摘要：介紹了礦井水處理的工藝流程及工藝對(duì)控制系統(tǒng)的要求，通過(guò)PLC和變頻器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用晶閘管智能模塊對(duì)水泵進(jìn)行無(wú)觸點(diǎn)控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的先進(jìn)性和穩(wěn)定性，是電力電子技術(shù)在環(huán)?？茖W(xué)中的典型應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：變頻器　電力電子 PLC

1  引  言

    隨著以半導(dǎo)體功率器件為核心的電力電子技術(shù)的發(fā)展和以計(jì)算機(jī)為代表的控制技術(shù)的突飛猛進(jìn)，電力電子技術(shù)、變頻器技術(shù)、和PLC的應(yīng)用已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活的各方面。本礦井水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)主要用于煤礦、鐵礦井下水處理。經(jīng)處理后的水可達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，不僅解決了礦井水直接排放對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的嚴(yán)重污染，還解決了許多礦山面臨的水資源匱乏的問(wèn)題。由于大部分礦井水處理后作為生活飲用水，為了保證出水水質(zhì)及整個(gè)水處理系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行，水處理工藝中的全部工序?qū)崿F(xiàn)智能化自動(dòng)控制；對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行全過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控。

2  工藝流程及對(duì)控制系統(tǒng)的要求

    礦井水由井下泵抽至預(yù)沉調(diào)節(jié)池，再經(jīng)過(guò)施加混凝劑、絮凝劑及濾池沉淀過(guò)濾處理就可用作工業(yè)用水，再經(jīng)加氯消毒即達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。礦井水處理的工藝流程如下圖：

根據(jù)工藝流程對(duì)控制系統(tǒng)提出以下要求：

1.監(jiān)控整個(gè)水處理站的設(shè)施、設(shè)備。

2.提升泵執(zhí)行自動(dòng)切換，同時(shí)三臺(tái)提升泵與調(diào)節(jié)池液位實(shí)施連鎖，低液位自動(dòng)停泵。

3.污水池、集水池實(shí)行自動(dòng)停、開(kāi)。

4.上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，匯總，打印，上位機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，PLC可脫離上位機(jī)獨(dú)立運(yùn)行。

5.調(diào)節(jié)池、污泥池、集水池及清水池的液位實(shí)行監(jiān)控。

6.所有監(jiān)控的水位、液位、藥位在中央控制室動(dòng)態(tài)連續(xù)顯示。

7.所有測(cè)量數(shù)據(jù)在中央控制室集中顯示。

8.水處理工藝的主要設(shè)施，主要設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，在中央控制室實(shí)現(xiàn)故障顯示、報(bào)警并停機(jī)。

9.總進(jìn)水及無(wú)閥濾池的出水量實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，并在中央控制室集中顯示。

10.根據(jù)水處理工藝要求對(duì)提升泵的出水口和無(wú)閥濾池的出水口進(jìn)行濁度在線監(jiān)測(cè)，要求無(wú)閥濾池的出水濁度≤3度。

11.PAC、PAM的加藥量，根據(jù)水質(zhì)、水量的變化，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到最佳處理效果。

12.加藥箱設(shè)置液位計(jì)，兩種加藥量的變化量，在集中控制室能數(shù)字顯示，并且攪拌機(jī)和加藥箱液位實(shí)施連鎖。

13.根據(jù)水力循環(huán)澄清池內(nèi)煤泥濃度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排泥。

14.根據(jù)進(jìn)入清水池的水量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加氯，并對(duì)清水池的出水口余氯實(shí)行在線監(jiān)測(cè)，要求余氯含量小于1mg/L大于0.3mg/L。

15.清水池進(jìn)水閥門與自動(dòng)加氯泵實(shí)現(xiàn)連鎖。

3  控制系統(tǒng)的組成和工作原理

    該系統(tǒng)是較典型的集散式上、下兩級(jí)控制的智能化監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)分解成四個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，可分別獨(dú)立運(yùn)行。系統(tǒng)設(shè)上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)通訊總線聯(lián)結(jié)各子系統(tǒng)。上位機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)控各單元工作狀況；對(duì)運(yùn)行過(guò)程狀態(tài)、數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、存貯；將記錄的數(shù)據(jù)編制成各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表、報(bào)告。

              

    上位機(jī)系統(tǒng)由工控機(jī)主機(jī)增設(shè)485通訊接口轉(zhuǎn)換模塊及顯示器、打印機(jī)組成，主要功能為：

    （1）設(shè)置能夠直觀、清晰的顯示系統(tǒng)運(yùn)行流程及各設(shè)備狀態(tài)的界面，實(shí)時(shí)監(jiān)控各單元工作狀態(tài)。如有故障聲光報(bào)警，并提示故障部位。
    
    （2）采集、記錄、存貯水處理及供水設(shè)備運(yùn)行狀況。
    
    （3）將記錄存貯數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、編輯、整理打印所需報(bào)告、報(bào)表。
    
    四個(gè)子系統(tǒng)分別為變頻恒壓供水系統(tǒng)；自動(dòng)加氯滅菌系統(tǒng)；自動(dòng)加藥系統(tǒng)；泵閥控制及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。

    3.1  變頻恒壓供水系統(tǒng)
    
    恒壓供水系統(tǒng)由壓力變送器、變頻器、PLC及必須的外部設(shè)備組成。采用變頻器對(duì)水泵進(jìn)行調(diào)速使用方便、性能可靠、成本低廉并有明顯的節(jié)能效果，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)變頻，電機(jī)軟起動(dòng)等功能。
    
    根據(jù)供水管線結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)有兩臺(tái)獨(dú)立供水柜，每臺(tái)供水柜安裝一臺(tái)變頻器拖動(dòng)兩臺(tái)水泵（水泵數(shù)量可根據(jù)供水量擴(kuò)展）水泵由變頻器拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)恒壓變量供水，恒壓供水壓力可在1500-5000kpa間連續(xù)調(diào)整。兩供水管線間設(shè)置旁通閥，在某供水系統(tǒng)因設(shè)備故障停機(jī)時(shí)，開(kāi)啟旁通閥由另一系統(tǒng)承擔(dān)應(yīng)急供水，可提高供水系統(tǒng)可靠性。
    
    每臺(tái)供水柜操作面板設(shè)置手動(dòng)/自動(dòng)方式切換開(kāi)關(guān)及供水壓力、流量、泵閥狀態(tài)顯示操作界面。
    
    每套供水管線中安裝遠(yuǎn)傳水表，由PLC完成各管線供水流量及流量積的計(jì)算及顯示。
    
    為實(shí)現(xiàn)流量大范圍變化恒壓供水，PLC還完成水泵拖動(dòng)中變頻/工頻運(yùn)行的上、下行切換。通過(guò)PLC485通訊接口，將供水柜工作狀態(tài)及供水量傳至上位監(jiān)控操作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)及供水?dāng)?shù)據(jù)的記錄統(tǒng)計(jì)。

    
    3.2  自動(dòng)加氯滅菌系統(tǒng)
    
    選用山東大學(xué)華特公司H99系列二氧化氯發(fā)生器對(duì)生活用水進(jìn)行滅菌處理。
    
    華特H99高效復(fù)合二氧化氯發(fā)生器由供料系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、吸收系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、殘液自動(dòng)處理系統(tǒng)組成，該設(shè)備有以下特點(diǎn)：
    
    ＊ 反應(yīng)系統(tǒng)采用耐高溫、耐腐蝕的新材料，可達(dá)到最佳反應(yīng)溫度70℃。
    
    ＊ 二氧化氯含量大于70%。
    
    ＊ 配備自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，加氯計(jì)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠。余氯含量穩(wěn)定在0.3-1mg/L。
    
    ＊ 原料采用氯酸鈉和鹽酸，不產(chǎn)生殺傷人體紅血球的亞氯酸根，用于飲水滅菌無(wú)副作用，運(yùn)行成本低。
    
    3.3  自動(dòng)加藥系統(tǒng)
    
    自動(dòng)加藥系統(tǒng)由PLC、變頻器和濁度計(jì)組成。
    
    提升泵出水口和無(wú)閥濾池出水口設(shè)濁度傳感器，將出水濁度信號(hào)實(shí)時(shí)傳送控制器，同時(shí)把提升泵出水流量通過(guò)流量變送器送控制器。經(jīng)控制器參照原水成份中其它參數(shù)，按設(shè)定最佳加藥量數(shù)學(xué)模式計(jì)算后，輸出電壓信號(hào)控制變頻器輸出頻率，從而控制加藥計(jì)量泵轉(zhuǎn)速，并使PAC、PAM兩種藥量均在最佳值。
    
    將進(jìn)水濁度值對(duì)流量積分，即對(duì)應(yīng)原水懸浮物總量，其值正比于水力循環(huán)澄清池沉積煤泥總量。由此數(shù)值確定澄清池排泥電動(dòng)閥開(kāi)啟時(shí)間，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排泥。
    
    自動(dòng)加藥系統(tǒng)帶有485接口，把系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、處理水量、加藥量、濁度值等數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。自動(dòng)加藥系統(tǒng)亦設(shè)置操作顯示界面。
    
    自動(dòng)加藥系統(tǒng)是本控制系統(tǒng)核心，其工作質(zhì)量對(duì)水質(zhì)有直接影響，加藥控制模式亦是各水處理廠探索的主要目標(biāo)。
    
    3.4  泵閥控制及運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)
    
    系統(tǒng)的控制核心為一增加擴(kuò)展單元的PLC（可編程控制器）,由它通過(guò)晶閘管智能模塊完成對(duì)十臺(tái)水泵、一個(gè)電動(dòng)閥的控制及對(duì)包括恒壓供水、自動(dòng)加藥、加氯等全部過(guò)程運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。
    
    監(jiān)控PLC通過(guò)總線連接供水系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)并同上位微機(jī)聯(lián)機(jī)，是系統(tǒng)工作的核心單元，脫離上位微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行并保存24小時(shí)以上運(yùn)行數(shù)據(jù)。
    
    系統(tǒng)要設(shè)置完善、可靠、清晰的人機(jī)操作顯示界面，對(duì)水處理量、供水量，濁度等重要參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)字顯示；對(duì)各設(shè)備故障狀態(tài)聲光報(bào)警，自動(dòng)進(jìn)行故障應(yīng)急處理；對(duì)各儲(chǔ)水池、儲(chǔ)藥槽液位用光柱儀直觀形象的進(jìn)行顯示控制及超限報(bào)警。

    
    本系統(tǒng)采用晶閘管三相智能交流模塊MJYS-JL-75對(duì)水泵進(jìn)行軟起動(dòng)及調(diào)速，此模塊具有以下特點(diǎn)：
    
    （1） 工藝先進(jìn)，性能優(yōu)越
    
    ＊ 采用進(jìn)口方芯片，高級(jí)芯片支撐板；
    
    ＊ 國(guó)外加工專用IC；
    
    ＊ 采用DCB，貼片等先進(jìn)工藝；
    
    ＊ 熱循環(huán)負(fù)載次數(shù)達(dá)萬(wàn)次以上，使用壽命長(zhǎng)。
    
    （2） 質(zhì)量可靠，安全方便
    
    ＊ 移相控制系統(tǒng)，主電路，導(dǎo)熱底板相互隔離，介電強(qiáng)度≥2000VAC；
    
    ＊ 0—10V直流信號(hào)，可對(duì)電路輸出電壓進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)；
    
    ＊ 可手動(dòng)、儀表或微機(jī)控制；
    
    ＊ 三相模塊主電路交流輸入無(wú)相序；
    
    
    
    系統(tǒng)對(duì)水泵、電動(dòng)閥控制原則如下：
    
    （1） 提升泵： 正常狀態(tài)時(shí)三臺(tái)泵中兩臺(tái)工作，一臺(tái)備用。每次由人工選擇啟動(dòng)，故障自動(dòng)切換，預(yù)沉調(diào)節(jié)池低液位停機(jī)。
    
    （2） 集水泵：（潛水泵）集水池水位達(dá)到一定高度時(shí)自動(dòng)開(kāi)機(jī)，降到設(shè)定水位停止。
    
    （3） 吸泥泵：每次提升泵運(yùn)行至預(yù)沉池低液位（0.2m）停泵時(shí)，起動(dòng)吸泥泵控制
    
    運(yùn)行時(shí)間，使其恰好將當(dāng)日沉積煤泥抽光。
    
    （4） 污泥泵：集水泵低液位停泵后起動(dòng)，控制運(yùn)行時(shí)間。
    
    （5） 清水池電動(dòng)閥：當(dāng)有下列情況發(fā)生時(shí),關(guān)閉清水池電動(dòng)閥。
    
    ① 清水池高水位
    
    ② 加氯消毒系統(tǒng)故障
    
    ③ 無(wú)閥濾池出水濁度>3NTU
    
    ④ 提升泵停止運(yùn)行
    
    在手動(dòng)工作模式，各泵、閥附近可執(zhí)行手動(dòng)就近啟/?？刂?。
    
4  結(jié)  論
    
    本礦井水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)即將在兗礦集團(tuán)楊村礦投運(yùn)，電力電子器件、變頻器及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合運(yùn)用于礦井水處理如能推廣，不僅大大減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效的節(jié)約了能源，而且解決了許多城市面臨的水資源匱乏問(wèn)題，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)解決環(huán)保問(wèn)題的又一貢獻(xiàn)。