基于PLC污泥脫水機控制系統的構建與實施

劉玉濤

（煙臺市城市排水服務中心，山東 煙臺 264000）

0 引言

脫水機是實現固液分離的關鍵設備。在脫水機工作時，轉鼓與螺旋電機轉速之間的差轉速，決定著污泥的分離效果和分離效率[1]。為有效調節差轉速達到最佳值，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才能得到實現。

隨著電子技術、計算機軟件技術和自動化控制技術的飛速發展，PLC控制方式已經成為主流控制方式。PLC由CPU模塊、電源模塊、輸入/輸出模塊組成，通過開關量和模擬量信號輸入、輸出來控制各類設備部件操作[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、及時提供數據交互信息和報警提示，大幅度地提高設備自動化集成程度和運行效率。

國內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，但是控制程序因知識產權保護原因，沒交付給使用方。當設備出質保期后，一旦出現軟硬件采購、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廠家的服務，必然增加企業費用負擔。為了打破這種現狀，通過研究污泥脫水機的工藝，以PLC為控制核心重新開發自控系統。完全滿足脫水機系統的工藝需求，并為設備改造提供有益嘗試。

1 污泥脫水機系統構成及原理

污泥脫水系統由脫水機、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、清洗水閥等設備構成。

脫水機內部結構如圖1所示。

1）轉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鼓旋轉，轉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鼓做同向轉動，但轉速不一樣[1]。

兩者之間關系如下：

式（1）中，nZ—轉鼓絕對轉速；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進入脫水機，在離心力的作用下轉鼓內形成一環形液池，重相固體顆粒離心沉降到轉鼓內表面而形成沉渣。由于螺旋葉片與轉鼓的相對運動，沉渣被螺旋葉片推送到轉鼓的小端，送出液面并從排渣孔甩出。在轉鼓的大端蓋上開設有若干溢流孔，澄清液便從此處流出，通過調節溢流擋板溢流口位置、轉鼓轉速、轉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，差轉速控時，要保障差轉速穩定，達到出渣干度恒定，采用扭矩控制時要確保離心機負荷穩定，使分離效果處于最佳狀態，以保證離心機可靠安全運行[3]。

2 脫水機控制系統設計

采用羅克韋爾logix5000軟件編程，實現轉鼓電機和螺旋電機調速自動運行，各個工藝設備手自動操作和安全報警保護。在觸摸屏中設置和修改系統運行參數，并實時顯示運行數據等功能，系統模塊如圖2所示。

2.1 系統模塊控制程序

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

急停開關報警是當離心脫水系統發生緊急情況時，為避免重大事故的發生，由現場急停按鈕或者控制柜上的急停按鈕來關閉電源，停止系統運行。

2.2 絮凝劑制備裝置控制模塊

進入管道的污泥經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，實現藥量PID自動調節。

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，導致污泥脫水機粘阻現象的產生，造成輸送管路或脫水機振動。通過PLC的邏輯控制，實現污泥切割機的啟動/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、電動閥門等設備組成。PLC的模擬量輸入模塊實現對流量計信號的采集，根據生產實際需要，對藥劑流量進行設定，流量計將污泥流量運行值反饋給控制系統，系統采用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鼓圓錐體和圓柱體的交界區，污泥在進入轉鼓后，固相在離心力的作用下被甩到轉鼓的內壁上，兩相分離發生在轉鼓的圓柱形部分，在轉鼓的大端有可調節的溢流堰板，液相澄清后從溢流堰板流出到分離液出口，固相則從轉鼓小端的排渣口排出[3]。溢流堰板作用是調節液相層高度，實現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。

脫水機模塊由轉鼓電機調控、螺旋電機調控、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。將溫度信號轉換為 4 mA～20mA的模擬信號，通過PLC的模數轉換，PLC程序判別當前溫度是否超出120℃，如果超出預報警，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定值，超出設定值，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定標準值時，輸出相應報警信號。

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；轉鼓和螺旋雙電機開始運行，根據設定的轉速調用程序進行運轉，并讀轉鼓和螺旋電機轉速值和螺旋輸送器電機轉矩值。若螺旋電機實時運行扭矩高于系統設定高扭矩值，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，直至系統加速至設定值，維持運行狀態。

由于差速器的作用，轉鼓轉速和螺旋輸送器轉速的對應關系如下：

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

根據實際需求，選擇觸摸屏上PID開關，程序動態調節變頻器運行，調控螺旋電機轉速實現PID調節差速控制。在觸摸屏上選擇自動控制模式關機后，每隔15s，依次進行如下程序：轉鼓和螺旋正常停機；系統按照邏輯控制程序；轉速逐漸減少至停止；加藥泵和進泥泵等按邏輯停機。最后進入高速清洗狀態，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，系統整體運行結束。

2）手動控制

手動控制模式由系統啟動、系統加速、人工調速、系統運行和低速清洗步驟組成。采用選擇手動控制模式啟動后，轉鼓電機和螺旋電機運行。當轉鼓和螺旋電機確認啟動后，轉鼓和螺旋電機根據觸摸屏默認設置運行，系統進入加速過程。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，直到轉速滿足加速到設定值為止，同樣減速也是如此。手動模式關機，進行低速清洗狀態，電機轉速逐漸降低至停機，直到低速清洗完畢，系統停止運行。

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設備的聯鎖保護。聯鎖保護包含：如果污泥泵或脫水機的轉鼓運行，則PLC系統就給污泥輸送器開指令；如果脫水機系統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轉鼓螺旋污泥堵塞等情況，需要對脫水機進行清洗。如果脫水機內的殘留污泥較多，容易出現扭矩較大，或者震動報警。程序通過對清洗水閥的開關操作來實現對脫水機的高速清洗過程。

3 脫水機控制系統現場調試

進行單元調試、聯體調試，對調試中發生的問題逐一分析，并總結和對其完善。經試運行后，運行指標滿足設計指標及性能要求，脫水后污泥的含水率為75%，脫水效果穩定。

4 結語

通過深入了解脫水機工作原理，在系統中采用PLC和變頻器技術，結合羅克韋爾PLC軟件logix5000編程，實現了轉鼓電機和螺旋輸送器電機的緩啟動，實現了手動/自動運調節，保障系統穩定運行。由于轉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，節省了電耗，也滿足了脫水機的穩定性、可靠性的要求。