基于PLC的污泥计重系统开发

何永艳

(上海电子信息职业技术学院申安网络安全产业学院，上海 201411)

0 引言

污水处理厂在实现水质净化的过程中，通过物理和生化的方法，使污染物从水体中排出，确保污水净化后达到排放标准。由于污泥处理的工艺与污水完全不同，污水处理形成的污泥往往需要集中收集脱水后，由外送专业污泥处置单位实现最终处理[1]。实时获取污泥量的精确数据，是污泥委托处置费用结算的基础。目前，脱水污泥的计重一般采用车用地磅或者根据料仓料位差进行估算，也有对流动性好的污泥采用电磁流量计进行计量或者利用螺杆泵的频率与输送量的关系进行估算[2-3]。但这些方式的测量准确度不高，应用范围有限。一些规模较大的污泥集中处置项目往往需设置专用的称量槽来实现污泥的计量[4]。但称量槽投资成本较高，计算过程较为复杂，应用在小型项目上存在困难。在电力行业的应用中，有采用皮带秤实现电厂给煤量计量[5-6]的方法。但考虑到脱水污泥和煤块的物性存在较大差异，该方法的适用性有待进一步的工程验证。

近年来，环保监管机构对污水处理厂出厂污泥的含水率有了更高的要求，从原来要求的外送出厂的污泥含水率须在60%以下调整为须在30%以下。这就导致采用传统的机械脱水设备处理后的脱水污泥含水率无法达标。为此，污水处理厂往往就地安装低温烘干设备，将污泥含水率降低到30%以下达标后再出厂。部分污水处理厂将这部分业务委托第三方污泥处置机构投资和运行，按污泥处理量进行付费结算。这样，原有测量方法所得数据的实时性和精度均不能满足处置费用结算的要求。因此，结合脱水污泥就地处置工艺，依托既有污泥输送设备，实现处置污泥量的准确、可靠计量就变得尤为紧迫和重要。

目前，结合可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)程序实现物料称重计量的方案在很多工业领域得到成熟的应用。例如：在火电厂的煤粉计量中，以PLC为核心，通过程序的控制实现给煤量的自动调节[7]；在生产线上，通过程序实现其在多料仓自动称重配料系统上的应用[8]等。

本文设计的污泥计重系统通过控制既有的污泥输送设备和采集缓冲料仓的称重传感器数据，以及PLC程序控制，实现污泥处理量的自动、准确和稳定的测量，为小型污泥处置系统的污泥计量提供了解决方案。

1 系统设计

1.1 系统方案

污泥计重系统方案如图1所示。

图1 污泥计重系统方案示意图

图1中涉及到的输送设备，如刮板机、缓冲料仓、污泥压滤机等，是污泥处置系统的标准配置。污泥压滤机采用间歇性工作方式，每隔4～8 h排出一次污泥。污泥就地处理设备通常24 h持续工作，需要频繁进料。为保证工作的正常有序进行、协调两者不同的状态，需在污泥压滤机到就地处置设备之间的输送流程中设置缓冲料仓，以收集压滤机集中产生的污泥。根据污泥就地处置设备的工作节奏为其缓慢地补充待处理的污泥，从而逐步释放缓冲料仓内的存量污泥，为下一次收集压滤机排出的污泥留出足够的空间。计重系统通过在缓冲料仓额外设置称重传感器，再通过对既有输送设备的程序控制，在不影响原有污泥输送功能的同时实现了污泥处理量的精确计量，为污水处理厂与专业污泥处置机构之间的污泥结算收费提供数据支持。

图1中，污泥压滤机下部设置有上部开口的排泥螺旋，接收从污泥压滤机掉落的脱水污泥。在减速电机M01的驱动下，通过旋转将污泥送入料仓上料刮板机(驱动电机M02)，并由刮板机将污泥送入缓冲料仓。

缓冲料仓料斗底部安装料仓出料螺旋(驱动电机M04)，侧壁上安装搅拌破桥装置(驱动电机M03)。搅拌破桥装置与料仓出料螺旋上下平行布置。当需要出料时，搅拌破桥装置和料仓出料螺旋同时启动，污泥从料斗中排出，进入料仓出料螺旋，再从料仓出料螺旋出料口排入料仓出料刮板机的进料口。料仓底部4个支托分别设置有高精度的称重传感器(WT01～WT04)，实时对由搅拌破桥装置、料斗、料仓出料螺旋构成的缓冲料仓进行质量测量。

料仓出料刮板机在电机M05的驱动下，将脱水污泥送至污泥就地处理设备自带的料斗中。料斗设置高低位物料开关LS01和LS02。

1.2 计量系统的架构

西门子S7-1200 PLC支持多种通信协议[9]，接口类型丰富，扩展功能强，在其他行业的称重系统中也得到了广泛应用[10-11]。图2为计重系统控制硬件线路原理图。方案采用西门子S7-1200 PLC控制器为核心，由中央处理器(central processing unit,CPU)模块(型号为1214C)和RS-485模块(型号为CM1241)组成，具备RS-485通信和基本的开关量输入输出功能，并以此组成计重系统的控制硬件。

图2 计重系统控制硬件线路原理

缓冲料仓4个称重传感器通过称重二次仪表采集并汇总数据后，将称重二次仪表的RS-485接口与CM1241模块连接，并通过Modbus RTU通信协议实现实时质量数据的采集。上位机通过传输控制协议/网际协议(transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP)与PLC的CPU连接。模块采用24 V供电，与CM1241模块的供电通过模块间总线连接实现。

污泥就地处理设备料斗上设置的高低位物料开关以开关量的形式接入PLC。PLC输出控制M01～M05 这5台驱动电机的运行。质量数据完成计算后，通过上位机予以显示和记录。

2 工作过程及控制原理

2.1 工作及控制过程

在缓冲料仓空仓时，称重传感器首先置零。当有污泥进入时，即可对料仓内存泥质量进行称量。为实现污泥计重功能，需要使缓冲料仓不能同时运行进料和出料的状态。现场设置缓冲料仓进料启停开关。当压滤机需要卸泥时，操作人员现场启动缓冲料仓进料系统。此时，排泥螺旋(M01)和缓冲料仓上料刮板机(M02)同时启动。当进泥操作完成后，操作人员停止进料系统。当M01和M02启动时，通过连锁控制将缓冲料仓出料刮板机(M05)、搅拌破桥装置(M03)、料仓出料螺旋(M04)全部设置为立即停止状态。直到M01和M02停止后，上述设备才能获得启动权限。控制系统通过采集M01和M02启停前后称重传感器数值的差值，得到本次料仓的进料量。电控系统对每次得到的进料数值进行累计，即可得到累计处理量。累计处理量可为污泥处置费用的结算提供依据。缓冲料仓出料刮板在污泥就地处理设备料斗缺料时启动(LS02反馈低料位信号)，至料斗达到高料位时停止运行(LS01反馈高料位信号)。搅拌破桥装置、料仓出料螺旋的启停状态与缓冲料仓出料刮板启停状态保持一致，保证湿污泥从料仓内排出并送至污泥就地处理设备料斗。上述流程的安排需确保缓冲料仓的进料和出料不同时进行，以及进料操作的优先性。

根据前述的控制过程，本方案设计的程序控制流程如图3所示。图3中，G0为完成进料前初始的累计质量；g为完成进料后增加的质量；G为进料完成后更新的累计质量。

图3 控制流程图

2.2 较高测量精度的实现

为保证测量精度，系统设计从数据采集和软件设计这2个方面开展了深入研究。

①数据采集。

称重传感器采用悬臂梁称重模块，测量精度达到0.03%，温度补偿范围达到-30℃～+70℃，防护等级达到IP68，具有良好的抗冲击性和稳定性。输出的电压信号通过专业屏蔽电缆接入称重控制仪(二次仪表)。仪表集成高精度24位模拟/数字(analog to digital,A/D)转换器。采集实时质量数据后，通过隔离型的RS-485通信接口，以Modbus RTU协议接入PLC。二次仪表精度为0.1% Fs。除此以外，称重系统每运行时间超过1 000 h，就对计重系统进行零点和标准砝码标定工作，以确保系统处于良好状态。

②软件设计。

料仓启停前后采集的质量数据非常关键。质量数据直接影响到整个计重系统的测量精度。

PLC滤波简易方式如图4所示。

图4 PLC滤波简易方式

为了防止称重过程中设备存在未完全稳定或者周边环境产生信号干扰，程序首先进行了延时数据采集。延时时长根据现场调试形成的记录来设定。PLC还对采集的质量数据进行滤波，采用算术平均滤波法连续取N个采样值进行算术平均运算。N值较大时，信号平滑度较高，但灵敏度较低；N值较小时，信号平滑度较低，但灵敏度较高。考虑到质量数据现场受干扰的情况，实际选取N值为10，确定的采样周期为1 s。周期内采样次数为10次，即每0.1 s采样1次，累加后除以10，计算结果为10次采样的平均值。

滤波使用的寄存器地址如表1所示。

表1 滤波使用的寄存器地址

3 设计验证

为验证污泥计重系统的测量精度，先将图1所示的污泥就地处理设备和料仓出料刮板移除，采用已知质量的容器在缓冲料仓出口处收集污泥；再用程序模拟实际缓冲料仓多频次出料状态；最后启动缓冲料仓进料。连续进行4次测试。每次测试完成后，用测试前后料仓累计质量的增加值ΔG减去料仓内的存量污泥质量的增加值Δg，得到的质量即为通过计重系统数据计算得出的料仓出料量。该数据与料仓出料量的实际称重数据对比，即可得到计重系统的测量精度范围。其中，料仓实际出料量的称重选用A级精度磅秤，量程范围为0～2 t，最大误差在±0.15 kg以内。计重系统测试数据如表2所示。

表2 计重系统测试数据

表2的测试结果显示，计重系统的相对误差不超过0.25%，测量精度高。

4 结论

本文设计的污泥计重系统直接利用既有污泥输送设备，在不影响原有输送功能的条件下，通过缓冲料仓称重传感器的设置以及对输送设备的程序控制，实现了污泥处理量的计量功能。在具体实现过程中，除采用了高精度的称重传感器外，还通过程序的设计、采集数据的滤波处理等，得到了准确和稳定的测量结果，满足了基于污泥处置量的商业结算相关要求。

目前，本文设计的计重系统在项目现场经过了超过10 000 h以上的运行，实际效果得到了充分的验证，取得了使用方的认可。本文技术可以用于污水处理厂就地污泥处置过程中的污泥质量计量，特别适用于无法采用泵送的污泥计重场景。本文系统改造成本低、计重效果显著。