一種新型防凍型污水處理加藥裝置及其電氣控制設計

蔡振江

摘 要：污水處理過程中不可避免的需要投加一定量的化學處理藥劑，投加過程需要有一套專用的加藥裝置配合整個污水處理系統進行協調工作，以往簡單的繼電器聯動控制的精度及準確度還需要進一步加強，且北方地區還需要具有防凍功能，因此本文介紹了一款自行設計開發的基于PLC+觸摸顯示屏的新型防凍型加藥裝置及其電氣控制自動化的實現。

關鍵詞：加藥裝置 防凍 電氣自動化 觸摸顯示屏

中圖分類號：X703.5

Abstract： It is inevitable to add a certain amount of chemical treatment agent in the process of sewage treatment. A set of special dosing device is required to cooperate with the sewage treatment system. The accuracy of the device should be improved. In addition， the insulated function of the device also should be considered in the northern area of China. Therefore， a new antifreeze dosing device with PLC+touch panel and automation control was designed.

Key Words： Chemical dosing system; Antifreeze; Electrical automation; Touch panel

污水處理是為使污水排放達到某一水體標準或再利用水質要求對其進行凈化的過程[1]。在污水處理工藝中物理與生物處理機制未能達到全面的處理效果，需要結合化學方法的輔助處理機制進行中和處理，以達到綜合處理達標的效果。如污水中含磷超標就需要添加適量的除磷劑[2]。在生活污水處理站中主要有除磷劑和次氯酸鈉消毒，藥劑的處理需要配套的加藥裝置，而加藥裝置需要具備較高的電氣自動化控制能力，以便更好地配合整個的污水處理過程，使出水水質達到更佳效果。

隨著污水處理技術的發展，對污水處理技術的要求也越來越高，操作要求簡單快捷。加藥裝置整體設計需要實現電氣全自動控制，電控系統決定裝置運行穩定性[3]，采用成熟可靠性高的可編程控制器Programmable Logic Controller即PLC，在控制系統中應用能夠滿足發展需求，能夠實現自動控制要求[4]。

加藥裝置即藥劑投加裝置有自動和手動兩種模式，自動時根據工藝要求進行動態加藥，根據控制器PLC輸出的電控信號量精確的控制;而手動時加藥量控制又是根據手動調節加藥泵本體的機械檔位粗略的調節給定加藥量。本文闡述一種基于PLC控制與觸屏人機界面操作顯示的新型防凍加藥控制裝置。該裝置電控PLC硬件部分嵌入到加藥箱體內，箱體外表只顯示人機界面，外觀更加整潔一體化。PLC是加藥裝置的核心控制元件，可靠性高、抗環境污染能力強[5，6]，通過固有的網絡接口通信，可遠程監控裝置的工作狀態，也可實現遠程控制。觸摸顯示屏作為人機界面，替代傳統的按鈕與單顯指示燈，使用操作與顯示更簡潔，具有更友好的界面，能夠更清晰地顯示工作動態與運行數據，通過設定參數能精準的控制設備運行并可進行運行數據存儲，為運營管理帶來可靠的數據。

本文設計了一種以西門子Smart200系列PLC、昆侖通泰顯示屏為顯示操作界面，對加藥裝置進行控制與顯示的控制系統，從系統方案設計、硬件設計、軟件設計以及系統調試幾個方面來介紹該裝置的設計過程。

1.工藝與控制方案設計

1.1工藝的設計

常規加藥裝置一般采用固定的聯動控制方式。根據加藥泵本體的機械檔位設定好一個固定加藥量后，只是簡單的啟停投加泵控制，不能實際精確地控制加藥給定量。而本文采用的是根據污水處理系統水量自動的控制加藥量的方式，能夠通過系統運算模擬量控制加藥量，讓加藥量恰到好處，滿足需求的處理效果。

1.2控制方案設計

自動控制系統一般由被控對象、檢測元件、執行機構、控制器與人機界面組成。被控對象是需要控制的器件;檢測元件是檢測過程參數傳輸給控制器;執行機構是執行控制指令的裝置;控制器要處理信息和收發指令;人機界面提供人機交互。

控制系統總電源通電后開始執行以下操作。

（1）裝置通電，電控裝置進入初始化狀態。對所有傳感器信號復位，檢測所有電氣設備是否正常，無故障以后，液位傳感器開始檢測液位信號。經過控制器比較判斷藥箱內實際液位是低于觸屏“設定低液位”位時，開啟進藥閥后啟動輸藥泵進行補充藥劑直至等于或大于“設定高液位”以備藥劑投加使用。

（2）當污水處理系統產水泵運行后，加藥裝置得到污水站控制柜傳輸的運行狀態與流量值信息，判斷流量穩定后根據流量值計算加藥量，然后PLC通過通道輸出模擬量信號給加藥泵，控制加藥泵工作在計算后的加藥量，并保持跟隨控制。

（3）觸摸顯示屏會記錄運行信息以方便進行運營管理，如累計加藥量、累計運行時間、報警記錄等。

（4）裝置中電氣故障會出現報警以提醒運行管理人員進行及時故障處理，并提示故障信息以動畫及文字信息顯示。

整個裝置按照上述要求進行工作，工作框圖如圖1所示。

2.加藥裝置電氣硬件設計

電氣控制系統的設計離不開對現場設備的信號檢測，在投加藥劑的工藝過程中涉及電氣設備主要有液位計、閥門、計量泵、流量計等。液位計是對儲罐中的液位進行檢測;閥門是控制管道中液體流通的執行裝置;投加泵是進行藥劑投加的執行器件;流量計是對藥劑流量進行檢測[7]。

2.1系統運行過程

根據污水處理系統加藥裝置工藝要求精準控制加藥量與污水處理量呈現一定的可靠比例。觸摸顯示屏顯示設備工作狀態，并有參數設定界面可以為設備設定工作參數。當裝置控制器PLC檢測到污水處理系統給出的穩定流量，并有污水處理系統相應水泵運行狀態，通過觸摸顯示屏設定的參數在控制核心PLC中進行比較運算后，輸出一定的模擬量信號控制加藥泵工作。工作流程圖如圖2所示。

2.2電路接線圖

整個裝置主要包括主回路供電圖與控制器接線圖。

（1）主要回路接線圖也是電氣原理圖如圖3所示。

總電源采用國標常用的標準AC220/50Hz供電，并具有直流24V電源作為輔助控制電源，滿足裝置用電的安全性。

總開關采用16A作為裝置的總電源，電熱帶是該裝置的主要用電負荷，采用行業常用的AC220工作電壓，減小用電電流，易于采購，價格低廉。

投加泵1與投加泵2是采用1用1備的使用模式，分別由KA3與KA4控制供電，在系統無故障且有聯動信號的情況下啟動，1臺故障時自動切換至無故障的另1臺工作。

控制電源采用市場上常規的120W的交流轉直流電源，用于電磁閥FM1以及整個裝置的控制電源，包括PLC的I/O信號的電能源。

加熱帶由LM溫控器進行控制KM1，采用上下限+回差控制方式，可以根據該裝置使用地域不同，設定不同的防凍范圍，滿足多地域使用要求，尤其是寒冷的北方地區。圖3中KA7是手動控制功能，可以通過人機界面的手動操作控制加熱與停止，可以用于維護調試。而電熱帶采用的是低溫型，最高溫度在60攝氏度，即使在溫度控制器出現故障時，一直加熱也不會出現過熱情況，能夠保證人身與設備的安全運行。

（2）控制器接線圖。

控制器原理接線圖如圖4、圖5所示。控制器PLC是控制核心元件，主要完成信息采集、數據通信等作用，它與人機界面觸屏采用串口連接進行通信，與總控柜系統采用固有的網絡協議進行通信，可以實現流量與運行狀況通信，并可以實現總控系統對加藥裝置的運行狀況采集與遠程操作控制。

其中流量計裝置是采用脈沖信號，此信號是用于計量泵的輸送流量計量。聯動信號是污水處理系統的輸水泵運行狀態采集，可以通過該狀態采集判斷污水處理系統是否具有加藥條件。

圖4中的投加泵1投加泵2以及投加泵備用目的是安裝2臺投加泵采用1用1備運行，當第1臺故障或者維修時可以直接運行備用泵;而投加泵的運行是擴展預留，方便進行擴容。

在該裝置中液位計采用非接觸式的超聲波液位計，避免一定的藥劑腐蝕性，實時采集藥桶液位，這是該裝置的一個核心傳感器，裝置的主要工作都是根據這個液位信號進行，如補充藥劑，是否滿足加藥條件。圖5中流量計是模擬量信號用來實時顯示流量信息，溫度計也是模擬量信號實時顯示溫度。圖5中模擬量信號輸出是用來控制投加泵在量程范圍內的投藥量。

2.3系統硬件選型

（1）可編程控制器PLC選用西門子系列Smart200 CR20作為控制中心。

（2）觸摸顯示屏選用昆侖通泰TPC7062Ti（K）7寸屏作為人機界面，顯示工作狀態，設定工作參數，查詢工作記錄信息及報警信息。

（3）模擬量模塊采用西門子系列AM06用于模擬量信號采集與輸出控制。

（4）液位傳感器（超聲波液位計）直流24V供電，輸出4～20mA模擬量信號。

（5）加藥泵，采用普羅名特電磁隔膜計量加藥泵，工作電壓AC220V可以通過4～20mA信號調節計量泵流量。

3.系統軟件設計

軟件部分是根據工藝條件及硬件電氣設計進行編寫與組態，主要有硬件I/O分配表及網絡TCP通信與外部建立變量連接，分為控制器PLC程序與觸摸顯示屏組態程序。

控制器PLC程序是根據輸入的信息經過邏輯分析判斷后通過數字量與模擬量輸出信號控制電氣設備動作運行。

而觸摸顯示屏組態程序用來顯示整個裝置的運行狀態與信息，并可以手動操作單臺設備方便運行維護，運行數據信息存儲在顯示屏內存中便于查看管理，如果有故障也會顯示故障信息，在運營管理人員沒有電氣專業知識的情況下也能快速地了解故障狀態。

3.1控制器PLC的I/O分配

加藥裝置電氣控制系統I/O分配表如表1所示。

3.2控制器程序控制原理

該裝置的控制程序是根據采集到的輸入信息進行分析判斷后控制加藥泵工作的過程。污水站中心控制柜PLC檢測到穩定的流量值實時傳輸給加藥裝置控制器PLC，該裝置在根據工藝計算要求設定的加藥比例判斷后，輸出量程內的4～20mA信號控制加藥計量泵的流量。工藝計算要求值，人機界面設定存儲并通過485通信傳輸給設備PLC控制器，然后根據污水站傳輸給設備的實時水量保持自動化的跟蹤控制，如圖6所示。

3.3觸摸顯示屏畫面

觸摸顯示顯示屏是人機界面，通過組態畫面能夠清晰顯示設備的工作狀態及運行數據記錄信息。通過參數設置能夠人為設定工藝需要的運行參數，便于設備的運行管理。主要人機界面如圖7所示。

從整個界面上可以看到整個裝置的狀態，以及顯示數據。從人機控制上是具有“手動”與“自動”控制功能。

自動狀態下，設備按照工況進行自動運行與防凍。

控制開關“自動”狀態下，點擊開關至手動狀態，然后點擊其他設備就能手動控制“啟動”與“停止”，點擊人機界面的電熱帶，可以開啟手動“加熱”與“停止”，并在界面上有相應的顯示，很方便就能識別，所以操作很簡單，界面很友好。

3.4電氣調試

電氣元件裝配線安裝結束后，在程序模擬測試后進行出廠前的調試，在調試中對于有不符合要求的控制程序進行修正，對裝配接線錯誤進行調整，經過實際調試后出現的問題基本都可以解決。調試后的電控系統，運行一段時間后趨于穩定，檢驗是否符合工藝設計要求及裝置各方面的性能穩定，保證運行穩定可靠實用。考慮安裝維護的方便，在加藥裝置的底部設計有機械放空手動閥，在裝置上部安裝有溢流手閥以及通氣管。

4.結語

本次設計了一款基于PLC+觸摸顯示屏的新型防凍型加藥裝置及其電氣控制自動化的實現。該裝置整體更簡潔，加藥更精準，操作更便捷，信息化程度高，方便管理運營。裝置總體設計、主電路設計、控制電路設計、主要硬件選型等，經過實際使用證明該裝置運行穩定，效果良好，實用性強，值得進一步推廣。

參考文獻

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