底泥板框壓濾脫水干化集成控制系統設計與實現

何彥行，秦海洋，周昭旭

（中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208）

0 引言

隨著城市發展速度的加快，城市工業、生活污水大量排放到河流湖泊中，造成河流、湖泊底泥富營養化，底泥淤積變多使得河流湖泊的蓄水能力下降，進而可能造成城市內澇。近年來環保疏浚[1-2]工程大量開展，疏浚后的底泥可通過多種方式進行脫水干化，較為常見的工藝為板框機械壓榨式脫水[3-4]。

傳統的底泥脫水干化控制系統對泥漿調理、板框進料、板框壓榨3個過程的控制相對獨立，且多以經驗值進行控制；在泥漿調理過程中，操作人員根據經驗判斷管道中泥漿濃度，手動地調整物料添加速度以及添加量；板框進料與壓榨過程都是根據經驗設定時間，到達設定時間后停止進料或壓榨。傳統的底泥脫水干化控制系統無法實現工藝過程的全自動控制，而且依靠經驗值的控制方式對于不同的泥質適用性差，生產效率較低，生產成本較高[5]。

本文針對以上問題，提出了基于泥漿濃度實時監測的優化控制算法，通過對泥漿濃度實時監測實現泥漿調理、板框進料、板框壓榨3個工藝過程的精確控制，并設計了基于西門子PLC優化控制系統。

1 底泥脫水干化工藝

環保疏浚船舶將泥漿輸送至除渣設備后流至濃縮池；將濃縮后的泥漿泵送至攪拌機，物料罐里的物料通過卸料閥及螺旋輸送機添加至攪拌機與泥漿混合；混合后的泥漿自流至均化池，充分反應后進一步降低含水率，以上過程稱為泥漿調理過程。物料的添加用于改變泥漿的物理結構，降低含水率，物料添加量由泥漿絕干基的質量決定[6]。

均化池的泥漿通過進料泥泵輸送至板框機內，進料結束后開始板框壓榨；壓榨完成后泥餅由板框機脫落至皮帶輸送機，由皮帶輸送機運輸至渣土堆場，進料和壓榨過程中尾水進入到尾水槽并匯流至濃縮池，以上過程涉及板框進料、板框壓榨2個過程。底泥脫水干化工藝如圖1所示。

圖1 底泥脫水干化處理工藝Fig.1 Process flow chart of sludge dewatering and drying

2 控制系統設計

綜合分析底泥脫水干化處理工藝，為實現泥漿調理、板框進料、板框壓榨3個工藝過程的精確控制及工藝過程的全自動控制，需在工藝流程上增加傳感器，結合圖1工藝流程具體為：在工藝流程淤處增加流量計和超聲波濃度計，用于監測進入攪拌機內的泥漿流量和濃度；在工藝流程于處增加稱重傳感器，用于監測物料罐內物料重量；在工藝流程盂處增加超聲波液位計，用于監測均化池內液位高度；在工藝流程榆處增加流量計和超聲波濃度計，用于監測進入板框機內的泥漿流量和濃度；在工藝流程虞處增加流量計，用于監測板框機壓榨尾水流量。

底泥脫水干化處理工藝中需控制的對象包括：濃縮池泥泵、攪拌機、卸料閥、輸送機、板框進料泥泵及板框機。結合模塊化的設計理念將控制系統劃分為數據采集單元、控制器單元、人機交互單元和執行單元[7-8]，控制系統的架構見圖2。

圖2 控制系統架構圖Fig.2 Architecture of control system

1）數據采集單元：包括流量計、超聲波濃度計、超聲波液位計、稱重傳感器及卸料閥速度反饋，實現工藝過程中信號采集功能。

2）控制器單元：選用西門子1200系列PLC作為系統的控制器，實現過程全自動控制和工藝精確控制功能。

3）人機交互單元：選用西門子TP2200觸摸屏作為人機交互設備，實現工藝數據顯示及設備操作功能。

4）執行單元：包括濃縮池泥泵、攪拌機、卸料閥、輸送機、板框進料泥泵及板框機。根據工藝執行單元分為泥漿調理執行子單元和板框進料壓榨執行子單元兩部分，實現泥漿輸送、調理和壓榨功能。

3 軟件設計

3.1 全自動控制

底泥脫水干化生產過程復雜，涉及多個環節，為降低各環節的相互影響，提高生產效率，全自動控制設計遵循模塊化思想，將控制主程序分為泥漿調理優化控制程序、板框進料優化控制程序和板框壓榨優化控制程序。泥漿調理優化控制程序可根據均化池液位狀態獨立運行，均化池液位不處于“高”狀態時，系統自動調用泥漿調理優化控制程序。板框進料優化控制程序與板框壓榨優化控制程序按先后順序執行，板框機準備就緒時，系統自動調用板框進料優化控制程序，進料結束后，系統進入板框壓榨優化控制程序，壓榨完成后再進入板框進料優化控制程序，見圖3。

圖3 全自動運行流程Fig.3 Automatic operation flow chart

優化控制程序包括8個子程序，數據采集子程序用于工藝傳感器數據采集及轉換；物料添加控制子程序用于攪拌機、卸料閥、輸送機的手/自動控制以及物料添加質量的計算；密度計算子程序用于泥漿濃度數據轉換為密度；流量累計子程序用于流量累計計算；絕干基計算子程序用于根據密度、累計流量與濃度計算絕干基的質量；泥泵控制子程序用于濃縮池泥泵和進料泥泵的手/自動控制；泥餅含水率計算子程序用于計算板框壓榨過程中泥餅含水率；板框機通訊子程序用于優化控制程序與板框機自帶控制系統通訊，向板框機發送執行指令并接收板框機反饋狀態。

3.2 泥漿調理優化控制程序

泥漿調理優化控制程序實現物料添加過程全自動控制及物料添加量的精確控制功能。根據進入攪拌機泥漿的濃度與總量實時計算泥漿絕干基質量，進而得到實時調整物料添加量，解決了靠傳統人工經驗添加出現添加量少導致調理效果不佳，添加量多導致成本提高等問題。泥漿調理優化控制程序開始執行后，首先調用物料添加控制子程序和泥泵控制子程序按照順序依次啟動濃縮池泥泵、攪拌機、螺旋輸送機、卸料閥；然后調用數據采集子程序、密度計算子程序及流量累計子程序計算進入攪拌機內泥漿的密度與累計方量；進而調用絕干基計算子程序計算出進入攪拌機內泥漿絕干基的質量；再次調用物料添加控制子程序計算出所需添加的物料質量、物料罐重量的變化量及兩者差值，差值劃分為三檔，分別對應卸料閥高、中、低三檔速度，實現卸料閥的自動調速；泥漿調理過程中實時監測均化池液位狀態，均化池狀態不為“高”時繼續執行泥漿調理；若為“高”時，調用泥泵控制子程序實現濃縮池泥泵輸送清水，進而判斷所需物料添加量與物料罐重量變化量是否相等，若“否”則繼續執行物料添加過程，若“是”則依次停止卸料閥、螺旋輸送機、攪拌機、濃縮池泥泵，泥漿調理一次循環結束。

3.3 板框進料優化控制程序

板框進料優化控制程序實現板框進料時間的精確控制功能。根據進入板框機泥漿的濃度與流量實時計算質量，進料質量滿足設定期望值后完成進料。根據泥漿濃度優化調整板框進料時間，解決了采用固定進料時間造成的效率低、成本高問題。板框進料優化控制程序開始執行后，首先調用板框機通訊子程序判斷板框機是否準備就緒，若“是”再調用泥泵控制子程序啟動進料泥泵，進而調用數據采集子程序、密度計算子程序及流量累計子程序計算進入板框機內泥漿的密度與累計方量，實時計算進料總質量，并判斷板框進料（泥漿）總質量是否達到設定期望值；若“否”則繼續進料，直到進料總質量與設定的期望進料總質量相等時，停止泥泵。

3.4 板框壓榨優化控制程序

板框壓榨優化控制程序實現板框壓榨時間的精確控制功能。壓榨后泥餅含水率是判斷壓榨是否完成的關鍵因素，通過實時計算壓榨過程中板框機內泥餅含水率實現壓榨時間的自動調整，解決了固定壓榨時間造成的效率低、成本高問題。板框壓榨優化控制程序開始執行后，首先調用流量累計子程序計算板框壓榨過程中產生的尾水量，并加上進料過程中產生的尾水得出總尾水量，再調用泥餅含水率計算子程序計算板框機內部泥餅的實時含水率，并判斷板框機內部泥餅含水率是否達到設定的期望值，若“否”則繼續壓榨，同時判斷壓榨時間是否超出上限時間設定值，若超出上限時間則報警，若板框機內部泥餅含水率達到設定的期望值，則停止壓榨。

4 應用分析

基于泥漿濃度實時監測的集成控制系統已成功應用于嘉興北部湖蕩連通項目、武漢南湖水環境綜合治理項目，對施工歷史數據進行分析，得出在15%~35%泥漿濃度下優化控制系統的進料時間和壓榨時間見圖4。

圖4 不同濃度下的進料及壓榨時間Fig.4 Feed/press time at different concentrations

由圖4可知，集成優化控制系統可根據泥漿濃度自動調整進料和壓榨時間，適應性強，在濃度較高的工況下效率更高。

5 結語

通過對底泥脫水干化工藝及現有控制系統的分析，設計了基于泥漿濃度實時監測的集成控制系統。不但實現了底泥脫水干化工藝過程的全自動控制；而且對工藝中泥漿調理、板框進料和板框壓榨3個過程進行了優化控制，實現了物料添加量、進料和壓榨時間的精確控制。系統實際應用表明底泥脫水干化集成控制系統具有更強的適應性和自動化水平，進而節省了料、人工、能耗成本。