市政污水處理離心機(jī)自控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

嚴(yán)振華

（安德里茨（中國）有限公司，廣東 佛山 528000）

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)廢水、生活污水的排放量日益增加，為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，保障人民的身體健康，提高水環(huán)境質(zhì)量，污水必須經(jīng)過凈化處理達(dá)標(biāo)后才能排放。在市政污水處理過程中，污水濃縮和高效脫水是城市污水、水廠排泥水、工農(nóng)業(yè)廢水處理工程中的重要環(huán)節(jié)。經(jīng)濃縮脫水后的污泥其體積大為縮小，不但減輕了對環(huán)境的二次污染，也為污泥資源的綜合利用創(chuàng)造了極有利的條件。目前國際上已普遍使用全封閉連續(xù)運(yùn)行的臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)作為污泥脫水的主機(jī)，它具有全封閉、不污染環(huán)境、連續(xù)運(yùn)行、高速的優(yōu)點(diǎn)；但對配套的自控系統(tǒng)控制要求很高，本文介紹市政污水處理、處置中，離心機(jī)的工作原理，以及配套的先進(jìn)自控系統(tǒng)組成、控制特點(diǎn)、效果因素，對有效提高市政污水脫水效率、節(jié)省污水處理運(yùn)行成本、全面提高離心機(jī)在市政污水處理中運(yùn)行管理水平具有一定的參考意義。

1 市政離心機(jī)的工作原理

市政污水處理離心機(jī)全稱臥式螺旋沉降離心機(jī)，簡稱市政離心機(jī)。它的設(shè)計(jì)和運(yùn)行是基于沉降原理，即比液體重的固體顆粒在一個預(yù)定的時間內(nèi)沉淀出來。高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使固體顆粒加速沉淀，從而加快了污泥脫水分離過程。它主要由外壁轉(zhuǎn)鼓和內(nèi)腔帶轉(zhuǎn)軸的排料螺旋輸送機(jī)組成，兩種通過差速器和皮帶進(jìn)行耦合。離心機(jī)正常運(yùn)行后通過轉(zhuǎn)鼓和排料螺旋的高速旋轉(zhuǎn)，使離心機(jī)內(nèi)腔的污水固液混合物隨之高速旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生較大的離心力而形成液環(huán)，在較大的離心力作用下，加速固液混合物的沉降與分離。其中，密度較大的固體顆粒沉降在液環(huán)層的外圈，即沿轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)壁形成固體層。由于轉(zhuǎn)鼓與排料螺旋旋轉(zhuǎn)方向相同，并通過不同的絕對速度形成一定的轉(zhuǎn)速差，排料螺旋的速度相對轉(zhuǎn)鼓的速度快，由此排料螺旋將分離出的干泥推出固體排出口，澄清濾液則通過濾液口而排出機(jī)外，連續(xù)不簡單的進(jìn)行固-液分離。

2 市政離心機(jī)自控系統(tǒng)的組成

市政污水處理離心機(jī)自控系統(tǒng)由變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)和PLC 控制系統(tǒng)，以及觸摸屏監(jiān)控操作系統(tǒng)三大部分組成。

2.1 變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)

變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)由整流電路、中間電路（濾波和緩沖）和逆變電路組成。它將工頻（50Hz 或60Hz）交流電源轉(zhuǎn)換成頻率可變的交流電源提供給電動機(jī)，通過改變交流電源的頻率來對電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。

市政污水處理離心機(jī)具有運(yùn)行速度高、轉(zhuǎn)鼓慣性大、螺旋電動機(jī)超速的應(yīng)用特點(diǎn)[1]。變頻器具有以下特點(diǎn)：

1.具備安全轉(zhuǎn)矩中斷功能，符合SIL3 安全等級標(biāo)準(zhǔn)，能在緊急情況下能迅速封鎖變頻器的IGBT 輸出信號，使離心機(jī)快速停止。

2.變頻器直流母線耐壓高，能吸收回饋螺旋電機(jī)在超速運(yùn)行所產(chǎn)生的電能，避免直流母線高報(bào)警。

3.變頻器具備現(xiàn)場總線接口，能可靠地通過現(xiàn)場總線進(jìn)行控制。

4.變頻器具備豐富的控制模式，采用轉(zhuǎn)速控制模式，控制精度高。

針對離心機(jī)設(shè)備的安全使用和機(jī)器運(yùn)行的特點(diǎn)，變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)需要配置特殊電氣安全保護(hù)回路，有以下特殊要求：

1.驅(qū)動系統(tǒng)的總供電供應(yīng)轉(zhuǎn)鼓變頻器，轉(zhuǎn)鼓變頻器前端配置快熔保護(hù)。

2.轉(zhuǎn)鼓變頻器和螺旋變頻器的直流母線端子DC+,DC-需要進(jìn)行互連，螺旋變頻器通過轉(zhuǎn)鼓變頻器的直流母線進(jìn)行供電，用于生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的電能及時進(jìn)行能量消耗或反饋電網(wǎng)。

3.配置安全斷開扭矩功能，在故障連鎖或緊急停車時能迅速觸發(fā)安全斷開扭矩功能，從而變頻器迅速封鎖IGBT 的輸出，促使轉(zhuǎn)鼓和螺旋無條件停止。

離心機(jī)變頻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)電氣原理圖（羅克韋爾變頻器），共直流母線驅(qū)動和安全斷開轉(zhuǎn)矩的配置，實(shí)現(xiàn)可靠控制和保護(hù)離心機(jī)變頻驅(qū)動系統(tǒng)。

2.2 PLC 控制系統(tǒng)

在市政污水處理中，由于隨著季節(jié)的天氣差異和城市污水的排量負(fù)荷等相關(guān)因素制約，導(dǎo)致市政污水的濃度會發(fā)生變化。離心機(jī)作為市政污水處理的重要設(shè)備，其自控系統(tǒng)不僅要高效率的控制離心機(jī)快速脫水出泥，還需要適應(yīng)污泥濃度的變化能進(jìn)行相關(guān)工藝參數(shù)的自動調(diào)整。

自控系統(tǒng)不僅僅要實(shí)現(xiàn)前期階段恒差速度控制，還需要在穩(wěn)定生產(chǎn)時隨著離心機(jī)扭矩的變化來自動調(diào)節(jié)差速度[2]。在整個自控過程中對控制器的PID 控制要求很高，不僅要求PID 控制需要快速響應(yīng)，同時也要求超調(diào)量小，快速穩(wěn)定，精度誤差小；因此對PLC 的要求很高，具備高級過程控制功能。

本項(xiàng)目的PLC 選用羅克韋爾Rockwell（AB）公司生產(chǎn)的CompactLogix 5370。它帶敷形涂覆，內(nèi)置能量存儲，無需使用鋰電池，附帶高達(dá)2GB 的SD 卡，可快速保存和恢復(fù)程序，提供設(shè)備級環(huán)網(wǎng)(DLR)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持，幫助提高網(wǎng)絡(luò)彈性，可實(shí)現(xiàn)最大可擴(kuò)展性，是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的可擴(kuò)展控制解決方案，非常適合小型單機(jī)設(shè)備到高性能設(shè)備等應(yīng)用。

為了保證網(wǎng)絡(luò)通訊的可靠性，PLC 和變頻器全部都升級到V28 版本。

PLC 和轉(zhuǎn)鼓變頻器、螺旋變頻器采用EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)連接形成設(shè)備層環(huán)網(wǎng)，采用總線通訊的方式來控制變頻驅(qū)動系統(tǒng)。

由于本項(xiàng)目的變頻器和PLC 都是選用羅克韋爾Ro ckwell（AB）公司[3]，都兼容EtherNet/IP 通訊協(xié)議。Et herNet/IP 通訊的組態(tài)和配置都將在Studio5000 軟件平臺上完成。EtherNet/IP 網(wǎng)絡(luò)的集成驅(qū)動控制可使用以下步驟進(jìn)行配置：

1.硬件上安裝PLC 模塊和變頻器驅(qū)動器，并通過網(wǎng)線連接，并要求PLC 和變頻器都需要在V21 版本平臺及其以上。

2.在Studio5000 平臺上配置PLC 控制器和IO 模塊、通訊模塊、并配置CIP 同步，啟用時間同步，實(shí)現(xiàn)時間同步和運(yùn)動控制。

3.在Studio5000 平臺上添加同變頻器相同軟件版本的硬件PowerFlex 753，選擇功率單元并分配設(shè)備之后，創(chuàng)建運(yùn)動組和添加關(guān)聯(lián)軸。在Studio5000 軟件中將自動映射了PowerFLex 753 通訊地址。

4.使用DriveToos 軟件工具配置PowerFlex 753 變頻器，并設(shè)置變頻器的基本的電機(jī)銘牌參數(shù)和EtherNet/IP 通訊參數(shù)。

5.裝載配置文件到PLC，將網(wǎng)線連接好變頻器，通訊配置成功，根據(jù)映射的通訊地址即可實(shí)現(xiàn)變頻器的控制。

2.3 觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)

在市政污水處理離心機(jī)自控系統(tǒng)中，不可或缺的設(shè)備之一是觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)，它用于操作員對控制系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。項(xiàng)目觸摸屏采用羅克韋爾Rockwell（AB）公司生產(chǎn)的PanelViewPlus6 觸摸屏2711P-T10C4D8，10.4寸真彩觸摸屏，IP66 防護(hù)等級，連接在EtherNet/IP 網(wǎng)絡(luò)上的觸摸屏設(shè)備，共同使用網(wǎng)絡(luò)的資源。

市政污水脫水處理中工藝配置由離心機(jī)器部分、進(jìn)料管線、加藥稀釋管線、沖洗管線組成。離心機(jī)自控系統(tǒng)不僅僅要控制離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓電機(jī)和螺旋電機(jī)，以及排泥裝置，也要對進(jìn)料管線、加藥稀釋管線、沖洗管線上的相關(guān)電機(jī)和閥門進(jìn)行控制。

軟件上不僅僅要求能實(shí)時監(jiān)控離心機(jī)設(shè)備的溫度、振動、轉(zhuǎn)矩、電機(jī)速度、轉(zhuǎn)鼓速度、差速度參數(shù)，還能實(shí)時操作設(shè)備啟停、故障確認(rèn)和復(fù)位；對進(jìn)料管線的污泥流量，加藥稀釋管線的加藥流量能進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控、操作和設(shè)置。

監(jiān)控畫面中能顯示監(jiān)控實(shí)時和歷史趨勢曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表功能，這對設(shè)備的運(yùn)行狀況和提高污泥的處理效率有很好的分析效果。

3 影響市政離心機(jī)脫水效果的自控系統(tǒng)因素

市政離心機(jī)是利用兩不互溶介質(zhì)間的密度差、在高速旋轉(zhuǎn)的離心力作用下，加快固相顆粒的沉降速度，通過污泥和絮凝劑作用形成絮凝體來實(shí)現(xiàn)固液分離的。在市政污水處理項(xiàng)目中如離心機(jī)型號確定的情況下，若要充分發(fā)揮離心機(jī)的脫水效果，可以通過對一些自控系統(tǒng)的可調(diào)設(shè)備參數(shù)及工藝因素等進(jìn)行調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。

影響市政離心機(jī)脫水效果的自控系統(tǒng)因素主要有：轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、相對速度（差速度）、離心機(jī)扭矩、污泥和絮凝劑進(jìn)料量等。

3.1 轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速

市政離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)通過變頻器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。在離心機(jī)允許的最大轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)鼓速度越大，離心力越大，能有效提高泥團(tuán)的含固率。轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速過大也容易破壞污泥和絮凝劑形成的絮凝體，反而降低脫水效果，造成離心機(jī)出現(xiàn)排污水不排泥的狀態(tài)。同時轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速太高會加速對機(jī)器零件的磨損，動力能耗、振動、溫度及噪聲水平也會相應(yīng)增加，對機(jī)器長期使用不利。

3.2 相對速度

相對速度（差速度）是螺旋排料電機(jī)相對轉(zhuǎn)鼓的速度。相對速度直接影響污泥的輸送能力、污泥干度和濾液澄清度，它是離心機(jī)運(yùn)行中重要的調(diào)節(jié)參數(shù)之一。應(yīng)根據(jù)物料濃度、絮凝劑濃度、處理量大小、處理要求及離心機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)來確定相對速度大小。在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)現(xiàn)場工況尋找到最佳的處理量、處理效果需求的相對速度值范圍，以實(shí)現(xiàn)滿足污泥干度的情況下盡可能高的排泥處理能力。同時，應(yīng)具備相對速度自動調(diào)節(jié)功能，能根據(jù)離心機(jī)系統(tǒng)的擾動進(jìn)行自動修正。

3.3 離心機(jī)扭矩

離心機(jī)扭矩是通過螺旋電機(jī)傳動的方式反映離心機(jī)內(nèi)腔的物料負(fù)載和機(jī)械傳動狀態(tài)。離心機(jī)扭矩大小決定了離心機(jī)的處理能力和污泥干度。離心機(jī)扭矩高，污泥含水率低，污泥干度好；反之離心機(jī)扭矩低，污泥含水率高，污泥干度差。在實(shí)際生產(chǎn)中既要求處理的污泥干度高，也要求污泥處理量大的指標(biāo)；這樣就要求自控系統(tǒng)在穩(wěn)定控制離心機(jī)扭矩，保持良好干度的同時，動態(tài)控制相對速度以實(shí)現(xiàn)控制污泥處理量。原則上要以污泥處理量結(jié)合污泥干度來確定離心機(jī)扭矩和相對速度參數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行上下調(diào)整，結(jié)合污泥流量和絮凝劑流量計(jì)，污泥干度、濾液狀況來確定，找到最佳離心機(jī)扭矩和相對速度數(shù)值。

3.4 污泥和絮凝劑進(jìn)料量

市政污水是生產(chǎn)、生活中所排放的污水，污水水質(zhì)成分有較大的差異，如采用不同處理工藝得到的污泥會有較大的差異[4]。為了改善污泥脫水性能和處理效果，離心機(jī)脫水前的污水需要按照工藝比例加入絮凝劑，即聚丙烯酰胺，用來降低污水中污泥的比阻，結(jié)合比重大的污泥顆粒形成絮凝團(tuán)，加速了污泥的固相和液相分離后便于脫水。實(shí)際應(yīng)用中絮凝劑的種類很多，絮凝劑的選擇必須要和污泥性質(zhì)、離心機(jī)類型和設(shè)備運(yùn)行工況相適應(yīng)。在離心機(jī)正常運(yùn)行，污泥濃度穩(wěn)定的情況下，絮凝劑的用量和處理的污水的固體含量成正比例關(guān)系，在一定污泥進(jìn)料量的情況下，絮凝劑的用量要根據(jù)污泥的濃度進(jìn)行調(diào)整。

實(shí)際上受季節(jié)的天氣差異、城市污水的排量負(fù)荷、水質(zhì)的變化、待處理污水存放時間等相關(guān)因素制約，市政污水的濃度會經(jīng)常發(fā)生變化。這種污泥濃度的變化對市政離心機(jī)脫水機(jī)和絮凝劑進(jìn)料量的會產(chǎn)生較大波動。污泥濃度發(fā)生變化，離心機(jī)自控系統(tǒng)要及時調(diào)整絮凝劑進(jìn)料量和相對速度，既要保證處理效果又要避免絮凝劑的浪費(fèi)；污泥進(jìn)料量增大或污泥濃度增加時，自控系統(tǒng)自動跟蹤絮凝劑進(jìn)料量增加，相對速度速度相應(yīng)加大；污泥進(jìn)料量下降或污泥濃度降低時，自控系統(tǒng)自動跟蹤絮凝劑進(jìn)料量降低，相對速度相應(yīng)減少，從而實(shí)現(xiàn)自控系統(tǒng)自動動態(tài)調(diào)節(jié)，保持整個污水、絮凝劑、離心機(jī)三者關(guān)系的平衡。

高性能的要求對離心機(jī)自控系統(tǒng)來說，需要配置高性能的控制器，配置高級PID 自動控制和模糊控制功能，實(shí)現(xiàn)污泥脫水機(jī)的處理量和污泥干度控制。

4 結(jié)語

市政污水離心機(jī)在市政污水處理中扮演著重要角色。先進(jìn)和穩(wěn)定的離心機(jī)自控系統(tǒng)是使用離心機(jī)高效脫水的基礎(chǔ)，本文從離心機(jī)自控系統(tǒng)角度出發(fā)，闡述了自控系統(tǒng)的特點(diǎn)以及效果因素，對全面提高離心機(jī)在市政污水處理中的運(yùn)行管理水平具有一定的參考意義。