基于PLC的污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)

王玉鵬，徐曉秋，秦國輝，周 闖，劉 偉，王 欣，羅向東，劉旭丹

(1.黑龍江省科學(xué)院科技孵化中心，哈爾濱 150090；2.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150090)

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基于PLC的污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)

王玉鵬1，徐曉秋1，秦國輝1，周 闖2，劉 偉1，王 欣1，羅向東2，劉旭丹2

(1.黑龍江省科學(xué)院科技孵化中心，哈爾濱 150090；2.黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150090)

針對污泥的厭氧發(fā)酵工藝，設(shè)計(jì)出基于PLC的污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)發(fā)酵工藝實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化控制，自動(dòng)進(jìn)料、自動(dòng)超聲、自動(dòng)攪拌和自動(dòng)加溫等，通過實(shí)驗(yàn)運(yùn)行摸索出最佳運(yùn)行參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)無人值守也可運(yùn)行的一套中試試驗(yàn)系統(tǒng)裝置。

PLC；污泥厭氧發(fā)酵；自動(dòng)控制

近幾年，隨著我國對污水處理的投入與發(fā)展，污水處理廠解決了我國水污染的很大問題，減緩了我國水污染危機(jī)。然而，在污水處理過程中，所產(chǎn)生的污泥也是急需解決的[1]。為解決這一問題，本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)室人員的實(shí)驗(yàn)過程和運(yùn)行工藝，設(shè)計(jì)了污泥厭氧發(fā)酵控制系統(tǒng)，通過厭氧發(fā)酵進(jìn)一步地使用污泥并實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化。

1 污泥厭氧發(fā)酵設(shè)計(jì)

在污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中，工藝的流程主要分為三個(gè)系統(tǒng)：污泥預(yù)處理系統(tǒng)、污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)和污泥后處理系統(tǒng)。未處理的污水經(jīng)過絮凝后得到高固含量的污泥，污泥通過超聲預(yù)處理后經(jīng)進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)入CSTR反應(yīng)器后厭氧發(fā)酵，發(fā)酵后的沼氣通過沼氣提純提取，而乏料通過NURC反應(yīng)器固液分離。如圖1所示。

圖1 污泥發(fā)酵系統(tǒng)的工藝流程圖Fig.1 Flow chart of sludge fermentation system

1.1 污泥預(yù)處理系統(tǒng)

污泥預(yù)處理系統(tǒng)含有兩套裝置：疊螺式污泥脫水機(jī)和反應(yīng)釜超聲裝置。疊螺污泥脫水機(jī)用于污泥絮凝到固含量為6%～8%，固含量的增多有利于污泥發(fā)酵時(shí)的反應(yīng)速度。反應(yīng)釜超聲裝置用于污泥超聲，能夠增加破解污泥效果，使污泥細(xì)胞中的有機(jī)質(zhì)釋放出來，污泥可生化性提高，污泥厭氧消化性能得到改善[2-3]。

1.2 污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)

污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)含有三套裝置：進(jìn)料裝置、攪拌裝置和加溫裝置。進(jìn)料裝置是污泥超聲后通過螺桿泵直接進(jìn)入CSTR反應(yīng)器中，通過攪拌裝置和加溫裝置的參數(shù)設(shè)定對污泥進(jìn)行高溫厭氧發(fā)酵，攪拌有利于污泥的混合均勻，增快污泥產(chǎn)生氣體的反應(yīng)速度，而高溫能夠縮短污泥反應(yīng)周期時(shí)間。

1.3 污泥后處理系統(tǒng)

污泥后處理系統(tǒng)含有兩套裝置：污泥干燥系統(tǒng)和沼氣提純系統(tǒng)。污泥干燥系統(tǒng)可以把固體物質(zhì)與水分離出，不會造成二次污染，而沼氣提純系統(tǒng)用于沼氣中CH4和CO2的提取和收集，減少CO2排放量。

2 PLC軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)上位機(jī)采用dell optiplex 380，下位機(jī)采用SIEMENS S7-200 CPU 226，并配有EM222擴(kuò)展模塊和EM232擴(kuò)展模塊，通信采用SIEMENS CP243-1，電源模塊采用SIEMENS PLC專用模塊，變頻器選用SIEMENS MM440。

第一，電機(jī)的運(yùn)行。電機(jī)變頻采用SIEMENS開發(fā)的USS通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，通過上位機(jī)控制電機(jī)啟動(dòng)、停止和調(diào)速，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的理想效果。污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中電機(jī)控制分別為進(jìn)料裝置和攪拌裝置。攪拌裝置電機(jī)運(yùn)行的啟動(dòng)、停止和轉(zhuǎn)速與前反應(yīng)釜超聲裝置聯(lián)動(dòng)，反應(yīng)釜超聲裝置具有上下料位與啟動(dòng)和停止功能，當(dāng)反應(yīng)釜上、下都有料位并超聲停止后，啟動(dòng)電機(jī)，當(dāng)反應(yīng)釜超聲裝置無下料位時(shí)，電機(jī)停止，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速與所需要的進(jìn)料時(shí)間有關(guān)。攪拌裝置的啟動(dòng)、停止和轉(zhuǎn)速與CSTR反應(yīng)器的下料位和排料時(shí)間有關(guān)。第二，模擬量的監(jiān)測。溫度計(jì)、pH計(jì)、料位計(jì)、流量計(jì)和壓力表與EM232擴(kuò)展模塊相連接，PLC的CPU通過4～20 mA電流來讀取。溫度計(jì)與伴熱帶聯(lián)動(dòng)，pH計(jì)的讀取測定物料的酸堿性，料位計(jì)來測定物料的高度，流量計(jì)分為物料流量計(jì)和氣體流量計(jì)，統(tǒng)計(jì)物料的體積和產(chǎn)氣的體積，壓力表和儲氣袋出氣閥門聯(lián)動(dòng)，當(dāng)數(shù)值大于儲氣袋的體積時(shí)，閥門啟動(dòng)，放出氣體。第三，數(shù)字量的監(jiān)控。伴熱帶的加溫和電磁閥門的開關(guān)與EM222擴(kuò)展模塊相連接，PLC通過CPU來控制，使其啟動(dòng)和停止。電機(jī)前后的電磁閥門與電機(jī)的啟動(dòng)和停止聯(lián)動(dòng)，防止電磁閥門關(guān)閉時(shí)啟動(dòng)電機(jī)，使內(nèi)部空間壓力過高，產(chǎn)生危險(xiǎn)。氣體報(bào)警器與換氣風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)，當(dāng)氣體報(bào)警器報(bào)警時(shí)，啟動(dòng)換氣風(fēng)機(jī)，排出危險(xiǎn)氣體，使室內(nèi)環(huán)境安全可靠。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

第一，下位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)。污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)PLC程序由STEP 7 Micro/WIN編寫。該軟件是一種用于對SIMATIC可編程邏輯控制器進(jìn)行組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，是基于Windows的應(yīng)用軟件，功能強(qiáng)大，主要用于開發(fā)程序，也可用于適時(shí)監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。本系統(tǒng)編寫的控制程序分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。手動(dòng)控制方便系統(tǒng)在安裝調(diào)試過程中和設(shè)備檢修過程中使用，自動(dòng)控制通過工藝的時(shí)序和傳感器的接收使整體系統(tǒng)通順流暢[4]。第二，上位機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的監(jiān)控界面由SIMATIC WinCC進(jìn)行監(jiān)控。WinCC是西門子在自動(dòng)化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和Microsoft的強(qiáng)大功能相結(jié)合的產(chǎn)物，為用戶提供了Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能，形成最后的操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報(bào)表等[5]。圖2為污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)工藝流程圖。

圖2 污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)工藝流程圖Fig.2 Flow chart of sludge anaerobic fermentation system

2.3 通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于西門子公司S7-200系列PLC比監(jiān)控組態(tài)軟件WinCC推出得晚，因此WinCC中沒有集成S7-200系列PLC的通信驅(qū)動(dòng)程序，為解決這個(gè)問題，西門子推出了PC Access軟件，專用于S7-200 PLC的OPC Server軟件[6]。PC Access通過PC/PPI電纜用PPI協(xié)議與S7-200通信，然后設(shè)置PLC和PC Access中的IP地址，PC Access項(xiàng)目中的變量符號是通過PLC編程軟件中的變量符號建立的，最后把PC Access項(xiàng)目的變量符號導(dǎo)入WinCC，完成上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。

3 結(jié)語

通過使用PLC對污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)與試運(yùn)行，通過監(jiān)控界面可以觀看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，參數(shù)的設(shè)定，操作簡單方便，極大提高了實(shí)驗(yàn)人員和工作人員的工作效率，最終確定工藝參數(shù)與時(shí)序后，達(dá)到了預(yù)想效果，再次優(yōu)化了污泥厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和智能化。

[1] 張勇.我國污泥處理處置現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].中國資源綜合利用，2014，32(10)：23-26.

[2] 葉高文.基于S7-200 PLC的污水處理自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014，(12)：150-151.

[3] 張曉宇，鄒建生，趙緒新，等.基于PLC控制的全自動(dòng)污泥脫水干化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].廣東化工，2014，41(20)：119-120.

[4] 西門子公司.S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊[K].北京：西門子(中國)有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)，2005．

[5] 西門子公司.SIMATIC HMI WinCC[K].北京：西門子(中國)有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)，2004.

[6] 西門子公司.PC Access快速入門[K].北京：西門子(中國)有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)2010.

Sludge anaerobic fermentation system based on PLC

WANG Yu-peng1,XU Xiao-qiu1,QIN Guo-hui1,ZHOU Chuang2,LIU Wei1,WANG Xin1,LUO Xiang-dong2,LIU Xu-dan2

(1.Science and Technology Incubator Center,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150090,China; 2.Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province,Harbin 150090,China)

In view of the sludge anaerobic fermentation process,the sludge anaerobic fermentation system based on PLC was designed. The best operation parameters were explored through experiments and has realized automatic control,automatic feed,automatic heating,automatic ultrasonic and automatic mixing according to fermentation process,and finally realized unattended pilot test system device.

PLC; Sludge anaerobic fermentation; Automatic control

2017-01-12

項(xiàng)目類別：黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 (GA14C103)

王玉鵬(1989-)，男，本科，研究實(shí)習(xí)員。

TP273

A

1674-8646(2017)06-0074-02