基于PLC的污泥厌氧发酵系统

王玉鹏，徐晓秋，秦国辉，周 闯，刘 伟，王 欣，罗向东，刘旭丹

(1.黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨 150090；2.黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨 150090)



基于PLC的污泥厌氧发酵系统

王玉鹏1，徐晓秋1，秦国辉1，周 闯2，刘 伟1，王 欣1，罗向东2，刘旭丹2

(1.黑龙江省科学院科技孵化中心，哈尔滨 150090；2.黑龙江省能源环境研究院，哈尔滨 150090)

针对污泥的厌氧发酵工艺，设计出基于PLC的污泥厌氧发酵系统。该系统根据发酵工艺实现全程自动化控制，自动进料、自动超声、自动搅拌和自动加温等，通过实验运行摸索出最佳运行参数，最终实现无人值守也可运行的一套中试试验系统装置。

PLC；污泥厌氧发酵；自动控制

近几年，随着我国对污水处理的投入与发展，污水处理厂解决了我国水污染的很大问题，减缓了我国水污染危机。然而，在污水处理过程中，所产生的污泥也是急需解决的[1]。为解决这一问题，本文根据实验室人员的实验过程和运行工艺，设计了污泥厌氧发酵控制系统，通过厌氧发酵进一步地使用污泥并实现其自动化。

1 污泥厌氧发酵设计

在污泥厌氧发酵系统中，工艺的流程主要分为三个系统：污泥预处理系统、污泥厌氧发酵系统和污泥后处理系统。未处理的污水经过絮凝后得到高固含量的污泥，污泥通过超声预处理后经进料系统进入CSTR反应器后厌氧发酵，发酵后的沼气通过沼气提纯提取，而乏料通过NURC反应器固液分离。如图1所示。

图1 污泥发酵系统的工艺流程图Fig.1 Flow chart of sludge fermentation system

1.1 污泥预处理系统

污泥预处理系统含有两套装置：叠螺式污泥脱水机和反应釜超声装置。叠螺污泥脱水机用于污泥絮凝到固含量为6%～8%，固含量的增多有利于污泥发酵时的反应速度。反应釜超声装置用于污泥超声，能够增加破解污泥效果，使污泥细胞中的有机质释放出来，污泥可生化性提高，污泥厌氧消化性能得到改善[2-3]。

1.2 污泥厌氧发酵系统

污泥厌氧发酵系统含有三套装置：进料装置、搅拌装置和加温装置。进料装置是污泥超声后通过螺杆泵直接进入CSTR反应器中，通过搅拌装置和加温装置的参数设定对污泥进行高温厌氧发酵，搅拌有利于污泥的混合均匀，增快污泥产生气体的反应速度，而高温能够缩短污泥反应周期时间。

1.3 污泥后处理系统

污泥后处理系统含有两套装置：污泥干燥系统和沼气提纯系统。污泥干燥系统可以把固体物质与水分离出，不会造成二次污染，而沼气提纯系统用于沼气中CH4和CO2的提取和收集，减少CO2排放量。

2 PLC软硬件设计

2.1 硬件设计

污泥厌氧发酵系统上位机采用dell optiplex 380，下位机采用SIEMENS S7-200 CPU 226，并配有EM222扩展模块和EM232扩展模块，通信采用SIEMENS CP243-1，电源模块采用SIEMENS PLC专用模块，变频器选用SIEMENS MM440。

第一，电机的运行。电机变频采用SIEMENS开发的USS通信协议来实现，通过上位机控制电机启动、停止和调速，使电机转动达到实验所需的理想效果。污泥厌氧发酵系统中电机控制分别为进料装置和搅拌装置。搅拌装置电机运行的启动、停止和转速与前反应釜超声装置联动，反应釜超声装置具有上下料位与启动和停止功能，当反应釜上、下都有料位并超声停止后，启动电机，当反应釜超声装置无下料位时，电机停止，而电机的转速与所需要的进料时间有关。搅拌装置的启动、停止和转速与CSTR反应器的下料位和排料时间有关。第二，模拟量的监测。温度计、pH计、料位计、流量计和压力表与EM232扩展模块相连接，PLC的CPU通过4～20 mA电流来读取。温度计与伴热带联动，pH计的读取测定物料的酸碱性，料位计来测定物料的高度，流量计分为物料流量计和气体流量计，统计物料的体积和产气的体积，压力表和储气袋出气阀门联动，当数值大于储气袋的体积时，阀门启动，放出气体。第三，数字量的监控。伴热带的加温和电磁阀门的开关与EM222扩展模块相连接，PLC通过CPU来控制，使其启动和停止。电机前后的电磁阀门与电机的启动和停止联动，防止电磁阀门关闭时启动电机，使内部空间压力过高，产生危险。气体报警器与换气风机联动，当气体报警器报警时，启动换气风机，排出危险气体，使室内环境安全可靠。

2.2 软件设计

第一，下位机监控程序设计。污泥厌氧发酵系统PLC程序由STEP 7 Micro/WIN编写。该软件是一种用于对SIMATIC可编程逻辑控制器进行组态和编程的标准软件包，是基于Windows的应用软件，功能强大，主要用于开发程序，也可用于适时监控用户程序的执行状态。本系统编写的控制程序分为手动控制和自动控制。手动控制方便系统在安装调试过程中和设备检修过程中使用，自动控制通过工艺的时序和传感器的接收使整体系统通顺流畅[4]。第二，上位机监控界面设计。本系统的监控界面由SIMATIC WinCC进行监控。WinCC是西门子在自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能相结合的产物，为用户提供了Windows操作系统环境下使用各种通用软件的功能，形成最后的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等[5]。图2为污泥厌氧发酵系统工艺流程图。

图2 污泥厌氧发酵系统工艺流程图Fig.2 Flow chart of sludge anaerobic fermentation system

2.3 通信系统设计

由于西门子公司S7-200系列PLC比监控组态软件WinCC推出得晚，因此WinCC中没有集成S7-200系列PLC的通信驱动程序，为解决这个问题，西门子推出了PC Access软件，专用于S7-200 PLC的OPC Server软件[6]。PC Access通过PC/PPI电缆用PPI协议与S7-200通信，然后设置PLC和PC Access中的IP地址，PC Access项目中的变量符号是通过PLC编程软件中的变量符号建立的，最后把PC Access项目的变量符号导入WinCC，完成上位机与下位机之间的通信。

3 结语

通过使用PLC对污泥厌氧发酵系统进行实现与试运行，通过监控界面可以观看设备的运行状态，参数的设定，操作简单方便，极大提高了实验人员和工作人员的工作效率，最终确定工艺参数与时序后，达到了预想效果，再次优化了污泥厌氧发酵系统，实现了自动化和智能化。

[1] 张勇.我国污泥处理处置现状及发展前景[J].中国资源综合利用，2014，32(10)：23-26.

[2] 叶高文.基于S7-200 PLC的污水处理自控系统设计[J].工业控制计算机，2014，(12)：150-151.

[3] 张晓宇，邹建生，赵绪新，等.基于PLC控制的全自动污泥脱水干化系统设计[J].广东化工，2014，41(20)：119-120.

[4] 西门子公司.S7-200可编程序控制器系统手册[K].北京：西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团，2005．

[5] 西门子公司.SIMATIC HMI WinCC[K].北京：西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团，2004.

[6] 西门子公司.PC Access快速入门[K].北京：西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团2010.

Sludge anaerobic fermentation system based on PLC

WANG Yu-peng1,XU Xiao-qiu1,QIN Guo-hui1,ZHOU Chuang2,LIU Wei1,WANG Xin1,LUO Xiang-dong2,LIU Xu-dan2

(1.Science and Technology Incubator Center,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150090,China; 2.Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province,Harbin 150090,China)

In view of the sludge anaerobic fermentation process,the sludge anaerobic fermentation system based on PLC was designed. The best operation parameters were explored through experiments and has realized automatic control,automatic feed,automatic heating,automatic ultrasonic and automatic mixing according to fermentation process,and finally realized unattended pilot test system device.

PLC; Sludge anaerobic fermentation; Automatic control

2017-01-12

项目类别：黑龙江省应用技术研究与开发计划项目 (GA14C103)

王玉鹏(1989-)，男，本科，研究实习员。

TP273

A

1674-8646(2017)06-0074-02