水廠污泥離心脫水系統控制方案解析

付 兵 狄海龍 李 強

海申機電總廠（象山）（浙江寧波 315718）

污泥離心脫水系統為保證穩定運行，多采用可編程邏輯控制器（PLC）加觸摸屏控制方式。PLC 是一種數字運算的電子系統，專為工業環境下應用而設計，它采用可編程序的存儲器（在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等的操作指令），并通過數字式和模式式的輸入、輸出控制各類機械或生產過程。PLC 是20 世紀70 年代以來在集成電路、計算機技術基礎上發展起來的一種新型工業控制設備[1]，被廣泛應用于自動化控制的各個領域。

1 PLC 在水廠污泥離心脫水系統中的應用

1.1 污泥離心脫水系統簡介

整套污泥離心脫水系統由離心機、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，具體如圖1 所示。

圖1 離心脫水系統簡圖

圖2 離心機結構

1.2 離心機結構和基本原理

上逆流臥式螺旋卸料沉降離心機是可同時完成污泥濃縮、脫水的設備。主機由柱-錐轉鼓、螺旋卸料器、差速器、軸承座、機座、罩殼、主副電機及電器系統構成，具體見圖2。其工作原理是：懸浮液經進料管和螺旋出料口進入轉鼓，在高速旋轉產生的離心力作用下，密度較大的固相顆粒沉積在轉鼓內壁上，與轉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，分離后的清液經液層調節板開口流出轉鼓。螺旋與轉鼓之間的相對運動（即差轉 速）通過差速器來實現，其大小由副電機來控制。差速器的外殼與轉鼓相聯接，輸出軸與螺旋體相聯接，輸入軸與副電機相聯接。主電機帶動轉鼓旋轉的同時也帶動了差速器外殼的旋轉,副電機通過聯軸器的聯接來控制差速器輸入軸的轉速，使差速器能按一定的速比將扭矩傳遞給螺旋，從而實現離心機對物料的連續分離[3]。

離心機具有2 種自動控制功能，即差轉速控制和力矩控制。由于物料含固率可能有波動，采用差轉速控制系統時要保證差轉速穩定，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定，使得分離效果處于最佳狀態，以保證離心機可靠安全運行。目前，離心脫水系統的電控系統多采用PLC 加觸摸屏的控制模式實現系統的平穩連續自動運行。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，以確保系統的運行安全。當出現異常情況時，觸摸屏上會顯示報警信息，根據報警信息可確定故障位置，與上位機進行PROFIBUS-DP 通訊，實現對離心脫水系統運行參數的實時監控。

1.3 設計方案

1.3.1 系統配置

控制柜內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）（配置表見表1）、西門子觸摸屏（SMART 1000 IE）、接觸器、繼電器、接近開關等。

表1 PLC 配置表

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。各個開關量控制及定時、計數、聯鎖等采用順序控制。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 控制系統來說，其抗干擾能力的高低直接影響系統的穩定可靠運行[4]。從S7-200PLC 安裝手冊可以看出，模擬數字（A/D）模塊轉換間沒有隔離，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 控制系統軟件設計

該PLC 控制系統考慮了各種聯鎖保護，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（故障聯鎖及地址見表2 與表3），能在發生故障后自動聯鎖保護設備。變頻器的運行、故障反饋、啟動/停止均通過PLC 開關量模塊完成，運行頻率、運行電流、給定頻率由模擬量輸入/輸出模塊通過0～20 mA 電流信號進行監控或控制[5]。

1.5 PLC 自動控制流程

1.5.1 離心脫水系統

離心脫水系統控制流程如圖3 所示。按下程序啟動按鈕，離心機5 min 達到分離轉速（2 700r/min），3 min 穩速啟動輸送機；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0.3 m3/h 后進泥泵啟動，延時3 min 刀閘閥打開，離心機進入正常分離狀態；當力矩大于45 N·m 或按下程序停止按鈕，加藥泵停止，延時1 min 停進泥泵；關閉進料偏心閥，離心機空轉10 min 排泥后關閉刀閘閥，停輸送機；離心機停車25 min，然后再次升速到沖洗轉速（10 Hz），開沖洗閥沖洗15 min，停車結束。

表2 故障聯鎖

表3 I/O 地址表（部分）

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控，當出現異常時聯鎖保護相關設備，確保離心機安全可靠運行。

程序設計分自動和手動2 種模式。手動模式就是各設備可單獨操作，通過人為操作進行每個設備的順序控制；自動模式就是一鍵啟動，所有設備按編制的自動程序進行順序控制，自動與手動互鎖。

根據設定力矩，PLC 通過調節副電機轉速對實際力矩實現比例、積分、微分控制（PID 控制）。恒力矩PID 控制原理見圖4。

圖3 離心脫水系統控制流程圖

圖4 恒力矩PID 控制原理

1.5.2 PAM 制備系統

PAM 制備系統控制流程見圖5。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，按照設定的配比自動調整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。

圖5 PAM 制備系統控制流程

1.5.3 PAM 投加系統

濃縮池PAM 投加系統工作流程見圖6。設定好濃縮池PAM 干粉投加量，根據進泥量大小通過調整投加泵轉速對PAM 投加量進行PID 控制。

圖6 濃縮池PAM 投加量PID 控制原理

1.6 變頻器主要參數設置

變頻器主要參數設置情況如表4 所示。

表4 變頻器參數設置表

2 結語

通過介紹水廠離心脫水系統中控制方案的應用實例，說明了伴隨著現代工業自動化的進程，PLC 在工業自動化控制領域仍然將發揮巨大的主導作用，隨著PLC 與現代網絡設備的不斷聯系和應用，其在未來工業自動化控制領域必將獲得更大的發展空間，為現代工業自動化提供強有力的技術支持。