远程操控型配置星轮式布水搅拌装置的UASB厌氧反应器

马瑛超 张鑫洋 熊露露 高照普

摘    要：首先在Fluence软件支持下的对UASB全反应器进行全套的流体设计，优化反应器的布水运行条件与流体控制方式，随后在现有钢结构主体设备的设计与拼接方式上，基于3Dmax软件实现核心组件的模型建立及反应器主体的立体模型构架，并进一步在BIM模拟软件上进行相应机械结构的设计、改进及优化。其次， 根据优化后的反应器核心星轮布水装置和反应器主体结构，对关键位置的控制仪表和电器仪表进行配套和选型，构筑可用于PLC编程的电器逻辑架构图，最后，开发手机APP程序，通过物联网模块实现现场PLC控制端和手机移动端的实时信号传输，实现远程操控能力。

关键词：远程操控;UASB厌氧反应器

1  引言

本项目的执行，将环保高浓化工污水的厌氧处理技术、设备定向开发技术、自控设计技术和物联网技术等多种技术融为一体，通过流体设计，BIM设计，自控设计和遥控设计多种设计思路有效贯通，实现环保工程专用设备在“互联网+”的颠覆性创新。

2  研制背景及意义

目前UASB的布水器均存在布水不均匀、可操控性差、自控能力低等问题，从而导致了污水厌氧处理效果低，出水水质难以保证的现状[1] [2]。为了解决这些问题我们创新性的设计了一套远程操控型配置星轮式布水搅拌装置的UASB厌氧反应器[3]，通过对布水装置的二次设计杜绝了布水盲区从而提升了布水效果，有效实现绿色节能的目标，节省运行能源成本，实现经济效益和环境效益的双赢。通过自控仪表和电气仪表的有机搭配实现了自控程度的升级采用自行开发的手机APP能够实现将反应器运行数据上传至服务器的方式实现了数据的实时远程显示和动力控制，提升了技术人员对反应器的控制能力和信息传输速率，突破了空间和时间对人机交互的限制。如图1所示。

3  设计方案

3.1  流体部分

首先在Fluence软件支持下的对UASB全反应器进行全套的流体设计，优化反应器的布水运行条件与流体控制方式，开展基于Fluence软件支持下的流体设计，提出反应器的运行条件与操作条件。通过自定义函数改进优化模型，利用丰富的物理模型、先进的数值计算方法和强大的后处理功能，个性化处理得到星轮式布水搅拌装置、UASB厌氧反应器的各项数据。如图2所示。

3.2  机械部分

对于处理高浓度废水，对布水装置进行优化，使布水器每转动一次可实现一个完整的布水和搅拌过程，既杜绝了布水盲点和反应盲区的产生，又保证了污水和厌氧污泥均匀的混合，达到一举两得的作用。装置的二次设计有效实现绿色节能的目标，提高了运行效率，节省运行能源成本。

4  电器与自控设计

4.1  搅拌电机

本设计采用s7—200PLC为核心的对液体流量进行控制以及根据流量对搅拌电机转速的控制设计出了一款自动化程度高、布水设计合理的一种搅拌装置。

4.2  布水器自控设计

使用红外传感器adc采集，通过采集得到我们需要的模拟量，然后通过A/D转换 转换成数字量 通过程序滤波数据处理，然后得到相应的数据然后处理，分别给两个电机pwm控制。对ad值的处理函数，并且对计算左右电机的占空比并进行控制。采用电机位置式pid控制方法进行电机闭环控制并且采用了变积分法的pid算法能迅速达到想要的速度值。

然后通过串行通信程序来进行远程的数据传输，有利于远程操作。

可以利用MATLAB仿真电机速度变化曲线，可以调至输出速度稳定在设定速度上，同时也可以用MATLAB进行绘图观测数据变化，能够更好的进行数据处理。

4.3  远程操控设计

此套设备基于安卓8.0系统开发具有触控调节功能的显示操控软件，并具备分块显示和数据累计显示的功能; 面向搅拌装置设计、研发云应用软件与平台，进行基于云计算的数据中心建设，为工业远程智能控制与服务奠定装备与工具基础;通过物联网模块实现与PLC的架构，将数据上传至服务器同时与手机APP的同步显示和动力控制。通过蓝牙远程控制污泥处理装置，使其能精准的控制实现想要的操作。

5  结束语

（1）从基于FLUENCE软件模拟结果可以看出，如果进口流速和搅拌转速合适，污水和污泥接触的很完全，无布水盲区的产生，对比以往布水存在的缺陷，能够个性高效的解决布水不均问题;（2）通过对布水器各个动作情况逐一进行观察、分析，综合考虑了各方面的因素，确定三相交流电机、水泵的选型，使得布水器控制灵活、调速性能好、启动力矩大、可以均匀而经济的实现转速调节、且带负载能力相对于直流电机较为稳定。使用红外传感器adc采集，利用MATLAB仿真电机速度变化曲线，能够更好的进行数据处理;（3）数据上传至服务器同时与手机APP的同步显示和动力控制，突破了空间和时间的限制，提升装置的可操控性。

6  创新点及应用前景

（1）具有高度的灵活性，可转换不同的模式来应对不同的情况，从而保证污水的高处理率。当进水主管内只有高浓度污水而无回流水进入时，通过调节变频调速电机带动的主动齿轮的转速可实现强化搅拌的作用。（2）项目应用面广，可分别有针对性的滿足淀粉生产企业，石化企业，抗生素制药企业，造纸企业等一系列企业高浓度污水处理的需求。（3）可进行远程操控。设置电控阀门以实现对流量的控制， 采用变频电极实现转速的控制等等。通过物联网模块实现与PLC的架构，将数据上传至服务器同时与手机APP的同步显示和动力控制。

参考文献：

[1] 白杨青，郭亚兵，胡蓓蓓. UASB布水器的改进设计[D].太原科技大学，2010.

[2] 张康.常温下UASB反应器处理城市生活污水实验的研究[D].广东工业大学，2018.

[3] 齐元峰.一种星轮式布水搅拌装置.UASB厌氧反应器及其应用方法.2018.05.21：专利号CN108609732A.

作者简介：

马瑛超（1998—）女，汉族，山东烟台，青岛理工大学环境与市政工程学院在读本科生，青岛266000。