污泥干化装置控制系统的设计与实现

王 磊 曹善甫

(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，兰州 730060)

污泥干化装置控制系统的设计与实现

王 磊 曹善甫

(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，兰州 730060)

以某投产运行的污泥干化系统为研究对象，基于S7-300 PLC设计处理量为150t/d(湿基，水含量约80%～90%)的桨叶干燥机污泥干化控制系统，给出了控制系统的网络结构、启停控制逻辑流程的实现、安全保护系统的方案和人机界面的实现。

控制系统 污泥干化 桨叶干燥机 PLC

近年来，我国污水处理设施的建设高速发展，随着污水处理量的增加，各类污泥的产量随之增大，对环境的污染也日趋严重。未经处理的污泥含水率高达80%以上，其体积庞大、性质复杂且难以处理。国内外的应用实践表明，经传统的浓缩和脱水工艺处理后，污泥的含水率不可能达到60%以下[1]。减量化是污泥资源化的首要步骤，而干燥则是污泥减量化最有效的方法之一。为了达到对污泥的深度脱水目的，比较经济的方法是引入化工操作中的热干燥技术[2]。目前，世界上污泥干化的主流工艺有直接加热转鼓干化技术、间接加热转鼓干化技术、离心干化技术、间接式多盘干燥技术和流化床干化技术[3]。污泥干化处理后产生的尾气若直接排放会严重污染环境，必须进行必要的尾气处理措施，在此过程中，废气排放量和能耗也是值得关注的焦点。

针对上述问题，天华化工机械及自动化研究设计院有限公司以桨叶干燥机为核心设备，独立开发并成套设计污泥干化系统技术，建立了一套成熟的工艺和控制理论模型。同时，设计污泥干化装置的自动控制系统，是使之高效运行、节能降耗的重要保证。为了有效提高处理效率，保证系统运行的稳定，选用PLC可编程控制技术完成整个污泥干化系统的监控任务。重点介绍控制系统的网络结构、启停控制逻辑流程的实现、安全保护系统的方案和人机界面的实现。

1 污泥干化

天华化工机械及自动化研究设计院有限公司以桨叶干燥机为核心设备，独立开发的污泥干化处理系统主要由污泥干燥单元、尾气处理循环单元、废水循环洗涤单元及蒸汽凝液循环单元等组成，其工艺流程如图1所示。

图1 污泥干化处理工艺流程框图

含水量大于80%的污泥由泵送系统自储泥池送入干燥机，其中泵送系统可以根据实际工况调整进料量。同时，来自电厂锅炉系统的蒸汽通过管路分配进入干燥机的空心热轴、叶片和夹套中，将热量传递给污泥，使污泥中的水分蒸发。通过调整系统参数，可将最终干化后的污泥的含水量控制在40%以下，干燥后的污泥进入密闭皮带输送机送至电厂锅炉系统进行焚烧。

密闭皮带输送机设置有臭气收集管道，将挥发出来的臭气送入洗涤塔；自干燥机蒸发出来的尾气(主要是水蒸气和不凝气)进入文丘里引射器，与来自洗涤塔经洗涤泵增压并在冷却器冷却的循环洗涤水直接接触进行初次降温去湿，初次降温去湿后的尾气和初次洗涤水进入洗涤塔，被洗涤水再次循环洗涤，多余的洗涤水流至废水处理厂。

净化除雾后的尾气(主要是不凝气)经引风机增压后分成两路，少部分去电厂锅炉系统焚烧；大部分进入换热器，与蒸汽换热后的高温凝液间接接触换热，换热后的低温凝液进入电厂除氧器增压后，打入锅炉系统循环利用。被加热的高温尾气作为载气进入干燥机内循环利用。

在该污泥干化系统中，尾气通过引风机被抽至洗涤塔，在循环洗涤水的作用下将尾气中大量的水分冷却，从而使干燥机工作在微负压下，保证了粉尘和恶臭不被外泄；净化后的尾气被蒸汽凝液再次加热后回到干燥机，实现了热能的最大化利用；洗涤后产生的废水，通过冷却器与循环冷却水进行换热后将热能带出，使其温度稳定在50℃以下，从而保证洗涤塔能够正常工作。

2 控制系统

为了有效提高污泥干化的处理效率，保证系统运行的稳定，选用S7-300 PLC控制技术来实现整个污泥干化系统的监控任务(图2)。在污泥干化控制过程中，由PLC采集生产设备的运行状态信息，当各路逻辑条件满足时，系统输出保持正常工作状态；一旦输入逻辑条件改变，系统立即动作，使输出改变状态，同时报警[4]。

图2 污泥干化系统PLC控制网络拓扑图

S7-300 PLC的CPU选择315-2PN/DP，带有两个ET200M从站，采用现场总线Profibus-DP连接[5]。同时与外围污泥输送系统和生化水处理系统进行以太网(Ethernet)通信连接，整个生产过程都由上位机监控，并且分别从各自系统中的控制单元实现控制要求。系统中还配有大屏幕监控系统，可以实现车间监控和控制组态画面的自由切换，方便工作人员操作。由于该系统采用以太网通信连接，可以通过多个交换机互联实现链路网络结构或者环形网络结构，为二期装置或者加入其他网络提供了便利条件。污泥干化系统PLC控制的网络拓扑如图2所示。

3 控制功能

3.1控制点

系统中设有一个蒸汽温度自动控制点和一个蒸汽压力自动控制点，其目的是调节进入干燥机的蒸汽温度。研究表明，污泥干化过程中，除氧含量和粉尘浓度之外，颗粒温度和湿度是与爆炸密切相关的两个重要因素。通过调节进入干燥机的蒸汽温度，即可控制污泥颗粒的温度和湿度，从该层面上保证了系统的安全性。

系统中设有两个液位自动控制点，分别是蒸汽凝液单元和废水循环洗涤单元中的液位控制。干燥机工作性能的优劣取决于其换热效果，如果蒸汽换热后产生的凝液不能及时排出，则污泥干化效果将大打折扣；同样，洗涤塔的液位也影响了系统的稳定运行，若液位过高，会导致循环洗涤水对尾气的降温除湿效果变差，从而改变干燥机内的负压环境，不仅影响污泥干化效果，而且系统正压后会造成臭气外泄，影响整个车间的环境，对工人健康造成影响。

3.2控制回路和监测点

针对上述温度、压力和液位控制点，选取PID负反馈控制系统，配合出口管线的调节阀实现对温度、压力和液位的控制。选择PID控制方式的理由：

a. 控制参数确定简单，易于整定；

b. 对系统扰动的适应性强、鲁棒性强；

c. 控制品质对被控对象的变化不敏感，适用于环境恶劣的工业生产现场。

对于蒸汽温度和压力的控制，采用温度变送器和压力变送器，通过测量蒸汽的温度和压力，经过计算后转换为4～20mA信号送入PLC，再配合使用PLC中自带的PID调节模块，最终将控制信号送入调节阀，实现对干燥机入口蒸汽温度和压力的控制，达到了预期的控制效果。

对于液位控制，采用双法兰液位变送器，通过测量凝液罐和洗涤塔中液体的压差，经过计算后转换为4～20mA信号送入PLC，再通过配合使用PLC中自带的PID调节模块，最终将控制信号送入调节阀，实现对凝液罐和洗涤塔中液位的控制，达到了预期的控制效果。

系统中其他温度、压力及流量等工艺测量点均以模拟信号(Pt100热阻信号、4～20mA电流信号)送入PLC，实现24h数据监测。

3.3系统启停

系统启停分为现场单机启停、中控单机启停和中控联锁启停3种方式，3种启停方式可在现场和中控室进行切换，具体如下：

a. 现场单机启停方式一般用于单机调试或现场紧急停车。

b. 中控单机启停方式多在试车阶段、中控联锁启停中断或部分设备联锁停车时使用。

c. 中控联锁启停方式。设备顺序启动的原则是按照物料流向的反方向依次启动设备，即根据物料流向，先启动下游设备，待下游设备启动完成后依次往前启动上游设备；设备顺序停止的原则是按照物料流向方向，先停止上游设备进料，然后顺序停止下游设备。同时，系统中包含了重要设备之间的联锁信号，以保护核心设备在意外停车时不被损坏。核心设备联锁顺序流程如图3所示。

图3 核心设备联锁顺序流程

3.4安全保护系统

安全保护系统是工厂生产中不可缺少的重要项目，该系统具有3方面的保护内容：

a. 安全停车保护。在干燥机运行过程中，当某台设备出现故障后，系统立即停止该设备沿物料流向的上游设备，下游设备运行不受干扰。

b. 有毒气体超标保护。在系统开车运行时，如果有毒气体从设备中泄漏，安装在车间内的有毒气体报警器会自动报警，提醒车间内工人迅速离开，并自动打开轴流引风机对屋内空气进行更换，有效地保护了工作人员的身体健康。

c. 转动设备的保护。所有转动设备的马达除了采取必要的电气保护外，还在PLC中设置了电流过载保护。当系统运行中出现电流超过设定的高报警值时，会发出蜂鸣提醒工人检查设备状况，排查异常现象；当电流超过高高报警值时会自动停止干燥机，并记录报警发生的时间，为排除故障提供可靠信息。

4 上位机监控系统

上位机监控软件(人机界面)的开发基于SIMATIC WinCC 6.2组态软件，它提供了适用于工业的图形显示、消息和报表功能模板。高性能的过程耦合、快速的画面更新和可靠的数据，使得WinCC具有高度实用性[6]。该软件功能强大(包括所有SCADA功能在内的客户机/服务器系统)，使用MicrosoftSQL Server 2000作为其组态数据和归档数据的存储数据库，可以使用ODBC、OLEDB、WinCC OLE-DB和ADO方便地访问归档数据；还有强大的标准接口，如ActiveX和OPC，可以方便地与其他应用程序交换数据。

从上位机可以对各个工艺参数的变化和设备的运行情况进行监测。采集现场远传仪表送出的流量、温度、压力及液位等数据后记录成表并进行导出和打印，以方便进行分析。上位机还实现了对控制设备的启动、停止等操作，同时对干燥机、引风机等进行变频调速，各个电机的运行状态和故障状态均直接显示在监控画面中并发声提醒操作岗位人员检查故障点，有效地提高了生产安全。同时，对于故障状态还进行了报警时间的记录。

该成套技术已成功应用于浙江龙德环保科技有限公司、烟台润达垃圾处理运营有限公司及漯河格威特环保有限公司等，为当地的污泥处理提供了有力保障。图4～6均为笔者设计的上位机监控画面的截图，其中图4、6分别为污泥输送系统和污水处理系统，分别为污泥干化系统的上下游流程。

图4 污泥输送系统运行画面

图5 污泥干化系统运行画面

图6 污水处理系统运行画面

5 结束语

污泥干化是目前实现大规模污泥减量和污泥处理的重要措施，而干燥系统的稳定性、安全性和自动化程度会直接影响到整个干燥车间的运转情况和经济效益。S7-300 PLC功能强大、可靠性高，能够很好地满足干燥控制系统的需要。笔者设计的3套装置目前都已顺利开车生产，单台设备处理量可达100～150t/d，出料水含量达到40%以下，实现了工艺设计目标，在很大程度上缓解了各类污泥囤积的压力，实现了污泥再利用和保护环境的初衷，具有一定的经济价值和社会价值。

[1] 胡龙,何品晶,邵立明.城市污水厂污泥热干燥处理技术及其应用分析[J].重庆环境科学,1999,21(1):51～53.

[2] 曹恒武,田振山.干燥技术及其工业应用[M].北京:中国石化出版社,2004.

[3] 张宗宇,盛成,吴静,等.污泥干燥焚烧一体化中热量计算的探讨[J].化工机械,2009,36(3):244～247.

[4] 冯晓玲.PLC在加热炉联锁保护系统中的应用[J].化工自动化及仪表,2014,41(2):217～218.

[5] 廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社,2006.

[6] 王晓远,杜静娟,齐利晓,等.基于工业组态软件WinCC的化工工业监控系统[J].化工自动化及仪表,2006,33(5):41～43.

DesignandImplementationofControlSystemforSludge-dryingUnit

WANG Lei, CAO Shan-fu

(TianhuaChemicalMachinery&AutomationInstituteCo.,Ltd.,Lanzhou730060,China)

Taking sludge-drying system as the object of study, having S7-300 PLC based to design a control system for the sludge-drying unit which boasting of a capacity of 150t/d (wet basis, moisture content: about 80% to 90%) was implemented; and the control system’s network structure, control logic of ON/OFF operation, ESD scheme and HMI were presented.

control system, sludge drying, blade dryer, PLC

2016-05-24(修改稿)

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07315-002-08)

TH862

A

1000-3932(2016)08-0864-05