何彥行，秦海洋，周昭旭

（中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

隨著城市發(fā)展速度的加快，城市工業(yè)、生活污水大量排放到河流湖泊中，造成河流、湖泊底泥富營(yíng)養(yǎng)化，底泥淤積變多使得河流湖泊的蓄水能力下降，進(jìn)而可能造成城市內(nèi)澇。近年來(lái)環(huán)保疏浚[1-2]工程大量開(kāi)展，疏浚后的底泥可通過(guò)多種方式進(jìn)行脫水干化，較為常見(jiàn)的工藝為板框機(jī)械壓榨式脫水[3-4]。

傳統(tǒng)的底泥脫水干化控制系統(tǒng)對(duì)泥漿調(diào)理、板框進(jìn)料、板框壓榨3個(gè)過(guò)程的控制相對(duì)獨(dú)立，且多以經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行控制；在泥漿調(diào)理過(guò)程中，操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷管道中泥漿濃度，手動(dòng)地調(diào)整物料添加速度以及添加量；板框進(jìn)料與壓榨過(guò)程都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定時(shí)間，到達(dá)設(shè)定時(shí)間后停止進(jìn)料或壓榨。傳統(tǒng)的底泥脫水干化控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程的全自動(dòng)控制，而且依靠經(jīng)驗(yàn)值的控制方式對(duì)于不同的泥質(zhì)適用性差，生產(chǎn)效率較低，生產(chǎn)成本較高[5]。

本文針對(duì)以上問(wèn)題，提出了基于泥漿濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的優(yōu)化控制算法，通過(guò)對(duì)泥漿濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)泥漿調(diào)理、板框進(jìn)料、板框壓榨3個(gè)工藝過(guò)程的精確控制，并設(shè)計(jì)了基于西門子PLC優(yōu)化控制系統(tǒng)。

1 底泥脫水干化工藝

環(huán)保疏浚船舶將泥漿輸送至除渣設(shè)備后流至濃縮池；將濃縮后的泥漿泵送至攪拌機(jī)，物料罐里的物料通過(guò)卸料閥及螺旋輸送機(jī)添加至攪拌機(jī)與泥漿混合；混合后的泥漿自流至均化池，充分反應(yīng)后進(jìn)一步降低含水率，以上過(guò)程稱為泥漿調(diào)理過(guò)程。物料的添加用于改變泥漿的物理結(jié)構(gòu)，降低含水率，物料添加量由泥漿絕干基的質(zhì)量決定[6]。

均化池的泥漿通過(guò)進(jìn)料泥泵輸送至板框機(jī)內(nèi)，進(jìn)料結(jié)束后開(kāi)始板框壓榨；壓榨完成后泥餅由板框機(jī)脫落至皮帶輸送機(jī)，由皮帶輸送機(jī)運(yùn)輸至渣土堆場(chǎng)，進(jìn)料和壓榨過(guò)程中尾水進(jìn)入到尾水槽并匯流至濃縮池，以上過(guò)程涉及板框進(jìn)料、板框壓榨2個(gè)過(guò)程。底泥脫水干化工藝如圖1所示。

圖1 底泥脫水干化處理工藝Fig.1 Process flow chart of sludge dewatering and drying

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合分析底泥脫水干化處理工藝，為實(shí)現(xiàn)泥漿調(diào)理、板框進(jìn)料、板框壓榨3個(gè)工藝過(guò)程的精確控制及工藝過(guò)程的全自動(dòng)控制，需在工藝流程上增加傳感器，結(jié)合圖1工藝流程具體為：在工藝流程淤處增加流量計(jì)和超聲波濃度計(jì)，用于監(jiān)測(cè)進(jìn)入攪拌機(jī)內(nèi)的泥漿流量和濃度；在工藝流程于處增加稱重傳感器，用于監(jiān)測(cè)物料罐內(nèi)物料重量；在工藝流程盂處增加超聲波液位計(jì)，用于監(jiān)測(cè)均化池內(nèi)液位高度；在工藝流程榆處增加流量計(jì)和超聲波濃度計(jì)，用于監(jiān)測(cè)進(jìn)入板框機(jī)內(nèi)的泥漿流量和濃度；在工藝流程虞處增加流量計(jì)，用于監(jiān)測(cè)板框機(jī)壓榨尾水流量。

底泥脫水干化處理工藝中需控制的對(duì)象包括：濃縮池泥泵、攪拌機(jī)、卸料閥、輸送機(jī)、板框進(jìn)料泥泵及板框機(jī)。結(jié)合模塊化的設(shè)計(jì)理念將控制系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)采集單元、控制器單元、人機(jī)交互單元和執(zhí)行單元[7-8]，控制系統(tǒng)的架構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Architecture of control system

1）數(shù)據(jù)采集單元：包括流量計(jì)、超聲波濃度計(jì)、超聲波液位計(jì)、稱重傳感器及卸料閥速度反饋，實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程中信號(hào)采集功能。

2）控制器單元：選用西門子1200系列PLC作為系統(tǒng)的控制器，實(shí)現(xiàn)過(guò)程全自動(dòng)控制和工藝精確控制功能。

3）人機(jī)交互單元：選用西門子TP2200觸摸屏作為人機(jī)交互設(shè)備，實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)顯示及設(shè)備操作功能。

4）執(zhí)行單元：包括濃縮池泥泵、攪拌機(jī)、卸料閥、輸送機(jī)、板框進(jìn)料泥泵及板框機(jī)。根據(jù)工藝執(zhí)行單元分為泥漿調(diào)理執(zhí)行子單元和板框進(jìn)料壓榨執(zhí)行子單元兩部分，實(shí)現(xiàn)泥漿輸送、調(diào)理和壓榨功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 全自動(dòng)控制

底泥脫水干化生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，為降低各環(huán)節(jié)的相互影響，提高生產(chǎn)效率，全自動(dòng)控制設(shè)計(jì)遵循模塊化思想，將控制主程序分為泥漿調(diào)理優(yōu)化控制程序、板框進(jìn)料優(yōu)化控制程序和板框壓榨優(yōu)化控制程序。泥漿調(diào)理優(yōu)化控制程序可根據(jù)均化池液位狀態(tài)獨(dú)立運(yùn)行，均化池液位不處于“高”狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用泥漿調(diào)理優(yōu)化控制程序。板框進(jìn)料優(yōu)化控制程序與板框壓榨優(yōu)化控制程序按先后順序執(zhí)行，板框機(jī)準(zhǔn)備就緒時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用板框進(jìn)料優(yōu)化控制程序，進(jìn)料結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入板框壓榨優(yōu)化控制程序，壓榨完成后再進(jìn)入板框進(jìn)料優(yōu)化控制程序，見(jiàn)圖3。

圖3 全自動(dòng)運(yùn)行流程Fig.3 Automatic operation flow chart

優(yōu)化控制程序包括8個(gè)子程序，數(shù)據(jù)采集子程序用于工藝傳感器數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換；物料添加控制子程序用于攪拌機(jī)、卸料閥、輸送機(jī)的手/自動(dòng)控制以及物料添加質(zhì)量的計(jì)算；密度計(jì)算子程序用于泥漿濃度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為密度；流量累計(jì)子程序用于流量累計(jì)計(jì)算；絕干基計(jì)算子程序用于根據(jù)密度、累計(jì)流量與濃度計(jì)算絕干基的質(zhì)量；泥泵控制子程序用于濃縮池泥泵和進(jìn)料泥泵的手/自動(dòng)控制；泥餅含水率計(jì)算子程序用于計(jì)算板框壓榨過(guò)程中泥餅含水率；板框機(jī)通訊子程序用于優(yōu)化控制程序與板框機(jī)自帶控制系統(tǒng)通訊，向板框機(jī)發(fā)送執(zhí)行指令并接收板框機(jī)反饋狀態(tài)。

3.2 泥漿調(diào)理優(yōu)化控制程序

泥漿調(diào)理優(yōu)化控制程序?qū)崿F(xiàn)物料添加過(guò)程全自動(dòng)控制及物料添加量的精確控制功能。根據(jù)進(jìn)入攪拌機(jī)泥漿的濃度與總量實(shí)時(shí)計(jì)算泥漿絕干基質(zhì)量，進(jìn)而得到實(shí)時(shí)調(diào)整物料添加量，解決了靠傳統(tǒng)人工經(jīng)驗(yàn)添加出現(xiàn)添加量少導(dǎo)致調(diào)理效果不佳，添加量多導(dǎo)致成本提高等問(wèn)題。泥漿調(diào)理優(yōu)化控制程序開(kāi)始執(zhí)行后，首先調(diào)用物料添加控制子程序和泥泵控制子程序按照順序依次啟動(dòng)濃縮池泥泵、攪拌機(jī)、螺旋輸送機(jī)、卸料閥；然后調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序、密度計(jì)算子程序及流量累計(jì)子程序計(jì)算進(jìn)入攪拌機(jī)內(nèi)泥漿的密度與累計(jì)方量；進(jìn)而調(diào)用絕干基計(jì)算子程序計(jì)算出進(jìn)入攪拌機(jī)內(nèi)泥漿絕干基的質(zhì)量；再次調(diào)用物料添加控制子程序計(jì)算出所需添加的物料質(zhì)量、物料罐重量的變化量及兩者差值，差值劃分為三檔，分別對(duì)應(yīng)卸料閥高、中、低三檔速度，實(shí)現(xiàn)卸料閥的自動(dòng)調(diào)速；泥漿調(diào)理過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)均化池液位狀態(tài)，均化池狀態(tài)不為“高”時(shí)繼續(xù)執(zhí)行泥漿調(diào)理；若為“高”時(shí)，調(diào)用泥泵控制子程序?qū)崿F(xiàn)濃縮池泥泵輸送清水，進(jìn)而判斷所需物料添加量與物料罐重量變化量是否相等，若“否”則繼續(xù)執(zhí)行物料添加過(guò)程，若“是”則依次停止卸料閥、螺旋輸送機(jī)、攪拌機(jī)、濃縮池泥泵，泥漿調(diào)理一次循環(huán)結(jié)束。

3.3 板框進(jìn)料優(yōu)化控制程序

板框進(jìn)料優(yōu)化控制程序?qū)崿F(xiàn)板框進(jìn)料時(shí)間的精確控制功能。根據(jù)進(jìn)入板框機(jī)泥漿的濃度與流量實(shí)時(shí)計(jì)算質(zhì)量，進(jìn)料質(zhì)量滿足設(shè)定期望值后完成進(jìn)料。根據(jù)泥漿濃度優(yōu)化調(diào)整板框進(jìn)料時(shí)間，解決了采用固定進(jìn)料時(shí)間造成的效率低、成本高問(wèn)題。板框進(jìn)料優(yōu)化控制程序開(kāi)始執(zhí)行后，首先調(diào)用板框機(jī)通訊子程序判斷板框機(jī)是否準(zhǔn)備就緒，若“是”再調(diào)用泥泵控制子程序啟動(dòng)進(jìn)料泥泵，進(jìn)而調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序、密度計(jì)算子程序及流量累計(jì)子程序計(jì)算進(jìn)入板框機(jī)內(nèi)泥漿的密度與累計(jì)方量，實(shí)時(shí)計(jì)算進(jìn)料總質(zhì)量，并判斷板框進(jìn)料（泥漿）總質(zhì)量是否達(dá)到設(shè)定期望值；若“否”則繼續(xù)進(jìn)料，直到進(jìn)料總質(zhì)量與設(shè)定的期望進(jìn)料總質(zhì)量相等時(shí)，停止泥泵。

3.4 板框壓榨優(yōu)化控制程序

板框壓榨優(yōu)化控制程序?qū)崿F(xiàn)板框壓榨時(shí)間的精確控制功能。壓榨后泥餅含水率是判斷壓榨是否完成的關(guān)鍵因素，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算壓榨過(guò)程中板框機(jī)內(nèi)泥餅含水率實(shí)現(xiàn)壓榨時(shí)間的自動(dòng)調(diào)整，解決了固定壓榨時(shí)間造成的效率低、成本高問(wèn)題。板框壓榨優(yōu)化控制程序開(kāi)始執(zhí)行后，首先調(diào)用流量累計(jì)子程序計(jì)算板框壓榨過(guò)程中產(chǎn)生的尾水量，并加上進(jìn)料過(guò)程中產(chǎn)生的尾水得出總尾水量，再調(diào)用泥餅含水率計(jì)算子程序計(jì)算板框機(jī)內(nèi)部泥餅的實(shí)時(shí)含水率，并判斷板框機(jī)內(nèi)部泥餅含水率是否達(dá)到設(shè)定的期望值，若“否”則繼續(xù)壓榨，同時(shí)判斷壓榨時(shí)間是否超出上限時(shí)間設(shè)定值，若超出上限時(shí)間則報(bào)警，若板框機(jī)內(nèi)部泥餅含水率達(dá)到設(shè)定的期望值，則停止壓榨。

4 應(yīng)用分析

基于泥漿濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的集成控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于嘉興北部湖蕩連通項(xiàng)目、武漢南湖水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目，對(duì)施工歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出在15%~35%泥漿濃度下優(yōu)化控制系統(tǒng)的進(jìn)料時(shí)間和壓榨時(shí)間見(jiàn)圖4。

圖4 不同濃度下的進(jìn)料及壓榨時(shí)間Fig.4 Feed/press time at different concentrations

由圖4可知，集成優(yōu)化控制系統(tǒng)可根據(jù)泥漿濃度自動(dòng)調(diào)整進(jìn)料和壓榨時(shí)間，適應(yīng)性強(qiáng)，在濃度較高的工況下效率更高。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)底泥脫水干化工藝及現(xiàn)有控制系統(tǒng)的分析，設(shè)計(jì)了基于泥漿濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的集成控制系統(tǒng)。不但實(shí)現(xiàn)了底泥脫水干化工藝過(guò)程的全自動(dòng)控制；而且對(duì)工藝中泥漿調(diào)理、板框進(jìn)料和板框壓榨3個(gè)過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)了物料添加量、進(jìn)料和壓榨時(shí)間的精確控制。系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用表明底泥脫水干化集成控制系統(tǒng)具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和自動(dòng)化水平，進(jìn)而節(jié)省了料、人工、能耗成本。