摘要：介紹了礦井水處理的工藝流程及工藝對控制系統(tǒng)的要求，通過PLC和變頻器對系統(tǒng)進行控制，采用晶閘管智能模塊對水泵進行無觸點控制，增強了系統(tǒng)的先進性和穩(wěn)定性，是電力電子技術在環(huán)?？茖W中的典型應用。

關鍵詞：變頻器　電力電子 PLC

1  引  言

    隨著以半導體功率器件為核心的電力電子技術的發(fā)展和以計算機為代表的控制技術的突飛猛進，電力電子技術、變頻器技術、和PLC的應用已深入到工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的各方面。本礦井水處理自動控制系統(tǒng)主要用于煤礦、鐵礦井下水處理。經(jīng)處理后的水可達到飲用水標準，不僅解決了礦井水直接排放對環(huán)境產(chǎn)生的嚴重污染，還解決了許多礦山面臨的水資源匱乏的問題。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)及整個水處理系統(tǒng)正?？煽窟\行，水處理工藝中的全部工序?qū)崿F(xiàn)智能化自動控制；對系統(tǒng)運行全過程實現(xiàn)自動監(jiān)控。

2  工藝流程及對控制系統(tǒng)的要求

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

根據(jù)工藝流程對控制系統(tǒng)提出以下要求：

1.監(jiān)控整個水處理站的設施、設備。

2.提升泵執(zhí)行自動切換，同時三臺提升泵與調(diào)節(jié)池液位實施連鎖，低液位自動停泵。

3.污水池、集水池實行自動停、開。

4.上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，匯總，打印，上位機出現(xiàn)故障時，PLC可脫離上位機獨立運行。

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

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

7.所有測量數(shù)據(jù)在中央控制室集中顯示。

8.水處理工藝的主要設施，主要設備出現(xiàn)故障時，在中央控制室實現(xiàn)故障顯示、報警并停機。

9.總進水及無閥濾池的出水量實現(xiàn)在線監(jiān)測，并在中央控制室集中顯示。

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

11.PAC、PAM的加藥量，根據(jù)水質(zhì)、水量的變化，實現(xiàn)實時自動調(diào)節(jié)，達到最佳處理效果。

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

13.根據(jù)水力循環(huán)澄清池內(nèi)煤泥濃度，實現(xiàn)自動排泥。

14.根據(jù)進入清水池的水量，實現(xiàn)自動加氯，并對清水池的出水口余氯實行在線監(jiān)測，要求余氯含量小于1mg/L大于0.3mg/L。

15.清水池進水閥門與自動加氯泵實現(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、下兩級控制的智能化監(jiān)控系統(tǒng)。整個控制系統(tǒng)分解成四個相對獨立的子系統(tǒng)，可分別獨立運行。系統(tǒng)設上位機，上位機通過通訊總線聯(lián)結(jié)各子系統(tǒng)。上位機可實時監(jiān)控各單元工作狀況；對運行過程狀態(tài)、數(shù)據(jù)進行記錄、存貯；將記錄的數(shù)據(jù)編制成各種統(tǒng)計報表、報告。

              

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

    （1）設置能夠直觀、清晰的顯示系統(tǒng)運行流程及各設備狀態(tài)的界面，實時監(jiān)控各單元工作狀態(tài)。如有故障聲光報警，并提示故障部位。
    
    （2）采集、記錄、存貯水處理及供水設備運行狀況。
    
    （3）將記錄存貯數(shù)據(jù)統(tǒng)計、編輯、整理打印所需報告、報表。
    
    四個子系統(tǒng)分別為變頻恒壓供水系統(tǒng)；自動加氯滅菌系統(tǒng)；自動加藥系統(tǒng)；泵閥控制及設備運行狀態(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及必須的外部設備組成。采用變頻器對水泵進行調(diào)速使用方便、性能可靠、成本低廉并有明顯的節(jié)能效果，可實現(xiàn)循環(huán)變頻，電機軟起動等功能。
    
    根據(jù)供水管線結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)有兩臺獨立供水柜，每臺供水柜安裝一臺變頻器拖動兩臺水泵（水泵數(shù)量可根據(jù)供水量擴展）水泵由變頻器拖動實現(xiàn)恒壓變量供水，恒壓供水壓力可在1500-5000kpa間連續(xù)調(diào)整。兩供水管線間設置旁通閥，在某供水系統(tǒng)因設備故障停機時，開啟旁通閥由另一系統(tǒng)承擔應急供水，可提高供水系統(tǒng)可靠性。
    
    每臺供水柜操作面板設置手動/自動方式切換開關及供水壓力、流量、泵閥狀態(tài)顯示操作界面。
    
    每套供水管線中安裝遠傳水表，由PLC完成各管線供水流量及流量積的計算及顯示。
    
    為實現(xiàn)流量大范圍變化恒壓供水，PLC還完成水泵拖動中變頻/工頻運行的上、下行切換。通過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，實現(xiàn)遠程工作狀態(tài)監(jiān)測及供水數(shù)據(jù)的記錄統(tǒng)計。

    
    3.2  自動加氯滅菌系統(tǒng)
    
    選用山東大學華特公司H99系列二氧化氯發(fā)生器對生活用水進行滅菌處理。
    
    華特H99高效復合二氧化氯發(fā)生器由供料系統(tǒng)、反應系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、吸收系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、殘液自動處理系統(tǒng)組成，該設備有以下特點：
    
    ＊ 反應系統(tǒng)采用耐高溫、耐腐蝕的新材料，可達到最佳反應溫度70℃。
    
    ＊ 二氧化氯含量大于70%。
    
    ＊ 配備自動測控系統(tǒng)，加氯計量準確、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，用于飲水滅菌無副作用，運行成本低。
    
    3.3  自動加藥系統(tǒng)
    
    自動加藥系統(tǒng)由PLC、變頻器和濁度計組成。
    
    提升泵出水口和無閥濾池出水口設濁度傳感器，將出水濁度信號實時傳送控制器，同時把提升泵出水流量通過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)，按設定最佳加藥量數(shù)學模式計算后，輸出電壓信號控制變頻器輸出頻率，從而控制加藥計量泵轉(zhuǎn)速，并使PAC、PAM兩種藥量均在最佳值。
    
    將進水濁度值對流量積分，即對應原水懸浮物總量，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閥開啟時間，實現(xiàn)自動排泥。
    
    自動加藥系統(tǒng)帶有485接口，把系統(tǒng)運行狀態(tài)、處理水量、加藥量、濁度值等數(shù)據(jù)傳輸至上位機。自動加藥系統(tǒng)亦設置操作顯示界面。
    
    自動加藥系統(tǒng)是本控制系統(tǒng)核心，其工作質(zhì)量對水質(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。
    
    3.4  泵閥控制及運行監(jiān)控系統(tǒng)
    
    系統(tǒng)的控制核心為一增加擴展單元的PLC（可編程控制器）,由它通過晶閘管智能模塊完成對十臺水泵、一個電動閥的控制及對包括恒壓供水、自動加藥、加氯等全部過程運行狀態(tài)進行監(jiān)控。
    
    監(jiān)控PLC通過總線連接供水系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)并同上位微機聯(lián)機，是系統(tǒng)工作的核心單元，脫離上位微機監(jiān)控系統(tǒng)仍可正常運行并保存24小時以上運行數(shù)據(jù)。
    
    系統(tǒng)要設置完善、可靠、清晰的人機操作顯示界面，對水處理量、供水量，濁度等重要參數(shù)實時數(shù)字顯示；對各設備故障狀態(tài)聲光報警，自動進行故障應急處理；對各儲水池、儲藥槽液位用光柱儀直觀形象的進行顯示控制及超限報警。

    
    本系統(tǒng)采用晶閘管三相智能交流模塊MJYS-JL-75對水泵進行軟起動及調(diào)速，此模塊具有以下特點：
    
    （1） 工藝先進，性能優(yōu)越
    
    ＊ 采用進口方芯片，高級芯片支撐板；
    
    ＊ 國外加工專用IC；
    
    ＊ 采用DCB，貼片等先進工藝；
    
    ＊ 熱循環(huán)負載次數(shù)達萬次以上，使用壽命長。
    
    （2） 質(zhì)量可靠，安全方便
    
    ＊ 移相控制系統(tǒng)，主電路，導熱底板相互隔離，介電強度≥2000VAC；
    
    ＊ 0—10V直流信號，可對電路輸出電壓進行平滑調(diào)節(jié)；
    
    ＊ 可手動、儀表或微機控制；
    
    ＊ 三相模塊主電路交流輸入無相序；
    
    
    
    系統(tǒng)對水泵、電動閥控制原則如下：
    
    （1） 提升泵： 正常狀態(tài)時三臺泵中兩臺工作，一臺備用。每次由人工選擇啟動，故障自動切換，預沉調(diào)節(jié)池低液位停機。
    
    （2） 集水泵：（潛水泵）集水池水位達到一定高度時自動開機，降到設定水位停止。
    
    （3） 吸泥泵：每次提升泵運行至預沉池低液位（0.2m）停泵時，起動吸泥泵控制
    
    運行時間，使其恰好將當日沉積煤泥抽光。
    
    （4） 污泥泵：集水泵低液位停泵后起動，控制運行時間。
    
    （5） 清水池電動閥：當有下列情況發(fā)生時,關閉清水池電動閥。
    
    ① 清水池高水位
    
    ② 加氯消毒系統(tǒng)故障
    
    ③ 無閥濾池出水濁度>3NTU
    
    ④ 提升泵停止運行
    
    在手動工作模式，各泵、閥附近可執(zhí)行手動就近啟/停控制。
    
4  結(jié)  論
    
    本礦井水處理自動控制系統(tǒng)即將在兗礦集團楊村礦投運，電力電子器件、變頻器及計算機控制技術相結(jié)合運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強度，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題，是現(xiàn)代科學技術對解決環(huán)保問題的又一貢獻。