何永艷

(上海電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院申安網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)業(yè)學(xué)院，上海 201411)

0 引言

污水處理廠在實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化的過程中，通過物理和生化的方法，使污染物從水體中排出，確保污水凈化后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。由于污泥處理的工藝與污水完全不同，污水處理形成的污泥往往需要集中收集脫水后，由外送專業(yè)污泥處置單位實(shí)現(xiàn)最終處理[1]。實(shí)時(shí)獲取污泥量的精確數(shù)據(jù)，是污泥委托處置費(fèi)用結(jié)算的基礎(chǔ)。目前，脫水污泥的計(jì)重一般采用車用地磅或者根據(jù)料倉料位差進(jìn)行估算，也有對流動性好的污泥采用電磁流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量或者利用螺桿泵的頻率與輸送量的關(guān)系進(jìn)行估算[2-3]。但這些方式的測量準(zhǔn)確度不高，應(yīng)用范圍有限。一些規(guī)模較大的污泥集中處置項(xiàng)目往往需設(shè)置專用的稱量槽來實(shí)現(xiàn)污泥的計(jì)量[4]。但稱量槽投資成本較高，計(jì)算過程較為復(fù)雜，應(yīng)用在小型項(xiàng)目上存在困難。在電力行業(yè)的應(yīng)用中，有采用皮帶秤實(shí)現(xiàn)電廠給煤量計(jì)量[5-6]的方法。但考慮到脫水污泥和煤塊的物性存在較大差異，該方法的適用性有待進(jìn)一步的工程驗(yàn)證。

近年來，環(huán)保監(jiān)管機(jī)構(gòu)對污水處理廠出廠污泥的含水率有了更高的要求，從原來要求的外送出廠的污泥含水率須在60%以下調(diào)整為須在30%以下。這就導(dǎo)致采用傳統(tǒng)的機(jī)械脫水設(shè)備處理后的脫水污泥含水率無法達(dá)標(biāo)。為此，污水處理廠往往就地安裝低溫烘干設(shè)備，將污泥含水率降低到30%以下達(dá)標(biāo)后再出廠。部分污水處理廠將這部分業(yè)務(wù)委托第三方污泥處置機(jī)構(gòu)投資和運(yùn)行，按污泥處理量進(jìn)行付費(fèi)結(jié)算。這樣，原有測量方法所得數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和精度均不能滿足處置費(fèi)用結(jié)算的要求。因此，結(jié)合脫水污泥就地處置工藝，依托既有污泥輸送設(shè)備，實(shí)現(xiàn)處置污泥量的準(zhǔn)確、可靠計(jì)量就變得尤為緊迫和重要。

目前，結(jié)合可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)程序?qū)崿F(xiàn)物料稱重計(jì)量的方案在很多工業(yè)領(lǐng)域得到成熟的應(yīng)用。例如：在火電廠的煤粉計(jì)量中，以PLC為核心，通過程序的控制實(shí)現(xiàn)給煤量的自動調(diào)節(jié)[7]；在生產(chǎn)線上，通過程序?qū)崿F(xiàn)其在多料倉自動稱重配料系統(tǒng)上的應(yīng)用[8]等。

本文設(shè)計(jì)的污泥計(jì)重系統(tǒng)通過控制既有的污泥輸送設(shè)備和采集緩沖料倉的稱重傳感器數(shù)據(jù)，以及PLC程序控制，實(shí)現(xiàn)污泥處理量的自動、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的測量，為小型污泥處置系統(tǒng)的污泥計(jì)量提供了解決方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)方案

污泥計(jì)重系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 污泥計(jì)重系統(tǒng)方案示意圖

圖1中涉及到的輸送設(shè)備，如刮板機(jī)、緩沖料倉、污泥壓濾機(jī)等，是污泥處置系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。污泥壓濾機(jī)采用間歇性工作方式，每隔4～8 h排出一次污泥。污泥就地處理設(shè)備通常24 h持續(xù)工作，需要頻繁進(jìn)料。為保證工作的正常有序進(jìn)行、協(xié)調(diào)兩者不同的狀態(tài)，需在污泥壓濾機(jī)到就地處置設(shè)備之間的輸送流程中設(shè)置緩沖料倉，以收集壓濾機(jī)集中產(chǎn)生的污泥。根據(jù)污泥就地處置設(shè)備的工作節(jié)奏為其緩慢地補(bǔ)充待處理的污泥，從而逐步釋放緩沖料倉內(nèi)的存量污泥，為下一次收集壓濾機(jī)排出的污泥留出足夠的空間。計(jì)重系統(tǒng)通過在緩沖料倉額外設(shè)置稱重傳感器，再通過對既有輸送設(shè)備的程序控制，在不影響原有污泥輸送功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了污泥處理量的精確計(jì)量，為污水處理廠與專業(yè)污泥處置機(jī)構(gòu)之間的污泥結(jié)算收費(fèi)提供數(shù)據(jù)支持。

圖1中，污泥壓濾機(jī)下部設(shè)置有上部開口的排泥螺旋，接收從污泥壓濾機(jī)掉落的脫水污泥。在減速電機(jī)M01的驅(qū)動下，通過旋轉(zhuǎn)將污泥送入料倉上料刮板機(jī)(驅(qū)動電機(jī)M02)，并由刮板機(jī)將污泥送入緩沖料倉。

緩沖料倉料斗底部安裝料倉出料螺旋(驅(qū)動電機(jī)M04)，側(cè)壁上安裝攪拌破橋裝置(驅(qū)動電機(jī)M03)。攪拌破橋裝置與料倉出料螺旋上下平行布置。當(dāng)需要出料時(shí)，攪拌破橋裝置和料倉出料螺旋同時(shí)啟動，污泥從料斗中排出，進(jìn)入料倉出料螺旋，再從料倉出料螺旋出料口排入料倉出料刮板機(jī)的進(jìn)料口。料倉底部4個(gè)支托分別設(shè)置有高精度的稱重傳感器(WT01～WT04)，實(shí)時(shí)對由攪拌破橋裝置、料斗、料倉出料螺旋構(gòu)成的緩沖料倉進(jìn)行質(zhì)量測量。

料倉出料刮板機(jī)在電機(jī)M05的驅(qū)動下，將脫水污泥送至污泥就地處理設(shè)備自帶的料斗中。料斗設(shè)置高低位物料開關(guān)LS01和LS02。

1.2 計(jì)量系統(tǒng)的架構(gòu)

西門子S7-1200 PLC支持多種通信協(xié)議[9]，接口類型豐富，擴(kuò)展功能強(qiáng)，在其他行業(yè)的稱重系統(tǒng)中也得到了廣泛應(yīng)用[10-11]。圖2為計(jì)重系統(tǒng)控制硬件線路原理圖。方案采用西門子S7-1200 PLC控制器為核心，由中央處理器(central processing unit,CPU)模塊(型號為1214C)和RS-485模塊(型號為CM1241)組成，具備RS-485通信和基本的開關(guān)量輸入輸出功能，并以此組成計(jì)重系統(tǒng)的控制硬件。

圖2 計(jì)重系統(tǒng)控制硬件線路原理

緩沖料倉4個(gè)稱重傳感器通過稱重二次儀表采集并匯總數(shù)據(jù)后，將稱重二次儀表的RS-485接口與CM1241模塊連接，并通過Modbus RTU通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集。上位機(jī)通過傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP)與PLC的CPU連接。模塊采用24 V供電，與CM1241模塊的供電通過模塊間總線連接實(shí)現(xiàn)。

污泥就地處理設(shè)備料斗上設(shè)置的高低位物料開關(guān)以開關(guān)量的形式接入PLC。PLC輸出控制M01～M05 這5臺驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)行。質(zhì)量數(shù)據(jù)完成計(jì)算后，通過上位機(jī)予以顯示和記錄。

2 工作過程及控制原理

2.1 工作及控制過程

在緩沖料倉空倉時(shí)，稱重傳感器首先置零。當(dāng)有污泥進(jìn)入時(shí)，即可對料倉內(nèi)存泥質(zhì)量進(jìn)行稱量。為實(shí)現(xiàn)污泥計(jì)重功能，需要使緩沖料倉不能同時(shí)運(yùn)行進(jìn)料和出料的狀態(tài)?，F(xiàn)場設(shè)置緩沖料倉進(jìn)料啟停開關(guān)。當(dāng)壓濾機(jī)需要卸泥時(shí)，操作人員現(xiàn)場啟動緩沖料倉進(jìn)料系統(tǒng)。此時(shí)，排泥螺旋(M01)和緩沖料倉上料刮板機(jī)(M02)同時(shí)啟動。當(dāng)進(jìn)泥操作完成后，操作人員停止進(jìn)料系統(tǒng)。當(dāng)M01和M02啟動時(shí)，通過連鎖控制將緩沖料倉出料刮板機(jī)(M05)、攪拌破橋裝置(M03)、料倉出料螺旋(M04)全部設(shè)置為立即停止?fàn)顟B(tài)。直到M01和M02停止后，上述設(shè)備才能獲得啟動權(quán)限?？刂葡到y(tǒng)通過采集M01和M02啟停前后稱重傳感器數(shù)值的差值，得到本次料倉的進(jìn)料量。電控系統(tǒng)對每次得到的進(jìn)料數(shù)值進(jìn)行累計(jì)，即可得到累計(jì)處理量。累計(jì)處理量可為污泥處置費(fèi)用的結(jié)算提供依據(jù)。緩沖料倉出料刮板在污泥就地處理設(shè)備料斗缺料時(shí)啟動(LS02反饋低料位信號)，至料斗達(dá)到高料位時(shí)停止運(yùn)行(LS01反饋高料位信號)。攪拌破橋裝置、料倉出料螺旋的啟停狀態(tài)與緩沖料倉出料刮板啟停狀態(tài)保持一致，保證濕污泥從料倉內(nèi)排出并送至污泥就地處理設(shè)備料斗。上述流程的安排需確保緩沖料倉的進(jìn)料和出料不同時(shí)進(jìn)行，以及進(jìn)料操作的優(yōu)先性。

根據(jù)前述的控制過程，本方案設(shè)計(jì)的程序控制流程如圖3所示。圖3中，G0為完成進(jìn)料前初始的累計(jì)質(zhì)量；g為完成進(jìn)料后增加的質(zhì)量；G為進(jìn)料完成后更新的累計(jì)質(zhì)量。

圖3 控制流程圖

2.2 較高測量精度的實(shí)現(xiàn)

為保證測量精度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)從數(shù)據(jù)采集和軟件設(shè)計(jì)這2個(gè)方面開展了深入研究。

①數(shù)據(jù)采集。

稱重傳感器采用懸臂梁稱重模塊，測量精度達(dá)到0.03%，溫度補(bǔ)償范圍達(dá)到-30℃～+70℃，防護(hù)等級達(dá)到IP68，具有良好的抗沖擊性和穩(wěn)定性。輸出的電壓信號通過專業(yè)屏蔽電纜接入稱重控制儀(二次儀表)。儀表集成高精度24位模擬/數(shù)字(analog to digital,A/D)轉(zhuǎn)換器。采集實(shí)時(shí)質(zhì)量數(shù)據(jù)后，通過隔離型的RS-485通信接口，以Modbus RTU協(xié)議接入PLC。二次儀表精度為0.1% Fs。除此以外，稱重系統(tǒng)每運(yùn)行時(shí)間超過1 000 h，就對計(jì)重系統(tǒng)進(jìn)行零點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)砝碼標(biāo)定工作，以確保系統(tǒng)處于良好狀態(tài)。

②軟件設(shè)計(jì)。

料倉啟停前后采集的質(zhì)量數(shù)據(jù)非常關(guān)鍵。質(zhì)量數(shù)據(jù)直接影響到整個(gè)計(jì)重系統(tǒng)的測量精度。

PLC濾波簡易方式如圖4所示。

圖4 PLC濾波簡易方式

為了防止稱重過程中設(shè)備存在未完全穩(wěn)定或者周邊環(huán)境產(chǎn)生信號干擾，程序首先進(jìn)行了延時(shí)數(shù)據(jù)采集。延時(shí)時(shí)長根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試形成的記錄來設(shè)定。PLC還對采集的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，采用算術(shù)平均濾波法連續(xù)取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算。N值較大時(shí)，信號平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時(shí)，信號平滑度較低，但靈敏度較高?？紤]到質(zhì)量數(shù)據(jù)現(xiàn)場受干擾的情況，實(shí)際選取N值為10，確定的采樣周期為1 s。周期內(nèi)采樣次數(shù)為10次，即每0.1 s采樣1次，累加后除以10，計(jì)算結(jié)果為10次采樣的平均值。

濾波使用的寄存器地址如表1所示。

表1 濾波使用的寄存器地址

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

為驗(yàn)證污泥計(jì)重系統(tǒng)的測量精度，先將圖1所示的污泥就地處理設(shè)備和料倉出料刮板移除，采用已知質(zhì)量的容器在緩沖料倉出口處收集污泥；再用程序模擬實(shí)際緩沖料倉多頻次出料狀態(tài)；最后啟動緩沖料倉進(jìn)料。連續(xù)進(jìn)行4次測試。每次測試完成后，用測試前后料倉累計(jì)質(zhì)量的增加值ΔG減去料倉內(nèi)的存量污泥質(zhì)量的增加值Δg，得到的質(zhì)量即為通過計(jì)重系統(tǒng)數(shù)據(jù)計(jì)算得出的料倉出料量。該數(shù)據(jù)與料倉出料量的實(shí)際稱重?cái)?shù)據(jù)對比，即可得到計(jì)重系統(tǒng)的測量精度范圍。其中，料倉實(shí)際出料量的稱重選用A級精度磅秤，量程范圍為0～2 t，最大誤差在±0.15 kg以內(nèi)。計(jì)重系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 計(jì)重系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

表2的測試結(jié)果顯示，計(jì)重系統(tǒng)的相對誤差不超過0.25%，測量精度高。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的污泥計(jì)重系統(tǒng)直接利用既有污泥輸送設(shè)備，在不影響原有輸送功能的條件下，通過緩沖料倉稱重傳感器的設(shè)置以及對輸送設(shè)備的程序控制，實(shí)現(xiàn)了污泥處理量的計(jì)量功能。在具體實(shí)現(xiàn)過程中，除采用了高精度的稱重傳感器外，還通過程序的設(shè)計(jì)、采集數(shù)據(jù)的濾波處理等，得到了準(zhǔn)確和穩(wěn)定的測量結(jié)果，滿足了基于污泥處置量的商業(yè)結(jié)算相關(guān)要求。

目前，本文設(shè)計(jì)的計(jì)重系統(tǒng)在項(xiàng)目現(xiàn)場經(jīng)過了超過10 000 h以上的運(yùn)行，實(shí)際效果得到了充分的驗(yàn)證，取得了使用方的認(rèn)可。本文技術(shù)可以用于污水處理廠就地污泥處置過程中的污泥質(zhì)量計(jì)量，特別適用于無法采用泵送的污泥計(jì)重場景。本文系統(tǒng)改造成本低、計(jì)重效果顯著。