水廠污泥離心脫水系統(tǒng)控制方案解析
技術(shù)支持
污泥離心脫水系統(tǒng)為保證穩(wěn)定運行，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)字運算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計，它采用可編程序的存儲器（在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等的操作指令），并通過數(shù)字式和模式式的輸入、輸出控制各類機械或生產(chǎn)過程。PLC是20世紀70年代以來在集成電路、計算機技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于自動化控制的各個領(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)簡介
整套污泥離心脫水系統(tǒng)由離心機、絮凝劑制備裝置、切割機、進泥螺桿泵、加藥螺桿泵、進泥流量計、加藥流量計、螺旋輸送機等部分組成。
1.2 離心機結(jié)構(gòu)和基本原理
上逆流臥式螺旋卸料沉降離心機是可同時完成污泥濃縮、脫水的設(shè)備。主機由柱-錐轉(zhuǎn)鼓、螺旋卸料器、差速器、軸承座、機座、罩殼、主副電機及電器系統(tǒng)構(gòu)成。其工作原理是：懸浮液經(jīng)進料管和螺旋出料口進入轉(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)鼓作相對運動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)鼓之間的相對運動（即差轉(zhuǎn)速）通過差速器來實現(xiàn)，其大小由副電機來控制。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，輸入軸與副電機相聯(lián)接。主電機帶動轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)的同時也帶動了差速器外殼的旋轉(zhuǎn)，副電機通過聯(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，從而實現(xiàn)離心機對物料的連續(xù)分離。
離心機具有2種自動控制功能，即差轉(zhuǎn)速控制和力矩控制。由于物料含固率可能有波動，采用差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)時要保證差轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，達到出渣干度恒定；采用恒力矩控制時要確保離心機負荷穩(wěn)定，使得分離效果處于較佳狀態(tài)，以保證離心機可靠安全運行。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現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)連續(xù)自動運行。在運行過程中，PLC會對離心機的軸承溫度、振動、力矩、藥箱液位、污泥池液位、進料流量、加藥流量進行判斷，以確保系統(tǒng)的運行安全。當出現(xiàn)異常情況時，觸摸屏上會顯示報警信息，根據(jù)報警信息可確定故障位置，與上位機進行PROFIBUS-DP通訊，實現(xiàn)對離心脫水系統(tǒng)運行參數(shù)的實時監(jiān)控。
1.3 設(shè)計方案
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）、進料變頻器（ABB ACS510）、供粉變頻器（ABB ACS510）、PLC（西門子 S7-200）、西門子觸摸屏（SMART 1000 IE）、接觸器、繼電器、接近開關(guān)等。
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。各個開關(guān)量控制及定時、計數(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、副機力矩均采用過程控制。
對于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)定可靠運行。從S7-200PLC安裝手冊可以看出，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行了抗干擾處理。
（1）硬件接線。動力線、控制線分別布線；開關(guān)量和模擬量信號分開走線，模擬量信號（如藥箱液位、加藥、進料流量計信號、污泥池液位、振動信號）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負端與M短接，消除共模電壓差；PLC供電增加隔離變壓器；傳感器輸出信號增加阻容濾波，濾除高頻干擾信號；有效的接地。
（2）程序方面。對模擬量輸入信號在程序中作累計128次取平均值的處理，每次讀取時間在毫秒級，完全滿足實際需要。
1.4 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
該PLC控制系統(tǒng)考慮了各種聯(lián)鎖保護，如軸承座振動、溫度變化、主變頻器故障、副變頻器故障、加藥變頻器故障、進料變頻器故障、輸送機故障、刀閘閥故障、進料蝶閥故障、偏心閥故障、污泥池攪拌機故障、污泥池液位變化、藥箱液位低、力矩大、主機電流大、加藥流量小、進料流量小等，能在發(fā)生故障后自動聯(lián)鎖保護設(shè)備。變頻器的運行、故障反饋、啟動/停止均通過PLC開關(guān)量模塊完成，運行頻率、運行電流、給定頻率由模擬量輸入/輸出模塊通過0～20mA電流信號進行監(jiān)控或控制。
1.5 PLC自動控制流程
1.5.1 離心脫水系統(tǒng)
按下程序啟動按鈕，離心機5min達到分離轉(zhuǎn)速（2700r/min），3min穩(wěn)速啟動輸送機；檢測藥箱液位與污泥池液位是否正常，無異常加藥泵啟動，進泥偏心閥開啟，加藥流量大于0.3m3/h后進泥泵啟動，延時3min刀閘閥打開，離心機進入正常分離狀態(tài)；當力矩大于45N·m或按下程序停止按鈕，加藥泵停止，延時1min停進泥泵；關(guān)閉進料偏心閥，離心機空轉(zhuǎn)10min排泥后關(guān)閉刀閘閥，停輸送機；離心機停車25min，然后再次升速到?jīng)_洗轉(zhuǎn)速（10Hz），開沖洗閥沖洗15min，停車結(jié)束。
在運行過程中，PLC會對軸承溫度、振動、力矩、藥箱液位、污泥池液位進行實時監(jiān)控，當出現(xiàn)異常時聯(lián)鎖保護相關(guān)設(shè)備，確保離心機安全可靠運行。
程序設(shè)計分自動和手動2種模式。手動模式就是各設(shè)備可單獨操作，通過人為操作進行每個設(shè)備的順序控制；自動模式就是一鍵啟動，所有設(shè)備按編制的自動程序進行順序控制，自動與手動互鎖。
根據(jù)設(shè)定力矩，PLC通過調(diào)節(jié)副電機轉(zhuǎn)速對實際力矩實現(xiàn)比例、積分、微分控制（PID控制）。
1.5.2 PAM制備系統(tǒng)
選擇自動模式，三箱攪拌機自動運行，自動檢測第三箱液位，中液位開始自動配藥，檢測藥斗藥位，一切正常時自動啟動供水閥、推桿、供粉電機、振動器，按照設(shè)定的配比自動調(diào)整PAM干粉投加量，達到第三箱高液位自動停推桿、供粉電機、供水閥、振動器。
1.5.3 PAM投加系統(tǒng)
設(shè)定好濃縮池PAM干粉投加量，根據(jù)進泥量大小通過調(diào)整投加泵轉(zhuǎn)速對PAM投加量進行PID控制。
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)用實例，說明伴隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化的進程，PLC在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域仍然將發(fā)揮巨大的主導作用，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)自動化提供強有力的技術(shù)支持。
