基于PLC和变频器控制的压滤型污泥脱水系统设计

1、引言

工业生产过程中会产生大量废水，废水经过处理达标后才能安全排放，在废水处理过程中经常会产生大量的含水污泥。近年来，随着全社会环保意识的加强，环保部门对废水处理的要求越来越高，伴随着废水的深度处理，废水中的各类沉淀物进一步向污泥集中，使得污泥处理量和处理难度与日俱增，污泥的处理处置不具是企业个人问题，如今，已经成为一个很大的社会问题。如何经济有效地解决污泥问题已经成为许多企业和国家普遍面临的问题。

经调研，长期以来，我国污泥脱水设备以过滤机及离心机脱水系统为主，即用脱水设备将未处理污泥进行简单过滤，使其含水率下降至20-30%，然后外运，主要进行填埋处理。然而这些简单处理后的污泥体积庞大，含水率较高、流动性较好，填埋后还会占用大量宝贵的土地资源，而渗滤液对地下水的污染也逐渐引起人们的重视。

污泥的机械深度脱水是经济而有效地解决污泥问题的关键所在，压滤型脱水机作为一种新型深度脱水设备，在设计中采用目前使用较广的PLC控制器及变频器调速系统，可大大提高脱水效率，提高系统的自动化程度，在污泥深度脱水方面有着巨大的优势。　　

2、压榨型污泥脱水系统组成及控制过程　　

2.1压榨型污泥脱水系统组成

控制系统由PLC、料位计、压力传感器、MCGS工控机、变频器、压滤机及其执行设备和电气控制柜等组成，组成框图如图1所示。主要组成部分功能如下：　

上位机(MCGS工控机)：操作界面作为操作人员与设备之间的交互平台，接收来自操作人员的操作指令并指示设备的工作状态；界面上的显示终端作为人机交互界面，不仅可显示系统工作状态，同时还可对工作参数进行设定，同时具有报警记录查询功能。具体说，对设备的启动、停止进行操作；显示系统参数，比如：压力，压滤次数及设备工作状态；进行系统参数设置，比如：压滤段数、压滤次数、压榨压力等。　

1)MCGS是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的工业控制组态软件系统。MCGS具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。　　

2)压力传感器：压力传感器是为了获取系统运行时压滤机内的压力值，通过检查压力，从而控制工序的运行。　　

3)料位计：测量压滤机的料位。　　

4)PLC：是本系统的控制核心，通过对压力信号的采集、保护开关及对操作信号的接收，对压滤机的进料、压力、及工序等，依据程序控制的相应设备进行工作。　　

5)变频器：控制压榨电机多段速调速运行，从而控制压滤机内的压力。　　

6)污泥进料泵：将待处理的污泥送入压滤机。　　

7)压滤机：系统的执行机构，对污泥进行泥土和水的分离。　

8)限位开关：对系统的行程和安全进行保护。　　

9)电气控制柜：由于对污泥进行处理，工作环境比较恶劣，为更好提高PLC变频器等电器的工作稳定性、延长使用寿命及降低设备的故障，提供一个较封闭的环境。　　

2.2压榨型污泥脱水系统控制过程　

压滤型污泥脱水程序控制系统具有较完善的连锁保护、故障显示及良好的人机对话功能，安全、实用、可靠。根据压滤脱水的工艺流程及控制要求可知，压滤机进出料的主要执行元件是电磁挡板，为了保障PLC控制下各个阀门的开关动作正常衔接，在体统中采用了位置反馈控制，引入挡板开到位和关到位型号，在压滤过程中，通过压力传感器对压滤机内压力的实时采集信息，使得系统能安全可靠运行。　　

具体工作过程如下：首先根据送入的污泥类型，在上位机上设置压滤次数、各次压榨压力及保压时间，在压滤机内无料及压力情况下，进行送料操作，打开进料电磁挡板、将污泥送入压滤机内，料位计检测压滤机装好污泥之后，关闭进料电磁挡板，同时，根据所设置的压滤参数，进行自动压滤，直到压滤完成，停止压力，打开下料电磁挡板，进行下料。然后重新装料，周而复始，对污泥进行脱水操作。　

　3、PLC程序及组态软件设计　

　3.1PLC系统组态　　

下位机采用三菱FX3U继电器输出模块为主机，三菱FX3U功能强大，主要由机架、CPU、通信接口、输入输出接口、扩展接口等组成，本系统在扩展接口中接入FX0-3A模拟量模块，对压滤机内压力进行采集。上位机MCGS与PLC采用RA-485进行通信，上位机将设置的参数及控制信号传递给PLC，同时PLC将采集到信号及系统工作状态反馈给上位机，进行污泥脱水系统的状态显示。　　

3.2变频器在系统中的压力控制

压滤型污泥脱水机的主要工作方式是对压滤机内的污泥进行挤压，将水分过滤出来。在工作中压滤机内活塞不断挤压和保压，并跟随设定压力不断变化挤压压力，这就要求一台能调速的电动机来实现。本次设计选用三菱FR-E740变频器。FR-E740变频器采用先进磁通矢量控制，0.5Hz时能达到200%转矩输出，能以很高的精度进行宽范围的调速运行，经济耐用，并且多达15段速度设定方式，能满足各类负载对传动控制的要求。根据系统要求变频器速度控制方式为7段数运行，变频器控制原理图如图2所示。　

L1、L2、L3为380V，50HZ的三相交流电、通过低压断路器QF1与变频器的交流输入端子R、S、T相连，U、V、W为变频器的交流输出，与电机之间接一个交流电抗器，它能抑制变频器的无线电干扰和导线分布电容引起的过流。　

在控制回路中STF、STR、RH、RM、RL接PLC输出，SD接公共端。STF控制压榨前进运行，STR控制压榨后退，速断控制端RH、RM、RL搭配得到7种速度运行，在压榨过程中，就可以实现不同的压榨压力控制。　　

3.3PLC的软件设计　

污泥压滤脱水系统软件设计要求能实现设定的功能，公式要求可靠性好，便于操作等。因此根据压滤流程，本系统采用三菱PLC提供的流程图(SFC)编程，SFC程序的运行规则是：从初始步开始执行，当每步的转换条件成立，就由当前步转为执行下一步，在遇到END时结束所有步的运行。采用SFC进行PLC应用编程的优点是：　　

1)在程序中可以直观地看到设备的动作顺序。程序采用SFC编写，所以程序的规律性较强，容易读懂，具有一定的可视性。　

2)在设备发生故障时能很容易的找出故障所在位置。　

3)不需要复杂的互锁电路，更容易设计和维护系统。

采用这样的编程，本系统的程序很适合采用SFC编程，根据压榨流程，按部就班的进行设计，有利于整体控制的调试，维护。在编程时，很方便的建立梯形图，随需要加入连锁，及安全保护，从而大大提高整个系统的可靠性及安全性。PLC程序流程图见图3。

4、结束语

采用MCGS和PLC作为控制系统的核心，不仅使得系统硬件结构简单化，便于接线及安装，而且通过MCGS实行人机交互，减少PLC的输入输出接口，实现了故障报警及工作状态显示；采用变频器多段速变速功能，实行压榨系统的压力平滑控制，系统更加稳定可靠，而且变频技术还能节约大量的电能；采用压榨工作方式，可以根据需要进行压力值及压滤次数的设置，可方便完成不同类型污泥的脱水，同时，使得脱水更加彻底。因此，压滤型脱水机具有很好地应用前景。