污泥干化裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王 磊 曹善甫

(天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，蘭州 730060)

污泥干化裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王 磊 曹善甫

(天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，蘭州 730060)

以某投產(chǎn)運行的污泥干化系統(tǒng)為研究對象，基于S7-300 PLC設(shè)計處理量為150t/d(濕基，水含量約80%～90%)的槳葉干燥機污泥干化控制系統(tǒng)，給出了控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、啟停控制邏輯流程的實現(xiàn)、安全保護系統(tǒng)的方案和人機界面的實現(xiàn)。

控制系統(tǒng) 污泥干化 槳葉干燥機 PLC

近年來，我國污水處理設(shè)施的建設(shè)高速發(fā)展，隨著污水處理量的增加，各類污泥的產(chǎn)量隨之增大，對環(huán)境的污染也日趨嚴(yán)重。未經(jīng)處理的污泥含水率高達80%以上，其體積龐大、性質(zhì)復(fù)雜且難以處理。國內(nèi)外的應(yīng)用實踐表明，經(jīng)傳統(tǒng)的濃縮和脫水工藝處理后，污泥的含水率不可能達到60%以下[1]。減量化是污泥資源化的首要步驟，而干燥則是污泥減量化最有效的方法之一。為了達到對污泥的深度脫水目的，比較經(jīng)濟的方法是引入化工操作中的熱干燥技術(shù)[2]。目前，世界上污泥干化的主流工藝有直接加熱轉(zhuǎn)鼓干化技術(shù)、間接加熱轉(zhuǎn)鼓干化技術(shù)、離心干化技術(shù)、間接式多盤干燥技術(shù)和流化床干化技術(shù)[3]。污泥干化處理后產(chǎn)生的尾氣若直接排放會嚴(yán)重污染環(huán)境，必須進行必要的尾氣處理措施，在此過程中，廢氣排放量和能耗也是值得關(guān)注的焦點。

針對上述問題，天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司以槳葉干燥機為核心設(shè)備，獨立開發(fā)并成套設(shè)計污泥干化系統(tǒng)技術(shù)，建立了一套成熟的工藝和控制理論模型。同時，設(shè)計污泥干化裝置的自動控制系統(tǒng)，是使之高效運行、節(jié)能降耗的重要保證。為了有效提高處理效率，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定，選用PLC可編程控制技術(shù)完成整個污泥干化系統(tǒng)的監(jiān)控任務(wù)。重點介紹控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、啟停控制邏輯流程的實現(xiàn)、安全保護系統(tǒng)的方案和人機界面的實現(xiàn)。

1 污泥干化

天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司以槳葉干燥機為核心設(shè)備，獨立開發(fā)的污泥干化處理系統(tǒng)主要由污泥干燥單元、尾氣處理循環(huán)單元、廢水循環(huán)洗滌單元及蒸汽凝液循環(huán)單元等組成，其工藝流程如圖1所示。

圖1 污泥干化處理工藝流程框圖

含水量大于80%的污泥由泵送系統(tǒng)自儲泥池送入干燥機，其中泵送系統(tǒng)可以根據(jù)實際工況調(diào)整進料量。同時，來自電廠鍋爐系統(tǒng)的蒸汽通過管路分配進入干燥機的空心熱軸、葉片和夾套中，將熱量傳遞給污泥，使污泥中的水分蒸發(fā)。通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，可將最終干化后的污泥的含水量控制在40%以下，干燥后的污泥進入密閉皮帶輸送機送至電廠鍋爐系統(tǒng)進行焚燒。

密閉皮帶輸送機設(shè)置有臭氣收集管道，將揮發(fā)出來的臭氣送入洗滌塔；自干燥機蒸發(fā)出來的尾氣(主要是水蒸氣和不凝氣)進入文丘里引射器，與來自洗滌塔經(jīng)洗滌泵增壓并在冷卻器冷卻的循環(huán)洗滌水直接接觸進行初次降溫去濕，初次降溫去濕后的尾氣和初次洗滌水進入洗滌塔，被洗滌水再次循環(huán)洗滌，多余的洗滌水流至廢水處理廠。

凈化除霧后的尾氣(主要是不凝氣)經(jīng)引風(fēng)機增壓后分成兩路，少部分去電廠鍋爐系統(tǒng)焚燒；大部分進入換熱器，與蒸汽換熱后的高溫凝液間接接觸換熱，換熱后的低溫凝液進入電廠除氧器增壓后，打入鍋爐系統(tǒng)循環(huán)利用。被加熱的高溫尾氣作為載氣進入干燥機內(nèi)循環(huán)利用。

在該污泥干化系統(tǒng)中，尾氣通過引風(fēng)機被抽至洗滌塔，在循環(huán)洗滌水的作用下將尾氣中大量的水分冷卻，從而使干燥機工作在微負(fù)壓下，保證了粉塵和惡臭不被外泄；凈化后的尾氣被蒸汽凝液再次加熱后回到干燥機，實現(xiàn)了熱能的最大化利用；洗滌后產(chǎn)生的廢水，通過冷卻器與循環(huán)冷卻水進行換熱后將熱能帶出，使其溫度穩(wěn)定在50℃以下，從而保證洗滌塔能夠正常工作。

2 控制系統(tǒng)

為了有效提高污泥干化的處理效率，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定，選用S7-300 PLC控制技術(shù)來實現(xiàn)整個污泥干化系統(tǒng)的監(jiān)控任務(wù)(圖2)。在污泥干化控制過程中，由PLC采集生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)信息，當(dāng)各路邏輯條件滿足時，系統(tǒng)輸出保持正常工作狀態(tài)；一旦輸入邏輯條件改變，系統(tǒng)立即動作，使輸出改變狀態(tài)，同時報警[4]。

圖2 污泥干化系統(tǒng)PLC控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

S7-300 PLC的CPU選擇315-2PN/DP，帶有兩個ET200M從站，采用現(xiàn)場總線Profibus-DP連接[5]。同時與外圍污泥輸送系統(tǒng)和生化水處理系統(tǒng)進行以太網(wǎng)(Ethernet)通信連接，整個生產(chǎn)過程都由上位機監(jiān)控，并且分別從各自系統(tǒng)中的控制單元實現(xiàn)控制要求。系統(tǒng)中還配有大屏幕監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)車間監(jiān)控和控制組態(tài)畫面的自由切換，方便工作人員操作。由于該系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通信連接，可以通過多個交換機互聯(lián)實現(xiàn)鏈路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為二期裝置或者加入其他網(wǎng)絡(luò)提供了便利條件。污泥干化系統(tǒng)PLC控制的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

3 控制功能

3.1控制點

系統(tǒng)中設(shè)有一個蒸汽溫度自動控制點和一個蒸汽壓力自動控制點，其目的是調(diào)節(jié)進入干燥機的蒸汽溫度。研究表明，污泥干化過程中，除氧含量和粉塵濃度之外，顆粒溫度和濕度是與爆炸密切相關(guān)的兩個重要因素。通過調(diào)節(jié)進入干燥機的蒸汽溫度，即可控制污泥顆粒的溫度和濕度，從該層面上保證了系統(tǒng)的安全性。

系統(tǒng)中設(shè)有兩個液位自動控制點，分別是蒸汽凝液單元和廢水循環(huán)洗滌單元中的液位控制。干燥機工作性能的優(yōu)劣取決于其換熱效果，如果蒸汽換熱后產(chǎn)生的凝液不能及時排出，則污泥干化效果將大打折扣；同樣，洗滌塔的液位也影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，若液位過高，會導(dǎo)致循環(huán)洗滌水對尾氣的降溫除濕效果變差，從而改變干燥機內(nèi)的負(fù)壓環(huán)境，不僅影響污泥干化效果，而且系統(tǒng)正壓后會造成臭氣外泄，影響整個車間的環(huán)境，對工人健康造成影響。

3.2控制回路和監(jiān)測點

針對上述溫度、壓力和液位控制點，選取PID負(fù)反饋控制系統(tǒng)，配合出口管線的調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)對溫度、壓力和液位的控制。選擇PID控制方式的理由：

a. 控制參數(shù)確定簡單，易于整定；

b. 對系統(tǒng)擾動的適應(yīng)性強、魯棒性強；

c. 控制品質(zhì)對被控對象的變化不敏感，適用于環(huán)境惡劣的工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。

對于蒸汽溫度和壓力的控制，采用溫度變送器和壓力變送器，通過測量蒸汽的溫度和壓力，經(jīng)過計算后轉(zhuǎn)換為4～20mA信號送入PLC，再配合使用PLC中自帶的PID調(diào)節(jié)模塊，最終將控制信號送入調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)對干燥機入口蒸汽溫度和壓力的控制，達到了預(yù)期的控制效果。

對于液位控制，采用雙法蘭液位變送器，通過測量凝液罐和洗滌塔中液體的壓差，經(jīng)過計算后轉(zhuǎn)換為4～20mA信號送入PLC，再通過配合使用PLC中自帶的PID調(diào)節(jié)模塊，最終將控制信號送入調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)對凝液罐和洗滌塔中液位的控制，達到了預(yù)期的控制效果。

系統(tǒng)中其他溫度、壓力及流量等工藝測量點均以模擬信號(Pt100熱阻信號、4～20mA電流信號)送入PLC，實現(xiàn)24h數(shù)據(jù)監(jiān)測。

3.3系統(tǒng)啟停

系統(tǒng)啟停分為現(xiàn)場單機啟停、中控單機啟停和中控聯(lián)鎖啟停3種方式，3種啟停方式可在現(xiàn)場和中控室進行切換，具體如下：

a. 現(xiàn)場單機啟停方式一般用于單機調(diào)試或現(xiàn)場緊急停車。

b. 中控單機啟停方式多在試車階段、中控聯(lián)鎖啟停中斷或部分設(shè)備聯(lián)鎖停車時使用。

c. 中控聯(lián)鎖啟停方式。設(shè)備順序啟動的原則是按照物料流向的反方向依次啟動設(shè)備，即根據(jù)物料流向，先啟動下游設(shè)備，待下游設(shè)備啟動完成后依次往前啟動上游設(shè)備；設(shè)備順序停止的原則是按照物料流向方向，先停止上游設(shè)備進料，然后順序停止下游設(shè)備。同時，系統(tǒng)中包含了重要設(shè)備之間的聯(lián)鎖信號，以保護核心設(shè)備在意外停車時不被損壞。核心設(shè)備聯(lián)鎖順序流程如圖3所示。

圖3 核心設(shè)備聯(lián)鎖順序流程

3.4安全保護系統(tǒng)

安全保護系統(tǒng)是工廠生產(chǎn)中不可缺少的重要項目，該系統(tǒng)具有3方面的保護內(nèi)容：

a. 安全停車保護。在干燥機運行過程中，當(dāng)某臺設(shè)備出現(xiàn)故障后，系統(tǒng)立即停止該設(shè)備沿物料流向的上游設(shè)備，下游設(shè)備運行不受干擾。

b. 有毒氣體超標(biāo)保護。在系統(tǒng)開車運行時，如果有毒氣體從設(shè)備中泄漏，安裝在車間內(nèi)的有毒氣體報警器會自動報警，提醒車間內(nèi)工人迅速離開，并自動打開軸流引風(fēng)機對屋內(nèi)空氣進行更換，有效地保護了工作人員的身體健康。

c. 轉(zhuǎn)動設(shè)備的保護。所有轉(zhuǎn)動設(shè)備的馬達除了采取必要的電氣保護外，還在PLC中設(shè)置了電流過載保護。當(dāng)系統(tǒng)運行中出現(xiàn)電流超過設(shè)定的高報警值時，會發(fā)出蜂鳴提醒工人檢查設(shè)備狀況，排查異常現(xiàn)象；當(dāng)電流超過高高報警值時會自動停止干燥機，并記錄報警發(fā)生的時間，為排除故障提供可靠信息。

4 上位機監(jiān)控系統(tǒng)

上位機監(jiān)控軟件(人機界面)的開發(fā)基于SIMATIC WinCC 6.2組態(tài)軟件，它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息和報表功能模板。高性能的過程耦合、快速的畫面更新和可靠的數(shù)據(jù)，使得WinCC具有高度實用性[6]。該軟件功能強大(包括所有SCADA功能在內(nèi)的客戶機/服務(wù)器系統(tǒng))，使用MicrosoftSQL Server 2000作為其組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的存儲數(shù)據(jù)庫，可以使用ODBC、OLEDB、WinCC OLE-DB和ADO方便地訪問歸檔數(shù)據(jù)；還有強大的標(biāo)準(zhǔn)接口，如ActiveX和OPC，可以方便地與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)。

從上位機可以對各個工藝參數(shù)的變化和設(shè)備的運行情況進行監(jiān)測。采集現(xiàn)場遠(yuǎn)傳儀表送出的流量、溫度、壓力及液位等數(shù)據(jù)后記錄成表并進行導(dǎo)出和打印，以方便進行分析。上位機還實現(xiàn)了對控制設(shè)備的啟動、停止等操作，同時對干燥機、引風(fēng)機等進行變頻調(diào)速，各個電機的運行狀態(tài)和故障狀態(tài)均直接顯示在監(jiān)控畫面中并發(fā)聲提醒操作崗位人員檢查故障點，有效地提高了生產(chǎn)安全。同時，對于故障狀態(tài)還進行了報警時間的記錄。

該成套技術(shù)已成功應(yīng)用于浙江龍德環(huán)保科技有限公司、煙臺潤達垃圾處理運營有限公司及漯河格威特環(huán)保有限公司等，為當(dāng)?shù)氐奈勰嗵幚硖峁┝擞辛ΡＵ稀D4～6均為筆者設(shè)計的上位機監(jiān)控畫面的截圖，其中圖4、6分別為污泥輸送系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)，分別為污泥干化系統(tǒng)的上下游流程。

圖4 污泥輸送系統(tǒng)運行畫面

圖5 污泥干化系統(tǒng)運行畫面

圖6 污水處理系統(tǒng)運行畫面

5 結(jié)束語

污泥干化是目前實現(xiàn)大規(guī)模污泥減量和污泥處理的重要措施，而干燥系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和自動化程度會直接影響到整個干燥車間的運轉(zhuǎn)情況和經(jīng)濟效益。S7-300 PLC功能強大、可靠性高，能夠很好地滿足干燥控制系統(tǒng)的需要。筆者設(shè)計的3套裝置目前都已順利開車生產(chǎn)，單臺設(shè)備處理量可達100～150t/d，出料水含量達到40%以下，實現(xiàn)了工藝設(shè)計目標(biāo)，在很大程度上緩解了各類污泥囤積的壓力，實現(xiàn)了污泥再利用和保護環(huán)境的初衷，具有一定的經(jīng)濟價值和社會價值。

[1] 胡龍,何品晶,邵立明.城市污水廠污泥熱干燥處理技術(shù)及其應(yīng)用分析[J].重慶環(huán)境科學(xué),1999,21(1):51～53.

[2] 曹恒武,田振山.干燥技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用[M].北京:中國石化出版社,2004.

[3] 張宗宇,盛成,吳靜,等.污泥干燥焚燒一體化中熱量計算的探討[J].化工機械,2009,36(3):244～247.

[4] 馮曉玲.PLC在加熱爐聯(lián)鎖保護系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表,2014,41(2):217～218.

[5] 廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[6] 王曉遠(yuǎn),杜靜娟,齊利曉,等.基于工業(yè)組態(tài)軟件WinCC的化工工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表,2006,33(5):41～43.

DesignandImplementationofControlSystemforSludge-dryingUnit

WANG Lei, CAO Shan-fu

(TianhuaChemicalMachinery&AutomationInstituteCo.,Ltd.,Lanzhou730060,China)

Taking sludge-drying system as the object of study, having S7-300 PLC based to design a control system for the sludge-drying unit which boasting of a capacity of 150t/d (wet basis, moisture content: about 80% to 90%) was implemented; and the control system’s network structure, control logic of ON/OFF operation, ESD scheme and HMI were presented.

control system, sludge drying, blade dryer, PLC

2016-05-24(修改稿)

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2013ZX07315-002-08)

TH862

A

1000-3932(2016)08-0864-05