基于Modbus污水處理變頻供水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張輝,李樹君,溫琦,王志,劉艷陽(yáng)

(中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院,北京 100083)

人類對(duì)水資源的需求以驚人的速度擴(kuò)大,同時(shí),日益嚴(yán)重的水污染蠶食著大量可供消費(fèi)的水資源。近年來(lái),國(guó)家對(duì)水環(huán)境的保護(hù)不斷增強(qiáng),對(duì)污水處理過(guò)程自動(dòng)化程度要求不斷提高,利用先進(jìn)的控制技術(shù)和設(shè)備對(duì)污水處理過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控是滿足上述要求的最有效手段。本文基于PLC和工業(yè)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)一個(gè)污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng),采用分布式控制結(jié)構(gòu),由上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備構(gòu)成。上位機(jī)采用組態(tài)軟件開發(fā)上位監(jiān)控界面,能夠完成遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理任務(wù);分布于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的PLC和智能檢測(cè)儀表完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制的功能。選用自帶Modbus總線接口的變頻器,整合PLC作為主站控制器,組建恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng),既發(fā)揮了Modbus總線和變頻控制的優(yōu)良性能,又實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的集中式控制。文中闡述了整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件組成和相關(guān)底層軟件、組態(tài)軟件的開發(fā)。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有很好的可擴(kuò)展性、靈活性和可靠性。

1 污水處理工藝流程

膜-生物反應(yīng)器(MBR)處理技術(shù),是基于膜分離材料的水處理新技術(shù)。膜-生物反應(yīng)器將活性污泥法和膜分離技術(shù)有機(jī)結(jié)合,利用膜分離技術(shù)作為處理單元對(duì)微生物進(jìn)行有效攔截或吸附,具有工藝流程簡(jiǎn)單、占地面積小、出水水質(zhì)好、剩余污泥產(chǎn)量低、維護(hù)管理方便等特點(diǎn)。這種集成式組合新工藝把生物反應(yīng)器的生物降解作用和膜的高效分離技術(shù)溶于一體,通過(guò)與A2/O等生物處理工藝的整合,同時(shí)又具有很好的脫氮和除磷功能。圖1是該污水處理站的工藝流程圖。

圖1 膜生物反應(yīng)器工藝流程Fig.1 Membrane-bioreactor process flow

來(lái)水經(jīng)外部引水管進(jìn)入粗格柵,隔離較大的漂浮物和雜質(zhì),再進(jìn)入調(diào)節(jié)池經(jīng)提升后進(jìn)入超細(xì)格柵去除毛發(fā)和纖維等,以免對(duì)膜造成損害,出水最后進(jìn)入生物化處理單元,通過(guò)生物處理,降低BOD,COD,NH3-N,TN等污染物濃度,其中在膜池中添加化學(xué)除磷藥劑去除TP,再通過(guò)抽吸泵將清水通過(guò)膜過(guò)濾抽吸出來(lái)排放或回用。膜池剩余污泥經(jīng)污泥泵提升后進(jìn)入貯泥池,再由抽糞車定期抽出外送填埋或制肥。也可將污泥水直接用于施肥。

2 變頻供水控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

分析了膜-生物反應(yīng)器污水處理工藝流程、工藝特點(diǎn),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及控制對(duì)象的特點(diǎn)進(jìn)行了控制系統(tǒng)的開發(fā),設(shè)計(jì)了一套基于PLC,Modbus總線技術(shù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控的污水處理自控系統(tǒng)。

系統(tǒng)電氣組成原理見圖2所示?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)分為3個(gè)部分:1)上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì),利用組態(tài)軟件開發(fā)污水處理監(jiān)控軟件,實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)PLC的數(shù)據(jù)通訊,方便對(duì)污水處理系統(tǒng)的監(jiān)控;2)變頻恒壓輸出控制,PLC采集輸出管網(wǎng)壓力,通過(guò)Modbus輸出控制字給變頻器,從而變頻控制穩(wěn)定管網(wǎng)壓力;3)系統(tǒng)整體電氣設(shè)計(jì),根據(jù)污水處理工藝和用戶控制要求,針對(duì)污水處理過(guò)程各個(gè)被控節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn),在PLC控制程序設(shè)計(jì)中采用了不同的控制策略,確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

文中恒壓供水輸出提供給綠地澆灌、馬桶沖刷及日常清洗3路使用,由于供水量的隨機(jī)性,采用傳統(tǒng)方法難以保證供水的實(shí)時(shí)性,且水泵的選取往往是按最大供水量來(lái)確定,而高峰用水時(shí)間較短,這樣水泵在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)有較大余量,不僅水泵效率低,供水壓力不穩(wěn),而且造成大量電力浪費(fèi)。因此,設(shè)計(jì)了基于Modbus的變頻恒壓供水控制系統(tǒng),其控制原理如圖3所示。

圖2 控制系統(tǒng)電氣原理圖Fig.2 Electrical schematic diag ram of control system

圖3 變頻恒壓控制原理圖Fig.3 Theory of frequency conversion constant pressure water supply system

變頻恒壓供水控制系統(tǒng)以O(shè)MRON CP1H系列PLC作為主機(jī),通過(guò)其自帶的RS485接口,使用Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)嵌有RS485接口的施耐德ATV 21型變頻器進(jìn)行控制,包括變頻器的啟動(dòng)、停止、故障檢測(cè)、故障復(fù)位、速度等。Modbus硬件接口采用電氣接口2線制RS485,使用屏蔽雙絞線連接,所有A和B型接口都是菊鏈在一起的,屏蔽線應(yīng)該連接到“地”端,采用單點(diǎn)接地。在總線的2個(gè)終端需配置120 Ω電阻。統(tǒng)一設(shè)定RTU數(shù)據(jù)格式:數(shù)據(jù)位8,無(wú)校驗(yàn),停止位1,波特率19 200。將3臺(tái)ATV 21變頻器和具備Modbus接口的智能型壓力變送器作為從站,與歐姆龍CP1H主站組成一個(gè)數(shù)字通信控制網(wǎng)絡(luò)。PLC可以向從站變頻器發(fā)送參數(shù)設(shè)置、啟停、數(shù)據(jù)查詢等指令,而變頻器則根據(jù)指令要求控制電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行,并返回信息。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的遠(yuǎn)程控制,而且還可以通過(guò)上位機(jī)人機(jī)界面連接,完成遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

控制系統(tǒng)采用數(shù)字增量式PID方式控制水泵的轉(zhuǎn)速和流量,自動(dòng)調(diào)整泵組的運(yùn)行臺(tái)數(shù),完成供水壓力的閉環(huán)控制,在管網(wǎng)壓力變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標(biāo)是泵站總管的出水壓力,通過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋實(shí)際值比較,將其差值輸入CPU運(yùn)算處理后,發(fā)出控制指令,控制泵電動(dòng)機(jī)的投運(yùn)臺(tái)數(shù)和運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值。當(dāng)用水量不是很大時(shí),一臺(tái)泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行;當(dāng)用水量大到變頻器全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時(shí),控制器的壓力下限信號(hào)與變頻器的高速信號(hào)同時(shí)被PLC檢測(cè)到,PLC自動(dòng)將原工作在變頻狀態(tài)下的泵,投入到工頻運(yùn)行,以保持壓力的連續(xù)性,同時(shí)將1臺(tái)備用的泵用變頻器啟動(dòng)后投入運(yùn)行,以增加管網(wǎng)的供水量,保證壓力穩(wěn)定。同理,2臺(tái)水泵同時(shí)工作仍不能保證設(shè)定壓力時(shí),啟動(dòng)第3臺(tái)備用泵變頻運(yùn)行,另2臺(tái)工頻運(yùn)行。當(dāng)用水量減少時(shí),首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號(hào)有效,這時(shí)壓力上限信號(hào)如仍出現(xiàn),根據(jù)先投先停的原則,PLC將停止正在運(yùn)行的水泵中運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的工頻泵,直至出水壓力達(dá)到設(shè)定值。另外,控制系統(tǒng)每臺(tái)泵的電機(jī)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間可顯示,24 h輪換一次,既保證供水系統(tǒng)有備用泵,又保證系統(tǒng)的水泵有相同的運(yùn)行時(shí)間,確保了泵的可靠壽命。該控制系統(tǒng)程序流程如圖4所示。

圖4 變頻恒壓控制程序流程圖Fig.4 Program flow chart of frequency conversion constant pressure control

由于歐姆龍CP1H PLC內(nèi)部集成了PID(比例、微分、積分)調(diào)節(jié)功能模塊,使得控制器的參數(shù)設(shè)定與調(diào)整簡(jiǎn)單易行。PLC通過(guò)Modbus采集到管網(wǎng)壓力信號(hào)及變頻器運(yùn)行狀態(tài)極限信號(hào),通過(guò)Modbus向ATV 21變頻器寫入控制字。變頻器接收PLC發(fā)送的控制字,調(diào)整輸出頻率,從而改變水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水。該變頻調(diào)速系統(tǒng)在污水處理中的開發(fā)應(yīng)用,解決了傳統(tǒng)方法高能耗、水壓波動(dòng)的弊病,使得污水處理的監(jiān)控項(xiàng)目更全面、反應(yīng)更靈敏。

3 變頻設(shè)計(jì)效果及結(jié)論

從表1看出,當(dāng)電機(jī)所提供的出口壓力相同時(shí),可節(jié)約電量(22.5 kW-15 kW)/22.5 kW×100%=33%。工頻供水系統(tǒng)在保證出口壓力為0.32 MPa時(shí),3臺(tái)7.5 kW 電機(jī)均需全速運(yùn)行,由于手動(dòng)控制電機(jī)開停,誤差較大,每年會(huì)造成較大的電能浪費(fèi),而變頻供水電機(jī)就無(wú)需全部啟動(dòng),當(dāng)變頻控制的7.5 kW電機(jī)達(dá)到工頻時(shí)再啟動(dòng)其他電機(jī)。采用變頻調(diào)速進(jìn)行恒壓供水后,管網(wǎng)壓力閉環(huán)控制,可以精確控制出口壓力,并且電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流也明顯降下來(lái)了,運(yùn)行狀況得到明顯改善。變頻控制系統(tǒng)不僅直接節(jié)約了耗電量,而且由于變頻器的軟啟動(dòng)功能,減少了對(duì)電機(jī)、電網(wǎng)的沖擊,延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命,降低了設(shè)備的維修費(fèi)用。用變頻器替代開關(guān)控制,會(huì)產(chǎn)生一些初期投資,但可節(jié)省大量的電費(fèi)。一般而言,變頻恒壓設(shè)備的投資1 a即可收回。

此外,整個(gè)污水處理系統(tǒng)在組態(tài)軟件環(huán)境下開發(fā)了應(yīng)用程序作為監(jiān)控軟件,提供了簡(jiǎn)易、直觀的用戶操作界面,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視污水處理主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、PLC運(yùn)行狀態(tài),遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,并具備完善的故障報(bào)警等功能,監(jiān)控界面見圖5。

圖5 組態(tài)運(yùn)行監(jiān)控界面Fig.5 Interface of surveillance and control made by configuration software

綜上所述,恒壓供水系統(tǒng)采用PLC及變頻供水設(shè)備,其自動(dòng)化程度高,在保證可靠供水前提下,充分發(fā)揮了變頻調(diào)速的能力,消除了主管網(wǎng)壓力波動(dòng),保證了供水質(zhì)量;而且節(jié)能效果明顯,并延長(zhǎng)了主管網(wǎng)及其閥門的使用壽命。具體表現(xiàn)為:1)節(jié)電顯著,從以上測(cè)量結(jié)果上看,節(jié)電效果一般為30%以上;2)提高了功率因數(shù),從變頻器的監(jiān)視窗口可看出,電機(jī)的功率因數(shù)為0.983,可替代無(wú)功功率補(bǔ)償裝置;3)操作簡(jiǎn)單,壓力的調(diào)節(jié)可通過(guò)控制面板或計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)直接操作,簡(jiǎn)單方便。

另外,它還可以方便地與各種通用組態(tài)軟件連接,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)控和實(shí)現(xiàn)無(wú)人遠(yuǎn)程操作。該系統(tǒng)投入運(yùn)行后一直十分穩(wěn)定,故障率極低,而且操作容易,節(jié)能效果顯著。目前該系統(tǒng)在北京某污水處理中心投入使用,運(yùn)行穩(wěn)定,控制性能優(yōu)越,管理功能完善。

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修改稿日期:2010-06-15