水廠污泥離心脫水系統(tǒng)控制方案解析

付 兵 狄海龍 李 強(qiáng)

海申機(jī)電總廠（象山）（浙江寧波 315718）

污泥離心脫水系統(tǒng)為保證穩(wěn)定運(yùn)行，多采用可編程邏輯控制器（PLC）加觸摸屏控制方式。PLC 是一種數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器（在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等的操作指令），并通過數(shù)字式和模式式的輸入、輸出控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC 是20 世紀(jì)70 年代以來在集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制設(shè)備[1]，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制的各個(gè)領(lǐng)域。

1 PLC 在水廠污泥離心脫水系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1 污泥離心脫水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

整套污泥離心脫水系統(tǒng)由離心機(jī)、絮凝劑制備裝置、切割機(jī)、進(jìn)泥螺桿泵、加藥螺桿泵、進(jìn)泥流量計(jì)、加藥流量計(jì)、螺旋輸送機(jī)等部分組成，具體如圖1 所示。

圖1 離心脫水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖2 離心機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 離心機(jī)結(jié)構(gòu)和基本原理

上逆流臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)是可同時(shí)完成污泥濃縮、脫水的設(shè)備。主機(jī)由柱-錐轉(zhuǎn)鼓、螺旋卸料器、差速器、軸承座、機(jī)座、罩殼、主副電機(jī)及電器系統(tǒng)構(gòu)成，具體見圖2。其工作原理是：懸浮液經(jīng)進(jìn)料管和螺旋出料口進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓，在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，密度較大的固相顆粒沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，與轉(zhuǎn)鼓作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的螺旋葉片不斷地將固相顆粒刮下并推出排渣口，分離后的清液經(jīng)液層調(diào)節(jié)板開口流出轉(zhuǎn)鼓。螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（即差轉(zhuǎn) 速）通過差速器來實(shí)現(xiàn)，其大小由副電機(jī)來控制。差速器的外殼與轉(zhuǎn)鼓相聯(lián)接，輸出軸與螺旋體相聯(lián)接，輸入軸與副電機(jī)相聯(lián)接。主電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)的同時(shí)也帶動(dòng)了差速器外殼的旋轉(zhuǎn),副電機(jī)通過聯(lián)軸器的聯(lián)接來控制差速器輸入軸的轉(zhuǎn)速，使差速器能按一定的速比將扭矩傳遞給螺旋，從而實(shí)現(xiàn)離心機(jī)對(duì)物料的連續(xù)分離[3]。

離心機(jī)具有2 種自動(dòng)控制功能，即差轉(zhuǎn)速控制和力矩控制。由于物料含固率可能有波動(dòng)，采用差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)時(shí)要保證差轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，達(dá)到出渣干度恒定；采用恒力矩控制時(shí)要確保離心機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定，使得分離效果處于最佳狀態(tài)，以保證離心機(jī)可靠安全運(yùn)行。目前，離心脫水系統(tǒng)的電控系統(tǒng)多采用PLC 加觸摸屏的控制模式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，PLC 會(huì)對(duì)離心機(jī)的軸承溫度、振動(dòng)、力矩、藥箱液位、污泥池液位、進(jìn)料流量、加藥流量進(jìn)行判斷，以確保系統(tǒng)的運(yùn)行安全。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，觸摸屏上會(huì)顯示報(bào)警信息，根據(jù)報(bào)警信息可確定故障位置，與上位機(jī)進(jìn)行PROFIBUS-DP 通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)離心脫水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.3 設(shè)計(jì)方案

1.3.1 系統(tǒng)配置

控制柜內(nèi)主要元器件有主變頻器（ABB ACS510）、副變頻器（ABB ACS550）、加藥變頻器（ABB ACS510）、進(jìn)料變頻器（ABB ACS510）、供粉變頻器（ABB ACS510）、PLC（西門子S7-200）（配置表見表1）、西門子觸摸屏（SMART 1000 IE）、接觸器、繼電器、接近開關(guān)等。

表1 PLC 配置表

1.3.2 軟件編程和模擬量處理

PLC 編程軟件使用step7-micro/win V4.0，觸摸屏使用SIEMENS SMART 1000 IE。各個(gè)開關(guān)量控制及定時(shí)、計(jì)數(shù)、聯(lián)鎖等采用順序控制。濃縮池聚丙烯酰胺（PAM）投加量、藥箱液位、污泥池液位、副機(jī)力矩均采用過程控制。

對(duì)于PLC 控制系統(tǒng)來說，其抗干擾能力的高低直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行[4]。從S7-200PLC 安裝手冊(cè)可以看出，模擬數(shù)字（A/D）模塊轉(zhuǎn)換間沒有隔離，模擬量模塊抗干擾能力弱，所以從硬件接線和程序兩方面分別進(jìn)行了抗干擾處理。

（1）硬件接線。動(dòng)力線、控制線分別布線；開關(guān)量和模擬量信號(hào)分開走線，模擬量信號(hào)（如藥箱液位、加藥、進(jìn)料流量計(jì)信號(hào)、污泥池液位、振動(dòng)信號(hào)）采用屏蔽線，單端接地，接地電阻小于屏蔽層電阻的1/10；將通過變送器采集的模擬量的信號(hào)負(fù)端與M短接，消除共模電壓差；PLC 供電增加隔離變壓器；傳感器輸出信號(hào)增加阻容濾波，濾除高頻干擾信號(hào)；有效的接地。

（2）程序方面。對(duì)模擬量輸入信號(hào)在程序中作累計(jì)128 次取平均值的處理，每次讀取時(shí)間在毫秒級(jí)，完全滿足實(shí)際需要。

1.4 PLC 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該P(yáng)LC 控制系統(tǒng)考慮了各種聯(lián)鎖保護(hù)，如軸承座振動(dòng)、溫度變化、主變頻器故障、副變頻器故障、加藥變頻器故障、進(jìn)料變頻器故障、輸送機(jī)故障、刀閘閥故障、進(jìn)料蝶閥故障、偏心閥故障、污泥池?cái)嚢铏C(jī)故障、污泥池液位變化、藥箱液位低、力矩大、主機(jī)電流大、加藥流量小、進(jìn)料流量小等（故障聯(lián)鎖及地址見表2 與表3），能在發(fā)生故障后自動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)備。變頻器的運(yùn)行、故障反饋、啟動(dòng)/停止均通過PLC 開關(guān)量模塊完成，運(yùn)行頻率、運(yùn)行電流、給定頻率由模擬量輸入/輸出模塊通過0～20 mA 電流信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控或控制[5]。

1.5 PLC 自動(dòng)控制流程

1.5.1 離心脫水系統(tǒng)

離心脫水系統(tǒng)控制流程如圖3 所示。按下程序啟動(dòng)按鈕，離心機(jī)5 min 達(dá)到分離轉(zhuǎn)速（2 700r/min），3 min 穩(wěn)速啟動(dòng)輸送機(jī)；檢測(cè)藥箱液位與污泥池液位是否正常，無異常加藥泵啟動(dòng)，進(jìn)泥偏心閥開啟，加藥流量大于0.3 m3/h 后進(jìn)泥泵啟動(dòng)，延時(shí)3 min 刀閘閥打開，離心機(jī)進(jìn)入正常分離狀態(tài)；當(dāng)力矩大于45 N·m 或按下程序停止按鈕，加藥泵停止，延時(shí)1 min 停進(jìn)泥泵；關(guān)閉進(jìn)料偏心閥，離心機(jī)空轉(zhuǎn)10 min 排泥后關(guān)閉刀閘閥，停輸送機(jī)；離心機(jī)停車25 min，然后再次升速到?jīng)_洗轉(zhuǎn)速（10 Hz），開沖洗閥沖洗15 min，停車結(jié)束。

表2 故障聯(lián)鎖

表3 I/O 地址表（部分）

在運(yùn)行過程中，PLC 會(huì)對(duì)軸承溫度、振動(dòng)、力矩、藥箱液位、污泥池液位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)聯(lián)鎖保護(hù)相關(guān)設(shè)備，確保離心機(jī)安全可靠運(yùn)行。

程序設(shè)計(jì)分自動(dòng)和手動(dòng)2 種模式。手動(dòng)模式就是各設(shè)備可單獨(dú)操作，通過人為操作進(jìn)行每個(gè)設(shè)備的順序控制；自動(dòng)模式就是一鍵啟動(dòng)，所有設(shè)備按編制的自動(dòng)程序進(jìn)行順序控制，自動(dòng)與手動(dòng)互鎖。

根據(jù)設(shè)定力矩，PLC 通過調(diào)節(jié)副電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)實(shí)際力矩實(shí)現(xiàn)比例、積分、微分控制（PID 控制）。恒力矩PID 控制原理見圖4。

圖3 離心脫水系統(tǒng)控制流程圖

圖4 恒力矩PID 控制原理

1.5.2 PAM 制備系統(tǒng)

PAM 制備系統(tǒng)控制流程見圖5。選擇自動(dòng)模式，三箱攪拌機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，自動(dòng)檢測(cè)第三箱液位，中液位開始自動(dòng)配藥，檢測(cè)藥斗藥位，一切正常時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)供水閥、推桿、供粉電機(jī)、振動(dòng)器，按照設(shè)定的配比自動(dòng)調(diào)整PAM 干粉投加量，達(dá)到第三箱高液位自動(dòng)停推桿、供粉電機(jī)、供水閥、振動(dòng)器。

圖5 PAM 制備系統(tǒng)控制流程

1.5.3 PAM 投加系統(tǒng)

濃縮池PAM 投加系統(tǒng)工作流程見圖6。設(shè)定好濃縮池PAM 干粉投加量，根據(jù)進(jìn)泥量大小通過調(diào)整投加泵轉(zhuǎn)速對(duì)PAM 投加量進(jìn)行PID 控制。

圖6 濃縮池PAM 投加量PID 控制原理

1.6 變頻器主要參數(shù)設(shè)置

變頻器主要參數(shù)設(shè)置情況如表4 所示。

表4 變頻器參數(shù)設(shè)置表

2 結(jié)語

通過介紹水廠離心脫水系統(tǒng)中控制方案的應(yīng)用實(shí)例，說明了伴隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)程，PLC 在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域仍然將發(fā)揮巨大的主導(dǎo)作用，隨著PLC 與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的不斷聯(lián)系和應(yīng)用，其在未來工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域必將獲得更大的發(fā)展空間，為現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。