基于PLC污泥脱水机控制系统的构建与实施

刘玉涛

（烟台市城市排水服务中心，山东 烟台 264000）

0 引言

脱水机是实现固液分离的关键设备。在脱水机工作时，转鼓与螺旋电机转速之间的差转速，决定着污泥的分离效果和分离效率[1]。为有效调节差转速达到最佳值，提高脱水机的高效分离性能的目标，必须通过完善自控系统才能得到实现。

随着电子技术、计算机软件技术和自动化控制技术的飞速发展，PLC控制方式已经成为主流控制方式。PLC由CPU模块、电源模块、输入/输出模块组成，通过开关量和模拟量信号输入、输出来控制各类设备部件操作[2]。触摸屏属于人性化人机操作界面，通过触摸屏上图形画面的软键进行操作，能对脱水机运行指标进行实时显示、及时提供数据交互信息和报警提示，大幅度地提高设备自动化集成程度和运行效率。

国内污水处理厂多采用福乐伟、阿法拉伐、安德里茨等进口污泥脱水机，上述品牌都配套有自动化控制系统，但是控制程序因知识产权保护原因，没交付给使用方。当设备出质保期后，一旦出现软硬件采购、更新、故障和改造情况，需要原来的程序，只能采购原国外生产厂家的服务，必然增加企业费用负担。为了打破这种现状，通过研究污泥脱水机的工艺，以PLC为控制核心重新开发自控系统。完全满足脱水机系统的工艺需求，并为设备改造提供有益尝试。

1 污泥脱水机系统构成及原理

污泥脱水系统由脱水机、絮凝剂制备装置、污泥切割机、进泥泵、加药泵、进泥流量计、加药流量计、水平和斜螺旋输送机、清洗水阀等设备构成。

脱水机内部结构如图1所示。

1）转鼓和螺旋输送器由两个同心轴承相连接，主电动机通过三角皮带轮带动转鼓旋转，转鼓通过左轴承处的空心轴与行星差速器的外壳相连接，行星差速器的输出轴带动螺旋输送器与转鼓做同向转动，但转速不一样[1]。

两者之间关系如下：

式（1）中，nZ—转鼓绝对转速；nL—螺旋绝对速；△n—二者差速。

采用△n＞0为正差速，有利于沉降分离。

采用△n＜ 0为负差速，有利于污泥的输送。

2）污泥浓液从右端的进料口连续进入脱水机，在离心力的作用下转鼓内形成一环形液池，重相固体颗粒离心沉降到转鼓内表面而形成沉渣。由于螺旋叶片与转鼓的相对运动，沉渣被螺旋叶片推送到转鼓的小端，送出液面并从排渣孔甩出。在转鼓的大端盖上开设有若干溢流孔，澄清液便从此处流出，通过调节溢流挡板溢流口位置、转鼓转速、转鼓与螺旋输送器的差速、进料速度，就可以改变沉渣的含湿量和澄清液的含固量[2]。

脱水机主要采用差速控制和扭矩控制方式。因进泥浓液含固率有变化，差转速控时，要保障差转速稳定，达到出渣干度恒定，采用扭矩控制时要确保离心机负荷稳定，使分离效果处于最佳状态，以保证离心机可靠安全运行[3]。

2 脱水机控制系统设计

采用罗克韦尔logix5000软件编程，实现转鼓电机和螺旋电机调速自动运行，各个工艺设备手自动操作和安全报警保护。在触摸屏中设置和修改系统运行参数，并实时显示运行数据等功能，系统模块如图2所示。

2.1 系统模块控制程序

系统模块由硬件故障报警、运行条件不满足报警、急停开关报警和系统过载报警组成。系统模块是控制对运行安全保护的关键条件，只有关键条件满足后，系统才能保障运行。

急停开关报警是当离心脱水系统发生紧急情况时，为避免重大事故的发生，由现场急停按钮或者控制柜上的急停按钮来关闭电源，停止系统运行。

2.2 絮凝剂制备装置控制模块

进入管道的污泥经加入絮凝剂制备装置，配好絮凝剂充分混合后，微小的固体颗粒被凝成较大颗粒，便于脱水机较好的分离。对加药管路上安装电磁流量计，加药泵电机配备变频器，实现药量PID自动调节。

2.3 污泥切割机控制模块

污泥中较大颗粒或粘附性较强的物体容易堵塞管道，导致污泥脱水机粘阻现象的产生，造成输送管路或脱水机振动。通过PLC的逻辑控制，实现污泥切割机的启动/停止操作，污泥切割机的运行，将堵塞管道的纤维缠绕物进行切割，形成破碎后均匀浓度的污泥，为后续工艺运行做好准备。

2.4 污泥泵控制模块

该部分由污泥电磁流量计、污泥螺杆泵、电动阀门等设备组成。PLC的模拟量输入模块实现对流量计信号的采集，根据生产实际需要，对药剂流量进行设定，流量计将污泥流量运行值反馈给控制系统，系统采用PID方式对污泥泵进行控制。

2.5 污泥脱水机控制模块

污泥从螺旋推进器的进料管进入转鼓圆锥体和圆柱体的交界区，污泥在进入转鼓后，固相在离心力的作用下被甩到转鼓的内壁上，两相分离发生在转鼓的圆柱形部分，在转鼓的大端有可调节的溢流堰板，液相澄清后从溢流堰板流出到分离液出口，固相则从转鼓小端的排渣口排出[3]。溢流堰板作用是调节液相层高度，实现液体含固率和固体含水率之间达到最佳的平衡。离心机选择低差速时，脱水后污泥的含水率降低，分离液的含固率升高[4]。离心机选择高差速时，脱水后污泥的含水率升高，分离液的含固率降低，差速减小时扭矩升高。

脱水机模块由转鼓电机调控、螺旋电机调控、轴温检测、振动检测、润滑油位检测组成。

在脱水机前后轴承部位安装有温度传感器，用来采集温度信号。将温度信号转换为 4 mA～20mA的模拟信号，通过PLC的模数转换，PLC程序判别当前温度是否超出120℃，如果超出预报警，超过130℃则停机。安装振动传感器，来判别当前振动量是否超出设定值，超出设定值，则停机。污泥脱水机为润滑剂油罐配备油位检测传感器，当污泥脱水机润滑剂的剩余量低于设定标准值时，输出相应报警信号。

1）自动控制

自动控制方式，随时间变化、速度运行变化曲线如图4所示。

在触摸屏上选择自动控制模式启动后，每隔15s，依次进行如下程序：絮凝剂制备装置模块开始运行；絮凝剂加药泵运行；进泥泵运行；转鼓和螺旋双电机开始运行，根据设定的转速调用程序进行运转，并读转鼓和螺旋电机转速值和螺旋输送器电机转矩值。若螺旋电机实时运行扭矩高于系统设定高扭矩值，输出报警；螺旋高扭矩5次累计超过1h，输出报警。如果无报警，处于加速过程，直至系统加速至设定值，维持运行状态。

由于差速器的作用，转鼓转速和螺旋输送器转速的对应关系如下：

式（2）中，AS—转鼓电机转速值；R—带轮传动比；SS—螺旋电机转速值；RS—相对转速值；K—差速器比率。

根据实际需求，选择触摸屏上PID开关，程序动态调节变频器运行，调控螺旋电机转速实现PID调节差速控制。在触摸屏上选择自动控制模式关机后，每隔15s，依次进行如下程序：转鼓和螺旋正常停机；系统按照逻辑控制程序；转速逐渐减少至停止；加药泵和进泥泵等按逻辑停机。最后进入高速清洗状态，清洗完毕后，程序自动低速清洗后，停止水平螺旋和斜螺旋运行，系统整体运行结束。

2）手动控制

手动控制模式由系统启动、系统加速、人工调速、系统运行和低速清洗步骤组成。采用选择手动控制模式启动后，转鼓电机和螺旋电机运行。当转鼓和螺旋电机确认启动后，转鼓和螺旋电机根据触摸屏默认设置运行，系统进入加速过程。并按照15s间隔，分步骤启动絮凝剂制备装置、加药泵和污泥泵。逐渐加速，直到转速满足加速到设定值为止，同样减速也是如此。手动模式关机，进行低速清洗状态，电机转速逐渐降低至停机，直到低速清洗完毕，系统停止运行。

2.6 污泥水平及斜螺旋输送机控制模块

污泥螺旋输送机模块中含有污泥输送机的启停控制与相关设备的联锁保护。联锁保护包含：如果污泥泵或脱水机的转鼓运行，则PLC系统就给污泥输送器开指令；如果脱水机系统按照工艺要求停止运行，延迟10min后，污泥水平及斜螺旋输送机停止运行。

2.7 清洗阀控制模块

脱水机正常停机、故障停机会容易出现转鼓螺旋污泥堵塞等情况，需要对脱水机进行清洗。如果脱水机内的残留污泥较多，容易出现扭矩较大，或者震动报警。程序通过对清洗水阀的开关操作来实现对脱水机的高速清洗过程。

3 脱水机控制系统现场调试

进行单元调试、联体调试，对调试中发生的问题逐一分析，并总结和对其完善。经试运行后，运行指标满足设计指标及性能要求，脱水后污泥的含水率为75%，脱水效果稳定。

4 结语

通过深入了解脱水机工作原理，在系统中采用PLC和变频器技术，结合罗克韦尔PLC软件logix5000编程，实现了转鼓电机和螺旋输送器电机的缓启动，实现了手动/自动运调节，保障系统稳定运行。由于转鼓电机和螺旋电机在变频器安装配置中，采用共直流母线技术，节省了电耗，也满足了脱水机的稳定性、可靠性的要求。