基于PLC污泥脫水機控制系統(tǒng)的構(gòu)建與實施

劉玉濤

（煙臺市城市排水服務(wù)中心，山東 煙臺 264000）

0 引言

脫水機是實現(xiàn)固液分離的關(guān)鍵設(shè)備。在脫水機工作時，轉(zhuǎn)鼓與螺旋電機轉(zhuǎn)速之間的差轉(zhuǎn)速，決定著污泥的分離效果和分離效率[1]。為有效調(diào)節(jié)差轉(zhuǎn)速達到最佳值，提高脫水機的高效分離性能的目標，必須通過完善自控系統(tǒng)才能得到實現(xiàn)。

隨著電子技術(shù)、計算機軟件技術(shù)和自動化控制技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC控制方式已經(jīng)成為主流控制方式。PLC由CPU模塊、電源模塊、輸入/輸出模塊組成，通過開關(guān)量和模擬量信號輸入、輸出來控制各類設(shè)備部件操作[2]。觸摸屏屬于人性化人機操作界面，通過觸摸屏上圖形畫面的軟鍵進行操作，能對脫水機運行指標進行實時顯示、及時提供數(shù)據(jù)交互信息和報警提示，大幅度地提高設(shè)備自動化集成程度和運行效率。

國內(nèi)污水處理廠多采用福樂偉、阿法拉伐、安德里茨等進口污泥脫水機，上述品牌都配套有自動化控制系統(tǒng)，但是控制程序因知識產(chǎn)權(quán)保護原因，沒交付給使用方。當設(shè)備出質(zhì)保期后，一旦出現(xiàn)軟硬件采購、更新、故障和改造情況，需要原來的程序，只能采購原國外生產(chǎn)廠家的服務(wù)，必然增加企業(yè)費用負擔(dān)。為了打破這種現(xiàn)狀，通過研究污泥脫水機的工藝，以PLC為控制核心重新開發(fā)自控系統(tǒng)。完全滿足脫水機系統(tǒng)的工藝需求，并為設(shè)備改造提供有益嘗試。

1 污泥脫水機系統(tǒng)構(gòu)成及原理

污泥脫水系統(tǒng)由脫水機、絮凝劑制備裝置、污泥切割機、進泥泵、加藥泵、進泥流量計、加藥流量計、水平和斜螺旋輸送機、清洗水閥等設(shè)備構(gòu)成。

脫水機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）轉(zhuǎn)鼓和螺旋輸送器由兩個同心軸承相連接，主電動機通過三角皮帶輪帶動轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)鼓通過左軸承處的空心軸與行星差速器的外殼相連接，行星差速器的輸出軸帶動螺旋輸送器與轉(zhuǎn)鼓做同向轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)速不一樣[1]。

兩者之間關(guān)系如下：

式（1）中，nZ—轉(zhuǎn)鼓絕對轉(zhuǎn)速；nL—螺旋絕對速；△n—二者差速。

采用△n＞0為正差速，有利于沉降分離。

采用△n＜ 0為負差速，有利于污泥的輸送。

2）污泥濃液從右端的進料口連續(xù)進入脫水機，在離心力的作用下轉(zhuǎn)鼓內(nèi)形成一環(huán)形液池，重相固體顆粒離心沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面而形成沉渣。由于螺旋葉片與轉(zhuǎn)鼓的相對運動，沉渣被螺旋葉片推送到轉(zhuǎn)鼓的小端，送出液面并從排渣孔甩出。在轉(zhuǎn)鼓的大端蓋上開設(shè)有若干溢流孔，澄清液便從此處流出，通過調(diào)節(jié)溢流擋板溢流口位置、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)鼓與螺旋輸送器的差速、進料速度，就可以改變沉渣的含濕量和澄清液的含固量[2]。

脫水機主要采用差速控制和扭矩控制方式。因進泥濃液含固率有變化，差轉(zhuǎn)速控時，要保障差轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，達到出渣干度恒定，采用扭矩控制時要確保離心機負荷穩(wěn)定，使分離效果處于最佳狀態(tài)，以保證離心機可靠安全運行[3]。

2 脫水機控制系統(tǒng)設(shè)計

采用羅克韋爾logix5000軟件編程，實現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓電機和螺旋電機調(diào)速自動運行，各個工藝設(shè)備手自動操作和安全報警保護。在觸摸屏中設(shè)置和修改系統(tǒng)運行參數(shù)，并實時顯示運行數(shù)據(jù)等功能，系統(tǒng)模塊如圖2所示。

2.1 系統(tǒng)模塊控制程序

系統(tǒng)模塊由硬件故障報警、運行條件不滿足報警、急停開關(guān)報警和系統(tǒng)過載報警組成。系統(tǒng)模塊是控制對運行安全保護的關(guān)鍵條件，只有關(guān)鍵條件滿足后，系統(tǒng)才能保障運行。

急停開關(guān)報警是當離心脫水系統(tǒng)發(fā)生緊急情況時，為避免重大事故的發(fā)生，由現(xiàn)場急停按鈕或者控制柜上的急停按鈕來關(guān)閉電源，停止系統(tǒng)運行。

2.2 絮凝劑制備裝置控制模塊

進入管道的污泥經(jīng)加入絮凝劑制備裝置，配好絮凝劑充分混合后，微小的固體顆粒被凝成較大顆粒，便于脫水機較好的分離。對加藥管路上安裝電磁流量計，加藥泵電機配備變頻器，實現(xiàn)藥量PID自動調(diào)節(jié)。

2.3 污泥切割機控制模塊

污泥中較大顆粒或粘附性較強的物體容易堵塞管道，導(dǎo)致污泥脫水機粘阻現(xiàn)象的產(chǎn)生，造成輸送管路或脫水機振動。通過PLC的邏輯控制，實現(xiàn)污泥切割機的啟動/停止操作，污泥切割機的運行，將堵塞管道的纖維纏繞物進行切割，形成破碎后均勻濃度的污泥，為后續(xù)工藝運行做好準備。

2.4 污泥泵控制模塊

該部分由污泥電磁流量計、污泥螺桿泵、電動閥門等設(shè)備組成。PLC的模擬量輸入模塊實現(xiàn)對流量計信號的采集，根據(jù)生產(chǎn)實際需要，對藥劑流量進行設(shè)定，流量計將污泥流量運行值反饋給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用PID方式對污泥泵進行控制。

2.5 污泥脫水機控制模塊

污泥從螺旋推進器的進料管進入轉(zhuǎn)鼓圓錐體和圓柱體的交界區(qū)，污泥在進入轉(zhuǎn)鼓后，固相在離心力的作用下被甩到轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)壁上，兩相分離發(fā)生在轉(zhuǎn)鼓的圓柱形部分，在轉(zhuǎn)鼓的大端有可調(diào)節(jié)的溢流堰板，液相澄清后從溢流堰板流出到分離液出口，固相則從轉(zhuǎn)鼓小端的排渣口排出[3]。溢流堰板作用是調(diào)節(jié)液相層高度，實現(xiàn)液體含固率和固體含水率之間達到最佳的平衡。離心機選擇低差速時，脫水后污泥的含水率降低，分離液的含固率升高[4]。離心機選擇高差速時，脫水后污泥的含水率升高，分離液的含固率降低，差速減小時扭矩升高。

脫水機模塊由轉(zhuǎn)鼓電機調(diào)控、螺旋電機調(diào)控、軸溫檢測、振動檢測、潤滑油位檢測組成。

在脫水機前后軸承部位安裝有溫度傳感器，用來采集溫度信號。將溫度信號轉(zhuǎn)換為 4 mA～20mA的模擬信號，通過PLC的模數(shù)轉(zhuǎn)換，PLC程序判別當前溫度是否超出120℃，如果超出預(yù)報警，超過130℃則停機。安裝振動傳感器，來判別當前振動量是否超出設(shè)定值，超出設(shè)定值，則停機。污泥脫水機為潤滑劑油罐配備油位檢測傳感器，當污泥脫水機潤滑劑的剩余量低于設(shè)定標準值時，輸出相應(yīng)報警信號。

1）自動控制

自動控制方式，隨時間變化、速度運行變化曲線如圖4所示。

在觸摸屏上選擇自動控制模式啟動后，每隔15s，依次進行如下程序：絮凝劑制備裝置模塊開始運行；絮凝劑加藥泵運行；進泥泵運行；轉(zhuǎn)鼓和螺旋雙電機開始運行，根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速調(diào)用程序進行運轉(zhuǎn)，并讀轉(zhuǎn)鼓和螺旋電機轉(zhuǎn)速值和螺旋輸送器電機轉(zhuǎn)矩值。若螺旋電機實時運行扭矩高于系統(tǒng)設(shè)定高扭矩值，輸出報警；螺旋高扭矩5次累計超過1h，輸出報警。如果無報警，處于加速過程，直至系統(tǒng)加速至設(shè)定值，維持運行狀態(tài)。

由于差速器的作用，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和螺旋輸送器轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系如下：

式（2）中，AS—轉(zhuǎn)鼓電機轉(zhuǎn)速值；R—帶輪傳動比；SS—螺旋電機轉(zhuǎn)速值；RS—相對轉(zhuǎn)速值；K—差速器比率。

根據(jù)實際需求，選擇觸摸屏上PID開關(guān)，程序動態(tài)調(diào)節(jié)變頻器運行，調(diào)控螺旋電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)差速控制。在觸摸屏上選擇自動控制模式關(guān)機后，每隔15s，依次進行如下程序：轉(zhuǎn)鼓和螺旋正常停機；系統(tǒng)按照邏輯控制程序；轉(zhuǎn)速逐漸減少至停止；加藥泵和進泥泵等按邏輯停機。最后進入高速清洗狀態(tài)，清洗完畢后，程序自動低速清洗后，停止水平螺旋和斜螺旋運行，系統(tǒng)整體運行結(jié)束。

2）手動控制

手動控制模式由系統(tǒng)啟動、系統(tǒng)加速、人工調(diào)速、系統(tǒng)運行和低速清洗步驟組成。采用選擇手動控制模式啟動后，轉(zhuǎn)鼓電機和螺旋電機運行。當轉(zhuǎn)鼓和螺旋電機確認啟動后，轉(zhuǎn)鼓和螺旋電機根據(jù)觸摸屏默認設(shè)置運行，系統(tǒng)進入加速過程。并按照15s間隔，分步驟啟動絮凝劑制備裝置、加藥泵和污泥泵。逐漸加速，直到轉(zhuǎn)速滿足加速到設(shè)定值為止，同樣減速也是如此。手動模式關(guān)機，進行低速清洗狀態(tài)，電機轉(zhuǎn)速逐漸降低至停機，直到低速清洗完畢，系統(tǒng)停止運行。

2.6 污泥水平及斜螺旋輸送機控制模塊

污泥螺旋輸送機模塊中含有污泥輸送機的啟停控制與相關(guān)設(shè)備的聯(lián)鎖保護。聯(lián)鎖保護包含：如果污泥泵或脫水機的轉(zhuǎn)鼓運行，則PLC系統(tǒng)就給污泥輸送器開指令；如果脫水機系統(tǒng)按照工藝要求停止運行，延遲10min后，污泥水平及斜螺旋輸送機停止運行。

2.7 清洗閥控制模塊

脫水機正常停機、故障停機會容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓螺旋污泥堵塞等情況，需要對脫水機進行清洗。如果脫水機內(nèi)的殘留污泥較多，容易出現(xiàn)扭矩較大，或者震動報警。程序通過對清洗水閥的開關(guān)操作來實現(xiàn)對脫水機的高速清洗過程。

3 脫水機控制系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試

進行單元調(diào)試、聯(lián)體調(diào)試，對調(diào)試中發(fā)生的問題逐一分析，并總結(jié)和對其完善。經(jīng)試運行后，運行指標滿足設(shè)計指標及性能要求，脫水后污泥的含水率為75%，脫水效果穩(wěn)定。

4 結(jié)語

通過深入了解脫水機工作原理，在系統(tǒng)中采用PLC和變頻器技術(shù)，結(jié)合羅克韋爾PLC軟件logix5000編程，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)鼓電機和螺旋輸送器電機的緩啟動，實現(xiàn)了手動/自動運調(diào)節(jié)，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。由于轉(zhuǎn)鼓電機和螺旋電機在變頻器安裝配置中，采用共直流母線技術(shù)，節(jié)省了電耗，也滿足了脫水機的穩(wěn)定性、可靠性的要求。