封光磊，劉志一，袁 杰，宋明新，李 啟

（昆明克林輕工機(jī)械有限責(zé)任公司，昆明 650106）

0 引言

隨著我國城市化的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，我國廚余垃圾產(chǎn)量逐年增加，對城鎮(zhèn)環(huán)境衛(wèi)生造成很大的危害。通過廚余垃圾微生物分解處理后實現(xiàn)了絕大部分垃圾的減量化、無害化和資源再利用，使得廚余垃圾變廢為寶，不僅減輕了廚余垃圾帶來的環(huán)境污染，還緩解了我國資源短缺日益緊張的局面。但廚余垃圾微生物分解后不可避免的會產(chǎn)生廚余垃圾污水，傳統(tǒng)的污水處理方案為將污水直接排入城市污水管網(wǎng)，由污水處理工廠統(tǒng)一處理。廚余垃圾微生物分解處理后再配置廚余垃圾污水處理系統(tǒng)可將前序處理產(chǎn)生的污水進(jìn)行進(jìn)提前凈化，對環(huán)境做進(jìn)一步保護(hù)[1-3]。并且小型廢水處理設(shè)備與廚余垃圾微生物處理設(shè)備共同布置使用，將凈化水投入二次生產(chǎn)使用，在廢水循環(huán)利用中發(fā)揮重要作用，也逐漸被企業(yè)所認(rèn)可[4-7]。

傳統(tǒng)廚余垃圾污水處理自動化程度低，需要大量的人工參與，難以達(dá)到對污水充分處理的目的[8-10]。并且傳統(tǒng)設(shè)備控制中難以解決波動水位監(jiān)測難題及污水泵送管路堵塞監(jiān)控及凈化抽取量化控制的難題，所以難以實現(xiàn)設(shè)備的系統(tǒng)集成控制。本文旨在設(shè)計一種廚余垃圾污水處理設(shè)備及其集成控制系統(tǒng)，使用數(shù)字量信號遲滯濾波技術(shù)和后工序連鎖控制方式使得對設(shè)備各功能模塊液位控制穩(wěn)定可靠性大幅提升，并創(chuàng)新使用以流量及電機(jī)電流為依據(jù)的雙回路污水濁度間接檢測方式使得在機(jī)污水濁度檢測的工程實施成為可能，從而減少人員對設(shè)備的干預(yù)，簡化污水處理工藝，最終大幅提高了設(shè)備的穩(wěn)定可靠性及自動化智能化程度。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝控制原理

依據(jù)最終用戶使用方式及環(huán)境的不同，集成式廚余垃圾污水處理系統(tǒng)可獨立使用也可以配合廚余垃圾微生物處理機(jī)使用，這樣就使得設(shè)備總體控制在設(shè)計時就具有功能及控制的獨立性，必須配置獨立的控制系統(tǒng)對各檢測原件及動作部件進(jìn)行控制。同時設(shè)備還需具有初步的智能化功能，對處理前后水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，進(jìn)一步自動調(diào)整處理工藝配方，以達(dá)到處理水質(zhì)最優(yōu)化和提高設(shè)備使用的穩(wěn)定可靠性的目的。

1.1 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

污水處理設(shè)備總體上可分為兩個部分，一部分為處理機(jī)本體，其中本體內(nèi)部又分割為調(diào)節(jié)池、厭氧池、膜池、清水池、污泥池5個獨立的容器池。用于存儲依據(jù)處理工藝生成的過程產(chǎn)品；另一部分為外置污水貯存箱，用于緩沖存儲需要處理的污水，此部分依據(jù)實際設(shè)備土建安裝位置選擇配置，若實際污水源與污水處理設(shè)備間落差高度達(dá)到500 mm及以上，則可省略此配置。具體設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 廚余垃圾污水處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 設(shè)備總體電氣控制原理

設(shè)備由SIEMENSS7-200 SMART PLC作為主控制器進(jìn)行系統(tǒng)集成[11]。并配置使用SIEMENSSMART 1000IE觸摸屏定制化開發(fā)HMI交互式控制界面作為人機(jī)對話接口[12]。針對不同存儲池控制工藝配置數(shù)字量液位檢測裝置及模擬量液位變送器，用以檢測存儲箱內(nèi)部液位；配置流量檢測裝置對設(shè)備管路內(nèi)流量進(jìn)行檢測；對自吸泵、調(diào)節(jié)池泵采用變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)驅(qū)動。作為設(shè)備控制的核心部分，PLC通過MOUDBUS總線分別與各變頻器進(jìn)行連接，并通過特定交互地址進(jìn)行控制指令的下達(dá)及監(jiān)控數(shù)據(jù)的收集，使得PLC可監(jiān)控到主要功能部件的實時運行狀態(tài)，并使用專家經(jīng)驗控制法對各泵閥進(jìn)行有效調(diào)節(jié)控制，最終保證污水處理質(zhì)量達(dá)到要求，具體廚余垃圾污水處理系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 廚余垃圾污水處理系統(tǒng)電氣控制結(jié)構(gòu)

2 設(shè)備系統(tǒng)集成控制設(shè)計

廚余垃圾污水處理設(shè)備的控制分為手動及自動兩種模式，均是由PLC程序進(jìn)行實現(xiàn)，其控制原理類似。PLC程序分別定義不同的功能模塊，對各功能部件進(jìn)行獨立協(xié)調(diào)管控，最終由主程序進(jìn)行系統(tǒng)集成，以做到控制的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。使用HMI取代傳統(tǒng)按鈕指示燈實現(xiàn)控制的全局化直觀化，具體HMI控制界面如圖3所示。

圖3 HMI控制界面

2.1 貯存箱控制設(shè)計

貯存箱為獨立配置功能部件，位于廚余垃圾污水處理設(shè)備本體外部，用于暫時存放外部進(jìn)入設(shè)備待處理的污水，同時具有污水一次沉降過濾的作用。在控制設(shè)計時仍按照傳統(tǒng)控制工藝配置浮球數(shù)字量檢測元件監(jiān)控液位，使用普通電機(jī)驅(qū)動抽水泵工作。

但區(qū)別于傳統(tǒng)控制工藝，使用數(shù)字量信號遲滯濾波技術(shù)和后工序連鎖控制方式，將貯存箱液位及后續(xù)調(diào)節(jié)池液位組合用于對污水提升泵進(jìn)行控制。由于貯存箱隨時可能有污水進(jìn)入，而調(diào)節(jié)池因污水提升泵打入污水?dāng)_動或其他外部因素造成箱內(nèi)液位晃動，使得數(shù)字量檢測元件無法準(zhǔn)確檢測實際液位，若不進(jìn)行信號遲滯濾波直接使用PLC輸入信號作為啟動條件則控制狀態(tài)將會頻繁變化，在PLC程序中使用延時導(dǎo)通繼電器對輸入的液位信號進(jìn)行濾波，當(dāng)信號狀態(tài)保持接通3s則視為液位檢測準(zhǔn)確到位，解決液位檢測面不穩(wěn)定造成的誤觸發(fā)問題。具體PLC遲滯濾波程序如圖4所示。

圖4 PLC濾波程序

當(dāng)且僅當(dāng)貯存箱液位不低且調(diào)節(jié)池液位不高時啟動并保持提升泵工作，至貯存箱液位低或調(diào)節(jié)池液位高時停止提升泵工作。當(dāng)液位滿足程序條件提升泵停止工作后，觸發(fā)定時器在后續(xù)5 min內(nèi)禁止提升泵再次啟動，以實現(xiàn)防止電機(jī)頻繁啟動保護(hù)電機(jī)的目的。在HMI界面中設(shè)計污水提升泵工作限定時間接口，可以對觸發(fā)啟動后污水提升泵持續(xù)工作時間進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)計時到位后同樣停止電機(jī)工作，以防止外部檢測元件因污損導(dǎo)致的檢測失誤，大幅提高了設(shè)備的魯棒性，同時防止液位過低后繼續(xù)泵送將一次沉淀物送入后續(xù)的調(diào)節(jié)池，為后續(xù)設(shè)備的無人值守化運行提供技術(shù)保障。具體控制原理流程如圖5所示。

圖5 貯存池污水提升泵控制流程

2.2 調(diào)節(jié)池控制設(shè)計

調(diào)節(jié)池作為廚余垃圾污水處理系統(tǒng)本體的第一個儲存池起到了二次沉降過濾作用。污水在調(diào)節(jié)池內(nèi)停留時間設(shè)定為6 h，當(dāng)調(diào)節(jié)池液位滿足條件時PLC程序進(jìn)行倒計時操作，計時完成污水進(jìn)行充分二次沉降后開啟調(diào)節(jié)池泵將污水注入缺氧池。同樣在HMI界面中設(shè)計了調(diào)節(jié)池泵工作限定時間接口，當(dāng)計時結(jié)束或檢測到調(diào)節(jié)池液位低信號后停止調(diào)節(jié)池泵動作。

廚余垃圾污水泵送流量監(jiān)控是整個污水處理控制污水中的重點和難點，廚余污水中不可避免地會存在固體雜質(zhì)和油脂類物質(zhì)，在輸送中若使用流量傳感器進(jìn)行直接檢測則雜質(zhì)會快速污染并堵塞傳感器，不能有效檢測出實際流量，所以直接檢測方式不可行。在控制設(shè)計中使用變頻器對調(diào)節(jié)池泵進(jìn)行驅(qū)動，PLC通過控制總線實時監(jiān)控電機(jī)電流，并用檢測值與設(shè)定的臨界值做比較，若出現(xiàn)管路堵塞則電機(jī)電流值會升高，此時發(fā)出相應(yīng)提示信息，提示需要對設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)；當(dāng)電流值大于最大設(shè)定值時及時切斷電機(jī)運行對泵進(jìn)行保護(hù)，同時發(fā)出報警切斷前序處理執(zhí)行。

這樣與前序聯(lián)合控制確保了調(diào)節(jié)池為滿狀態(tài)，貯存池為空狀態(tài)，達(dá)到最佳處理效果，同時使用PLC結(jié)合變頻器的間接測量方式使得設(shè)備運行的穩(wěn)定可靠性大幅提升。

2.3 缺氧池控制PLC

缺氧池是調(diào)節(jié)池的后工序，用于微生物對污水進(jìn)行厭氧發(fā)酵，對污水內(nèi)有機(jī)物進(jìn)行深入分解。缺氧池內(nèi)污水停留時間約為40 min～2 h，通過前序調(diào)節(jié)池泵送污水對水體進(jìn)行置換。缺氧池液位高于出水口位置則直接流入膜池。

2.4 膜池控制設(shè)計

膜池處理作為污水處理的核心工序，由模擬量膜池液位變送器、曝氣風(fēng)機(jī)、膜池泵、膜池閥、自吸泵結(jié)合PLC控制單元及HMI交互式控制單元共同組成。

首先，液位變送器將檢測到的0～20 kP壓力值，對應(yīng)的輸出為4～20 mA電流模擬量信號，PLC程序通過模擬量輸入模塊及標(biāo)準(zhǔn)“Scale_I_to_R”功能塊將此數(shù)值對應(yīng)轉(zhuǎn)換為5 530～27 648的實數(shù)，并存入設(shè)定的PLC內(nèi)部V地址，再通過HMI的邊緣計算功能將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值與0～100%對應(yīng)，以在界面中進(jìn)行實際液位狀態(tài)顯示。具體PLC模擬量轉(zhuǎn)換程序如圖6所示。

圖6 模擬量輸入轉(zhuǎn)換PLC程序

其次，在HIM交互控制界面3種專家控制配方，用于通過污水濁度選擇處理方法，控制界面還開放了配方外的自主設(shè)定調(diào)節(jié)功能，設(shè)定曝氣風(fēng)機(jī)運行液位上下限、自吸泵運行液位上下限、自吸泵循環(huán)工作及間隔時間、膜池泵工作時間。設(shè)定完成后HMI將設(shè)定數(shù)值通過交互接口傳輸給PLC內(nèi)部V地址變量，用于后續(xù)控制。具體HMI參數(shù)配置界面如圖7所示。

當(dāng)膜池液位達(dá)到曝氣風(fēng)機(jī)開啟設(shè)定值時風(fēng)機(jī)開始按設(shè)定循環(huán)周期運行，若此時調(diào)節(jié)池液位為高狀態(tài)，則膜池泵開始按設(shè)定時間運行，同時膜池閥切換至內(nèi)循環(huán)模式與缺氧池進(jìn)行水體交換，此時通過人工添加處理劑，使得污水與處理劑充分融合處理。當(dāng)膜池液位達(dá)自吸泵開啟設(shè)定值時自吸泵開始運行，自吸泵進(jìn)水口通過多個毛細(xì)管路連接至膜池內(nèi)部的對應(yīng)薄膜過濾板，出水口則接入清水池。

自吸泵工作時PLC通過安裝于各毛細(xì)管路中的流量檢測裝置對各毛細(xì)管路進(jìn)行流量實時檢測，并匯總得到總處理流量。PLC實時將總處理流量與使用清水為試驗液體得出的抽取流量進(jìn)行比較。隨著過濾抽取清水總量的逐步增加，膜池內(nèi)污水的污濁濃度也會隨之提升，進(jìn)一步抽取的流量會減少，同時伴隨著電機(jī)電流會增加。

當(dāng)總抽取流量為清水抽取流量的90%～100%時，PLC不對自吸泵變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持額定頻率；當(dāng)總抽取流量為清水抽取流量的80%～90%時，PLC程序控制按每秒1%的提升量提高10%的變頻器控制頻率；當(dāng)總抽取流量為清水抽取流量的70%～80%時，PLC程序控制提高20%的變頻器控制頻率，同時對低于70%抽取量的毛細(xì)管路在HMI界面上發(fā)出預(yù)警；進(jìn)一步的當(dāng)抽取流量為清水抽取流量的60%以下，或?qū)崟r監(jiān)控的電流值為額定電流的120%以上則PLC程序判定為抽取完成。以流量及電機(jī)電流為依據(jù)間接檢測污水濁度的雙回路檢測方式使得在機(jī)污水濁度檢測的工程實施成為可能，成功簡化了污水處理工藝。

經(jīng)過多次處理使用后膜池內(nèi)污水濁度會遠(yuǎn)高于正常狀態(tài)，此時自吸泵再次抽取式總抽出流量會大幅低于參照值且電機(jī)電流居高不下，此時PLC程序控制切換膜池閥將膜池泵管路與污泥池導(dǎo)通，此時膜池泵將殘存于膜池內(nèi)的高濃度污水泵送至污泥池，當(dāng)液位變送器檢測到膜池液位低于5%時完成膜池清除工作。

2.5 污泥池控制設(shè)計

污泥池為本污水處理系統(tǒng)的最后工序，為存儲最終過濾完成后剩余的污泥，工序電氣控制配置污泥泵，并由人工參與進(jìn)行電機(jī)啟停控制，完成簡單的排污操作。若配置廚余垃圾微生物處理設(shè)備時，可將最終的污泥再次作為原料進(jìn)行二次分解。

3 結(jié)束語

廚余垃圾污水處理系統(tǒng)使用實時電流監(jiān)控技術(shù)、雙回路間接控制技術(shù)、數(shù)據(jù)輸入遲滯濾波等先進(jìn)控制技術(shù)對各功能部件進(jìn)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制解決了傳統(tǒng)廚余垃圾污水處理設(shè)備的控制難題，輔助以HMI界面監(jiān)控及操作完成設(shè)備控制，大幅提升了設(shè)備的自動化、智能化程度，是PLC、HMI、變頻驅(qū)動器三位一體交互控制技術(shù)。

本處理系統(tǒng)已在本公司KSJ、KSY系列有機(jī)垃圾生物式處理設(shè)備的污水后處理上成功使用。后續(xù)還將配置凈化劑自動投放控制功能，完全取代人工操作實現(xiàn)無人值守，并形成產(chǎn)業(yè)化推廣。