安丙峰（天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，蘭州730060）

基于S7-1500的污泥干化控制系統(tǒng)

安丙峰（天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，蘭州730060）

為解決污泥干化處理過程中，裝置開工率低，能耗高，生產(chǎn)運行成本高，系統(tǒng)整體穩(wěn)定性差以及臭味嚴(yán)重等問題，我院提出了以真空槳葉干燥機、洗滌塔、堿洗塔及除臭系統(tǒng)為核心設(shè)備的一整套工藝流程方案。針對該工藝流程方案，提出一整套控制方案，整套控制系統(tǒng)主要由西門子S7-1500 PLC和WINCC 7.3監(jiān)控軟件組成，完成對整個生產(chǎn)裝置的監(jiān)測和控制，提高了生產(chǎn)效率，方便了對整個生產(chǎn)裝置的控制。

污泥；干化；S7-1500；控制；監(jiān)控系統(tǒng)

國內(nèi)當(dāng)前應(yīng)用的污泥干化技術(shù)基本處于起步階段，大多采用通用干燥器和焚燒爐設(shè)備，設(shè)備適應(yīng)性能不理想，處理能力不達(dá)標(biāo)，已建成的污泥干化裝置開工率低，系統(tǒng)能耗普遍較高，生產(chǎn)運行成本居高不下，難以維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，且后續(xù)尾氣處理不完善，臭味嚴(yán)重。天華院根據(jù)當(dāng)前情況，提出了以真空槳葉干燥機、洗滌塔、堿洗塔及除臭系統(tǒng)為核心設(shè)備的全套工藝流程方案。針對該工藝流程方案，提出了一整套控制方案，整套控制方案采用上位工控機＋PLC+現(xiàn)場智能儀表的控制方式，控制系統(tǒng)主要由西門子S7-1500 PLC和WINCC 7.3監(jiān)控軟件組成，完成對整個生產(chǎn)裝置的監(jiān)測和控制，提高了生產(chǎn)效率，方便了對整個生產(chǎn)裝置的控制。

1　工藝流程簡介

污泥干化處理系統(tǒng)主要由進(jìn)料系統(tǒng)、真空槳葉干燥機、洗滌塔、堿洗塔及除臭系統(tǒng)等組成，其工藝流程如圖1所示。

圖1　污泥干化系統(tǒng)工藝流程圖

進(jìn)料系統(tǒng)主要由污泥池、破拱滑架、液壓雙軸螺旋輸送機、柱塞泵等組成，污泥經(jīng)由卡車運輸至污泥池中，污泥池采用地下料倉形式，污泥進(jìn)入污泥池后，液壓驅(qū)動破拱滑架在倉底往復(fù)運動，阻止污泥在污泥池底部架橋，并連續(xù)不斷地將污泥輸送至污泥料倉底部液壓雙軸螺旋輸送機，液壓雙軸螺旋輸送機在接收到破拱滑架輸送來的污泥后，以增壓方式，向液壓柱塞泵喂料，污泥通過液壓柱塞泵增壓后進(jìn)入真空槳葉干燥機，進(jìn)入干燥系統(tǒng)。污泥池配有在線超聲波料位計，進(jìn)行料倉監(jiān)控；柱塞泵具有計量功能，可控制污泥的進(jìn)料量的大小。

干燥系統(tǒng)主要由真空槳葉干燥機，凝液系統(tǒng)等組成，利用污泥池底部的柱塞泵將濕污泥增壓后打入到真空槳葉干燥機內(nèi)，同時飽和蒸汽通過管路分配進(jìn)入真空槳葉干燥機的空心熱軸、圓盤葉片和夾套中，將熱量傳遞給濕污泥，使污泥中的水分蒸發(fā)，干燥后的污泥經(jīng)螺旋輸送器、旋轉(zhuǎn)卸料閥進(jìn)入出料料倉。

尾氣處理系統(tǒng)主要由洗滌塔、堿洗塔、真空泵、除臭塔和引風(fēng)機等組成。自真空槳葉干燥機蒸發(fā)出來的尾氣（水蒸氣、不凝氣和少量污泥粉塵）通過真空泵的抽吸進(jìn)入洗滌塔，在洗滌工藝水的作用下進(jìn)行降溫去濕除塵，洗滌水大部分循環(huán)使用，小部分由洗滌循環(huán)泵增壓外排進(jìn)入廢水沉淀池進(jìn)行處理。凈化后的尾氣進(jìn)入堿洗塔進(jìn)行堿洗，堿液由配堿罐加入，維持堿液罐內(nèi)的ph值平衡，堿洗液通過堿液泵打入堿洗塔循環(huán)使用。堿洗后的尾氣首先通過除霧器除霧去濕，然后由加熱器加熱提高露點溫度，最后進(jìn)入除臭塔進(jìn)行除臭，完全凈化后的尾氣由引風(fēng)機排出。

2　主要控制部分

縱觀整個工藝流程，主要控制包括：

（1）污泥進(jìn)料量與干燥機負(fù)荷的控制；

（2）飽和蒸汽流量的控制；

（3）洗滌塔液位的控制；

（4）堿洗塔液位的控制；

（5）堿洗塔pH值的控制；

（6）可燃?xì)怏w報警器和有毒氣體報警器的設(shè)置；

（7）電機、泵及風(fēng)機的控制。

為了確保污泥干化系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效的運行，對于進(jìn)料量要嚴(yán)格控制，通過帶計量的柱塞泵和變頻器來實現(xiàn)，變頻器通過調(diào)節(jié)柱塞泵的運行頻率來控制進(jìn)料量的大小，柱塞泵上的流量計反饋流量參數(shù)，調(diào)節(jié)方式為PID。進(jìn)料量的大小直接影響著干燥機的負(fù)荷大小，通過測量干燥機的負(fù)荷電流來調(diào)節(jié)污泥進(jìn)料量的大小。為了保證干燥機能夠穩(wěn)定有效的運行，設(shè)置干燥機的主電機電流測量回路，當(dāng)電流過高時，應(yīng)降低進(jìn)料量并發(fā)出報警信息，提示操作員干燥機出現(xiàn)過負(fù)荷異常狀況；當(dāng)電流在一定時間內(nèi)一直持續(xù)過高時，應(yīng)停止進(jìn)料，檢查異常原因，及時處理。

在整個工藝流程中，干燥機飽和蒸汽流量的控制是非常重要的，直接影響著污泥的干燥效果，如果干燥過渡，則會形成大量的污泥粉塵，尾氣中的粉塵濃度也會增加，直接影響后續(xù)尾氣的處理效果；如果干燥程度不夠，則會影響產(chǎn)品后續(xù)的使用效果，所以，對干燥機出口污泥的含水率必須控制在一定的范圍內(nèi)。因飽和蒸汽流量的大小與干燥機出口物料的溫度及含水率是直接相關(guān)的，而影響蒸汽流量的主要參數(shù)有，入口污泥料的進(jìn)料速率、溫度、含水率、蒸汽的壓力及溫度等等參數(shù)。此控制過程可通過設(shè)置一臺蒸汽流量計、一臺蒸汽調(diào)節(jié)閥，一臺壓力變送器和一臺溫度變送器就可實現(xiàn)，現(xiàn)場智能儀表測量的數(shù)據(jù)信號以4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號形式送入S7-1500 PLC系統(tǒng)，PLC將測量值與目標(biāo)值作比較，經(jīng)分析計算后輸出一個修正過的閥門開度，通過PLC模擬量輸出模塊輸出到蒸汽調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥門開度，最終使蒸汽流量值與用戶設(shè)定的目標(biāo)值一致，從而達(dá)到穩(wěn)定蒸汽流量，控制真空槳葉干燥機出口污泥含水率的目的。

對于洗滌塔液位和堿洗塔液位的控制，主要是實現(xiàn)液封以及為了防止泵的“汽蝕”現(xiàn)象的發(fā)生，所以須將它們的液位控制在某一恒定值范圍內(nèi)，為了確保整個系統(tǒng)安全可靠的運行，設(shè)置液位低報警和高報警，當(dāng)液位過高或過低時，系統(tǒng)發(fā)出報警，提示操作員出現(xiàn)異常，及時處理相關(guān)問題；當(dāng)液位低于低低連鎖值或高于高高連鎖值時，應(yīng)停機檢查異常原因，及時處理。此控制過程可通過一液位變送器和一調(diào)節(jié)閥就可實現(xiàn)，控制方法采用PID控制，整個控制由S7-1500 PLC系統(tǒng)實現(xiàn)。

對于堿洗塔pH值的控制，因pH值的控制回路滯后嚴(yán)重，采用串級控制的PID調(diào)節(jié)閥方式；內(nèi)環(huán)為堿液流量與調(diào)節(jié)閥之間的控制，通過調(diào)節(jié)控制閥的閥門開度來控制堿液的補充流量；外環(huán)為調(diào)節(jié)閥與堿洗塔pH值之間的控制；通過串級控制，很好的控制了堿洗塔內(nèi)pH值的穩(wěn)定，保證工藝吸收效果和吸收濃度。

在污泥干化的過程中，可能會釋放出少量的可燃?xì)夂陀卸練怏w，所以，在污泥進(jìn)料倉、真空槳葉干燥機、出料倉以及尾氣處理系統(tǒng)裝置周圍設(shè)置了可燃?xì)怏w報警器和有毒氣體報警器。當(dāng)可燃?xì)獾暮砍^25%LEL時，可燃?xì)怏w報警器蜂鳴器響；當(dāng)有毒氣體的含量超過7ppm時，有毒氣體報警器蜂鳴器響；現(xiàn)場報警器或中央控制室系統(tǒng)發(fā)布報警信息時，操作人員應(yīng)及時處理現(xiàn)場異常狀況。

對于電機、風(fēng)機及泵的控制，在現(xiàn)場設(shè)置現(xiàn)場操作柱，現(xiàn)場操作柱就近安裝在電機、風(fēng)機及泵周圍，便于操作。為便于操作人員監(jiān)視電機、風(fēng)機及泵的運行狀態(tài)，所有電機、風(fēng)機及泵的運行狀態(tài)信號、故障狀態(tài)信號、手動/自動切換信號以及重要電機的電機電流信號都引入S7-1500 PLC。同時在S7-1500 PLC系統(tǒng)中引入所有電機、風(fēng)機及泵啟動停止信號，以便于操作人員可直接在中控室操作所有電機、風(fēng)機及泵。

3　硬件及軟件實現(xiàn)

為了保證污泥干化系統(tǒng)安全、經(jīng)濟、連續(xù)可靠的運行，本工程控制系統(tǒng)選用可編程邏輯控制系統(tǒng)（PLC），對污泥干化系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，操作人員在控制室內(nèi)可實現(xiàn)對污泥干化系統(tǒng)的啟動、停止及正常運行工況下的監(jiān)視和控制，控制系統(tǒng)同時具備事故工況的報警、聯(lián)鎖和保護功能。

根據(jù)以上要求，選用西門子S7-1500 PLC系列產(chǎn)品和WinCC 7.3組態(tài)軟件搭建整個控制系統(tǒng)，能夠監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)每一個模擬量和數(shù)字量、調(diào)整過程設(shè)定值、建立趨勢畫面并獲得趨勢信息、顯示操作指導(dǎo)、聲音報警、打印報表等等。污泥干化控制系統(tǒng)是采用S7-1500 PLC實現(xiàn)的，CPU選擇為CPU1511-1PN，帶有一個IM155擴展機架，整個系統(tǒng)都是通過TCP/IP連接的，與污泥輸送系統(tǒng)通信連接也是通過TCP/IP實現(xiàn)的，通過WINCC 7.3可直接讀取污泥輸送系統(tǒng)S7-200站的所有數(shù)據(jù)。污泥干化系統(tǒng)PLC控制的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

搭建的S7-1500控制系統(tǒng)能夠滿足我們提出的所有控制要求。系統(tǒng)中含有一個工程師站，工程師站配一A3彩色打印機，以便于工程師打印相關(guān)報警數(shù)據(jù)，報表數(shù)據(jù)以及歷史歸檔趨勢圖等；一個操作員站，操作員站配一A4雙色打印機，以便于操作員打印報警記錄，數(shù)據(jù)報表等。

操作員站的主要功能為：

（1）監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)每一個模擬量和數(shù)字量；

（2）顯示并確認(rèn)報警、顯示操作指導(dǎo)；

圖2　污泥干化系統(tǒng)PLC控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

（3）建立趨勢畫面并獲得趨勢信息、打印報表；

（4）調(diào)整過程設(shè)定值和部分控制參數(shù)的設(shè)定。

工程師站的基本功能如下：

（1）程序開發(fā)、系統(tǒng)診斷；

（2）控制系統(tǒng)組態(tài)開發(fā)及用戶權(quán)限的分配；

（3）畫面的編輯、修改及重要控制參數(shù)的設(shè)定。

4　結(jié)束語

天華院開發(fā)的污泥干化成套技術(shù)設(shè)備適應(yīng)性能好、處理能力強、運行成本低、系統(tǒng)穩(wěn)定，且后續(xù)尾氣處理完善，能夠有效地除臭。本裝置系統(tǒng)能夠有效地減少污泥的二次污染，實現(xiàn)污泥的減量化、無害化、資源化與能源化利用，改善人們生存環(huán)境條件，改善人民生活質(zhì)量，解決污泥污染控制與治理面臨的緊迫難題，市場前景廣闊。本文提出的污泥干化系統(tǒng)的控制方案，自動化程度高，保證了生產(chǎn)裝置的安全性和高效性，同時又大大的降低了系統(tǒng)的維護成本和操作人員的勞動強度。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)投入實際應(yīng)用，控制效果理想。

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A

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國家水體污染控制與治理科技重大專項（2013ZX07 135-002-08）。

2016-9-1