PLC控制系统在污水处理厂净水余压发电装置中的应用

梁武科，李其昌，丁 科，邓常亮

(1.西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048；2.国家电投集团重庆狮子滩发电有限公司，重庆市 401220)

0 引 言

随着城市化进程的加快、城市人口的增加、生活用水量的增加以及工业的蓬勃发展，产生的污水也在逐渐增加[1]。城市生产、生活用水及市区天然降水经污水处理厂集中收集并净化处理达标后直接排入就近江河，排放的净水具有一定的势能和动能，直接排放存在一定的资源浪费；可以充分利用污水处理站排放的净水落差，通过特殊设计的节能回收装置，对这部分能量进行回收利用发电；将回收电能直接用于污水处理厂日常消耗，可降低能耗，实现能源再次利用[2]。对污水处理厂排放净水进行节能回收，充分响应了国家对净水资源再利用的政策和节能减排政策，同时还可创造可观的经济效益。

本文设计出一种净水余压发电设备耦合控制系统，控制系统的核心基于PLC控制器。PLC控制器具有高度的稳定性和可靠性，被广泛应用于各领域，不但能实现各种逻辑控制，还能用于运动控制、数据处理和通信等[3_5]。只需在净水排放管道中安装能量回收装置(水轮机发电机)，通过控制系统可以在不影响污水处理厂正常运行条件下，根据污水处理排放流量变化，手动或者自动控制电动阀门的开关调节回收利用装置，利用排放净水进行发电；同时对机组各参数实时监控，记录设备和系统的运行状态，及时捕捉设备故障或异常信号，并及时采取措施，提高污水处理厂净水余压发电装置的安全性和可靠性，实现自动控制无人值守的目标；既满足环境要求，又经济高效，并可将整体模式推广到全国。

1 系统组成

系统由两部分组成：污水处理厂净水余压发电装置及其耦合的控制系统。系统设计如图1所示，包含2条管道：主管道(主管道为污水处理厂净水排放原始管道)和旁通管道(旁通管道为污水处理厂净水余压发电装置安装管道)。进水管入口处设置有压力表和流量表，计量管道流体压力及流量。旁通管的另一端通过能量回收装置与出水管道的一端连接，能量回收装置前后端安装有进口伸缩节。主管路内设置有主管路电动阀门，旁通管内设置有设备进口电动阀门和设备出口电动阀。压力表、流量表、主管路电动阀门、设备进口电动阀门、设备出口电动阀和能量回收装置开关均与控制系统主控单元连接。

图1 系统设计示意图

节能回收利用装置在运行工况条件下满足如下可靠性指标要求：装置可在各净水量下保证相应出力；装置启停过程不会对污水处理站净水排放造成影响；节能回收利用装置能适应每月每台机开停机次数平均60次的要求；能量回收利用装置机组外壳1 m处噪声不大于85 dB；节能回收利用装置结构强度满足电站按地震烈度7度设防的要求；节能回收利用装置采用卧式安装，可抽芯结构，由推力轴承组承载轴向力，装置本体设置在线温度与渗漏监测传感器。

2 余压发电装置总体结构

余压发电装置将潜水电机技术与灯泡贯流式水力技术相融合，安装方式为管道卧式安装。该装置利用湿定子型潜水电机技术，克服了传统灯泡贯流式冷却、散热、密封等难题；装置结构简单、牢固，负荷控制简单，运行维护方便。

余压发电能量回收装置结构设计整体部分由发电机、水轮机组成。水轮机由导叶体、转轮体、转轮、泄水锥、扩散段等组成，转轮采用定桨定导叶形式。发电机为卧轴三相异步发电机，采用干定子全水冷却方式，不设励磁系统；是利用定子与转子间气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用的一种交流发电机，不需要励磁、集电环碳刷及上网同期装置。装置内部同时还需要安装漏水检测、温湿度传感器、压力传感器等电气元件，可以及时对设备运行的状况进行数据采集，详见图2。

图2 装置真机图

3 耦合控制系统设计

3.1 设计目标

本次设计的主要目标为：在 PLC耦合系统控制下装置能够实现机组自动启停机；自动并网、解列；保证机组的常规保护，在故障时能够及时报警；事故情况下能够紧急停机等功能；最终实现自动控制无人值守的目标。

3.2 系统组成

净水节能回收利用系统主要由8个子系统组成，详见图3。通过系统集成方式将各子系统集成为一体，最终形成1套完整的净水节能回收利用控制系统。控制系统主要元件包括：可编程控制器PLC、触摸屏、市电EPS电源、转速温度渗漏监测装置、直流断路器等。

图3 净水节能回收利用系统总图

控制器选用可编程逻辑控制器(PLC)为基层控制核心，根据自带的输入输出模块进行电源控制；根据上位机的通讯控制命令进行继电器控制，接通不同的母线使其实现短接功能或负载功能，能够在规定的额定电流范围内带载情况下断开控制回路。PLC控制器基本参数为编程语言：LAD，FBD，STL，SCL，GRAPH；额定电源电压：DC24 V(DC 19.2～28.8 V)；典型功耗：5.6 W；中央机架最大模块数量：64；分布式I/O模块：可通过网络连接；硬件接口类型及速率：RJ45 100 Mbps。电源系统主要为整个系统提供电源输入，输入输出为AC380 V。配置EPS应急电源，当系统断电时，可提供10 min的电能供系统操作。

显示部分主要由10寸触摸屏组成，作为系统的人机交互部分，可显示系统的运行状态，配合按钮开关完成系统手动操作。机组监测主要为机组的转速、温度、渗漏状态提供监测信号。采用TDS—0800型温度巡检仪，共有8路信号输入，交流电源供电，具有双上、下限开关量报警输出和RS485通讯接口，可将现地设备的温度传感器信号通过通讯网络发送到监控中心计算机。

转速信号装置采用TDS—4339型数字转速信号测控装置，该装置是以适合工业自动化控制的单片机及相应的外围芯片构成，专为水力发电厂而设计，适应电涡流传感器、磁电、磁阻传感器，是用于测控发电机组的转速、转速百分比、频率的工业智能仪表。

装置漏水监测采用水极开关传感器监测，包括电机内进水电极、接线盒内浮子开关，传感器将检测到的信号传给智能控制器，当装置内进水、接线盒内进水，智能控制具有报警显示功能。

阀门监控部分采集阀门的位置信号并控制阀门的开启和关闭操作。信号采集部分主要采集水位、压力、流量及电量。图4为系统控制框图，系统控制部分包含断路器和接触器，相互配合工作控制与电网的投切。系统保护包括软并网装置、电机保护器装置和逆功率保护装置，作为整个系统的电力保护，整个控制系统主接线图如图5所示。

图4 控制框图

图5 系统主接线图

3.3 控制系统的主要功能

控制系统包含1套独立的PLC系统、测量仪表及通讯网络，可完成机组的监控。现场控制元件、输入输出元件安装于控制柜内，配置工程师站主机及组态软件，可以实现对整个发电系统的远程监测和自动控制功能。监控系统的主要功能如下：

3.4 控制系统工作方式

在并网柜上有现地及远程开关，可通过此开关来切换控制系统的两种工作模式：模式一是手动工作模式，模式二是控制单元自动控制工作模式。控制系统既可以自动控制电动阀门的开通与关闭，也可以手动开通或关闭电动阀门；保证了整个能量回收装置系统的正常稳定运行，简化了工作流程，也提高了工作效率。

3.4.1 手动切换模式

手动工作模式是指当污水处理厂净水排放流量满足装置最小发电流量时，手动开启装置进口电动阀门，关闭主管路电动阀门；当水头达到装置最小利用水头时，手动开启节能回收利用装置，手动打开装置出口电动阀门；通过手动操作，让节能回收利用装置整个系统运行在旁通管道中。在触摸屏上可手动操作控制阀门动作，详见图6。

图6 触摸屏展示图

手动工作模式操作流程：

3.4.2 自动控制模式

自动控制模式是整个系统运行在设定的程序下，不需要人为干预，系统能够根据净水排放流量自动切换主管路与旁通管电动阀门的开启和关闭。当前池水位满足要求且主管路流量计检测到流量数据达到装置最小利用流量并持续一段时间，系统自动调整旁通管道进水阀门至全开，调整主管路电动阀门使水头稳定在运行水头，开启旁通管道出口电动阀门至空载开度。当转速达到并网要求时，启动并网程序，自动并网。并网完成后，根据主管道流量计、旁通管道流量计及压力表自动调整旁通管道出口电动阀和主管道电动阀门开度，调整机组出力及净水排放。

当前池水位不满足要求且主管路流量计检测到流量数据小于装置最小利用流量时，机组自动停机；等待下一次前池水位满足要求且主管路流量计检测到流量数据达到装置最小利用流量并持续一段时间，系统自动开机运行。当前池水位和主管路流量计检测到流量数据满足要求机组自动开启后，机组在该流量状态下能稳定运行输出最大功率，通过变流器输入至电网。当进水流量不满足设定数据时，变流器工作使机组与电网解列，控制阀门动作使机组停机。

自动控制模式提高了系统的响应速度，使系统在无需人工干预下能够自动稳定运行，系统可根据设定的运行参数自动工作，详见图7。

图7 系统监控展示图

在自动模式下运行时，若需要人为停机(检修、河道水位高涨淹没机坑或其他情况)时，在调试界面操作右上角的停机按钮(按压约3 s左右)，机组可在自动模式下正常停机。停机完成后切换并网柜面板手/自动旋钮开关至手动位置，待检修完成后切至自动状态，机组自动运行。

两种工作模式保证了系统的稳定性，即使其中某一工作模式失效，系统能够迅速切换至另一模式，不会使系统处于非控制状态。

控制系统设备现场可以不安排运行人员，通过实时检测的流量数据，根据设定的开停机数据自动启停机组，实现无人值守安全稳定运行的目标。

4 结 论

以PLC为控制中心设计了污水处理站净水余压发电装置耦合的控制系统，系统能够根据污水处理排放流量变化自适应地控制电动阀门的开关调节回收利用装置，调整机组出力及净水排放，实现无人值守远程操控的目标，提高了污水处理站能量利用率，降低了电站损耗。