基于PLC和變頻器控制的壓濾型污泥脫水系統設計

1、引言

工業生產過程中會產生大量廢水，廢水經過處理達標后才能安全排放，在廢水處理過程中經常會產生大量的含水污泥。近年來，隨著全社會環保意識的加強，環保部門對廢水處理的要求越來越高，伴隨著廢水的深度處理，廢水中的各類沉淀物進一步向污泥集中，使得污泥處理量和處理難度與日俱增，污泥的處理處置不具是企業個人問題，如今，已經成為一個很大的社會問題。如何經濟有效地解決污泥問題已經成為許多企業和國家普遍面臨的問題。

經調研，長期以來，我國污泥脫水設備以過濾機及離心機脫水系統為主，即用脫水設備將未處理污泥進行簡單過濾，使其含水率下降至20-30%，然后外運，主要進行填埋處理。然而這些簡單處理后的污泥體積龐大，含水率較高、流動性較好，填埋后還會占用大量寶貴的土地資源，而滲濾液對地下水的污染也逐漸引起人們的重視。

污泥的機械深度脫水是經濟而有效地解決污泥問題的關鍵所在，壓濾型脫水機作為一種新型深度脫水設備，在設計中采用目前使用較廣的PLC控制器及變頻器調速系統，可大大提高脫水效率，提高系統的自動化程度，在污泥深度脫水方面有著巨大的優勢。　　

2、壓榨型污泥脫水系統組成及控制過程　　

2.1壓榨型污泥脫水系統組成

控制系統由PLC、料位計、壓力傳感器、MCGS工控機、變頻器、壓濾機及其執行設備和電氣控制柜等組成，組成框圖如圖1所示。主要組成部分功能如下：　

上位機(MCGS工控機)：操作界面作為操作人員與設備之間的交互平臺，接收來自操作人員的操作指令并指示設備的工作狀態；界面上的顯示終端作為人機交互界面，不僅可顯示系統工作狀態，同時還可對工作參數進行設定，同時具有報警記錄查詢功能。具體說，對設備的啟動、停止進行操作；顯示系統參數，比如：壓力，壓濾次數及設備工作狀態；進行系統參數設置，比如：壓濾段數、壓濾次數、壓榨壓力等。　

1)MCGS是北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監控系統的工業控制組態軟件系統。MCGS具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。通過與其他相關的硬件設備結合，可以快速、方便的開發各種用于現場采集、數據處理和控制的設備。用戶只需要通過簡單的模塊化組態就可構造自己的應用系統，如可以靈活組態各種智能儀表、數據采集模塊，無紙記錄儀、無人值守的現場采集站、人機界面等專用設備。　　

2)壓力傳感器：壓力傳感器是為了獲取系統運行時壓濾機內的壓力值，通過檢查壓力，從而控制工序的運行。　　

3)料位計：測量壓濾機的料位。　　

4)PLC：是本系統的控制核心，通過對壓力信號的采集、保護開關及對操作信號的接收，對壓濾機的進料、壓力、及工序等，依據程序控制的相應設備進行工作。　　

5)變頻器：控制壓榨電機多段速調速運行，從而控制壓濾機內的壓力。　　

6)污泥進料泵：將待處理的污泥送入壓濾機。　　

7)壓濾機：系統的執行機構，對污泥進行泥土和水的分離。　

8)限位開關：對系統的行程和安全進行保護。　　

9)電氣控制柜：由于對污泥進行處理，工作環境比較惡劣，為更好提高PLC變頻器等電器的工作穩定性、延長使用壽命及降低設備的故障，提供一個較封閉的環境。　　

2.2壓榨型污泥脫水系統控制過程　

壓濾型污泥脫水程序控制系統具有較完善的連鎖保護、故障顯示及良好的人機對話功能，安全、實用、可靠。根據壓濾脫水的工藝流程及控制要求可知，壓濾機進出料的主要執行元件是電磁擋板，為了保障PLC控制下各個閥門的開關動作正常銜接，在體統中采用了位置反饋控制，引入擋板開到位和關到位型號，在壓濾過程中，通過壓力傳感器對壓濾機內壓力的實時采集信息，使得系統能安全可靠運行。　　

具體工作過程如下：首先根據送入的污泥類型，在上位機上設置壓濾次數、各次壓榨壓力及保壓時間，在壓濾機內無料及壓力情況下，進行送料操作，打開進料電磁擋板、將污泥送入壓濾機內，料位計檢測壓濾機裝好污泥之后，關閉進料電磁擋板，同時，根據所設置的壓濾參數，進行自動壓濾，直到壓濾完成，停止壓力，打開下料電磁擋板，進行下料。然后重新裝料，周而復始，對污泥進行脫水操作。　

　3、PLC程序及組態軟件設計　

　3.1PLC系統組態　　

下位機采用三菱FX3U繼電器輸出模塊為主機，三菱FX3U功能強大，主要由機架、CPU、通信接口、輸入輸出接口、擴展接口等組成，本系統在擴展接口中接入FX0-3A模擬量模塊，對壓濾機內壓力進行采集。上位機MCGS與PLC采用RA-485進行通信，上位機將設置的參數及控制信號傳遞給PLC，同時PLC將采集到信號及系統工作狀態反饋給上位機，進行污泥脫水系統的狀態顯示。　　

3.2變頻器在系統中的壓力控制

壓濾型污泥脫水機的主要工作方式是對壓濾機內的污泥進行擠壓，將水分過濾出來。在工作中壓濾機內活塞不斷擠壓和保壓，并跟隨設定壓力不斷變化擠壓壓力，這就要求一臺能調速的電動機來實現。本次設計選用三菱FR-E740變頻器。FR-E740變頻器采用先進磁通矢量控制，0.5Hz時能達到200%轉矩輸出，能以很高的精度進行寬范圍的調速運行，經濟耐用，并且多達15段速度設定方式，能滿足各類負載對傳動控制的要求。根據系統要求變頻器速度控制方式為7段數運行，變頻器控制原理圖如圖2所示。　

L1、L2、L3為380V，50HZ的三相交流電、通過低壓斷路器QF1與變頻器的交流輸入端子R、S、T相連，U、V、W為變頻器的交流輸出，與電機之間接一個交流電抗器，它能抑制變頻器的無線電干擾和導線分布電容引起的過流。　

在控制回路中STF、STR、RH、RM、RL接PLC輸出，SD接公共端。STF控制壓榨前進運行，STR控制壓榨后退，速斷控制端RH、RM、RL搭配得到7種速度運行，在壓榨過程中，就可以實現不同的壓榨壓力控制。　　

3.3PLC的軟件設計　

污泥壓濾脫水系統軟件設計要求能實現設定的功能，公式要求可靠性好，便于操作等。因此根據壓濾流程，本系統采用三菱PLC提供的流程圖(SFC)編程，SFC程序的運行規則是：從初始步開始執行，當每步的轉換條件成立，就由當前步轉為執行下一步，在遇到END時結束所有步的運行。采用SFC進行PLC應用編程的優點是：　　

1)在程序中可以直觀地看到設備的動作順序。程序采用SFC編寫，所以程序的規律性較強，容易讀懂，具有一定的可視性。　

2)在設備發生故障時能很容易的找出故障所在位置。　

3)不需要復雜的互鎖電路，更容易設計和維護系統。

采用這樣的編程，本系統的程序很適合采用SFC編程，根據壓榨流程，按部就班的進行設計，有利于整體控制的調試，維護。在編程時，很方便的建立梯形圖，隨需要加入連鎖，及安全保護，從而大大提高整個系統的可靠性及安全性。PLC程序流程圖見圖3。

4、結束語

采用MCGS和PLC作為控制系統的核心，不僅使得系統硬件結構簡單化，便于接線及安裝，而且通過MCGS實行人機交互，減少PLC的輸入輸出接口，實現了故障報警及工作狀態顯示；采用變頻器多段速變速功能，實行壓榨系統的壓力平滑控制，系統更加穩定可靠，而且變頻技術還能節約大量的電能；采用壓榨工作方式，可以根據需要進行壓力值及壓濾次數的設置，可方便完成不同類型污泥的脫水，同時，使得脫水更加徹底。因此，壓濾型脫水機具有很好地應用前景。