PLC控制系統在污水處理廠凈水余壓發電裝置中的應用

梁武科，李其昌，丁 科，鄧常亮

(1.西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048；2.國家電投集團重慶獅子灘發電有限公司，重慶市 401220)

0 引 言

隨著城市化進程的加快、城市人口的增加、生活用水量的增加以及工業的蓬勃發展，產生的污水也在逐漸增加[1]。城市生產、生活用水及市區天然降水經污水處理廠集中收集并凈化處理達標后直接排入就近江河，排放的凈水具有一定的勢能和動能，直接排放存在一定的資源浪費；可以充分利用污水處理站排放的凈水落差，通過特殊設計的節能回收裝置，對這部分能量進行回收利用發電；將回收電能直接用于污水處理廠日常消耗，可降低能耗，實現能源再次利用[2]。對污水處理廠排放凈水進行節能回收，充分響應了國家對凈水資源再利用的政策和節能減排政策，同時還可創造可觀的經濟效益。

本文設計出一種凈水余壓發電設備耦合控制系統，控制系統的核心基于PLC控制器。PLC控制器具有高度的穩定性和可靠性，被廣泛應用于各領域，不但能實現各種邏輯控制，還能用于運動控制、數據處理和通信等[3_5]。只需在凈水排放管道中安裝能量回收裝置(水輪機發電機)，通過控制系統可以在不影響污水處理廠正常運行條件下，根據污水處理排放流量變化，手動或者自動控制電動閥門的開關調節回收利用裝置，利用排放凈水進行發電；同時對機組各參數實時監控，記錄設備和系統的運行狀態，及時捕捉設備故障或異常信號，并及時采取措施，提高污水處理廠凈水余壓發電裝置的安全性和可靠性，實現自動控制無人值守的目標；既滿足環境要求，又經濟高效，并可將整體模式推廣到全國。

1 系統組成

系統由兩部分組成：污水處理廠凈水余壓發電裝置及其耦合的控制系統。系統設計如圖1所示，包含2條管道：主管道(主管道為污水處理廠凈水排放原始管道)和旁通管道(旁通管道為污水處理廠凈水余壓發電裝置安裝管道)。進水管入口處設置有壓力表和流量表，計量管道流體壓力及流量。旁通管的另一端通過能量回收裝置與出水管道的一端連接，能量回收裝置前后端安裝有進口伸縮節。主管路內設置有主管路電動閥門，旁通管內設置有設備進口電動閥門和設備出口電動閥。壓力表、流量表、主管路電動閥門、設備進口電動閥門、設備出口電動閥和能量回收裝置開關均與控制系統主控單元連接。

圖1 系統設計示意圖

節能回收利用裝置在運行工況條件下滿足如下可靠性指標要求：裝置可在各凈水量下保證相應出力；裝置啟停過程不會對污水處理站凈水排放造成影響；節能回收利用裝置能適應每月每臺機開停機次數平均60次的要求；能量回收利用裝置機組外殼1 m處噪聲不大于85 dB；節能回收利用裝置結構強度滿足電站按地震烈度7度設防的要求；節能回收利用裝置采用臥式安裝，可抽芯結構，由推力軸承組承載軸向力，裝置本體設置在線溫度與滲漏監測傳感器。

2 余壓發電裝置總體結構

余壓發電裝置將潛水電機技術與燈泡貫流式水力技術相融合，安裝方式為管道臥式安裝。該裝置利用濕定子型潛水電機技術，克服了傳統燈泡貫流式冷卻、散熱、密封等難題；裝置結構簡單、牢固，負荷控制簡單，運行維護方便。

余壓發電能量回收裝置結構設計整體部分由發電機、水輪機組成。水輪機由導葉體、轉輪體、轉輪、泄水錐、擴散段等組成，轉輪采用定槳定導葉形式。發電機為臥軸三相異步發電機，采用干定子全水冷卻方式，不設勵磁系統；是利用定子與轉子間氣隙旋轉磁場與轉子繞組中感應電流相互作用的一種交流發電機，不需要勵磁、集電環碳刷及上網同期裝置。裝置內部同時還需要安裝漏水檢測、溫濕度傳感器、壓力傳感器等電氣元件，可以及時對設備運行的狀況進行數據采集，詳見圖2。

圖2 裝置真機圖

3 耦合控制系統設計

3.1 設計目標

本次設計的主要目標為：在 PLC耦合系統控制下裝置能夠實現機組自動啟停機；自動并網、解列；保證機組的常規保護，在故障時能夠及時報警；事故情況下能夠緊急停機等功能；最終實現自動控制無人值守的目標。

3.2 系統組成

凈水節能回收利用系統主要由8個子系統組成，詳見圖3。通過系統集成方式將各子系統集成為一體，最終形成1套完整的凈水節能回收利用控制系統?？刂葡到y主要元件包括：可編程控制器PLC、觸摸屏、市電EPS電源、轉速溫度滲漏監測裝置、直流斷路器等。

圖3 凈水節能回收利用系統總圖

控制器選用可編程邏輯控制器(PLC)為基層控制核心，根據自帶的輸入輸出模塊進行電源控制；根據上位機的通訊控制命令進行繼電器控制，接通不同的母線使其實現短接功能或負載功能，能夠在規定的額定電流范圍內帶載情況下斷開控制回路。PLC控制器基本參數為編程語言：LAD，FBD，STL，SCL，GRAPH；額定電源電壓：DC24 V(DC 19.2～28.8 V)；典型功耗：5.6 W；中央機架最大模塊數量：64；分布式I/O模塊：可通過網絡連接；硬件接口類型及速率：RJ45 100 Mbps。電源系統主要為整個系統提供電源輸入，輸入輸出為AC380 V。配置EPS應急電源，當系統斷電時，可提供10 min的電能供系統操作。

顯示部分主要由10寸觸摸屏組成，作為系統的人機交互部分，可顯示系統的運行狀態，配合按鈕開關完成系統手動操作。機組監測主要為機組的轉速、溫度、滲漏狀態提供監測信號。采用TDS—0800型溫度巡檢儀，共有8路信號輸入，交流電源供電，具有雙上、下限開關量報警輸出和RS485通訊接口，可將現地設備的溫度傳感器信號通過通訊網絡發送到監控中心計算機。

轉速信號裝置采用TDS—4339型數字轉速信號測控裝置，該裝置是以適合工業自動化控制的單片機及相應的外圍芯片構成，專為水力發電廠而設計，適應電渦流傳感器、磁電、磁阻傳感器，是用于測控發電機組的轉速、轉速百分比、頻率的工業智能儀表。

裝置漏水監測采用水極開關傳感器監測，包括電機內進水電極、接線盒內浮子開關，傳感器將檢測到的信號傳給智能控制器，當裝置內進水、接線盒內進水，智能控制具有報警顯示功能。

閥門監控部分采集閥門的位置信號并控制閥門的開啟和關閉操作。信號采集部分主要采集水位、壓力、流量及電量。圖4為系統控制框圖，系統控制部分包含斷路器和接觸器，相互配合工作控制與電網的投切。系統保護包括軟并網裝置、電機保護器裝置和逆功率保護裝置，作為整個系統的電力保護，整個控制系統主接線圖如圖5所示。

圖4 控制框圖

圖5 系統主接線圖

3.3 控制系統的主要功能

控制系統包含1套獨立的PLC系統、測量儀表及通訊網絡，可完成機組的監控?，F場控制元件、輸入輸出元件安裝于控制柜內，配置工程師站主機及組態軟件，可以實現對整個發電系統的遠程監測和自動控制功能。監控系統的主要功能如下：

3.4 控制系統工作方式

在并網柜上有現地及遠程開關，可通過此開關來切換控制系統的兩種工作模式：模式一是手動工作模式，模式二是控制單元自動控制工作模式?？刂葡到y既可以自動控制電動閥門的開通與關閉，也可以手動開通或關閉電動閥門；保證了整個能量回收裝置系統的正常穩定運行，簡化了工作流程，也提高了工作效率。

3.4.1 手動切換模式

手動工作模式是指當污水處理廠凈水排放流量滿足裝置最小發電流量時，手動開啟裝置進口電動閥門，關閉主管路電動閥門；當水頭達到裝置最小利用水頭時，手動開啟節能回收利用裝置，手動打開裝置出口電動閥門；通過手動操作，讓節能回收利用裝置整個系統運行在旁通管道中。在觸摸屏上可手動操作控制閥門動作，詳見圖6。

圖6 觸摸屏展示圖

手動工作模式操作流程：

3.4.2 自動控制模式

自動控制模式是整個系統運行在設定的程序下，不需要人為干預，系統能夠根據凈水排放流量自動切換主管路與旁通管電動閥門的開啟和關閉。當前池水位滿足要求且主管路流量計檢測到流量數據達到裝置最小利用流量并持續一段時間，系統自動調整旁通管道進水閥門至全開，調整主管路電動閥門使水頭穩定在運行水頭，開啟旁通管道出口電動閥門至空載開度。當轉速達到并網要求時，啟動并網程序，自動并網。并網完成后，根據主管道流量計、旁通管道流量計及壓力表自動調整旁通管道出口電動閥和主管道電動閥門開度，調整機組出力及凈水排放。

當前池水位不滿足要求且主管路流量計檢測到流量數據小于裝置最小利用流量時，機組自動停機；等待下一次前池水位滿足要求且主管路流量計檢測到流量數據達到裝置最小利用流量并持續一段時間，系統自動開機運行。當前池水位和主管路流量計檢測到流量數據滿足要求機組自動開啟后，機組在該流量狀態下能穩定運行輸出最大功率，通過變流器輸入至電網。當進水流量不滿足設定數據時，變流器工作使機組與電網解列，控制閥門動作使機組停機。

自動控制模式提高了系統的響應速度，使系統在無需人工干預下能夠自動穩定運行，系統可根據設定的運行參數自動工作，詳見圖7。

圖7 系統監控展示圖

在自動模式下運行時，若需要人為停機(檢修、河道水位高漲淹沒機坑或其他情況)時，在調試界面操作右上角的停機按鈕(按壓約3 s左右)，機組可在自動模式下正常停機。停機完成后切換并網柜面板手/自動旋鈕開關至手動位置，待檢修完成后切至自動狀態，機組自動運行。

兩種工作模式保證了系統的穩定性，即使其中某一工作模式失效，系統能夠迅速切換至另一模式，不會使系統處于非控制狀態。

控制系統設備現場可以不安排運行人員，通過實時檢測的流量數據，根據設定的開停機數據自動啟停機組，實現無人值守安全穩定運行的目標。

4 結 論

以PLC為控制中心設計了污水處理站凈水余壓發電裝置耦合的控制系統，系統能夠根據污水處理排放流量變化自適應地控制電動閥門的開關調節回收利用裝置，調整機組出力及凈水排放，實現無人值守遠程操控的目標，提高了污水處理站能量利用率，降低了電站損耗。