底泥板框壓濾脫水干化集成控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

何彥行，秦海洋，周昭旭

（中交疏浚技術(shù)裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

隨著城市發(fā)展速度的加快，城市工業(yè)、生活污水大量排放到河流湖泊中，造成河流、湖泊底泥富營養(yǎng)化，底泥淤積變多使得河流湖泊的蓄水能力下降，進而可能造成城市內(nèi)澇。近年來環(huán)保疏浚[1-2]工程大量開展，疏浚后的底泥可通過多種方式進行脫水干化，較為常見的工藝為板框機械壓榨式脫水[3-4]。

傳統(tǒng)的底泥脫水干化控制系統(tǒng)對泥漿調(diào)理、板框進料、板框壓榨3個過程的控制相對獨立，且多以經(jīng)驗值進行控制；在泥漿調(diào)理過程中，操作人員根據(jù)經(jīng)驗判斷管道中泥漿濃度，手動地調(diào)整物料添加速度以及添加量；板框進料與壓榨過程都是根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定時間，到達(dá)設(shè)定時間后停止進料或壓榨。傳統(tǒng)的底泥脫水干化控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)工藝過程的全自動控制，而且依靠經(jīng)驗值的控制方式對于不同的泥質(zhì)適用性差，生產(chǎn)效率較低，生產(chǎn)成本較高[5]。

本文針對以上問題，提出了基于泥漿濃度實時監(jiān)測的優(yōu)化控制算法，通過對泥漿濃度實時監(jiān)測實現(xiàn)泥漿調(diào)理、板框進料、板框壓榨3個工藝過程的精確控制，并設(shè)計了基于西門子PLC優(yōu)化控制系統(tǒng)。

1 底泥脫水干化工藝

環(huán)保疏浚船舶將泥漿輸送至除渣設(shè)備后流至濃縮池；將濃縮后的泥漿泵送至攪拌機，物料罐里的物料通過卸料閥及螺旋輸送機添加至攪拌機與泥漿混合；混合后的泥漿自流至均化池，充分反應(yīng)后進一步降低含水率，以上過程稱為泥漿調(diào)理過程。物料的添加用于改變泥漿的物理結(jié)構(gòu)，降低含水率，物料添加量由泥漿絕干基的質(zhì)量決定[6]。

均化池的泥漿通過進料泥泵輸送至板框機內(nèi)，進料結(jié)束后開始板框壓榨；壓榨完成后泥餅由板框機脫落至皮帶輸送機，由皮帶輸送機運輸至渣土堆場，進料和壓榨過程中尾水進入到尾水槽并匯流至濃縮池，以上過程涉及板框進料、板框壓榨2個過程。底泥脫水干化工藝如圖1所示。

圖1 底泥脫水干化處理工藝Fig.1 Process flow chart of sludge dewatering and drying

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

綜合分析底泥脫水干化處理工藝，為實現(xiàn)泥漿調(diào)理、板框進料、板框壓榨3個工藝過程的精確控制及工藝過程的全自動控制，需在工藝流程上增加傳感器，結(jié)合圖1工藝流程具體為：在工藝流程淤處增加流量計和超聲波濃度計，用于監(jiān)測進入攪拌機內(nèi)的泥漿流量和濃度；在工藝流程于處增加稱重傳感器，用于監(jiān)測物料罐內(nèi)物料重量；在工藝流程盂處增加超聲波液位計，用于監(jiān)測均化池內(nèi)液位高度；在工藝流程榆處增加流量計和超聲波濃度計，用于監(jiān)測進入板框機內(nèi)的泥漿流量和濃度；在工藝流程虞處增加流量計，用于監(jiān)測板框機壓榨尾水流量。

底泥脫水干化處理工藝中需控制的對象包括：濃縮池泥泵、攪拌機、卸料閥、輸送機、板框進料泥泵及板框機。結(jié)合模塊化的設(shè)計理念將控制系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)采集單元、控制器單元、人機交互單元和執(zhí)行單元[7-8]，控制系統(tǒng)的架構(gòu)見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Architecture of control system

1）數(shù)據(jù)采集單元：包括流量計、超聲波濃度計、超聲波液位計、稱重傳感器及卸料閥速度反饋，實現(xiàn)工藝過程中信號采集功能。

2）控制器單元：選用西門子1200系列PLC作為系統(tǒng)的控制器，實現(xiàn)過程全自動控制和工藝精確控制功能。

3）人機交互單元：選用西門子TP2200觸摸屏作為人機交互設(shè)備，實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)顯示及設(shè)備操作功能。

4）執(zhí)行單元：包括濃縮池泥泵、攪拌機、卸料閥、輸送機、板框進料泥泵及板框機。根據(jù)工藝執(zhí)行單元分為泥漿調(diào)理執(zhí)行子單元和板框進料壓榨執(zhí)行子單元兩部分，實現(xiàn)泥漿輸送、調(diào)理和壓榨功能。

3 軟件設(shè)計

3.1 全自動控制

底泥脫水干化生產(chǎn)過程復(fù)雜，涉及多個環(huán)節(jié)，為降低各環(huán)節(jié)的相互影響，提高生產(chǎn)效率，全自動控制設(shè)計遵循模塊化思想，將控制主程序分為泥漿調(diào)理優(yōu)化控制程序、板框進料優(yōu)化控制程序和板框壓榨優(yōu)化控制程序。泥漿調(diào)理優(yōu)化控制程序可根據(jù)均化池液位狀態(tài)獨立運行，均化池液位不處于“高”狀態(tài)時，系統(tǒng)自動調(diào)用泥漿調(diào)理優(yōu)化控制程序。板框進料優(yōu)化控制程序與板框壓榨優(yōu)化控制程序按先后順序執(zhí)行，板框機準(zhǔn)備就緒時，系統(tǒng)自動調(diào)用板框進料優(yōu)化控制程序，進料結(jié)束后，系統(tǒng)進入板框壓榨優(yōu)化控制程序，壓榨完成后再進入板框進料優(yōu)化控制程序，見圖3。

圖3 全自動運行流程Fig.3 Automatic operation flow chart

優(yōu)化控制程序包括8個子程序，數(shù)據(jù)采集子程序用于工藝傳感器數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換；物料添加控制子程序用于攪拌機、卸料閥、輸送機的手/自動控制以及物料添加質(zhì)量的計算；密度計算子程序用于泥漿濃度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為密度；流量累計子程序用于流量累計計算；絕干基計算子程序用于根據(jù)密度、累計流量與濃度計算絕干基的質(zhì)量；泥泵控制子程序用于濃縮池泥泵和進料泥泵的手/自動控制；泥餅含水率計算子程序用于計算板框壓榨過程中泥餅含水率；板框機通訊子程序用于優(yōu)化控制程序與板框機自帶控制系統(tǒng)通訊，向板框機發(fā)送執(zhí)行指令并接收板框機反饋狀態(tài)。

3.2 泥漿調(diào)理優(yōu)化控制程序

泥漿調(diào)理優(yōu)化控制程序?qū)崿F(xiàn)物料添加過程全自動控制及物料添加量的精確控制功能。根據(jù)進入攪拌機泥漿的濃度與總量實時計算泥漿絕干基質(zhì)量，進而得到實時調(diào)整物料添加量，解決了靠傳統(tǒng)人工經(jīng)驗添加出現(xiàn)添加量少導(dǎo)致調(diào)理效果不佳，添加量多導(dǎo)致成本提高等問題。泥漿調(diào)理優(yōu)化控制程序開始執(zhí)行后，首先調(diào)用物料添加控制子程序和泥泵控制子程序按照順序依次啟動濃縮池泥泵、攪拌機、螺旋輸送機、卸料閥；然后調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序、密度計算子程序及流量累計子程序計算進入攪拌機內(nèi)泥漿的密度與累計方量；進而調(diào)用絕干基計算子程序計算出進入攪拌機內(nèi)泥漿絕干基的質(zhì)量；再次調(diào)用物料添加控制子程序計算出所需添加的物料質(zhì)量、物料罐重量的變化量及兩者差值，差值劃分為三檔，分別對應(yīng)卸料閥高、中、低三檔速度，實現(xiàn)卸料閥的自動調(diào)速；泥漿調(diào)理過程中實時監(jiān)測均化池液位狀態(tài)，均化池狀態(tài)不為“高”時繼續(xù)執(zhí)行泥漿調(diào)理；若為“高”時，調(diào)用泥泵控制子程序?qū)崿F(xiàn)濃縮池泥泵輸送清水，進而判斷所需物料添加量與物料罐重量變化量是否相等，若“否”則繼續(xù)執(zhí)行物料添加過程，若“是”則依次停止卸料閥、螺旋輸送機、攪拌機、濃縮池泥泵，泥漿調(diào)理一次循環(huán)結(jié)束。

3.3 板框進料優(yōu)化控制程序

板框進料優(yōu)化控制程序?qū)崿F(xiàn)板框進料時間的精確控制功能。根據(jù)進入板框機泥漿的濃度與流量實時計算質(zhì)量，進料質(zhì)量滿足設(shè)定期望值后完成進料。根據(jù)泥漿濃度優(yōu)化調(diào)整板框進料時間，解決了采用固定進料時間造成的效率低、成本高問題。板框進料優(yōu)化控制程序開始執(zhí)行后，首先調(diào)用板框機通訊子程序判斷板框機是否準(zhǔn)備就緒，若“是”再調(diào)用泥泵控制子程序啟動進料泥泵，進而調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序、密度計算子程序及流量累計子程序計算進入板框機內(nèi)泥漿的密度與累計方量，實時計算進料總質(zhì)量，并判斷板框進料（泥漿）總質(zhì)量是否達(dá)到設(shè)定期望值；若“否”則繼續(xù)進料，直到進料總質(zhì)量與設(shè)定的期望進料總質(zhì)量相等時，停止泥泵。

3.4 板框壓榨優(yōu)化控制程序

板框壓榨優(yōu)化控制程序?qū)崿F(xiàn)板框壓榨時間的精確控制功能。壓榨后泥餅含水率是判斷壓榨是否完成的關(guān)鍵因素，通過實時計算壓榨過程中板框機內(nèi)泥餅含水率實現(xiàn)壓榨時間的自動調(diào)整，解決了固定壓榨時間造成的效率低、成本高問題。板框壓榨優(yōu)化控制程序開始執(zhí)行后，首先調(diào)用流量累計子程序計算板框壓榨過程中產(chǎn)生的尾水量，并加上進料過程中產(chǎn)生的尾水得出總尾水量，再調(diào)用泥餅含水率計算子程序計算板框機內(nèi)部泥餅的實時含水率，并判斷板框機內(nèi)部泥餅含水率是否達(dá)到設(shè)定的期望值，若“否”則繼續(xù)壓榨，同時判斷壓榨時間是否超出上限時間設(shè)定值，若超出上限時間則報警，若板框機內(nèi)部泥餅含水率達(dá)到設(shè)定的期望值，則停止壓榨。

4 應(yīng)用分析

基于泥漿濃度實時監(jiān)測的集成控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于嘉興北部湖蕩連通項目、武漢南湖水環(huán)境綜合治理項目，對施工歷史數(shù)據(jù)進行分析，得出在15%~35%泥漿濃度下優(yōu)化控制系統(tǒng)的進料時間和壓榨時間見圖4。

圖4 不同濃度下的進料及壓榨時間Fig.4 Feed/press time at different concentrations

由圖4可知，集成優(yōu)化控制系統(tǒng)可根據(jù)泥漿濃度自動調(diào)整進料和壓榨時間，適應(yīng)性強，在濃度較高的工況下效率更高。

5 結(jié)語

通過對底泥脫水干化工藝及現(xiàn)有控制系統(tǒng)的分析，設(shè)計了基于泥漿濃度實時監(jiān)測的集成控制系統(tǒng)。不但實現(xiàn)了底泥脫水干化工藝過程的全自動控制；而且對工藝中泥漿調(diào)理、板框進料和板框壓榨3個過程進行了優(yōu)化控制，實現(xiàn)了物料添加量、進料和壓榨時間的精確控制。系統(tǒng)實際應(yīng)用表明底泥脫水干化集成控制系統(tǒng)具有更強的適應(yīng)性和自動化水平，進而節(jié)省了料、人工、能耗成本。