劉玉濤

（煙臺(tái)市城市排水服務(wù)中心，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引言

脫水機(jī)是實(shí)現(xiàn)固液分離的關(guān)鍵設(shè)備。在脫水機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)鼓與螺旋電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的差轉(zhuǎn)速，決定著污泥的分離效果和分離效率[1]。為有效調(diào)節(jié)差轉(zhuǎn)速達(dá)到最佳值，提高脫水機(jī)的高效分離性能的目標(biāo)，必須通過(guò)完善自控系統(tǒng)才能得到實(shí)現(xiàn)。

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC控制方式已經(jīng)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(guò)開(kāi)關(guān)量和模擬量信號(hào)輸入、輸出來(lái)控制各類設(shè)備部件操作[2]。觸摸屏屬于人性化人機(jī)操作界面，通過(guò)觸摸屏上圖形畫(huà)面的軟鍵進(jìn)行操作，能對(duì)脫水機(jī)運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、及時(shí)提供數(shù)據(jù)交互信息和報(bào)警提示，大幅度地提高設(shè)備自動(dòng)化集成程度和運(yùn)行效率。

國(guó)內(nèi)污水處理廠多采用福樂(lè)偉、阿法拉伐、安德里茨等進(jìn)口污泥脫水機(jī)，上述品牌都配套有自動(dòng)化控制系統(tǒng)，但是控制程序因知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)原因，沒(méi)交付給使用方。當(dāng)設(shè)備出質(zhì)保期后，一旦出現(xiàn)軟硬件采購(gòu)、更新、故障和改造情況，需要原來(lái)的程序，只能采購(gòu)原國(guó)外生產(chǎn)廠家的服務(wù)，必然增加企業(yè)費(fèi)用負(fù)擔(dān)。為了打破這種現(xiàn)狀，通過(guò)研究污泥脫水機(jī)的工藝，以PLC為控制核心重新開(kāi)發(fā)自控系統(tǒng)。完全滿足脫水機(jī)系統(tǒng)的工藝需求，并為設(shè)備改造提供有益嘗試。

1 污泥脫水機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成及原理

污泥脫水系統(tǒng)由脫水機(jī)、絮凝劑制備裝置、污泥切割機(jī)、進(jìn)泥泵、加藥泵、進(jìn)泥流量計(jì)、加藥流量計(jì)、水平和斜螺旋輸送機(jī)、清洗水閥等設(shè)備構(gòu)成。

脫水機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）轉(zhuǎn)鼓和螺旋輸送器由兩個(gè)同心軸承相連接，主電動(dòng)機(jī)通過(guò)三角皮帶輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)鼓通過(guò)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(dòng)螺旋輸送器與轉(zhuǎn)鼓做同向轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)速不一樣[1]。

兩者之間關(guān)系如下：

式（1）中，nZ—轉(zhuǎn)鼓絕對(duì)轉(zhuǎn)速；nL—螺旋絕對(duì)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(fù)差速，有利于污泥的輸送。

2）污泥濃液從右端的進(jìn)料口連續(xù)進(jìn)入脫水機(jī)，在離心力的作用下轉(zhuǎn)鼓內(nèi)形成一環(huán)形液池，重相固體顆粒離心沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面而形成沉渣。由于螺旋葉片與轉(zhuǎn)鼓的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，沉渣被螺旋葉片推送到轉(zhuǎn)鼓的小端，送出液面并從排渣孔甩出。在轉(zhuǎn)鼓的大端蓋上開(kāi)設(shè)有若干溢流孔，澄清液便從此處流出，通過(guò)調(diào)節(jié)溢流擋板溢流口位置、轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)鼓與螺旋輸送器的差速、進(jìn)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(jī)主要采用差速控制和扭矩控制方式。因進(jìn)泥濃液含固率有變化，差轉(zhuǎn)速控時(shí)，要保障差轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，達(dá)到出渣干度恒定，采用扭矩控制時(shí)要確保離心機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定，使分離效果處于最佳狀態(tài)，以保證離心機(jī)可靠安全運(yùn)行[3]。

2 脫水機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用羅克韋爾logix5000軟件編程，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓電機(jī)和螺旋電機(jī)調(diào)速自動(dòng)運(yùn)行，各個(gè)工藝設(shè)備手自動(dòng)操作和安全報(bào)警保護(hù)。在觸摸屏中設(shè)置和修改系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，并實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行數(shù)據(jù)等功能，系統(tǒng)模塊如圖2所示。

2.1 系統(tǒng)模塊控制程序

系統(tǒng)模塊由硬件故障報(bào)警、運(yùn)行條件不滿足報(bào)警、急停開(kāi)關(guān)報(bào)警和系統(tǒng)過(guò)載報(bào)警組成。系統(tǒng)模塊是控制對(duì)運(yùn)行安全保護(hù)的關(guān)鍵條件，只有關(guān)鍵條件滿足后，系統(tǒng)才能保障運(yùn)行。

急停開(kāi)關(guān)報(bào)警是當(dāng)離心脫水系統(tǒng)發(fā)生緊急情況時(shí)，為避免重大事故的發(fā)生，由現(xiàn)場(chǎng)急停按鈕或者控制柜上的急停按鈕來(lái)關(guān)閉電源，停止系統(tǒng)運(yùn)行。

2.2 絮凝劑制備裝置控制模塊

進(jìn)入管道的污泥經(jīng)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(jī)較好的分離。對(duì)加藥管路上安裝電磁流量計(jì)，加藥泵電機(jī)配備變頻器，實(shí)現(xiàn)藥量PID自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2.3 污泥切割機(jī)控制模塊

污泥中較大顆?；蛘掣叫暂^強(qiáng)的物體容易堵塞管道，導(dǎo)致污泥脫水機(jī)粘阻現(xiàn)象的產(chǎn)生，造成輸送管路或脫水機(jī)振動(dòng)。通過(guò)PLC的邏輯控制，實(shí)現(xiàn)污泥切割機(jī)的啟動(dòng)/停止操作，污泥切割機(jī)的運(yùn)行，將堵塞管道的纖維纏繞物進(jìn)行切割，形成破碎后均勻濃度的污泥，為后續(xù)工藝運(yùn)行做好準(zhǔn)備。

2.4 污泥泵控制模塊

該部分由污泥電磁流量計(jì)、污泥螺桿泵、電動(dòng)閥門(mén)等設(shè)備組成。PLC的模擬量輸入模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)流量計(jì)信號(hào)的采集，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要，對(duì)藥劑流量進(jìn)行設(shè)定，流量計(jì)將污泥流量運(yùn)行值反饋給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用PID方式對(duì)污泥泵進(jìn)行控制。

2.5 污泥脫水機(jī)控制模塊

污泥從螺旋推進(jìn)器的進(jìn)料管進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓圓錐體和圓柱體的交界區(qū)，污泥在進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓后，固相在離心力的作用下被甩到轉(zhuǎn)鼓的內(nèi)壁上，兩相分離發(fā)生在轉(zhuǎn)鼓的圓柱形部分，在轉(zhuǎn)鼓的大端有可調(diào)節(jié)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(zhuǎn)鼓小端的排渣口排出[3]。溢流堰板作用是調(diào)節(jié)液相層高度，實(shí)現(xiàn)液體含固率和固體含水率之間達(dá)到最佳的平衡。離心機(jī)選擇低差速時(shí)，脫水后污泥的含水率降低，分離液的含固率升高[4]。離心機(jī)選擇高差速時(shí)，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(shí)扭矩升高。

脫水機(jī)模塊由轉(zhuǎn)鼓電機(jī)調(diào)控、螺旋電機(jī)調(diào)控、軸溫檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)、潤(rùn)滑油位檢測(cè)組成。

在脫水機(jī)前后軸承部位安裝有溫度傳感器，用來(lái)采集溫度信號(hào)。將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為 4 mA～20mA的模擬信號(hào)，通過(guò)PLC的模數(shù)轉(zhuǎn)換，PLC程序判別當(dāng)前溫度是否超出120℃，如果超出預(yù)報(bào)警，超過(guò)130℃則停機(jī)。安裝振動(dòng)傳感器，來(lái)判別當(dāng)前振動(dòng)量是否超出設(shè)定值，超出設(shè)定值，則停機(jī)。污泥脫水機(jī)為潤(rùn)滑劑油罐配備油位檢測(cè)傳感器，當(dāng)污泥脫水機(jī)潤(rùn)滑劑的剩余量低于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，輸出相應(yīng)報(bào)警信號(hào)。

1）自動(dòng)控制

自動(dòng)控制方式，隨時(shí)間變化、速度運(yùn)行變化曲線如圖4所示。

在觸摸屏上選擇自動(dòng)控制模式啟動(dòng)后，每隔15s，依次進(jìn)行如下程序：絮凝劑制備裝置模塊開(kāi)始運(yùn)行；絮凝劑加藥泵運(yùn)行；進(jìn)泥泵運(yùn)行；轉(zhuǎn)鼓和螺旋雙電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速調(diào)用程序進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，并讀轉(zhuǎn)鼓和螺旋電機(jī)轉(zhuǎn)速值和螺旋輸送器電機(jī)轉(zhuǎn)矩值。若螺旋電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行扭矩高于系統(tǒng)設(shè)定高扭矩值，輸出報(bào)警；螺旋高扭矩5次累計(jì)超過(guò)1h，輸出報(bào)警。如果無(wú)報(bào)警，處于加速過(guò)程，直至系統(tǒng)加速至設(shè)定值，維持運(yùn)行狀態(tài)。

由于差速器的作用，轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速和螺旋輸送器轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

式（2）中，AS—轉(zhuǎn)鼓電機(jī)轉(zhuǎn)速值；R—帶輪傳動(dòng)比；SS—螺旋電機(jī)轉(zhuǎn)速值；RS—相對(duì)轉(zhuǎn)速值；K—差速器比率。

根據(jù)實(shí)際需求，選擇觸摸屏上PID開(kāi)關(guān)，程序動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)變頻器運(yùn)行，調(diào)控螺旋電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)差速控制。在觸摸屏上選擇自動(dòng)控制模式關(guān)機(jī)后，每隔15s，依次進(jìn)行如下程序：轉(zhuǎn)鼓和螺旋正常停機(jī)；系統(tǒng)按照邏輯控制程序；轉(zhuǎn)速逐漸減少至停止；加藥泵和進(jìn)泥泵等按邏輯停機(jī)。最后進(jìn)入高速清洗狀態(tài)，清洗完畢后，程序自動(dòng)低速清洗后，停止水平螺旋和斜螺旋運(yùn)行，系統(tǒng)整體運(yùn)行結(jié)束。

2）手動(dòng)控制

手動(dòng)控制模式由系統(tǒng)啟動(dòng)、系統(tǒng)加速、人工調(diào)速、系統(tǒng)運(yùn)行和低速清洗步驟組成。采用選擇手動(dòng)控制模式啟動(dòng)后，轉(zhuǎn)鼓電機(jī)和螺旋電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)轉(zhuǎn)鼓和螺旋電機(jī)確認(rèn)啟動(dòng)后，轉(zhuǎn)鼓和螺旋電機(jī)根據(jù)觸摸屏默認(rèn)設(shè)置運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)入加速過(guò)程。并按照15s間隔，分步驟啟動(dòng)絮凝劑制備裝置、加藥泵和污泥泵。逐漸加速，直到轉(zhuǎn)速滿足加速到設(shè)定值為止，同樣減速也是如此。手動(dòng)模式關(guān)機(jī)，進(jìn)行低速清洗狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸降低至停機(jī)，直到低速清洗完畢，系統(tǒng)停止運(yùn)行。

2.6 污泥水平及斜螺旋輸送機(jī)控制模塊

污泥螺旋輸送機(jī)模塊中含有污泥輸送機(jī)的啟?？刂婆c相關(guān)設(shè)備的聯(lián)鎖保護(hù)。聯(lián)鎖保護(hù)包含：如果污泥泵或脫水機(jī)的轉(zhuǎn)鼓運(yùn)行，則PLC系統(tǒng)就給污泥輸送器開(kāi)指令；如果脫水機(jī)系統(tǒng)按照工藝要求停止運(yùn)行，延遲10min后，污泥水平及斜螺旋輸送機(jī)停止運(yùn)行。

2.7 清洗閥控制模塊

脫水機(jī)正常停機(jī)、故障停機(jī)會(huì)容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓螺旋污泥堵塞等情況，需要對(duì)脫水機(jī)進(jìn)行清洗。如果脫水機(jī)內(nèi)的殘留污泥較多，容易出現(xiàn)扭矩較大，或者震動(dòng)報(bào)警。程序通過(guò)對(duì)清洗水閥的開(kāi)關(guān)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脫水機(jī)的高速清洗過(guò)程。

3 脫水機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

進(jìn)行單元調(diào)試、聯(lián)體調(diào)試，對(duì)調(diào)試中發(fā)生的問(wèn)題逐一分析，并總結(jié)和對(duì)其完善。經(jīng)試運(yùn)行后，運(yùn)行指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)及性能要求，脫水后污泥的含水率為75%，脫水效果穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)深入了解脫水機(jī)工作原理，在系統(tǒng)中采用PLC和變頻器技術(shù)，結(jié)合羅克韋爾PLC軟件logix5000編程，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)鼓電機(jī)和螺旋輸送器電機(jī)的緩啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)調(diào)節(jié)，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。由于轉(zhuǎn)鼓電機(jī)和螺旋電機(jī)在變頻器安裝配置中，采用共直流母線技術(shù)，節(jié)省了電耗，也滿足了脫水機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性的要求。