关动作。3、设备状态：气动蝶阀的开关动作是否到位决定了动力排泥泵供电回路的触点的当前状态，除污设备处于手动自动的工作模式，整个的工作过程，都是以标准的24V/420mA/AC220V电压电流来输出的。PLC中的数字

25、量输入模块的数据输入，是气动蝶阀配带限位开关和各种泵的供电主回路的空气开关/主接触器的相应触点通过前连接器输入的。PLC的CPU依据输入通过模数转换转换成 0/1信号，检测开关动作是否完成，以及各个供电主回路的供电情况是否正常，动力泵是否工作。4、管理控制模块：此设计的核心控制器件是PLC模块，主要有plc、控制柜以及控制柜所需的各种配套设备。（1）PLC的模拟量输入数字量输入通道可以将外部模拟量信号转换为数字量输出，以二进制为主。（2）CPU控制器可以按顺序逐条运行指令，亦可逐个模块的运行。根据实际工作现场的工作状态，将控制率输入到 CPU，PLC根据事先设计的控制规律进行控制，进行管理控制

26、，分析与决策。（3）PLC控制模块将CPU数字量通过数模转换转换成能完成控制的模拟信号，对外部设备进行控制管理 31。5、实现控制的组态系统PLC控制模块中的通信部件与工业控制模块通过控制网络进行信息交换数据处理。根据工作需要可以对现场设备进行控制，读取仪表显示的数据，观测设备是否正常运行，这些操作员通过工控机图形应用软件就可以实现。除此之外，工控机图形应用软件还应具有开放性和好的人机交流平台，提供各种必要资料，如数据报表、流程图、趋势图等，让操作人员更好的了解当前设备的工作情况。在设计一般的系统是，通常可以在操作员站上直接将操作站和工程师站的功能放在同一个画面中，这样就可以使系统操作管理站具

27、有一般DCS操作站和工程师站的功能21。历史趋势数据记录是计算机在一定时间间隔内将系统采集来的数据经过压缩处理后以文件形式存入硬盘上。用户可以自己确定数据信息在存储设备中保存的时长，但通常保存时间为一个月。计算机会自动删除一个月之前的系统运行数据，存储设备中就会有足够的内存来存储新信息。因而，历史信息曲线图可以通过显示频被操作人员观察分析，所得到的曲线图可以根据需要进行放大。放大后能够观察到所有时间范围内参数的具体变化的情况，每个时间点的参数值可以移动时间光标得到。打印报表可以选择定时打印和实时打印。定时打印就是设定一个打印的时间，当到所设的时间时，打印机就会自动运行，实时采集所需数据；对所需

28、的实时数据进行打印。2.4 仪器仪表型号的选择1、检测压力仪表选用Y-150压力检测仪表，精度为0.4，有效测量范围为02.6MP。在工作环境较为恶劣的环境中比较适用 21。2、检测界面仪表有比重差的不相溶的液体所产生分界面叫做界面，本文中主要指油田的油和水，液体与固体颗粒沉淀物的分界面。工作原理：射频导纳物位仪表是基于电容式物位测量技术演变而来的，是目前较为准确可靠的物位控制技术20。3、检测液位仪表选用超声波液位仪，超声波液位仪的测量原理是回升测距原理。通过超声波产生超声脉冲的原理工作的，在超声波传送到液位时，将信号反社会感应探头。通过计录发射到接收超声波的时间间隔，测量出罐中的空位高度，

29、总高度减去空罐的高度就是所需检测的液位 20。4、检测流量仪表此次设计所采用的流量检测仪表是罗茨流量计。转子与机壳、转子与端盖构成封闭的立体容积，液体流动推动转子运动。当转子、机壳尺寸固定时，转子转数与流体流量成正比，流量计的旋转是靠出口压力差产生的动力推动的，转子之间通过齿轮进行传动，而转子之间、转子与机壳以及转子与端盖之间均保持微小间隙，这种设计方式使流量计的测量精度得到了保证，由于测量元件运动时互相不接触，在长期运动过程中磨损很小，所以精度高、运行可靠是它的特点13。5、PH测量测量PH值时选用在线PH计为PHG 5201系列，它主要应用在需要测量连续ph值的工业环境中。仪表的CPU芯片

30、性能较高，精度较高的数模转换技术和SMT技术，具有温度补偿，自动校准，多参数测量，自动报警等智能优化功能。仪表不仅支持现场编程，还有开放传送功能，软件的选择范围是011mA或419mA输出30。6、PLC选择PLC控制部件中的CPU模块、电源模块、模拟量模块、数字量模块等控制模块采用的是德国西门子公司的S7-300系列通用高性能模块，备件容易，能适应各种恶劣的工业工作环境23。2.5 可编程控制设备及开发设备选用西门子的SIMATIC系统PLC的S7-300来充当PLC控制部件中的各个模块，实现智能控制功能。SIMATIC控制器可以做到主动、柔性、经济的响应新挑战，在面向未来的投资上拓宽了领域

31、，能给各个企业带来一下帮助 39：（1）快速的中央处理器和智能优化的控制功能工业大大提高了工作效率；（2）超大的内存容量可以自由设计其他用户所需的功能；（3）控制器的体积小更易于安装使用；（4）高效的工程软件，全集成自动化带来的集成性和应用程序的可重用性可以带来更低的市场响应时间；（5）集散式控制方式减少调试的难度减少调试设备所需的资金；（6）对于标准和故障安全要求的应用可以共用一套系统；（7）自检功能使系统更加可靠；（8）市场占有率高。由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成S7-300，S7-300属于模块式PLC。SIMATIC S7-300是

32、一种即经济又切合实际设备，它是一种通用型的PLC，其模块化，无风扇结构，易于实现分布式的配置以及易于掌握等特性，使得S7-300在实施各种控制任务时，能适合自动化工程中的各种应用场合。2.5.1S7-300系列产品的重要构成模块几个重要的模块有供电的电源陌路爱、中央处理器（cpu）、输入输出模块、功能模块和负责总线通信的模块，如图2-4所示：图2-4 S7-300模块图1、中央处理器（cpu）S7-300总共有8种不同的CPU型号。常使用于小型设备的CPU312,313集成的用于数字输入输出的结构紧凑型的CPU；CPU314经常使用在系统是中等规模程序和指令执行速度为中等的程序；CPU3153

33、18用于中型规模的程序和PROFIBUS-DP进行分布式配置的设备36，可以构建一个MPI（多点接口）网络或DP。CPU性能较高的模块CPU324-DP，用来实现控制任务规模是中小型的任务是非常合适的，对浮点运算和二进制的处理能力很强，其结构采用分散式简单而且实用，易于扩展I/O模块，在工业环境较为恶劣的环境中经常实用，因其具有极强的电磁兼容性、抗震性和冲击性的优点。2、IM接口模块为使传统的PLC系统增多信号模块，使用IM360、IM361时接口模块最多可以扩展3个机架，使一个传统的PLC系统最多处理32个信号模块。IM360插入到CPU所在的中央机架CR上；IM361插入到扩展机架ER上。

34、3、开关量输入DI模块（a）SM321 16点输入，24V DC；1431V为信号1；-285V为信号021；（b）SM321 16点输入，120V/230V AC；81266V为信号1；039V为信号0；4、开关量输出DO模块（a）SM322 16点输出，24V DC；信号1时输出L+0.8V；0.5HZ为最高输出频率的感性负载，100HZ为最高输出的阻性负载；0.5A为每条通道的最大输出电流，支持漏电保护功能。（b）SM322 8点输出，继电器接点；接点闭合在信号1输出时；接点断开在信号0输出时；接点容量8.5A 21；5、模拟量输入AI模块SM331 8点模拟量输入；在电阻测量时，为4点

35、21；具体类型的输入信号如下：（a）电压：+-70mV，+-251 mV，+-499mV，+-2.5V，+-5V，1-5V，+-10V；（b）电流：+-10mA，+-20 mA，0-20 mA，4-20 mA；（c）电阻：150欧，301欧，608欧；（d）热电偶：E，N，J，K型；（e）热电阻：Pt100标准，Ni100标准；（f）分辨率：14位。6、模拟量输出AO模块SM332 4点模拟量输出21； （a）电压输出：0-10V；+-10V；1-5V；（b）电流输出：4-20mA；+-20mA；0-20mA；（c）分辨率：12位。7、FM功能模块：（1）实现各种计数功能的计数模块；（2）实现

36、设备的定位任务和步进电机配套使用的步进电机控制模块；（3）对各个测量量实现pid闭环控制抗干扰性能更佳：。8、通讯处理器：（a）PROFIBUS-DP处理器CP342-5：用于连接SIEMENS S7-300和PROFIBUS-DP的主/从的接口模块，通过PROFIBUS简单的进行配置和编程。（b）PROFIBUS-FMS处理器CP343-5：用于连接SIEMENS S7-300和PROFIBUS-FMS的接口模块，通过PROFIBUS简单的进行配置和编程。（c）工业以太网处理器CP343-1：用于连接SIEMENS S7-300和工业以太网接口。2.5.2 PLC控制系统的通讯网络结构S7-

37、300系统网络通信模式很丰富：多点接口网络的MPI，可达到197.5Kbits/s至14Mbits/s的通信速率，最大通信距离50米，主要实现操作站与工程师站的信息交流数据传输，他们之间的距离较短。PROFIBUS FMS网络，可达到1.6Mbits/s的通信速率，最大通信距离 600米，可实现远距离的操作员站的数据传输。工业以太网，可达到101Mbits/s的通信速率，最大连接距离 100米，光纤结束，实现最大通信距离 3111米，在长距离的工程师站和操作员站的连接上该网得到广泛的应用。（1）小型的系统构成：Plc工程师站操作员站只有一个，I/O点数通常在128点以下。工程师站一个； S7-

38、300 CPU一个。（2）中型系统在小型系统的基础上可扩展到中型操作系统，多一个可扩展的PLC模块和一个操作员站的中型系统，I/O点通常在256-1024点之间。工程师站一个； S7-300 CPU一个；操作员站一个； MPI通讯接口的CP5611或CP5613工业以太网卡两个。（3）大型系统多个扩展PLC和拥有若干个操作员站的较为大型控制系统，一般I/O点数在1024点以上。工程师站一个；操作员站三个往上； S7-315-2DP CPU一个；工业以太网络1613网卡三个以上，分布式I/O站两个以上；电源模块三个以上；若干信号处理模块若干。2.5.3 PLC控制系统工作原理图2-5 PLC控制

39、系统示意图PLC控制系统构成原理如上图2-522：PLC用循环程序来操作工业流程 32。OB1是进行循环操作的组织模块（主程序），他的优先级最高，或被中断程序停止。启动动作完成之后，重复调用OB1，在OB1中也能调用其它任意的逻辑块。在循环程序处理的过程中允许被其他突发事件中断。在以上的循环过程中，CPU不访问I/O模块的输入地址寄存器和输出地址寄存器，而是访问CPU内的I/O过程映像区，批量进行输入和输出。以上过程如图2-6所示。图2-6 扫描全过程图2-7表示逻辑公式为Q4.0=(I0.1+Q4.0)*I0.2的PLC接线图，梯形图表示方式及输入输出的波形。图2-7 数字接线与梯形图输入输

40、出图2-8至2-11为S7-300的数模转换原理图33：图2.8 数字量输入图2-9 数字量输出图2-10 模拟量输入图2-11 模拟量输出2.5.4 PLC的工作过程PLC工作在循环扫描的工作状态中。当PLC上电后马上进行如下几个阶段的动作36。1、初始化系统：清除I/O及内部次要继电器；同时将大部分计时器复位；并检测I/O接口的连接情况。2、贮存器里的程序是采用串行输出的工作方式工作的：（1）公共的处理阶段（2）执行外设的命令阶段（3）程序的执行阶段3、输入与输出的更新Cpu每来一个脉冲将进行一次扫描。CPU初级进行扫描，把此刻输入端的状态送到相应的输入寄存器当中；同时，在输出寄存器中通过

41、数模转换将控制信号转换为设备能接受的模拟信号，以便驱动被控制设备。2.6本章小结本章主要介绍了油田污水处理工艺流程及设备，对控制系统进行了分析，并给出了油田污水处理控制系统的设计方案，简要介绍了仪表的选型以及可编程控制设备及开发。为油田污水处理系统提供了理论基础。第3章 控制系统的硬件实现3.1控制系统的硬件实现3.1.1系统硬件选型及配置方案系统硬件选型时要遵循一定原则。存储器容量与用户内存容量相匹配；I/O点数估算，包括DI数字输入、DO数字输出、AI模拟输入、A0模拟输出；通信协议的选择，局域网络通信协议、多点主从协议、有点对点协议；运行环境方面包括使用场合、工作环境、控制对象、性价比；

42、计数运算、逻辑运算、定时运算、四则运算的软件需求。考虑实际功能需求，硬件控制任务，确定的选用小型系统、一层结构的模式，在完成PLC与上位机的数据通讯的同时，底层与现场设备和仪器的通讯由PLC实现。系统硬件主要是由工控机、变频控制柜和PLC控制柜组成。PLC机架模块安装实物图如图3-1所示：上一排是开关单元和电源，下一排自左向右分别是PS电源模块，CPU模块，CP通讯模块，DI数字量输入模块，DO数字量输出模块，AI模拟量输入模块，AO模拟量输出模块。图3-1 PLC模块安装实物图PLC控制柜的硬件配置如表3-1所示：表3-1 PLC控制柜硬件配置表序号设备名称规格数量备注1工控机研华IPC-6

43、101台湾：研华2显示屏PHILIPS-IT1681荷兰：飞利浦3工业屏国产1国产4打印机彩喷1美国：惠普5UPS电源2KVA1美国：三特6分屏器一拖二1国产7通讯卡CP6111德国：西门子8总线连接器RS485连接器4德国：西门子9总线电缆1德国：西门子10CPU模块CPU314C1德国：西门子11MMC微存储卡64K1德国：西门子12AI模块SM3311德国：西门子13AO模块SM3321德国：西门子14DI模块SM3211德国：西门子15DO模块SM3221德国：西门子16DI/DO模块SM3231德国：西门子17CPU电源模块PS307 5A1德国：西门子18安装导轨480mm1德国：

44、西门子19前连接器40针3德国：西门子20前连接器20针2德国：西门子21中间继电器OMRON100日本：欧姆龙22VGA显示器50m1国产23PLC控制柜800*2100*6001定做3.1.2 PLC输入输出信号在PLC控制系统中，是通过PLC中的I/O模块来和外界联系的。在连接外部的连线时要正确，才能使得每个I/O都能够正确对应，确保控制程序的正确运行。因为一个PLC控制系统中的每一个I/O所代表的含义和在程序中的地址分配是不一样的。在S7-300中有两种地址分配方式：模版的地址取决于它所在的机架号和槽位号，这种是面向槽位编址的地址分配。在CPU的地址范围内，可分配任何地址给任何模板，这

45、种是面向用户编址的地址分配。此种地址分配方式的优点在于当生成标准软件时，可以编制独立于S7-300组态的地址；在模板之间不会出现地址空隙，可以使编址区域实现最优化利用37。在本系统中采油第二种编址方式。所有的输入输出分为DI、AI、DO、AO四个部分：数字量输入：阀门的开关信号、自动控制开关手动控制开关、水泵运行状态信号（包括启动，关闭，故障等信号）。数字量输出：变频器启动/复位信号、阀门开关控制信号、水泵开关控制信号。模拟量输入：净水罐、污泥池、调储罐、污油池、溶药槽液位测量监视、反应罐、沉降罐、升压缓冲罐，压力、流量变送器信号，PH计变送器信号。模拟量输出：变频器控制信号（包括水泵、加药计

46、量泵）。3.1.3 PLC控制柜的安装 PLC控制系统根据对应用环境、电气接线和抗干扰措施方面的影响，来改进控制系统的抗干扰能力，以适应比较恶劣的工业现场环境 22。由于模板是由背板总线连接，必须要按照电源、CUP、IM、SM、FM、CP的顺序安装模板，并且要紧靠安装；为保护模板，安装时模板的背板总线的电流不能超过1.2A ；为使用热交换器的封闭机柜允许最大温度45度，端子排间隙及控制柜的空间的安排可根据PLC的功率进行操作；在安装模板时CPU的右边不能超过八个。1、环境因素：环境因素有环境的温度、工作温度及湿度，周边的振动和冲击和强电磁场，以及防护的防尘防水参数。2、安装：螺栓固定和DIN标

47、准导轨固定是PLC常用的两种固定方式。为确保PLC模块局部温度，应做好不同机架之间的通风措施以及PLC在控制柜中的位置。3、电源：AC220V/110V和DC24V是常用PLC的供电电源。PLC对供电电源波动有范围规定。应在允许的范围内波动，要对波动较大、或干扰明显的电源采用隔离变压器、UPS，改用高性能的AC/DC装置或稳压电源等净化措施：。4、接地：在抑制加在电源及输入端、输出端的干扰和避免偶然发生的电压冲击对PLC的危害上，都可以通过接地来改善，所以接地的良好很重要。5、布线与接线：PLC系统的布线与接线应当做好以下几点：强电要与弱电（动力电与信号电）分开布线；模拟量信号布线要采用屏蔽线

48、，要注意悬着好路线，信号线不宜过长；输入输出的回路上可多选用420mA信号，预防回路电流过大超过通道的承载能力，还可采用继电器隔离的方法，来改善电流过大。3.2过滤子系统3.2.1过滤机理在除水中悬浮物、胶体、微生物时我们一般选用过滤,它是水处理系统中净化水质必不可少的环节，也是一种快速、经济、有效的手段,。迁移机理、附着机理和脱落机理是过滤的三类机理29。迁移机理：就是迁移过程，通过与滤料接触使悬浮颗粒脱离流线的过程。附着机理：就是附着过程，经过迁移过程悬浮颗粒附着在滤料表面上不再脱离。脱落机理：通过用水进行反冲，使截流和附着于滤料上的悬浮物在受到高速反冲水的冲刷，和滤料颗粒在水流中旋转、碰

49、撞、摩擦的双重作用下脱落。反冲效果主要取决于冲洗强度和时间。压力式和重力式是目前常用的两种过滤器，有石英砂过滤器、核桃壳过滤器、纤维球过滤器、双层滤料过滤器、多层滤料过滤器等34。过滤环节是决定油田污水处理质量的主要环节，它是污水处理必不可少的环节。在滤料的选择上我们要多加考虑，因为滤料的选择是最为关键的，而现多数滤料对油的过滤和反洗再生能力较差，只是对悬浮物的截留，含油污水的出水水质受到精细过滤技术影响。亲水疏油的纤维是江汉石油研究所研制出的一种滤料，试验证明它不但反洗再生性能优越，而且对油和杂质的拦截能力好。它在正常过滤采用低进高出流程,水中悬浮物自然沉降，不污染滤料反洗操作采用高进低出流

50、程，滤层表面堆积的泥饼、油污很容易被冲掉。反洗时想要克服纤维球泥芯洗不净的缺点，可采用释放纤维束压力，正、反向交替旋转纤维束, 这使反洗更彻底、更干净。生产中含油污水的含油量得到有效控制，悬浮物得到明显降低是每一个含油污水处理站要达到的目的。针对这一要求，滤罐的过滤质量是污水处理站关键的步骤之一，滤料的良好决定了过滤的效果，滤罐在生产过程中同滤料的反冲洗情况也是紧密相连的。3.2.2过滤自动化系统基本组成过滤过程中，也要对过滤装置采取保护措施。由于过滤过程中滤料也会受到污染，因此定期的对滤料进行反冲洗是十分必要的。过滤与反冲是过滤自动化的两个环节，迁移机理与附着机理应用在了过滤环节上，而脱落机

51、理应用在了反冲环节。PLC是整个过滤自动化控制系统的核心，过滤过程由PLC程控阀门定位器控制阀门的打开与闭合完成。过滤自动化系统的基本组成如图3-2所示：图3-2过滤自动化装置结构图由图可知，上位中央计算机、PLC控制单元、底层信号采集单元与执行阀门，分别为过滤系统的三个层次。其中，依靠队阀门的控制按照一定的规则打开与闭合来实现过滤自动化。由其核心PLC来控制最下层的执行机构阀门。PLC是过滤自动化装置的核心。上位机、阀门控制及底层信号采集都由它执行，由开关流程的程序控制阀门，在接收底层信号采集单元采集到的模拟量与数字量的同时，还要将其转变为上位机可读的信息并传输，使上位机获得系统的状态，并将

52、这些系统信息显示出来。3.2.3过滤系统的自动化实现方法在实现过滤自动化的过程中，过滤罐各个阀门的开关与闭合都要按照一定顺序控制。具体来说，如图3-3，PLC通过对定时器的控制，设定正滤与滤料的反冲时间。正滤是对污水进行处理，而滤料反冲是对滤料清洗，去除滤料上的悬浮物，以保证滤料的过滤性能。系统设定过滤周期、正滤与反冲的时间后，即可根据设置自动交替地完成过滤与反冲，从而实现自动化。即系统是依照以下步骤顺序控制：（a）打开正滤阀门，进行污水的处理，直到定时器发出正滤时间到的信号；（b）打开反冲阀门，进行滤料的反冲洗，直到定时器发出反冲时间到的信号；交替进行以上两个步骤。图3-3正滤反冲自动化示意

53、图过滤进行的过程中，PLC还控制气体的排放，因为气体的排放会影响过滤装置的过滤量，气体会聚集在过滤器的顶部，因此过滤装置应该定期打开排气阀进行气体的排放，如图3-4。图3-4自动排气示意图在特殊的情况下，系统的状态就要在手动与自动之间进行切换，在需要短时间处理大量的污水时，此时就要选择大量时间过滤，不需要考虑过滤器的寿命问题，因此这时过滤器就要选择非自动状态，完全进行正滤。如图3-5。图3-5系统状态切换示意图3.2.4纤维球过滤器及其自动化实现本系统中的过滤器选择纤维球，是根据性能与使用情况选择的。是通过在容器内填装纤维球形成床层组成纤维球过滤器，由于纤维球的个体特征较疏松，使得床层中纤维球

54、之间的纤维丝可以相互穿插，床层形成了一个整体。过滤水流的流体阻力、纤维球自身的重力以及截留悬浮物的重力之和都成为了床层中纤维球承受的压力（如果水流从上至下通过床层，该力在滤层中沿水流方向是依次递增的）。因纤维球特性具备一定弹性，在滤料的排布上也有一定的讲究，在压力下滤层孔隙率和过滤孔径由大到小渐变分布，滤料的表面积由小到大渐变分布。为实现较高的滤速、截污容量和较好的出水水质，在整个滤层中，选择机械筛分和接触絮凝有着良好的作用32。纤维过滤材料与粒状过滤材料相比，有着诸多的优点。由于较大的表面积特征，使吸附并截留悬浮物获得更大工作的界面，同时纤维较柔软的特点实现了密度调节（沿水流方向过滤孔径可以

55、逐渐变小），大幅度提高了设备出水质量、截污能力、运行流速，深层过滤得到了极大程度地实现。纤维球过滤器具有结构合理，占地面积小，操作简便，易实现自控操作等特点。在上面所述过滤自动化实现方法的基础上，增加液压控制机构与搅拌机构即可购成纤维球过滤器自动化过滤系统。为保证过滤状态下使托盘降落，压缩纤维球，确保纤维球适合过滤污水，可通过液压控制机构来控制提升阀；在反冲情况下，将托盘提升，纤维球恢复自然状态，同时搅拌机构开始搅拌，用清水进行反冲洗。实现过滤自动化可对液压控制机构、搅拌机构与执行阀门进行协调控制，如图3-6。具体步骤如下：（a）降落托盘，打开正滤阀门，进行污水的处理，直到定时器发出正滤时间到

56、的信号；（b）升起托盘，搅拌器进行搅拌，打开反冲阀门，进行滤料的反冲洗，直到定时器发出反冲时间到的信号，搅拌器停止搅拌；（c）交替进行以上两个步骤。图3-6纤维球过滤器控制框图3.3加药子系统为降低对环境的污染，并且提高采油效率，为了使油田回注水达到指标，需要加入一些适当的药剂到油田污水处理过程中去。自动化加药系统相比传统的手动投加药剂，又很大的发展潜力，是一个新的发展趋势，在一些领域已经有了成功的应用。自动化加药系统与人工加药系统相比，能够克服原有的一些弊病：（a）加药量不易控制，加药时间不易确定；（b）水质不易达标，指标不易控制；（c）需要人的参与，药品的毒性可能对员工的身体造成伤害。3.

57、3.1 加药子系统的性能指标加药子系统具体的性能指标如下：1、能够在循环水中投多种适当的药剂，如混凝剂、助凝剂、缓蚀剂、阻垢剂、烧碱、杀菌剂等。2、一般情况下，溶药槽容积为500L，贮药槽容积为600L；也可根据用户要求，定制一定体积的加药槽。3、各搅拌机以恒速进行搅拌，有手动/自动两种搅拌方式；通过变频器控制计量泵电机转速，灵活地控制加药速度。4、搅拌机功率可达2.2kW，投加功率约0.5 kW。5、通常情况下，各个计量泵的药剂投加量可达50L/h，投加压力可达10MP；也可根据用户要求，选用适当的计量泵，实现所需求的药剂投加能力。3.3.2加药系统的基本组成加药系统的基本组成原理框图如图3

58、-7：图3-7加药系统的基本组成框图污水的PH值影响混凝及化学反应效果，为使反应达到最佳，系统通过控制各项药剂的加药量来控制污水的PH值。通过质量传感器控制固态的复合混凝剂药剂的加药量。构成反馈控制的是由流量计与PH探头完成的，分别测量含油污水的流量与PH值。整个加药系统为闭环负反馈系统如图3-8所示。图3-8加药系统的闭环控制3.3.3加药系统的实现在药剂不断发展、更新换代的时代，系统对药剂具有广泛的适应性有着特别的意义，它可以对不同的药剂进行投加。当出现了效果更理想、能够达到更高指标的药剂时，系统就不会因为药剂的更换的不适应造而成影响，很快的可以做到药剂的更新。也就是说，系统具备了对药剂的

59、升级能力。药子系统硬件组成如图3-9所示：图3-9加药系统的硬件组成图中溶药与贮药分开，药剂与水进行充分混合的场所是溶药槽，为使得药品的浓度变的均匀，溶药槽需要装搅拌装置，促进药品的快速溶解。系统增加一个贮药槽，通过对控制阀门使浓度均匀的流入贮药槽。因为贮药槽中的药剂浓度是均匀，因此想要准确控制加药量，可以通过控制从它流出的药剂容积来实现。对于液碱的添加，可以通过污水的水流量，和对污水处理后取样点处PH计检测的PH值控制，实现了对液碱反馈调节添加。想较精确地添加药品，可以采用计量泵。根据污水的流量，PH值等参数来设定药剂的添加。药品的添加是通过控制计量泵的排量定量加药的，因此是以连续动态地方式

60、加入的。一次性加药会带来的水质不稳定，所以我们要做到连续实时加药，不断的改变当前加药量可以根据污水当前的状态控制，加药效果得到显著增强。3.4 本章小结本章分析了油田污水处理系统的硬件实现，对控制算法和控制的控制方法给出了详细的分析。总结了关于系统中对污水处理质量影响最大的两个子系统，过滤和加药子系统的实现方案和技术细节。第4章 系统的软件实现4.1 PLC软件设计4.1.1主要控制流程污水处理的所有工艺流程可用PLC的程序来实现。在这含油污水所需要的处理流程如图4-1。图4-1污水处理流程图可以通过PLC的输出信号对图中的阀门、水泵进行控制，并且在沉降罐中装有界面测量仪，使每个容器都能进行液

61、位测量。需要完成的控制目标有：控制工艺流程，液位报警与控制，液位监测，自动/手动排泥控制，自动加药控制。4.1.2模拟量滤波在模拟量信号的传输过程中，出现较大幅度的瞬间变化，而造成系统的非正常运行，其可能原因是存在其他电磁波信号的干扰，使正常信号出现尖峰或毛刺而导致。在数据输送给PLC系统处理之前，利用模拟量信号是根据时间不断变化的特点，采用滤波的算法滤掉瞬间内变化的干扰信号，进而得到可利用的数据。滤波算法使用的优点在于，在保证模拟量数据的准确性与可靠性的前提下，只需额外增加一些数字滤波程序在采样数据被控制的算法之前即可，不用增加任何硬件成本。常用的滤波算法目前有如下几种33：1、限幅滤波法根据经验确定两次采样允许的最大偏差值。每次采样后判断：采样值的有效条件为，本次采样值和上次采样值之差要小于或等于最大偏差值；采样值的无效条件为，本次采样值和上次采样值之差要大于最大的偏差值。如果本次采样值有效，则保留，无效则放弃，用上次的采样值代替。上述方法的缺点是平滑度差，无法有效抑制周期性的干扰，优点是在因为偶然原因引起的脉冲干扰能够有效排除。2、算术平均的滤波法运用算术平均运算法，运算连续取的N个采样值，N值较小时，信号平滑度低，但灵敏度较高；N值较大时，信号平滑度较高，但灵敏度较低。对一般具有随机干扰的信号用这种方法进行滤波比较适用，这样信号的特点是在某一数值范围附近上下波动