劉道奇

（極膜環(huán)境科技（上海）有限公司，上海 200065）

隨著污水處理工藝日漸成熟，對(duì)電氣自控系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。污水處理廠的電氣從業(yè)人員普遍存在專(zhuān)業(yè)程度不高，電氣自控專(zhuān)業(yè)知識(shí)比較薄弱的問(wèn)題。因此，技術(shù)人員要做好這些設(shè)備的故障分析及維護(hù)工作，還需要不斷加強(qiáng)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，對(duì)電氣維修方法進(jìn)行分析及總結(jié)，加強(qiáng)污水處理廠的電氣設(shè)備日常保養(yǎng)及運(yùn)行維護(hù)管理至關(guān)重要。

1 污水處理工藝及主要電氣設(shè)備的介紹

污水處理廠按照工藝處理程度可以分為一級(jí)處理、二級(jí)處理和三級(jí)處理。一級(jí)處理主要是去除污水中呈懸浮狀態(tài)的固體物質(zhì)，常用物理法主要設(shè)備包括粗格柵、輸送機(jī)、提升泵、除砂器及分離器，儀表包括進(jìn)水液位計(jì)。二級(jí)處理將大幅度去除污水中的CODcr、BOD5、氨氮、總氮、磷和懸浮物，生化處理法的主要設(shè)備包括攪拌器、推流器、潛水泵、風(fēng)機(jī)和電動(dòng)閥門(mén)，儀表包括進(jìn)水流量計(jì)、溶解氧、污泥濃度。三級(jí)處理是混凝沉淀、砂濾處理等過(guò)程，深度處理法主要設(shè)備包括提升泵、攪拌器、刮泥機(jī)、加藥泵、干投機(jī)、電動(dòng)閥門(mén)、反洗水泵及風(fēng)機(jī)，儀表包括液位計(jì)和流量計(jì)。經(jīng)過(guò)以上三級(jí)處理后，然后通過(guò)紫外線消毒渠，達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)外排或回用。此系統(tǒng)還包括污泥脫水系統(tǒng)。工藝流程圖如圖1所示。該廠的污水處理系統(tǒng)中包括的設(shè)備比較多，因此要先對(duì)設(shè)備進(jìn)行分類(lèi)，主要設(shè)備分為格柵機(jī)、提升泵、攪拌機(jī)、回流泵、電動(dòng)閥門(mén)、風(fēng)機(jī)、電動(dòng)閥門(mén)、反沖洗水泵及風(fēng)機(jī)、加藥泵、脫水機(jī)和紫外線消毒系統(tǒng)等。按照控制方式可以分為直接啟動(dòng)、變頻器控制以及軟啟動(dòng)控制。在線進(jìn)出水儀表為流量、pH、COD、溫度、氨氮、總磷以及總氮等。低壓元器件為施耐德。PLC為S7-300 系列。通信方式采用PROFIBUS-DP通過(guò)通信電纜與ET200子站相連，通過(guò)S7-300自帶以太網(wǎng)口與中控室WINCC進(jìn)行通信。

圖1 污水處理廠工藝流程圖

2 格柵機(jī)、攪拌器及推流器等直啟設(shè)備電氣故障分析與處理

2.1 過(guò)載故障

格柵機(jī)、攪拌器及推流器多采用直接啟動(dòng)控制方式，它們的故障情況一般為過(guò)載故障，熱繼電器發(fā)熱動(dòng)作，使電機(jī)主電路斷開(kāi)起到過(guò)載保護(hù)作用。電機(jī)過(guò)載是指電機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率超過(guò)額定功率的狀態(tài)，由于電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩太大，導(dǎo)致電機(jī)電流超過(guò)其額定電流，電流過(guò)大會(huì)造成定子繞組發(fā)熱嚴(yán)重，繞組絕緣因過(guò)高溫度而老化嚴(yán)重，過(guò)載運(yùn)行轉(zhuǎn)速會(huì)變慢且電機(jī)發(fā)出異常震動(dòng)或有“嗡嗡”聲，嚴(yán)重時(shí)甚至可能堵轉(zhuǎn)以及影響電機(jī)的使用壽命。

通過(guò)觀察法目測(cè)電機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是否有異物卡住以及是否過(guò)緊或過(guò)松，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑油是否干澀以及是否軸承卡殼、機(jī)械銹死等，手動(dòng)盤(pán)一下電機(jī)，判斷是機(jī)械故障還是電機(jī)本身的質(zhì)量問(wèn)題，電機(jī)密封是否完好，有沒(méi)有受潮、漏電的現(xiàn)象。軸承連接處是否受損變形等，都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)負(fù)載增大，應(yīng)盡量先排除這些缺陷。使用手去觸摸電機(jī)表面來(lái)檢查軸承溫度或設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是否存在嚴(yán)重振動(dòng)等現(xiàn)象，也可以通過(guò)嗅覺(jué)察看周?chē)h(huán)境是否存在焦臭異味，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)冒濃烈的黑煙來(lái)進(jìn)行判斷。

運(yùn)用兆歐表測(cè)量阻值，來(lái)判斷電機(jī)絕緣是否受潮或因事故而擊穿，測(cè)量前必須將被測(cè)設(shè)備電源切斷，并對(duì)地短路充分放電。決不能讓設(shè)備帶電進(jìn)行測(cè)量，以保證人身和設(shè)備的安全[1]。對(duì)可能感應(yīng)出高壓電的設(shè)備，必須消除這種可能性后，才能進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)不同的等級(jí)選用不同的兆歐表測(cè)量每組的絕緣電阻，通常對(duì)500 V以下電壓的電機(jī)用500 V兆歐表測(cè)量，兆歐表的L接繞組（可全接，也可以逐個(gè)測(cè)試），E接電機(jī)外殼，一般中小型低壓電機(jī)測(cè)的結(jié)果全部不小于0.5 MΩ為合格。如果讀數(shù)極小或?yàn)?，可以判定該項(xiàng)繞組接地。

查看電氣原理圖，確認(rèn)電機(jī)的額定功率與實(shí)際負(fù)載是否匹配，如果電機(jī)的額定功率小于實(shí)際負(fù)載，負(fù)載過(guò)重。如果電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行，電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電流增大而發(fā)熱增大。電機(jī)供電電壓不穩(wěn)定過(guò)高或過(guò)低，電機(jī)損耗增加。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)都極易出現(xiàn)繞組電流不平衡現(xiàn)象。

熱繼電器故障使電機(jī)控制電路斷開(kāi)而交流接觸器線圈失電，接觸器觸頭分開(kāi)而主電路斷開(kāi)，電機(jī)停車(chē)而得到過(guò)載保護(hù)。當(dāng)故障排除后，按復(fù)位按鈕使熱繼電器復(fù)位后才可以重新啟動(dòng)電機(jī)。熱繼電器選型時(shí)其整定電流的0.95～1.05 倍或中間值等于電機(jī)額定電流。使用時(shí)要將熱繼電器的整定電流調(diào)至電機(jī)的額定電流值，如果啟動(dòng)時(shí)還是熱繼電器動(dòng)作，可以先把整定電流調(diào)大為電機(jī)的額定電流的1.05倍左右試一下。一般這類(lèi)電機(jī)設(shè)備使用一段時(shí)間后，由于機(jī)械磨損或絕緣值降低等原因會(huì)造成電機(jī)實(shí)際運(yùn)行電流比額定值大，需要重新對(duì)熱繼電器進(jìn)行整定。如果是熱繼電器熱元件變形不能復(fù)位或是質(zhì)量問(wèn)題，熱繼電器損壞而誤動(dòng)作需要更換與原規(guī)格一致。熱繼電器電流的整定值不能超過(guò)斷路器額定電流值，如果超過(guò)會(huì)造成熱繼電器保護(hù)沒(méi)有起到作用而斷路器頻繁跳閘，影響其相關(guān)電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.2 三相電流不平衡故障

三相電流不平衡故障會(huì)導(dǎo)致電機(jī)起動(dòng)困難；電機(jī)運(yùn)行時(shí)噪聲會(huì)增大，嚴(yán)重時(shí)發(fā)出劇烈振動(dòng)及吼叫，電流增大，如果不及時(shí)停機(jī)可能會(huì)燒壞電機(jī)。以下為處理和應(yīng)對(duì)三相電流不平衡故障的相關(guān)措施。

檢查三相電壓是否不平衡，變壓器三相繞組中是否有某相發(fā)生異常，如果有異常會(huì)造成變壓器輸送到MCC動(dòng)力柜電源電壓不對(duì)稱(chēng)。如果動(dòng)力柜到電機(jī)線路過(guò)長(zhǎng)，電線電纜截面大小不均勻，每相電纜上的阻抗壓降不同，會(huì)造成各相電壓不平衡。由于污水廠設(shè)備比較多，會(huì)存在動(dòng)力、照明混合公用的情況，照明屬于單相負(fù)載，如果過(guò)于集中于某一相或某二相，各相用電負(fù)荷分布不均，造成各相電壓、電流不平衡?？梢韵扔萌f(wàn)用表測(cè)各相電壓看是否在允許的范圍內(nèi)，如果三相之間三相電壓不平衡超過(guò)5%，使就會(huì)使電機(jī)的相電流超過(guò)其額定的20%以上。其次，用鉗形表測(cè)量每相電流是否正常，檢查一下具體電氣回路線路是否正常以及各連接線處和觸點(diǎn)是否松脫或氧化。如果電機(jī)所帶負(fù)載過(guò)重，長(zhǎng)時(shí)間處于過(guò)載運(yùn)行狀態(tài)，就會(huì)造成繞組電流不平衡現(xiàn)象。其次，檢查電機(jī)電源進(jìn)線與接線盒是否存在漏電現(xiàn)象。電機(jī)頻繁起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都會(huì)造成線路熔絲熔斷。如果電機(jī)長(zhǎng)期使且缺少維護(hù)保養(yǎng)，就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)局部絕緣老化嚴(yán)重。這些因素都會(huì)造成三相電流不平衡故障。最后，進(jìn)一步檢查電機(jī)本身是否有短路、斷路或者絕緣損壞、定子繞組接地等問(wèn)題。

3 水泵、風(fēng)機(jī)等變頻設(shè)備電氣故障分析與處理

變頻器主要由整流、濾波、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元以及微處理單元等組成，將商用頻率交流電轉(zhuǎn)換為可控可調(diào)頻率和電壓的交流電。整流是將工頻交流電變?yōu)橹绷麟?。逆變是將直流電變?yōu)殡妷汉皖l率可控可調(diào)交流電。變頻器還具有過(guò)電流、過(guò)電壓和過(guò)載保護(hù)等許多保護(hù)功能。

變頻器在污水處理廠中應(yīng)用得非常廣泛。由于污水處理廠水泵及風(fēng)機(jī)用電量占整個(gè)廠用電量的80%以上，水泵及風(fēng)機(jī)采用變頻器后省電比率為20%～60%，因此有利于節(jié)能減排。電機(jī)變頻啟動(dòng)使電機(jī)不斷加速，頻率和電壓相應(yīng)增加，起動(dòng)電流被限制為小于額定電流的150%，最大電流也不會(huì)超過(guò)200%，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的70%～120%。直接用工頻電源起動(dòng)會(huì)使啟動(dòng)電流為額定電流的6～7倍，因此，變頻器啟動(dòng)過(guò)程比較平穩(wěn)，可以減輕負(fù)載啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，有效減少無(wú)功損耗以及提高電網(wǎng)的有效功率，還可以減少機(jī)械和電氣上的沖擊以及傳動(dòng)部件之間的磨損，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。

提升泵及風(fēng)機(jī)一般采用變頻調(diào)速控制流量，該項(xiàng)目采用的變頻器為施耐德ATV61，常見(jiàn)故障見(jiàn)表1。如果出現(xiàn)故障，在中控室上位機(jī)上會(huì)有故障報(bào)警界面信息提示，工作人員可以到現(xiàn)場(chǎng)變頻器控制柜查看故障代碼，查閱變頻器手冊(cè)。常見(jiàn)故障有2種：1） EPF1，外部故障。故障被外部設(shè)備觸發(fā)，由用戶(hù)決定。該類(lèi)故障需要檢查變頻器與電機(jī)連接是否牢靠，一般是由線路虛接造成的。可以首先將變頻器上端斷路器斷開(kāi)，把變頻器下端口RST上3個(gè)接線端螺絲重新松一下，水泵接線腔里也重新松一下再擰緊，然后再上電，故障一般就會(huì)消失。2） USF，欠壓。主電源電壓太低，瞬時(shí)電壓下降，預(yù)充電電阻器損壞。過(guò)電壓報(bào)警一般是出現(xiàn)在停機(jī)的時(shí)候，主要原因是減速時(shí)間太短或制動(dòng)電阻及制動(dòng)單元有問(wèn)題，當(dāng)變頻器在減速時(shí)，因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度加快，轉(zhuǎn)子的電動(dòng)勢(shì)和電流增大，使電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，回饋的能量通過(guò)逆變環(huán)節(jié)中與大功率開(kāi)關(guān)管并聯(lián)的二極管流向直流環(huán)節(jié)，使直流母線電壓升高所致，所以應(yīng)該著重檢查制動(dòng)回路，測(cè)量放電電阻是否有問(wèn)題。實(shí)際測(cè)量制動(dòng)管時(shí)發(fā)現(xiàn)其已被擊穿，更換后上電，運(yùn)行以及快速停車(chē)都沒(méi)有問(wèn)題。

表1 施耐德ATV61系列變頻器常見(jiàn)故障代碼

4 反洗風(fēng)機(jī)等軟啟動(dòng)設(shè)備電氣故障分析與處理

軟啟器主要由三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路構(gòu)成。軟啟動(dòng)也稱(chēng)為調(diào)壓器，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)輸出只改變了電壓，輸出頻率不可調(diào)節(jié)并且沒(méi)有改變?nèi)詾殡娫搭l率。通過(guò)控制其內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，使電機(jī)輸入電壓從零逐漸增加，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速逐漸增加，直到晶閘管全導(dǎo)通，電機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)結(jié)束。在軟起動(dòng)過(guò)程中電機(jī)啟動(dòng)平滑，啟動(dòng)電流小，避免啟動(dòng)過(guò)流跳閘。實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)、軟停車(chē)、多種保護(hù)功能于一體。

反洗風(fēng)機(jī)一般采用軟起動(dòng)控制，該項(xiàng)目采用的軟起動(dòng)為施耐德ATS48，常見(jiàn)故障見(jiàn)表2，ATS48報(bào)OCF故障，查閱軟起動(dòng)手冊(cè)，OCF故障的原因?yàn)檐泦?dòng)器過(guò)電流故障。檢查軟起動(dòng)參數(shù)設(shè)置是否和電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)一致，過(guò)電流保護(hù)閥值設(shè)置是否得當(dāng)，應(yīng)考慮電機(jī)的啟動(dòng)電流和啟動(dòng)時(shí)間電機(jī)的啟動(dòng)電流一般為額定電流 的5～7倍。對(duì)于不頻繁啟動(dòng)、連續(xù)運(yùn)行的電機(jī)，在加減速時(shí)間設(shè)置不超過(guò)6 s的情況下，可設(shè)置為電機(jī)的額定電流的1.1倍。

表2 施耐德ATS48系列軟啟動(dòng)常見(jiàn)故障代碼

5 電動(dòng)閥門(mén)故障分析與處理

電動(dòng)閥門(mén)由電動(dòng)裝置和閥門(mén)2個(gè)部分組成，經(jīng)過(guò)安裝調(diào)試連接起來(lái)，電動(dòng)閥門(mén)使用電能作為動(dòng)力來(lái)接通電動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)動(dòng)作，從而完成對(duì)管道內(nèi)介質(zhì)的開(kāi)關(guān)或調(diào)節(jié)。電動(dòng)裝置一般由專(zhuān)用電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、行程控制機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)矩限制機(jī)構(gòu)、手自動(dòng)切換機(jī)構(gòu)以及開(kāi)度指示器組成。電動(dòng)裝置的控制模式一般分為開(kāi)關(guān)型和調(diào)節(jié)型。電動(dòng)閥門(mén)一般出現(xiàn)的故障為卡堵，多出現(xiàn)在新系統(tǒng)投運(yùn)和設(shè)備大修期間，由于管道內(nèi)焊渣、鐵銹等造成堵塞，使得介質(zhì)流通不暢，閥門(mén)在開(kāi)啟或關(guān)閉的過(guò)程中摩擦力增大，導(dǎo)致過(guò)力矩，因此在安裝前要對(duì)管路進(jìn)行清洗，排出污管道內(nèi)焊渣、鐵銹等污物。安裝調(diào)試后，為了保證污物沒(méi)有殘留在閥體內(nèi)，還應(yīng)該再次清洗閥門(mén)，即通入介質(zhì)時(shí)應(yīng)使所有閥門(mén)開(kāi)啟，以免雜質(zhì)卡住。

由于污水處理廠大多數(shù)閥門(mén)長(zhǎng)期處于常開(kāi)或常閉狀態(tài)，行程或力矩控制機(jī)構(gòu)容易失靈，一旦需要開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)易出現(xiàn)開(kāi)關(guān)不到位，電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)甚至燒壞電機(jī)，造成電機(jī)故障，一旦電機(jī)損壞則無(wú)動(dòng)力輸出。因此要做好閥門(mén)維護(hù)保養(yǎng)，每過(guò)一段時(shí)間需要對(duì)閥門(mén)進(jìn)行切換，來(lái)回操作幾次閥門(mén)的開(kāi)啟或關(guān)閉，可以確認(rèn)一下閥門(mén)是否卡死以及限位開(kāi)關(guān)是否失靈。

6 PLC通信故障分析與處理

S7-300PLC系統(tǒng)中安裝CPU的機(jī)架為主機(jī)架，當(dāng)主機(jī)架上的IO模塊（最多8塊）點(diǎn)數(shù)不夠時(shí)，可以通過(guò)擴(kuò)展機(jī)架的方式擴(kuò)大系統(tǒng)規(guī)模，S7-300最多可以擴(kuò)展3個(gè)機(jī)架，每個(gè)擴(kuò)展機(jī)架最多可以安裝8個(gè)I/O模塊，裝在4槽～11槽，3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架最多安裝24個(gè)I/O模塊。因?yàn)椴煌墓に嚩卧O(shè)備間都比較遠(yuǎn)，本地?cái)U(kuò)展有限，所以需要PLC控制柜采取遠(yuǎn)程IO分布式布置，利用擴(kuò)展模塊SIMATIC ET200M IM153-1來(lái)擴(kuò)展遠(yuǎn)程子站，采用PROFIBUS通信，當(dāng)波特率為1.5 MBit/s時(shí)， 最大允許通信距離為200 m；當(dāng)波特率為500 KBit/s時(shí)，最大允許通信距離為400 m；而當(dāng)波特率為9.6 KBit/s～187.5 KBit/s時(shí)，最大允許通信距離為1000 m。PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線錯(cuò)誤經(jīng)常出現(xiàn)，模塊上BF閃爍為總線故障[2]。首先需要檢查從站地址撥碼與主站硬件組態(tài)地址設(shè)置是否一致以及硬件組態(tài)波特率設(shè)置。如果站點(diǎn)為終端則DP總線終端電阻撥碼設(shè)置為ON，否則為OFF。DP接頭要做好接地，DP接頭內(nèi)的金屬片要和電纜接頭的屏蔽線緊密接觸。由于強(qiáng)電對(duì)通信電纜有干擾，在施工布線時(shí)要將通信線和強(qiáng)電分開(kāi)。DP線兩端的DP接頭終端電阻都ON的位置，用萬(wàn)用表測(cè)量DP接頭的3號(hào)和8號(hào)引腳之間的電阻值正常為110 Ω左右。如果一端為ON位置，另一端為OFF位置，這時(shí)測(cè)量的電阻值正常為220 Ω左右。另外，DP接頭本身?yè)p壞需要進(jìn)行更換。

7 儀表故障分析與處理

污水處理過(guò)程是復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程，其中涉及的儀器儀表種類(lèi)繁多，儀表是監(jiān)控系統(tǒng)中最基礎(chǔ)、最重要的環(huán)節(jié)，儀表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性為水處理水質(zhì)的指標(biāo)提供了重要依據(jù)，以便于工藝人員針對(duì)水質(zhì)及時(shí)調(diào)整工藝手段，保障安全生產(chǎn)。項(xiàng)目中儀表采用電流型4-20MA信號(hào)接入PLC模擬量模塊 。為了防止數(shù)據(jù)錯(cuò)誤需要調(diào)整好量程卡（D： 2線制或者C：4線制），變送器+和-分別接模塊M+和M-形成電流環(huán)，接線及硬件設(shè)置正確無(wú)誤，程序中量程范圍設(shè)置要正確。信號(hào)傳輸?shù)絇LC顯示不正確，用萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量，將萬(wàn)用表打到直流mA檔，然后把表筆串入到回路中測(cè)量電流信號(hào)是否正常。儀表常見(jiàn)故障為儀表探頭電極表面受污染所引起的指示數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，測(cè)量的數(shù)據(jù)誤差大。針對(duì)不同的儀表需要對(duì)癥下藥，定時(shí)用相應(yīng)的藥水或洗滌劑進(jìn)行維護(hù)清洗。如果在清洗后指示數(shù)據(jù)仍跳動(dòng)，可能是電極接觸不良的問(wèn)題，需要更換新的電極。

8 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格，對(duì)電氣自控系統(tǒng)的可靠性和安全性的要求也顯著提高，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)該及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行正確的分析及處理，防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大，保證水處理系統(tǒng)正常平穩(wěn)地運(yùn)行。