基于Modbus污水處理變頻供水控制系統(tǒng)的設(shè)計

張輝,李樹君,溫琦,王志,劉艷陽

(中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院,北京 100083)

人類對水資源的需求以驚人的速度擴大,同時,日益嚴重的水污染蠶食著大量可供消費的水資源。近年來,國家對水環(huán)境的保護不斷增強,對污水處理過程自動化程度要求不斷提高,利用先進的控制技術(shù)和設(shè)備對污水處理過程進行監(jiān)控是滿足上述要求的最有效手段。本文基于PLC和工業(yè)組態(tài)軟件設(shè)計一個污水處理遠程監(jiān)測系統(tǒng),采用分布式控制結(jié)構(gòu),由上位機和現(xiàn)場設(shè)備構(gòu)成。上位機采用組態(tài)軟件開發(fā)上位監(jiān)控界面,能夠完成遠程實時監(jiān)測和管理任務(wù);分布于生產(chǎn)現(xiàn)場的PLC和智能檢測儀表完成實時數(shù)據(jù)采集和自動控制的功能。選用自帶Modbus總線接口的變頻器,整合PLC作為主站控制器,組建恒壓供水自動控制系統(tǒng),既發(fā)揮了Modbus總線和變頻控制的優(yōu)良性能,又實現(xiàn)了設(shè)備的集中式控制。文中闡述了整個控制系統(tǒng)的硬件組成和相關(guān)底層軟件、組態(tài)軟件的開發(fā)。實際現(xiàn)場運行的結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有很好的可擴展性、靈活性和可靠性。

1 污水處理工藝流程

膜-生物反應(yīng)器(MBR)處理技術(shù),是基于膜分離材料的水處理新技術(shù)。膜-生物反應(yīng)器將活性污泥法和膜分離技術(shù)有機結(jié)合,利用膜分離技術(shù)作為處理單元對微生物進行有效攔截或吸附,具有工藝流程簡單、占地面積小、出水水質(zhì)好、剩余污泥產(chǎn)量低、維護管理方便等特點。這種集成式組合新工藝把生物反應(yīng)器的生物降解作用和膜的高效分離技術(shù)溶于一體,通過與A2/O等生物處理工藝的整合,同時又具有很好的脫氮和除磷功能。圖1是該污水處理站的工藝流程圖。

圖1 膜生物反應(yīng)器工藝流程Fig.1 Membrane-bioreactor process flow

來水經(jīng)外部引水管進入粗格柵,隔離較大的漂浮物和雜質(zhì),再進入調(diào)節(jié)池經(jīng)提升后進入超細格柵去除毛發(fā)和纖維等,以免對膜造成損害,出水最后進入生物化處理單元,通過生物處理,降低BOD,COD,NH3-N,TN等污染物濃度,其中在膜池中添加化學(xué)除磷藥劑去除TP,再通過抽吸泵將清水通過膜過濾抽吸出來排放或回用。膜池剩余污泥經(jīng)污泥泵提升后進入貯泥池,再由抽糞車定期抽出外送填埋或制肥。也可將污泥水直接用于施肥。

2 變頻供水控制系統(tǒng)實現(xiàn)

分析了膜-生物反應(yīng)器污水處理工藝流程、工藝特點,根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備及控制對象的特點進行了控制系統(tǒng)的開發(fā),設(shè)計了一套基于PLC,Modbus總線技術(shù)和遠程監(jiān)控的污水處理自控系統(tǒng)。

系統(tǒng)電氣組成原理見圖2所示。控制系統(tǒng)的設(shè)計分為3個部分:1)上位機監(jiān)控軟件設(shè)計,利用組態(tài)軟件開發(fā)污水處理監(jiān)控軟件,實現(xiàn)與下位機PLC的數(shù)據(jù)通訊,方便對污水處理系統(tǒng)的監(jiān)控;2)變頻恒壓輸出控制,PLC采集輸出管網(wǎng)壓力,通過Modbus輸出控制字給變頻器,從而變頻控制穩(wěn)定管網(wǎng)壓力;3)系統(tǒng)整體電氣設(shè)計,根據(jù)污水處理工藝和用戶控制要求,針對污水處理過程各個被控節(jié)點的特點,在PLC控制程序設(shè)計中采用了不同的控制策略,確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效地運行。

文中恒壓供水輸出提供給綠地澆灌、馬桶沖刷及日常清洗3路使用,由于供水量的隨機性,采用傳統(tǒng)方法難以保證供水的實時性,且水泵的選取往往是按最大供水量來確定,而高峰用水時間較短,這樣水泵在很長一段時間內(nèi)有較大余量,不僅水泵效率低,供水壓力不穩(wěn),而且造成大量電力浪費。因此,設(shè)計了基于Modbus的變頻恒壓供水控制系統(tǒng),其控制原理如圖3所示。

圖2 控制系統(tǒng)電氣原理圖Fig.2 Electrical schematic diag ram of control system

圖3 變頻恒壓控制原理圖Fig.3 Theory of frequency conversion constant pressure water supply system

變頻恒壓供水控制系統(tǒng)以O(shè)MRON CP1H系列PLC作為主機,通過其自帶的RS485接口,使用Modbus協(xié)議實現(xiàn)對內(nèi)嵌有RS485接口的施耐德ATV 21型變頻器進行控制,包括變頻器的啟動、停止、故障檢測、故障復(fù)位、速度等。Modbus硬件接口采用電氣接口2線制RS485,使用屏蔽雙絞線連接,所有A和B型接口都是菊鏈在一起的,屏蔽線應(yīng)該連接到“地”端,采用單點接地。在總線的2個終端需配置120 Ω電阻。統(tǒng)一設(shè)定RTU數(shù)據(jù)格式:數(shù)據(jù)位8,無校驗,停止位1,波特率19 200。將3臺ATV 21變頻器和具備Modbus接口的智能型壓力變送器作為從站,與歐姆龍CP1H主站組成一個數(shù)字通信控制網(wǎng)絡(luò)。PLC可以向從站變頻器發(fā)送參數(shù)設(shè)置、啟停、數(shù)據(jù)查詢等指令,而變頻器則根據(jù)指令要求控制電機系統(tǒng)運行,并返回信息。該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)對交流電機的遠程控制,而且還可以通過上位機人機界面連接,完成遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲。

控制系統(tǒng)采用數(shù)字增量式PID方式控制水泵的轉(zhuǎn)速和流量,自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù),完成供水壓力的閉環(huán)控制,在管網(wǎng)壓力變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。系統(tǒng)的控制目標是泵站總管的出水壓力,通過系統(tǒng)設(shè)定的給水壓力值與反饋實際值比較,將其差值輸入CPU運算處理后,發(fā)出控制指令,控制泵電動機的投運臺數(shù)和運行電動機的轉(zhuǎn)速,從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值。當用水量不是很大時,一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運行;當用水量大到變頻器全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時,控制器的壓力下限信號與變頻器的高速信號同時被PLC檢測到,PLC自動將原工作在變頻狀態(tài)下的泵,投入到工頻運行,以保持壓力的連續(xù)性,同時將1臺備用的泵用變頻器啟動后投入運行,以增加管網(wǎng)的供水量,保證壓力穩(wěn)定。同理,2臺水泵同時工作仍不能保證設(shè)定壓力時,啟動第3臺備用泵變頻運行,另2臺工頻運行。當用水量減少時,首先表現(xiàn)為變頻器已工作在最低速信號有效,這時壓力上限信號如仍出現(xiàn),根據(jù)先投先停的原則,PLC將停止正在運行的水泵中運行時間最長的工頻泵,直至出水壓力達到設(shè)定值。另外,控制系統(tǒng)每臺泵的電機累計運行時間可顯示,24 h輪換一次,既保證供水系統(tǒng)有備用泵,又保證系統(tǒng)的水泵有相同的運行時間,確保了泵的可靠壽命。該控制系統(tǒng)程序流程如圖4所示。

圖4 變頻恒壓控制程序流程圖Fig.4 Program flow chart of frequency conversion constant pressure control

由于歐姆龍CP1H PLC內(nèi)部集成了PID(比例、微分、積分)調(diào)節(jié)功能模塊,使得控制器的參數(shù)設(shè)定與調(diào)整簡單易行。PLC通過Modbus采集到管網(wǎng)壓力信號及變頻器運行狀態(tài)極限信號,通過Modbus向ATV 21變頻器寫入控制字。變頻器接收PLC發(fā)送的控制字,調(diào)整輸出頻率,從而改變水泵電機轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)變頻恒壓供水。該變頻調(diào)速系統(tǒng)在污水處理中的開發(fā)應(yīng)用,解決了傳統(tǒng)方法高能耗、水壓波動的弊病,使得污水處理的監(jiān)控項目更全面、反應(yīng)更靈敏。

3 變頻設(shè)計效果及結(jié)論

從表1看出,當電機所提供的出口壓力相同時,可節(jié)約電量(22.5 kW-15 kW)/22.5 kW×100%=33%。工頻供水系統(tǒng)在保證出口壓力為0.32 MPa時,3臺7.5 kW 電機均需全速運行,由于手動控制電機開停,誤差較大,每年會造成較大的電能浪費,而變頻供水電機就無需全部啟動,當變頻控制的7.5 kW電機達到工頻時再啟動其他電機。采用變頻調(diào)速進行恒壓供水后,管網(wǎng)壓力閉環(huán)控制,可以精確控制出口壓力,并且電機的轉(zhuǎn)速、電流也明顯降下來了,運行狀況得到明顯改善。變頻控制系統(tǒng)不僅直接節(jié)約了耗電量,而且由于變頻器的軟啟動功能,減少了對電機、電網(wǎng)的沖擊,延長了設(shè)備的使用壽命,降低了設(shè)備的維修費用。用變頻器替代開關(guān)控制,會產(chǎn)生一些初期投資,但可節(jié)省大量的電費。一般而言,變頻恒壓設(shè)備的投資1 a即可收回。

此外,整個污水處理系統(tǒng)在組態(tài)軟件環(huán)境下開發(fā)了應(yīng)用程序作為監(jiān)控軟件,提供了簡易、直觀的用戶操作界面,實現(xiàn)遠程監(jiān)視污水處理主要設(shè)備的運行狀態(tài)、PLC運行狀態(tài),遠程控制現(xiàn)場設(shè)備,并具備完善的故障報警等功能,監(jiān)控界面見圖5。

圖5 組態(tài)運行監(jiān)控界面Fig.5 Interface of surveillance and control made by configuration software

綜上所述,恒壓供水系統(tǒng)采用PLC及變頻供水設(shè)備,其自動化程度高,在保證可靠供水前提下,充分發(fā)揮了變頻調(diào)速的能力,消除了主管網(wǎng)壓力波動,保證了供水質(zhì)量;而且節(jié)能效果明顯,并延長了主管網(wǎng)及其閥門的使用壽命。具體表現(xiàn)為:1)節(jié)電顯著,從以上測量結(jié)果上看,節(jié)電效果一般為30%以上;2)提高了功率因數(shù),從變頻器的監(jiān)視窗口可看出,電機的功率因數(shù)為0.983,可替代無功功率補償裝置;3)操作簡單,壓力的調(diào)節(jié)可通過控制面板或計算機監(jiān)控系統(tǒng)直接操作,簡單方便。

另外,它還可以方便地與各種通用組態(tài)軟件連接,進行現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)控和實現(xiàn)無人遠程操作。該系統(tǒng)投入運行后一直十分穩(wěn)定,故障率極低,而且操作容易,節(jié)能效果顯著。目前該系統(tǒng)在北京某污水處理中心投入使用,運行穩(wěn)定,控制性能優(yōu)越,管理功能完善。

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修改稿日期:2010-06-15