基于Modbus污水處理變頻供水控制系統的設計

張輝,李樹君,溫琦,王志,劉艷陽

(中國農業機械化科學研究院,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和設備對污水處理過程進行監控是滿足上述要求的最有效手段。本文基于PLC和工業組態軟件設計一個污水處理遠程監測系統,采用分布式控制結構,由上位機和現場設備構成。上位機采用組態軟件開發上位監控界面,能夠完成遠程實時監測和管理任務;分布于生產現場的PLC和智能檢測儀表完成實時數據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,既發揮了Modbus總線和變頻控制的優良性能,又實現了設備的集中式控制。文中闡述了整個控制系統的硬件組成和相關底層軟件、組態軟件的開發。實際現場運行的結果表明,該系統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-生物反應器(MBR)處理技術,是基于膜分離材料的水處理新技術。膜-生物反應器將活性污泥法和膜分離技術有機結合,利用膜分離技術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、出水水質好、剩余污泥產量低、維護管理方便等特點。這種集成式組合新工藝把生物反應器的生物降解作用和膜的高效分離技術溶于一體,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 膜生物反應器工藝流程Fig.1 Membrane-bioreactor process flow

來水經外部引水管進入粗格柵,隔離較大的漂浮物和雜質,再進入調節池經提升后進入超細格柵去除毛發和纖維等,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 變頻供水控制系統實現

分析了膜-生物反應器污水處理工藝流程、工藝特點,根據現場設備及控制對象的特點進行了控制系統的開發,設計了一套基于PLC,Modbus總線技術和遠程監控的污水處理自控系統。

系統電氣組成原理見圖2所示?？刂葡到y的設計分為3個部分:1)上位機監控軟件設計,利用組態軟件開發污水處理監控軟件,實現與下位機PLC的數據通訊,方便對污水處理系統的監控;2)變頻恒壓輸出控制,PLC采集輸出管網壓力,通過Modbus輸出控制字給變頻器,從而變頻控制穩定管網壓力;3)系統整體電氣設計,根據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點的特點,在PLC控制程序設計中采用了不同的控制策略,確保系統安全、穩定、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有較大余量,不僅水泵效率低,供水壓力不穩,而且造成大量電力浪費。因此,設計了基于Modbus的變頻恒壓供水控制系統,其控制原理如圖3所示。

圖2 控制系統電氣原理圖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以OMRON CP1H系列PLC作為主機,通過其自帶的RS485接口,使用Modbus協議實現對內嵌有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。統一設定RTU數據格式:數據位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主站組成一個數字通信控制網絡。PLC可以向從站變頻器發送參數設置、啟停、數據查詢等指令,而變頻器則根據指令要求控制電機系統運行,并返回信息。該系統不僅可以實現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,完成遠程監控和數據存儲。

控制系統采用數字增量式PID方式控制水泵的轉速和流量,自動調整泵組的運行臺數,完成供水壓力的閉環控制,在管網壓力變化時達到穩定供水壓力和節約電能的目的。系統的控制目標是泵站總管的出水壓力,通過系統設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,發出控制指令,控制泵電動機的投運臺數和運行電動機的轉速,從而達到給水總管壓力穩定在設定的壓力值。當用水量不是很大時,一臺泵在變頻器的控制下穩定運行;當用水量大到變頻器全速運行也不能保證管網的壓力穩定時,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下的泵,投入到工頻運行,以保持壓力的連續性,同時將1臺備用的泵用變頻器啟動后投入運行,以增加管網的供水量,保證壓力穩定。同理,2臺水泵同時工作仍不能保證設定壓力時,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,根據先投先停的原則,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定值。另外,控制系統每臺泵的電機累計運行時間可顯示,24 h輪換一次,既保證供水系統有備用泵,又保證系統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內部集成了PID(比例、微分、積分)調節功能模塊,使得控制器的參數設定與調整簡單易行。PLC通過Modbus采集到管網壓力信號及變頻器運行狀態極限信號,通過Modbus向ATV 21變頻器寫入控制字。變頻器接收PLC發送的控制字,調整輸出頻率,從而改變水泵電機轉速,實現變頻恒壓供水。該變頻調速系統在污水處理中的開發應用,解決了傳統方法高能耗、水壓波動的弊病,使得污水處理的監控項目更全面、反應更靈敏。

3 變頻設計效果及結論

從表1看出,當電機所提供的出口壓力相同時,可節約電量(22.5 kW-15 kW)/22.5 kW×100%=33%。工頻供水系統在保證出口壓力為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。采用變頻調速進行恒壓供水后,管網壓力閉環控制,可以精確控制出口壓力,并且電機的轉速、電流也明顯降下來了,運行狀況得到明顯改善。變頻控制系統不僅直接節約了耗電量,而且由于變頻器的軟啟動功能,減少了對電機、電網的沖擊,延長了設備的使用壽命,降低了設備的維修費用。用變頻器替代開關控制,會產生一些初期投資,但可節省大量的電費。一般而言,變頻恒壓設備的投資1 a即可收回。

此外,整個污水處理系統在組態軟件環境下開發了應用程序作為監控軟件,提供了簡易、直觀的用戶操作界面,實現遠程監視污水處理主要設備的運行狀態、PLC運行狀態,遠程控制現場設備,并具備完善的故障報警等功能,監控界面見圖5。

圖5 組態運行監控界面Fig.5 Interface of surveillance and control made by configuration software

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

另外,它還可以方便地與各種通用組態軟件連接,進行現場狀態監控和實現無人遠程操作。該系統投入運行后一直十分穩定,故障率極低,而且操作容易,節能效果顯著。目前該系統在北京某污水處理中心投入使用,運行穩定,控制性能優越,管理功能完善。

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修改稿日期:2010-06-15