一種新型防凍型污水處理加藥裝置及其電氣控制設(shè)計(jì)

蔡振江

摘 要：污水處理過程中不可避免的需要投加一定量的化學(xué)處理藥劑，投加過程需要有一套專用的加藥裝置配合整個污水處理系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，以往簡單的繼電器聯(lián)動控制的精度及準(zhǔn)確度還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，且北方地區(qū)還需要具有防凍功能，因此本文介紹了一款自行設(shè)計(jì)開發(fā)的基于PLC+觸摸顯示屏的新型防凍型加藥裝置及其電氣控制自動化的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：加藥裝置 防凍 電氣自動化 觸摸顯示屏

中圖分類號：X703.5

Abstract： It is inevitable to add a certain amount of chemical treatment agent in the process of sewage treatment. A set of special dosing device is required to cooperate with the sewage treatment system. The accuracy of the device should be improved. In addition， the insulated function of the device also should be considered in the northern area of China. Therefore， a new antifreeze dosing device with PLC+touch panel and automation control was designed.

Key Words： Chemical dosing system; Antifreeze; Electrical automation; Touch panel

污水處理是為使污水排放達(dá)到某一水體標(biāo)準(zhǔn)或再利用水質(zhì)要求對其進(jìn)行凈化的過程[1]。在污水處理工藝中物理與生物處理機(jī)制未能達(dá)到全面的處理效果，需要結(jié)合化學(xué)方法的輔助處理機(jī)制進(jìn)行中和處理，以達(dá)到綜合處理達(dá)標(biāo)的效果。如污水中含磷超標(biāo)就需要添加適量的除磷劑[2]。在生活污水處理站中主要有除磷劑和次氯酸鈉消毒，藥劑的處理需要配套的加藥裝置，而加藥裝置需要具備較高的電氣自動化控制能力，以便更好地配合整個的污水處理過程，使出水水質(zhì)達(dá)到更佳效果。

隨著污水處理技術(shù)的發(fā)展，對污水處理技術(shù)的要求也越來越高，操作要求簡單快捷。加藥裝置整體設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)電氣全自動控制，電控系統(tǒng)決定裝置運(yùn)行穩(wěn)定性[3]，采用成熟可靠性高的可編程控制器Programmable Logic Controller即PLC，在控制系統(tǒng)中應(yīng)用能夠滿足發(fā)展需求，能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制要求[4]。

加藥裝置即藥劑投加裝置有自動和手動兩種模式，自動時根據(jù)工藝要求進(jìn)行動態(tài)加藥，根據(jù)控制器PLC輸出的電控信號量精確的控制;而手動時加藥量控制又是根據(jù)手動調(diào)節(jié)加藥泵本體的機(jī)械檔位粗略的調(diào)節(jié)給定加藥量。本文闡述一種基于PLC控制與觸屏人機(jī)界面操作顯示的新型防凍加藥控制裝置。該裝置電控PLC硬件部分嵌入到加藥箱體內(nèi)，箱體外表只顯示人機(jī)界面，外觀更加整潔一體化。PLC是加藥裝置的核心控制元件，可靠性高、抗環(huán)境污染能力強(qiáng)[5，6]，通過固有的網(wǎng)絡(luò)接口通信，可遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置的工作狀態(tài)，也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。觸摸顯示屏作為人機(jī)界面，替代傳統(tǒng)的按鈕與單顯指示燈，使用操作與顯示更簡潔，具有更友好的界面，能夠更清晰地顯示工作動態(tài)與運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過設(shè)定參數(shù)能精準(zhǔn)的控制設(shè)備運(yùn)行并可進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲，為運(yùn)營管理帶來可靠的數(shù)據(jù)。

本文設(shè)計(jì)了一種以西門子Smart200系列PLC、昆侖通泰顯示屏為顯示操作界面，對加藥裝置進(jìn)行控制與顯示的控制系統(tǒng)，從系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)調(diào)試幾個方面來介紹該裝置的設(shè)計(jì)過程。

1.工藝與控制方案設(shè)計(jì)

1.1工藝的設(shè)計(jì)

常規(guī)加藥裝置一般采用固定的聯(lián)動控制方式。根據(jù)加藥泵本體的機(jī)械檔位設(shè)定好一個固定加藥量后，只是簡單的啟停投加泵控制，不能實(shí)際精確地控制加藥給定量。而本文采用的是根據(jù)污水處理系統(tǒng)水量自動的控制加藥量的方式，能夠通過系統(tǒng)運(yùn)算模擬量控制加藥量，讓加藥量恰到好處，滿足需求的處理效果。

1.2控制方案設(shè)計(jì)

自動控制系統(tǒng)一般由被控對象、檢測元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器與人機(jī)界面組成。被控對象是需要控制的器件;檢測元件是檢測過程參數(shù)傳輸給控制器;執(zhí)行機(jī)構(gòu)是執(zhí)行控制指令的裝置;控制器要處理信息和收發(fā)指令;人機(jī)界面提供人機(jī)交互。

控制系統(tǒng)總電源通電后開始執(zhí)行以下操作。

（1）裝置通電，電控裝置進(jìn)入初始化狀態(tài)。對所有傳感器信號復(fù)位，檢測所有電氣設(shè)備是否正常，無故障以后，液位傳感器開始檢測液位信號。經(jīng)過控制器比較判斷藥箱內(nèi)實(shí)際液位是低于觸屏“設(shè)定低液位”位時，開啟進(jìn)藥閥后啟動輸藥泵進(jìn)行補(bǔ)充藥劑直至等于或大于“設(shè)定高液位”以備藥劑投加使用。

（2）當(dāng)污水處理系統(tǒng)產(chǎn)水泵運(yùn)行后，加藥裝置得到污水站控制柜傳輸?shù)倪\(yùn)行狀態(tài)與流量值信息，判斷流量穩(wěn)定后根據(jù)流量值計(jì)算加藥量，然后PLC通過通道輸出模擬量信號給加藥泵，控制加藥泵工作在計(jì)算后的加藥量，并保持跟隨控制。

（3）觸摸顯示屏?xí)涗涍\(yùn)行信息以方便進(jìn)行運(yùn)營管理，如累計(jì)加藥量、累計(jì)運(yùn)行時間、報警記錄等。

（4）裝置中電氣故障會出現(xiàn)報警以提醒運(yùn)行管理人員進(jìn)行及時故障處理，并提示故障信息以動畫及文字信息顯示。

整個裝置按照上述要求進(jìn)行工作，工作框圖如圖1所示。

2.加藥裝置電氣硬件設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)離不開對現(xiàn)場設(shè)備的信號檢測，在投加藥劑的工藝過程中涉及電氣設(shè)備主要有液位計(jì)、閥門、計(jì)量泵、流量計(jì)等。液位計(jì)是對儲罐中的液位進(jìn)行檢測;閥門是控制管道中液體流通的執(zhí)行裝置;投加泵是進(jìn)行藥劑投加的執(zhí)行器件;流量計(jì)是對藥劑流量進(jìn)行檢測[7]。

2.1系統(tǒng)運(yùn)行過程

根據(jù)污水處理系統(tǒng)加藥裝置工藝要求精準(zhǔn)控制加藥量與污水處理量呈現(xiàn)一定的可靠比例。觸摸顯示屏顯示設(shè)備工作狀態(tài)，并有參數(shù)設(shè)定界面可以為設(shè)備設(shè)定工作參數(shù)。當(dāng)裝置控制器PLC檢測到污水處理系統(tǒng)給出的穩(wěn)定流量，并有污水處理系統(tǒng)相應(yīng)水泵運(yùn)行狀態(tài)，通過觸摸顯示屏設(shè)定的參數(shù)在控制核心PLC中進(jìn)行比較運(yùn)算后，輸出一定的模擬量信號控制加藥泵工作。工作流程圖如圖2所示。

2.2電路接線圖

整個裝置主要包括主回路供電圖與控制器接線圖。

（1）主要回路接線圖也是電氣原理圖如圖3所示。

總電源采用國標(biāo)常用的標(biāo)準(zhǔn)AC220/50Hz供電，并具有直流24V電源作為輔助控制電源，滿足裝置用電的安全性。

總開關(guān)采用16A作為裝置的總電源，電熱帶是該裝置的主要用電負(fù)荷，采用行業(yè)常用的AC220工作電壓，減小用電電流，易于采購，價格低廉。

投加泵1與投加泵2是采用1用1備的使用模式，分別由KA3與KA4控制供電，在系統(tǒng)無故障且有聯(lián)動信號的情況下啟動，1臺故障時自動切換至無故障的另1臺工作。

控制電源采用市場上常規(guī)的120W的交流轉(zhuǎn)直流電源，用于電磁閥FM1以及整個裝置的控制電源，包括PLC的I/O信號的電能源。

加熱帶由LM溫控器進(jìn)行控制KM1，采用上下限+回差控制方式，可以根據(jù)該裝置使用地域不同，設(shè)定不同的防凍范圍，滿足多地域使用要求，尤其是寒冷的北方地區(qū)。圖3中KA7是手動控制功能，可以通過人機(jī)界面的手動操作控制加熱與停止，可以用于維護(hù)調(diào)試。而電熱帶采用的是低溫型，最高溫度在60攝氏度，即使在溫度控制器出現(xiàn)故障時，一直加熱也不會出現(xiàn)過熱情況，能夠保證人身與設(shè)備的安全運(yùn)行。

（2）控制器接線圖。

控制器原理接線圖如圖4、圖5所示。控制器PLC是控制核心元件，主要完成信息采集、數(shù)據(jù)通信等作用，它與人機(jī)界面觸屏采用串口連接進(jìn)行通信，與總控柜系統(tǒng)采用固有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信，可以實(shí)現(xiàn)流量與運(yùn)行狀況通信，并可以實(shí)現(xiàn)總控系統(tǒng)對加藥裝置的運(yùn)行狀況采集與遠(yuǎn)程操作控制。

其中流量計(jì)裝置是采用脈沖信號，此信號是用于計(jì)量泵的輸送流量計(jì)量。聯(lián)動信號是污水處理系統(tǒng)的輸水泵運(yùn)行狀態(tài)采集，可以通過該狀態(tài)采集判斷污水處理系統(tǒng)是否具有加藥條件。

圖4中的投加泵1投加泵2以及投加泵備用目的是安裝2臺投加泵采用1用1備運(yùn)行，當(dāng)?shù)?臺故障或者維修時可以直接運(yùn)行備用泵;而投加泵的運(yùn)行是擴(kuò)展預(yù)留，方便進(jìn)行擴(kuò)容。

在該裝置中液位計(jì)采用非接觸式的超聲波液位計(jì)，避免一定的藥劑腐蝕性，實(shí)時采集藥桶液位，這是該裝置的一個核心傳感器，裝置的主要工作都是根據(jù)這個液位信號進(jìn)行，如補(bǔ)充藥劑，是否滿足加藥條件。圖5中流量計(jì)是模擬量信號用來實(shí)時顯示流量信息，溫度計(jì)也是模擬量信號實(shí)時顯示溫度。圖5中模擬量信號輸出是用來控制投加泵在量程范圍內(nèi)的投藥量。

2.3系統(tǒng)硬件選型

（1）可編程控制器PLC選用西門子系列Smart200 CR20作為控制中心。

（2）觸摸顯示屏選用昆侖通泰TPC7062Ti（K）7寸屏作為人機(jī)界面，顯示工作狀態(tài)，設(shè)定工作參數(shù)，查詢工作記錄信息及報警信息。

（3）模擬量模塊采用西門子系列AM06用于模擬量信號采集與輸出控制。

（4）液位傳感器（超聲波液位計(jì)）直流24V供電，輸出4～20mA模擬量信號。

（5）加藥泵，采用普羅名特電磁隔膜計(jì)量加藥泵，工作電壓AC220V可以通過4～20mA信號調(diào)節(jié)計(jì)量泵流量。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分是根據(jù)工藝條件及硬件電氣設(shè)計(jì)進(jìn)行編寫與組態(tài)，主要有硬件I/O分配表及網(wǎng)絡(luò)TCP通信與外部建立變量連接，分為控制器PLC程序與觸摸顯示屏組態(tài)程序。

控制器PLC程序是根據(jù)輸入的信息經(jīng)過邏輯分析判斷后通過數(shù)字量與模擬量輸出信號控制電氣設(shè)備動作運(yùn)行。

而觸摸顯示屏組態(tài)程序用來顯示整個裝置的運(yùn)行狀態(tài)與信息，并可以手動操作單臺設(shè)備方便運(yùn)行維護(hù)，運(yùn)行數(shù)據(jù)信息存儲在顯示屏內(nèi)存中便于查看管理，如果有故障也會顯示故障信息，在運(yùn)營管理人員沒有電氣專業(yè)知識的情況下也能快速地了解故障狀態(tài)。

3.1控制器PLC的I/O分配

加藥裝置電氣控制系統(tǒng)I/O分配表如表1所示。

3.2控制器程序控制原理

該裝置的控制程序是根據(jù)采集到的輸入信息進(jìn)行分析判斷后控制加藥泵工作的過程。污水站中心控制柜PLC檢測到穩(wěn)定的流量值實(shí)時傳輸給加藥裝置控制器PLC，該裝置在根據(jù)工藝計(jì)算要求設(shè)定的加藥比例判斷后，輸出量程內(nèi)的4～20mA信號控制加藥計(jì)量泵的流量。工藝計(jì)算要求值，人機(jī)界面設(shè)定存儲并通過485通信傳輸給設(shè)備PLC控制器，然后根據(jù)污水站傳輸給設(shè)備的實(shí)時水量保持自動化的跟蹤控制，如圖6所示。

3.3觸摸顯示屏畫面

觸摸顯示顯示屏是人機(jī)界面，通過組態(tài)畫面能夠清晰顯示設(shè)備的工作狀態(tài)及運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄信息。通過參數(shù)設(shè)置能夠人為設(shè)定工藝需要的運(yùn)行參數(shù)，便于設(shè)備的運(yùn)行管理。主要人機(jī)界面如圖7所示。

從整個界面上可以看到整個裝置的狀態(tài)，以及顯示數(shù)據(jù)。從人機(jī)控制上是具有“手動”與“自動”控制功能。

自動狀態(tài)下，設(shè)備按照工況進(jìn)行自動運(yùn)行與防凍。

控制開關(guān)“自動”狀態(tài)下，點(diǎn)擊開關(guān)至手動狀態(tài)，然后點(diǎn)擊其他設(shè)備就能手動控制“啟動”與“停止”，點(diǎn)擊人機(jī)界面的電熱帶，可以開啟手動“加熱”與“停止”，并在界面上有相應(yīng)的顯示，很方便就能識別，所以操作很簡單，界面很友好。

3.4電氣調(diào)試

電氣元件裝配線安裝結(jié)束后，在程序模擬測試后進(jìn)行出廠前的調(diào)試，在調(diào)試中對于有不符合要求的控制程序進(jìn)行修正，對裝配接線錯誤進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過實(shí)際調(diào)試后出現(xiàn)的問題基本都可以解決。調(diào)試后的電控系統(tǒng)，運(yùn)行一段時間后趨于穩(wěn)定，檢驗(yàn)是否符合工藝設(shè)計(jì)要求及裝置各方面的性能穩(wěn)定，保證運(yùn)行穩(wěn)定可靠實(shí)用?？紤]安裝維護(hù)的方便，在加藥裝置的底部設(shè)計(jì)有機(jī)械放空手動閥，在裝置上部安裝有溢流手閥以及通氣管。

4.結(jié)語

本次設(shè)計(jì)了一款基于PLC+觸摸顯示屏的新型防凍型加藥裝置及其電氣控制自動化的實(shí)現(xiàn)。該裝置整體更簡潔，加藥更精準(zhǔn)，操作更便捷，信息化程度高，方便管理運(yùn)營。裝置總體設(shè)計(jì)、主電路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)、主要硬件選型等，經(jīng)過實(shí)際使用證明該裝置運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，實(shí)用性強(qiáng)，值得進(jìn)一步推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]孫艷.城市污水處理中污泥處理的可持續(xù)性研究[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2020（9）：109-110.

[2]張勝祥，張聲皓，孫云帆.農(nóng)村生活污水處理現(xiàn)狀及處理工藝分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2020（24）：118-119.

[3]萬麗.城鎮(zhèn)小型污水處理廠運(yùn)行與管理[J].環(huán)境與發(fā)展，2020，171（10）：76-77.

[4]邱天宇.PLC在電氣設(shè)備自動控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2021（1）：111-113.

[5]龐小蘭.PLC在機(jī)電一體化生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技資訊，2020，18（16）：75-77.

[6]成家佳.基于PLC的污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].決策探索（中）2020669（11）：98.

[7]鎮(zhèn)質(zhì).水廠投礬自動控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢：江漢大學(xué)，2020.

3908500338211