基于PLC的污泥厭氧發酵系統

王玉鵬，徐曉秋，秦國輝，周 闖，劉 偉，王 欣，羅向東，劉旭丹

(1.黑龍江省科學院科技孵化中心，哈爾濱 150090；2.黑龍江省能源環境研究院，哈爾濱 150090)

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基于PLC的污泥厭氧發酵系統

王玉鵬1，徐曉秋1，秦國輝1，周 闖2，劉 偉1，王 欣1，羅向東2，劉旭丹2

(1.黑龍江省科學院科技孵化中心，哈爾濱 150090；2.黑龍江省能源環境研究院，哈爾濱 150090)

針對污泥的厭氧發酵工藝，設計出基于PLC的污泥厭氧發酵系統。該系統根據發酵工藝實現全程自動化控制，自動進料、自動超聲、自動攪拌和自動加溫等，通過實驗運行摸索出最佳運行參數，最終實現無人值守也可運行的一套中試試驗系統裝置。

PLC；污泥厭氧發酵；自動控制

近幾年，隨著我國對污水處理的投入與發展，污水處理廠解決了我國水污染的很大問題，減緩了我國水污染危機。然而，在污水處理過程中，所產生的污泥也是急需解決的[1]。為解決這一問題，本文根據實驗室人員的實驗過程和運行工藝，設計了污泥厭氧發酵控制系統，通過厭氧發酵進一步地使用污泥并實現其自動化。

1 污泥厭氧發酵設計

在污泥厭氧發酵系統中，工藝的流程主要分為三個系統：污泥預處理系統、污泥厭氧發酵系統和污泥后處理系統。未處理的污水經過絮凝后得到高固含量的污泥，污泥通過超聲預處理后經進料系統進入CSTR反應器后厭氧發酵，發酵后的沼氣通過沼氣提純提取，而乏料通過NURC反應器固液分離。如圖1所示。

圖1 污泥發酵系統的工藝流程圖Fig.1 Flow chart of sludge fermentation system

1.1 污泥預處理系統

污泥預處理系統含有兩套裝置：疊螺式污泥脫水機和反應釜超聲裝置。疊螺污泥脫水機用于污泥絮凝到固含量為6%～8%，固含量的增多有利于污泥發酵時的反應速度。反應釜超聲裝置用于污泥超聲，能夠增加破解污泥效果，使污泥細胞中的有機質釋放出來，污泥可生化性提高，污泥厭氧消化性能得到改善[2-3]。

1.2 污泥厭氧發酵系統

污泥厭氧發酵系統含有三套裝置：進料裝置、攪拌裝置和加溫裝置。進料裝置是污泥超聲后通過螺桿泵直接進入CSTR反應器中，通過攪拌裝置和加溫裝置的參數設定對污泥進行高溫厭氧發酵，攪拌有利于污泥的混合均勻，增快污泥產生氣體的反應速度，而高溫能夠縮短污泥反應周期時間。

1.3 污泥后處理系統

污泥后處理系統含有兩套裝置：污泥干燥系統和沼氣提純系統。污泥干燥系統可以把固體物質與水分離出，不會造成二次污染，而沼氣提純系統用于沼氣中CH4和CO2的提取和收集，減少CO2排放量。

2 PLC軟硬件設計

2.1 硬件設計

污泥厭氧發酵系統上位機采用dell optiplex 380，下位機采用SIEMENS S7-200 CPU 226，并配有EM222擴展模塊和EM232擴展模塊，通信采用SIEMENS CP243-1，電源模塊采用SIEMENS PLC專用模塊，變頻器選用SIEMENS MM440。

第一，電機的運行。電機變頻采用SIEMENS開發的USS通信協議來實現，通過上位機控制電機啟動、停止和調速，使電機轉動達到實驗所需的理想效果。污泥厭氧發酵系統中電機控制分別為進料裝置和攪拌裝置。攪拌裝置電機運行的啟動、停止和轉速與前反應釜超聲裝置聯動，反應釜超聲裝置具有上下料位與啟動和停止功能，當反應釜上、下都有料位并超聲停止后，啟動電機，當反應釜超聲裝置無下料位時，電機停止，而電機的轉速與所需要的進料時間有關。攪拌裝置的啟動、停止和轉速與CSTR反應器的下料位和排料時間有關。第二，模擬量的監測。溫度計、pH計、料位計、流量計和壓力表與EM232擴展模塊相連接，PLC的CPU通過4～20 mA電流來讀取。溫度計與伴熱帶聯動，pH計的讀取測定物料的酸堿性，料位計來測定物料的高度，流量計分為物料流量計和氣體流量計，統計物料的體積和產氣的體積，壓力表和儲氣袋出氣閥門聯動，當數值大于儲氣袋的體積時，閥門啟動，放出氣體。第三，數字量的監控。伴熱帶的加溫和電磁閥門的開關與EM222擴展模塊相連接，PLC通過CPU來控制，使其啟動和停止。電機前后的電磁閥門與電機的啟動和停止聯動，防止電磁閥門關閉時啟動電機，使內部空間壓力過高，產生危險。氣體報警器與換氣風機聯動，當氣體報警器報警時，啟動換氣風機，排出危險氣體，使室內環境安全可靠。

2.2 軟件設計

第一，下位機監控程序設計。污泥厭氧發酵系統PLC程序由STEP 7 Micro/WIN編寫。該軟件是一種用于對SIMATIC可編程邏輯控制器進行組態和編程的標準軟件包，是基于Windows的應用軟件，功能強大，主要用于開發程序，也可用于適時監控用戶程序的執行狀態。本系統編寫的控制程序分為手動控制和自動控制。手動控制方便系統在安裝調試過程中和設備檢修過程中使用，自動控制通過工藝的時序和傳感器的接收使整體系統通順流暢[4]。第二，上位機監控界面設計。本系統的監控界面由SIMATIC WinCC進行監控。WinCC是西門子在自動化領域中的先進技術和Microsoft的強大功能相結合的產物，為用戶提供了Windows操作系統環境下使用各種通用軟件的功能，形成最后的操作畫面、監視畫面、控制畫面、報警畫面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等[5]。圖2為污泥厭氧發酵系統工藝流程圖。

圖2 污泥厭氧發酵系統工藝流程圖Fig.2 Flow chart of sludge anaerobic fermentation system

2.3 通信系統設計

由于西門子公司S7-200系列PLC比監控組態軟件WinCC推出得晚，因此WinCC中沒有集成S7-200系列PLC的通信驅動程序，為解決這個問題，西門子推出了PC Access軟件，專用于S7-200 PLC的OPC Server軟件[6]。PC Access通過PC/PPI電纜用PPI協議與S7-200通信，然后設置PLC和PC Access中的IP地址，PC Access項目中的變量符號是通過PLC編程軟件中的變量符號建立的，最后把PC Access項目的變量符號導入WinCC，完成上位機與下位機之間的通信。

3 結語

通過使用PLC對污泥厭氧發酵系統進行實現與試運行，通過監控界面可以觀看設備的運行狀態，參數的設定，操作簡單方便，極大提高了實驗人員和工作人員的工作效率，最終確定工藝參數與時序后，達到了預想效果，再次優化了污泥厭氧發酵系統，實現了自動化和智能化。

[1] 張勇.我國污泥處理處置現狀及發展前景[J].中國資源綜合利用，2014，32(10)：23-26.

[2] 葉高文.基于S7-200 PLC的污水處理自控系統設計[J].工業控制計算機，2014，(12)：150-151.

[3] 張曉宇，鄒建生，趙緒新，等.基于PLC控制的全自動污泥脫水干化系統設計[J].廣東化工，2014，41(20)：119-120.

[4] 西門子公司.S7-200可編程序控制器系統手冊[K].北京：西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團，2005．

[5] 西門子公司.SIMATIC HMI WinCC[K].北京：西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團，2004.

[6] 西門子公司.PC Access快速入門[K].北京：西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團2010.

Sludge anaerobic fermentation system based on PLC

WANG Yu-peng1,XU Xiao-qiu1,QIN Guo-hui1,ZHOU Chuang2,LIU Wei1,WANG Xin1,LUO Xiang-dong2,LIU Xu-dan2

(1.Science and Technology Incubator Center,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150090,China; 2.Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province,Harbin 150090,China)

In view of the sludge anaerobic fermentation process,the sludge anaerobic fermentation system based on PLC was designed. The best operation parameters were explored through experiments and has realized automatic control,automatic feed,automatic heating,automatic ultrasonic and automatic mixing according to fermentation process,and finally realized unattended pilot test system device.

PLC; Sludge anaerobic fermentation; Automatic control

2017-01-12

項目類別：黑龍江省應用技術研究與開發計劃項目 (GA14C103)

王玉鵬(1989-)，男，本科，研究實習員。

TP273

A

1674-8646(2017)06-0074-02