一种新型防冻型污水处理加药装置及其电气控制设计

蔡振江

摘 要：污水处理过程中不可避免的需要投加一定量的化学处理药剂，投加过程需要有一套专用的加药装置配合整个污水处理系统进行协调工作，以往简单的继电器联动控制的精度及准确度还需要进一步加强，且北方地区还需要具有防冻功能，因此本文介绍了一款自行设计开发的基于PLC+触摸显示屏的新型防冻型加药装置及其电气控制自动化的实现。

关键词：加药装置 防冻 电气自动化 触摸显示屏

中图分类号：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

污水处理是为使污水排放达到某一水体标准或再利用水质要求对其进行净化的过程[1]。在污水处理工艺中物理與生物处理机制未能达到全面的处理效果，需要结合化学方法的辅助处理机制进行中和处理，以达到综合处理达标的效果。如污水中含磷超标就需要添加适量的除磷剂[2]。在生活污水处理站中主要有除磷剂和次氯酸钠消毒，药剂的处理需要配套的加药装置，而加药装置需要具备较高的电气自动化控制能力，以便更好地配合整个的污水处理过程，使出水水质达到更佳效果。

随着污水处理技术的发展，对污水处理技术的要求也越来越高，操作要求简单快捷。加药装置整体设计需要实现电气全自动控制，电控系统决定装置运行稳定性[3]，采用成熟可靠性高的可编程控制器Programmable Logic Controller即PLC，在控制系统中应用能够满足发展需求，能够实现自动控制要求[4]。

加药装置即药剂投加装置有自动和手动两种模式，自动时根据工艺要求进行动态加药，根据控制器PLC输出的电控信号量精确的控制;而手动时加药量控制又是根据手动调节加药泵本体的机械档位粗略的调节给定加药量。本文阐述一种基于PLC控制与触屏人机界面操作显示的新型防冻加药控制装置。该装置电控PLC硬件部分嵌入到加药箱体内，箱体外表只显示人机界面，外观更加整洁一体化。PLC是加药装置的核心控制元件，可靠性高、抗环境污染能力强[5，6]，通过固有的网络接口通信，可远程监控装置的工作状态，也可实现远程控制。触摸显示屏作为人机界面，替代传统的按钮与单显指示灯，使用操作与显示更简洁，具有更友好的界面，能够更清晰地显示工作动态与运行数据，通过设定参数能精准的控制设备运行并可进行运行数据存储，为运营管理带来可靠的数据。

本文设计了一种以西门子Smart200系列PLC、昆仑通泰显示屏为显示操作界面，对加药装置进行控制与显示的控制系统，从系统方案设计、硬件设计、软件设计以及系统调试几个方面来介绍该装置的设计过程。

1.工艺与控制方案设计

1.1工艺的设计

常规加药装置一般采用固定的联动控制方式。根据加药泵本体的机械档位设定好一个固定加药量后，只是简单的启停投加泵控制，不能实际精确地控制加药给定量。而本文采用的是根据污水处理系统水量自动的控制加药量的方式，能够通过系统运算模拟量控制加药量，让加药量恰到好处，满足需求的处理效果。

1.2控制方案设计

自动控制系统一般由被控对象、检测元件、执行机构、控制器与人机界面组成。被控对象是需要控制的器件;检测元件是检测过程参数传输给控制器;执行机构是执行控制指令的装置;控制器要处理信息和收发指令;人机界面提供人机交互。

控制系统总电源通电后开始执行以下操作。

（1）装置通电，电控装置进入初始化状态。对所有传感器信号复位，检测所有电气设备是否正常，无故障以后，液位传感器开始检测液位信号。经过控制器比较判断药箱内实际液位是低于触屏“设定低液位”位时，开启进药阀后启动输药泵进行补充药剂直至等于或大于“设定高液位”以备药剂投加使用。

（2）当污水处理系统产水泵运行后，加药装置得到污水站控制柜传输的运行状态与流量值信息，判断流量稳定后根据流量值计算加药量，然后PLC通过通道输出模拟量信号给加药泵，控制加药泵工作在计算后的加药量，并保持跟随控制。

（3）触摸显示屏会记录运行信息以方便进行运营管理，如累计加药量、累计运行时间、报警记录等。

（4）装置中电气故障会出现报警以提醒运行管理人员进行及时故障处理，并提示故障信息以动画及文字信息显示。

整个装置按照上述要求进行工作，工作框图如图1所示。

2.加药装置电气硬件设计

电气控制系统的设计离不开对现场设备的信号检测，在投加药剂的工艺过程中涉及电气设备主要有液位计、阀门、计量泵、流量计等。液位计是对储罐中的液位进行检测;阀门是控制管道中液体流通的执行装置;投加泵是进行药剂投加的执行器件;流量计是对药剂流量进行检测[7]。

2.1系统运行过程

根据污水处理系统加药装置工艺要求精准控制加药量与污水处理量呈现一定的可靠比例。触摸显示屏显示设备工作状态，并有参数设定界面可以为设备设定工作参数。当装置控制器PLC检测到污水处理系统给出的稳定流量，并有污水处理系统相应水泵运行状态，通过触摸显示屏设定的参数在控制核心PLC中进行比较运算后，输出一定的模拟量信号控制加药泵工作。工作流程图如图2所示。

2.2电路接线图

整个装置主要包括主回路供电图与控制器接线图。

（1）主要回路接线图也是电气原理图如图3所示。

总电源采用国标常用的标准AC220/50Hz供电，并具有直流24V电源作为辅助控制电源，满足装置用电的安全性。

总开关采用16A作为装置的总电源，电热带是该装置的主要用电负荷，采用行业常用的AC220工作电压，减小用电电流，易于采购，价格低廉。

投加泵1与投加泵2是采用1用1备的使用模式，分别由KA3与KA4控制供电，在系统无故障且有联动信号的情况下启动，1台故障时自动切换至无故障的另1台工作。

控制电源采用市场上常规的120W的交流转直流电源，用于电磁阀FM1以及整个装置的控制电源，包括PLC的I/O信号的电能源。

加热带由LM温控器进行控制KM1，采用上下限+回差控制方式，可以根据该装置使用地域不同，设定不同的防冻范围，满足多地域使用要求，尤其是寒冷的北方地区。图3中KA7是手动控制功能，可以通过人机界面的手动操作控制加热与停止，可以用于维护调试。而电热带采用的是低温型，最高温度在60摄氏度，即使在温度控制器出现故障时，一直加热也不会出现过热情况，能够保证人身与设备的安全运行。

（2）控制器接线图。

控制器原理接线图如图4、图5所示。控制器PLC是控制核心元件，主要完成信息采集、数据通信等作用，它与人机界面触屏采用串口连接进行通信，与总控柜系统采用固有的网络协议进行通信，可以实现流量与运行状况通信，并可以实现总控系统对加药装置的运行状况采集与远程操作控制。

其中流量计装置是采用脉冲信号，此信号是用于计量泵的输送流量计量。联动信号是污水处理系统的输水泵运行状态采集，可以通过该状态采集判断污水处理系统是否具有加药条件。

图4中的投加泵1投加泵2以及投加泵备用目的是安装2台投加泵采用1用1备运行，当第1台故障或者維修时可以直接运行备用泵;而投加泵的运行是扩展预留，方便进行扩容。

在该装置中液位计采用非接触式的超声波液位计，避免一定的药剂腐蚀性，实时采集药桶液位，这是该装置的一个核心传感器，装置的主要工作都是根据这个液位信号进行，如补充药剂，是否满足加药条件。图5中流量计是模拟量信号用来实时显示流量信息，温度计也是模拟量信号实时显示温度。图5中模拟量信号输出是用来控制投加泵在量程范围内的投药量。

2.3系统硬件选型

（1）可编程控制器PLC选用西门子系列Smart200 CR20作为控制中心。

（2）触摸显示屏选用昆仑通泰TPC7062Ti（K）7寸屏作为人机界面，显示工作状态，设定工作参数，查询工作记录信息及报警信息。

（3）模拟量模块采用西门子系列AM06用于模拟量信号采集与输出控制。

（4）液位传感器（超声波液位计）直流24V供电，输出4～20mA模拟量信号。

（5）加药泵，采用普罗名特电磁隔膜计量加药泵，工作电压AC220V可以通过4～20mA信号调节计量泵流量。

3.系统软件设计

软件部分是根据工艺条件及硬件电气设计进行编写与组态，主要有硬件I/O分配表及网络TCP通信与外部建立变量连接，分为控制器PLC程序与触摸显示屏组态程序。

控制器PLC程序是根据输入的信息经过逻辑分析判断后通过数字量与模拟量输出信号控制电气设备动作运行。

而触摸显示屏组态程序用来显示整个装置的运行状态与信息，并可以手动操作单台设备方便运行维护，运行数据信息存储在显示屏内存中便于查看管理，如果有故障也会显示故障信息，在运营管理人员没有电气专业知识的情况下也能快速地了解故障状态。

3.1控制器PLC的I/O分配

加药装置电气控制系统I/O分配表如表1所示。

3.2控制器程序控制原理

该装置的控制程序是根据采集到的输入信息进行分析判断后控制加药泵工作的过程。污水站中心控制柜PLC检测到稳定的流量值实时传输给加药装置控制器PLC，该装置在根据工艺计算要求设定的加药比例判断后，输出量程内的4～20mA信号控制加药计量泵的流量。工艺计算要求值，人机界面设定存储并通过485通信传输给设备PLC控制器，然后根据污水站传输给设备的实时水量保持自动化的跟踪控制，如图6所示。

3.3触摸显示屏画面

触摸显示显示屏是人机界面，通过组态画面能够清晰显示设备的工作状态及运行数据记录信息。通过参数设置能够人为设定工艺需要的运行参数，便于设备的运行管理。主要人机界面如图7所示。

从整个界面上可以看到整个装置的状态，以及显示数据。从人机控制上是具有“手动”与“自动”控制功能。

自动状态下，设备按照工况进行自动运行与防冻。

控制开关“自动”状态下，点击开关至手动状态，然后点击其他设备就能手动控制“启动”与“停止”，点击人机界面的电热带，可以开启手动“加热”与“停止”，并在界面上有相应的显示，很方便就能识别，所以操作很简单，界面很友好。

3.4电气调试

电气元件装配线安装结束后，在程序模拟测试后进行出厂前的调试，在调试中对于有不符合要求的控制程序进行修正，对装配接线错误进行调整，经过实际调试后出现的问题基本都可以解决。调试后的电控系统，运行一段时间后趋于稳定，检验是否符合工艺设计要求及装置各方面的性能稳定，保证运行稳定可靠实用。考虑安装维护的方便，在加药装置的底部设计有机械放空手动阀，在装置上部安装有溢流手阀以及通气管。

4.结语

本次设计了一款基于PLC+触摸显示屏的新型防冻型加药装置及其电气控制自动化的实现。该装置整体更简洁，加药更精准，操作更便捷，信息化程度高，方便管理运营。装置总体设计、主电路设计、控制电路设计、主要硬件选型等，经过实际使用证明该装置运行稳定，效果良好，实用性强，值得进一步推广。

参考文献

[1]孙艳.城市污水处理中污泥处理的可持续性研究[J].资源节约与环保，2020（9）：109-110.

[2]张胜祥，张声皓，孙云帆.农村生活污水处理现状及处理工艺分析[J].工程建设与设计，2020（24）：118-119.

[3]万丽.城镇小型污水处理厂运行与管理[J].环境与发展，2020，171（10）：76-77.

[4]邱天宇.PLC在电气设备自动控制系统中的设计与应用分析[J].科技创新导报，2021（1）：111-113.

[5]庞小兰.PLC在机电一体化生产系统中的应用[J].科技资讯，2020，18（16）：75-77.

[6]成家佳.基于PLC的污水处理控制系统设计和应用[J].决策探索（中）2020669（11）：98.

[7]镇质.水厂投矾自动控制系统的研究与设计[D].武汉：江汉大学，2020.

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