（交通信息工程及控制专业论文）基于PLC的污泥离心脱水系统设计与实现.pdf

摘要 城市水污染问题日益严重，污水治理工作刻不容缓。与传统污泥脱水设备相比，离 心机具有工作效率高，分离效果好及投资成本少等优点。本文结合p l c 控制技术、触 摸屏组态技术及电机传动控制技术设计并实现了污泥离心脱水控制系统。 在深入了解污泥离心脱水系统研究现状的基础上，分析了卧螺沉降式离心脱水机的 运行原理、三相异步电动机的工作原理和变频器的变频调速原理，实现了污泥离心脱水 系统的模块化设计；根据污泥离心脱水系统功能模块及控制目标的不同，设计了污泥离 心脱水系统硬件控制电路；通过研究变频器的连接方式和p l c 的控制目标，设计采用7 基于m o d b u s 协议的p l c 与变频器通讯控制方案；以污泥离心脱水系统模块化设计为基 础，应用西门子s t e p 7 m i c r o w i n 编程软件，结合m o d b u s 主站协议库、模拟量比例换 算库及p i d 指令向导，通过设计p l c 程序实现对污泥离心脱水系统的控制；并在西门 子s i m a t i cw i n c cf l e x i b l e 平台上，应用组态工具设计了污泥离心脱水系统的人机控制 界面。 基于p l c 的污泥离心脱水系统的设计与实现可大幅度地提高系统设备自动化程度 及生产效率，同时减少故障及误操作的发生率，人机对话式触摸屏控制终端的应用实现 了操作界面的无按钮化，使复杂设备的操作变得简单与方便，并能轻易了解设备的动态 工作状况，及时处理各种突发情况。 关键词：污水处理，离心机，p l c ，触摸屏，m o d b u s ，p i d a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fw a t e rp o l l u t i o ni nc i t i e si si n c r e a s i n g l ys e r i o u s ，a n dt h em o s tu r g e n tt a s k i st h et r e a t m e n to fs l u d g e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ld e w a t e r i n ge q u i p m e n t ，t h e c e n t r i f u g eh a st h ea d v a n t a g e so fh i g h e re f f i c i e n c y ，b e t t e rs e p a r a t e de f f e c ta n dl e s si n v e s t m e n t c o s t b a s e do nt h et e c h n o l o g i e so fp l cc o n t r o l ，t o u c hs c r e e nc o n f i g u r a t i o na n dm o t o rd r i v e c o n t r o l ，t h es l u d g ed e w a t e r i n gc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e da n dr e a l i z e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h es t a t u sq u oo fs l u d g ed e w a t e r i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h ed e w a t e r i n gp r i n c i p l eo f h o r i z o n t a ls c r e w c o n v e y o rc e n t r i f u g e ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u s m o t o ra n dt h ef r e q u e n c yc o n v e r t i o np r i n c i p l eo fi n v e r t e ra r ea n a l i z e dt oa c c o m p l i s ht h e m o d u l a rd e s i g no fs l u d g ed e w a t e r i n gc o n t r o ls y s t e m ；b a s e do nt h em o d u l a rf u n c t i o na n d c o n t r o lo b je c t i v eo fs l u d g ed e w a t e r i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h eh a r d w a r ec i r c u i to fs l u d g e d e w a t e r i n gc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d ；t h r o u g ht h e c o m p a r a t i v es t u d yo ft h ep l cc o n t r o l o b j e c t i v ea n di n v e r t e rc o n n e c t i o nm o d e ，t h ec o m m u n i c a t i o no fp l ca n di n v e r t e ri sd e s i g n e d b a s e do nt h em o d b u sp r o t o c o l ；a c c o r d i n gt ot h em o d u l a rd e s i g no fs l u d g ed e w a t e r i n gc o n t r o l s y s t e m ，c o m b i n e dw i t hm o d b u sm a s t e rl i b r a r y ，s c a l i n gl i b r a r ya n dp i dw i z a r d ，s i e m e n s s t e p 7 - m i c r o w i np r o g r a m m i n gs o f t w a r ei s a p p l i e dt od e s i g nt h ep l cc o n t r o lp r o g r a m ； b a s e do nt h ep l a t f o r mo fs i e m e n ss i m a t i cw i n c cf l e x i b l e ，t h ec o n f i g u r a t i o nt o o l sa r e a p p l i e dt od e s i g nt h ec o n t r o li n t e r f a c eo nt h et o u c hs c r e e n b a s e do nt h ep l cc o n t r o l l e r , t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fs l u d g ed e w a t e r i n gc o n t r o l s y s t e mc a no b v i o u s l yi m p r o v et h ed e g r e eo fa u t o m a t i o na n dh i g h l yi n c r e a s et h ep r o d u c t i v i t y , w h i l er e d u c i n gt h ei n c i d e n c eo ff a u l ta n di n o p p o r t u n eo p e r a t i o n i n t e r a c t i v et o u c h s c r e e n c o n t r o lt e r m i n a lo p e r a t o rh a sn ob u t t o n ，s ot h a tt h eo p e r a t i o no fc o m p l e xe q u i p m e n ti ss i m p l e a n dc o n v e n i e n t t h ed y n a m i cc o n d i t i o n so fe q u i p m e n tc a nb ee a s i l yu n d e r s t a n d e da n dt h e u s e r sc a nd e a lw i t ht h et i m e l yp r o c e s s i n go fa l lk i n d so fu n e x p e c t e ds i t u a t i o n s k e yw o r d s ：s l u d g et r e a t m e n t ，c e n t r i f u g e ，p l c ，t o u c hs c r e e n ，m o d b u s ，p i d 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：王玩 川年f 月吁日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 王m , 4 6 - 导师签名： 一一 勺箩荔 1 日 日 刁冯， 月 月 卜 孓 年 年 0 d 伊b 伽 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 随着世界人口的增加，经济的发展以及工业化步伐的加快，城市污水的排放量也与 日俱增，导致水体污染严重。近2 0 年来，污水的年排放量在大幅度增加，以中国为例， 1 9 9 9 年全国工业和城市生活废水排放总量为4 0 1 亿吨，比1 9 9 8 年增加1 5 ，其中工业 废水排放量1 9 7 亿吨，比1 9 9 8 年减少2 o ；生活污水排放量2 0 4 亿吨，比1 9 9 8 年增 加5 。2 。2 0 0 3 年全国工业和城镇生活废水排放总量为4 6 0 0 亿吨，比2 0 0 2 年增加4 7 ， 其中工业废水排放量2 1 2 4 亿吨，比2 0 0 2 年增加2 5 ；城镇生活污水排放量2 4 7 6 亿 吨，比2 0 0 2 年增加6 6 。由此可见，水资源供需矛盾突出，加上污染严重，水资源问 题已成为当前社会经济可持续发展最突出的问题之一，为适应经济发展和人民生活水平 不断提高的要求，加快城市污水治理工作已刻不容缓【1 捌。 然而，污水处理是一门涉及化学、物理、生物等多门科学的综合性技术，其工艺机 理复杂，操作要求严格，实现起来难度较高。如果单凭现场人员手动操作，往往操作繁 琐，劳动强度大，处理效果差。 随着科学技术的发展和环境保护意识的加强，一些发达国家在污水处理技术方面不 断改进，特别是欧美及日本各国都相继制定了城市污水处理最终纲要，对污水的处理有 了明确的要求和规定。为了减少占地面积和基建投资，各国都在相继开发研制和使用高 效、连续生产、低能耗、低磨损的脱水机种类。 1 1 国内外脱水设备性能比较 过去，国内城市污水处理厂的污泥( 浓缩) 脱水，绝大部分都采用带式压滤机( 以下 简称带滤机) ，离心机因其噪音大、能耗高、处理能力低而很少采用，然而最近几年来， 随着离心机技术的大幅度提高，离心机在国外的应用已十分普遍。 国外采用离心机的主要原因是其脱水后含固率高，可达3 0 以上，在先进的 c e n t f i d r y 系统中甚至能达到6 0 以上【3 】，而国内由于污泥处置费用不高，对含固率要求 也不高，一般只要求超过2 0 ，这样国外供给国内的离心机的材质和加工精度降低一个 档次仍能满足要求。根据带滤机和离心机的使用情况，就污泥( 浓缩) 脱水设备的性能 作以下探讨，离心机较带滤机主要有如下优点【4 】：。 离心机利用离心沉降原理使固液分离，由于没有滤网，不易引起堵塞；带滤机利用 滤带使固液分离，为防止滤带堵塞，需高压水不断冲刷。 第一章绪论 离心机适用各类污泥的浓缩和脱水；带滤机只适用于部分种类污泥的浓缩和脱水， 对于活性污泥需投药量大且脱水困难。 离一i i , 机在脱水过程中当进料浓度变化时，转鼓和螺旋输送器的转速和扭矩可以自动 跟踪调整；带滤机在脱水过程中当进料浓度变化时，带速、带的张紧度、加药量、冲洗 水压力均需调整，操作要求较高。 在离心机内，细小的污泥也能与水分离，因此絮凝剂的投加量较少，一般混合污泥 脱水时的加药量为3 k 卧 干泥】，污泥回收率为9 5 以上，脱水后泥饼的含水率为 6 5 一7 5 左右；带滤机由于滤带无法织的过密，为防止细小的污泥漏网，需投加较多的 絮凝剂以使污泥形成较大絮团，一般混合污泥脱水时的加药量大于4 k 趴 干泥】，污泥回 收率为9 0 左右，脱水后泥饼含水率为8 0 左右。 离心机污泥脱水耗电为1 2 k w m 3 ，运行时噪音为7 6 , - - 8 0 d b ，全天2 4 h 连续运行，运 行中不需清洗水；带滤机污泥脱水耗电为o 8 k w m 3 ，运行时噪音为7 0 - - 7 5 d b ，滤布需松 弛保养，一般每天只安排二班操作，运行过程中需不断用高压水冲洗滤布。 离心机占用空间小，安装调试简单，配套设备仅有加药机、进出料输送机和切割机 等，整机全密封操作，车间环境好；带滤机占地面积大，配套设备除加药机和进出料输 送机外，还需冲洗泵、空压机、污泥调理器等，整机密封性差，高压清洗水雾和臭味污 染环境，如管理不当，会造成泥浆四溢。 离心机易损件为轴承和密封件，螺旋输送器的维修周期一般在3 年以上；带滤机易 损件除轴承、密封件外，滤带也需经常更换，且价格昂贵。 运行费用的计算。离心脱水与带式压滤脱水运行费用比较如下表1 1 所示。 表1 1离心机脱水与带滤机脱水费用比较 单位带滤机 离心机 差额 泥浆量m 3 d3 3 33 3 3 电耗 k w m 3o 81 2 电费元k w0 5 30 5 3 干泥量t d1 01 0 投药量 k g t 43 药费 元k g 8 08 0 冲洗水 m 3 d 3 3 3o 水费元m 31 o1 0 总费用天元d 3 6 7 4 1 9 22 6 1 1 7 8 810 6 2 4 0 4 总费用年( 3 6 0 天)元y 1 3 2 2 7 0 9 1 29 4 0 2 4 3 6 83 8 2 4 6 5 4 4 根据上述分析，得出如下结论：离一1 1 , 机分离效率高，对污泥的絮凝要求比带滤机低， 2 长安人学硕十学位论文 药耗低；离心机无需使用高压水冲刷滤布，节省了开支。因此污泥脱水采用离心机比带 滤机更合适。 1 2 离心机的种类及应用 离心分离是利用离心力对液固、液液固、液一液等非均相混合物进行分离的过程， 实现离心分离操作的机械称为离心机。离心机和其它分离机械相比，不仅能得到含湿量 低的固相和高纯度的液相，而且具有节省劳力、减轻劳动强度、改善劳动条件、能持续 运转、自动遥控、操作安全可靠和占地面积小等优点。因此，自1 8 3 6 年第一台工业应 用三足式离心机在德国问世，迄今一百多年来已获得很大的发展。各种类型的离心机品 种繁多，各有特色，并正在向提高技术参数、系列化、自动化方向发展。如今，离心机 已广泛用于化工、石油化工、石油炼制、轻工、医药、食品、纺织、冶金、煤炭、选矿、 船舶、军工等各个领域，例如：湿法采煤中粉煤的回收，石油钻井泥浆的回收，航海航 空燃料油的提纯【5 】，放射性元素的浓缩，三废治理中的污泥脱水，石油化工产品的制造， 抗菌素、淀粉及农药的制造，牛奶、酵母、啤酒、果汁、砂糖、桔油、食用动物油、米 糠油等食品的制造，织品、纤维脱水及合成纤维的制造，润滑油、燃料油的提纯等都使 用离心机，离心机己成为国民经济各个部门广泛应用的一种通用机械【6 1 。 离心机基本上属于后处理设备，主要用于脱水、浓缩、分离、澄清、净化及固体颗 粒分级等工艺过程，它是随着各工业部门的发展而相应发展起来的。1 8 世纪产业革命后， 随着纺织工业的迅速发展，1 8 3 6 年出现了棉布脱水机；1 8 7 7 年为适应乳酪加工工业的 需要，发明了用于分离牛奶的分离机；进入2 0 世纪之后，随着石油综合利用的发展， 要求把水、固体杂质、焦油状物料等除去，以便使重油当作燃料油使用，5 0 年代研制成 功了自动排渣碟式活塞分离机，到6 0 年代已发展成完善的系列产品。随着近代环境保 护、三废治理发展的需要，污泥脱水处理的要求逐渐增高，因此促使各种类型的离心机 有了进一步的发展。 离心分离根据操作原理可区分为两类不同的过程离心过滤和离心沉降，与其相 对应的机种可区分为过滤式离心机和沉降式离心机【7 】，离心机的分类情况如图1 1 所示。 3 第一章绪论 图1 1 离心机的分类 1 3 螺旋沉降式离心脱水机研究现状 在以上的离心机种类中以螺旋沉降式离心脱水机的发展最为迅速。本文所设计的控 制系统正是基于安德旱茨公司研制的柱锥型螺旋卸料沉降式离心脱水机而展开的【8 】。德 国安德里茨分离技术有限公司始建于1 8 7 3 年，总部设在德国北莱茵威斯特伐利亚 州的科隆，现己成为拥有2 千余名员工，在世界4 0 多个国家设有分公司及办事处的国 际大型集团公司。公司的产品从简单手动操作到全自动系统，从单台厢式或隔膜式压滤 机到整个污泥脱水系统，从矿山高岭土到化工行业碳酸钙固液分离加工，并同国内宝钢、 上海大众、金东纸业等知名企业建立合作关系。 螺旋沉降式离心机具有高速运转、连续进料、分离分级、螺旋输送器卸料等特点， 主要分为立式螺旋卸料沉降式离心机和卧式螺旋卸料沉降式离心机，现该离心机已广泛 用于石油、化工、冶金、煤炭、医药、轻工、食品等工业部门和污水处理工程。利用离 心沉降法来分离悬浮液，能实现连续操作、大处理量、无滤布滤网、单位产量耗电量少、 适应性强、维修方便、长期运转等优点。 1 9 5 4 年国际上出现了第一台真j 下具有现代实用价值的螺旋沉降式离心机，根据分离 物料特点的不同，设计者进行了专门的设计。现在就不同的应用领域，已有相应的螺旋 4 长安大学硕士学位论文 卸料沉降式离心机出现，例如处理气液固三相混合物的螺旋沉降式离心机、处理固相密 度比液相密度小的螺旋沉降式离心机、粒子分级用的螺旋沉降式离心机、逆流洗涤螺旋 沉降式离心机、并流式螺旋沉降式离心机、污泥脱水用的螺旋沉降式离心机。在发达国 家，污泥脱水使用的螺旋沉降式离心机已标准化、系列化，正朝着如何提高离心脱水效 率的方向发展，例如絮凝剂的添加和转速的设定对离一i i , 脱水效果的影响等【9 ，1o 1 1 1 ，并取 得了丰硕的成果。同时，离心机正朝着机电一体化方向发展，己实现在离心机上对分离 物料的自动检测与调节，机械性能的自动保护，振动的随机检测和自动报警，过载保护 和分离反馈等。目前，螺旋沉降式离心脱水机具有以下优点： 自动、连续操作，无滤网和滤布，能长期运转，维修方便。 对物料的适应性较大，能分离的固相粒度范围较广，并且在颗粒大小不均匀的条件 下，分离效果较好，能适应各种浓度悬浮液的分离，浓度的波动不影响分离的效果。 结构紧凑、易于密封，某些机型能在高压和低温条件下操作。 单机生产能力大，分离质量较高，操作费用低，占地面积小。 1 4 论文主要工作 结合p l c 控制技术、触摸屏组态技术及电机传动控制技术，论文的主要工作包括： 1 结合项目背景和项目要求，深入了解卧螺沉降式离心脱水机的运行原理、三相 异步电动机的工作原理和变频器的变频调速原理，并对相关工业控制技术作具体的研 究。 2 在深入了解污泥离心脱水系统研究现状的基础上，实现了污泥离心脱水系统的 模块化设计。 3 结合污泥离心脱水系统的控制原理和控制目标，完成了污泥离心脱水系统的硬 件电路设计。 4 研究污泥离心脱水系统的控制目标和p l c 控制通道数，分析了p l c 与变频器的 连接方式，设计采用了基于m o d b u s 协议的p l c 与变频器通讯控制方案。 5 应用西门子s t e p 7 m i c r o w i n 编程软件，结合m o d b u s 主站协议库、模拟量比 例换算库及p i d 指令向导，通过设计p l c 程序实现对污泥离心脱水系统的控制。 6 在西门子s i m a t i cw i n c cf l e x i b l e 平台上，应用组态工具设计了污泥离心脱水 系统的人机控制界面。 第一章绪论 1 5 本章小结 随着世界人口的增加，经济的发展以及工业化步伐的加快，城市污水的排放量也与 日俱增，导致水体污染日益严重。本章比较了带滤机和离心机在污泥脱水性能上的差异， 了解了当前离心机的种类及应用领域，介绍了螺旋沉降式离心脱水机的研究现状，并阐 述了论文所作的主要工作。 6 长安大学硕士学位论文 第二章污泥离心脱水系统设计 本论文所研究的污泥离心脱水系统以澳大利亚l u g g a g ep o i n t 项目为依托，该 项目是澳大利亚西部水循环工程的一部分。 2 1 系统运行原理 污泥离心脱水系统以卧螺沉降式离心脱水机为核心，其外围设备包括絮凝剂池、絮 凝剂泵、污泥池、污泥切割机、污泥泵、污泥阀、污泥渣池、污泥输送器和清洗水阀等。 未经处理的污泥在进入离心脱水系统之前，首先加入调配好的一定量的絮凝剂，将添加 絮凝剂的污泥经污泥切割机切割处理后放入污泥池中，在污泥阀的控制下，通过使用污 泥泵将污泥输送到离心机内部进行离心脱水处理，得到的污泥渣经污泥输送器输送到污 泥渣池中等待进一步处理。 上述过程地实现依托的原理主要包括卧螺沉降式离心脱水机运行原理、三相异步电 动机工作原理及变频器变频调速原理，以下分别介绍。 2 1 1 卧螺沉降式离心脱水机运行原理 卧螺沉降式离心脱水机( 以下简称离心机) 的主要部件有转鼓、螺旋输送器、差速 器等。离心机的结构如图2 1 所示，在机壳5 内有两个装在主轴承3 和7 上的同心回转 部件，外部件称为转鼓6 ，内部件称为螺旋输送器4 ，转鼓电动机通过皮带轮2 带动转 鼓旋转，转鼓通过前轴承处的空心轴与差速器8 的外壳相连接，螺旋输送器与行星差速 器相连。在差速器的调节下转鼓与螺旋输送器作同向转动，但转速不同。 图2 1卧螺沉降式离心脱水机结构 转鼓的形状有圆柱形、圆锥形、柱锥结合形。圆柱形有利于固相脱水，圆锥形有利 7 第二章污泥离心脱水系统设计 于液相澄清，柱锥结合形兼有两者特点。本文所研究的离心机属于柱锥结合形。在转鼓 内表面为了减少筒壁的磨损和防止沉渣打滑通常焊有筋条或锉上沟槽；转鼓的全长同直 径的比对分离效果起重要作用，愈难分离的物料需要的比值就愈大；转鼓锥体部的锥角 对物料的输送有很大的影响，愈难输送的沉渣，转鼓的锥角也就愈小，这样能避免回流 现象的产生，以便顺利排渣，但转鼓的锥角越小沉降面积也就越小，使用效率也就越低。 离心机在运转时，由一根静置的进料管将已添加絮凝剂的污泥输送到机内，利用固 液两相的密度差，在离心力的作用下，加快固相颗粒的沉降速度来实现固液分离。由于 高速旋转和摩擦，物料在机器内部被加速并且形成一个圆柱液环，离心力的作用使固体 首先沉降到转鼓的内壁而液体则通过后端的溢流口流出。由于转鼓和螺旋输送器的相对 差速会对沉降在转鼓内壁的固体产生一个向圆锥推进的输送力，于是沉降在内壁的固体 将被螺旋输送器向前推送并到达排渣口，在离心力的作用下排出离心机外。 离心机工作时，转鼓与螺旋输送器之间的差速决定着物料的分离效果和污水处理量 等【i2 1 ，是离心机很重要的可变参数。转鼓和螺旋输送器之间的差速应可调，以免固体流 量增加时差速不能改变，导致物料不能及时排出机外而造成离心机堵塞。差速是影响污 泥渣含水率的关键因素，低差速可产生更干的泥渣，对螺旋输送器的磨损也相应减少， 从而可大大延长螺旋输送器的使用寿命，同时低差速可以使固体在转鼓内的停留时间延 长，意味着物料更容易被沉降到鼓壁上，也就更容易被分离出来；差速增大，螺旋输送 器的输渣量将增大，但差速过大，会使转鼓内流体的搅动加剧，造成分离液中含固量增 大，且缩短沉渣在干燥区的停留时间，增大沉渣的含湿量。因此在分离易分离物料时， 差速可适当增大；分离难分离物料时，差速过高会使分离液中含固量明显增加，但差速 过小，会使螺旋输送器的输渣量降低，同时差速器的扭矩也会明显增大。 2 1 2 三相异步电动机工作原理 电动机俗称马达，是最常见的一种电力驱动设备，其主要作用是将电能转化为机械 能并产生驱动力矩，从而带动各种机械生产设备和生活用电器等的运转【l3 1 。电动机的分 类情况如图2 2 所示，以下详细介绍三相异步交流电动机的工作原理。 图2 2 电动机的分类 8 长安大学硕十学位论文 三相异步电动机由定子、转子、轴承、机座、端盖等构成。三相异步电动机的三相 定子绕组对称放置在定子槽中，即三相绕组首端u 。、v l 、w ( 或末端u ：、v 2 、w j ) 的空间位置互差1 2 0 。下图2 3 所示公式( 2 1 ) 中三相绕组u 、v 、w l 的时间一电流 关系曲线。 f 屯= i 。s i n w t = 厶s i n ( w t 一1 2 0 。) ( 2 1 ) 1 0 = ls i n ( w t + 1 2 0 。) i j l u v 1 wv _ f 一 x x 一x - 图2 3 三相绕组时i 司一电流关系曲线 1 t = 0 瞬间( i u = o ；i v 为负值；i w 为正值) ：u 相绕组( u i u 2 绕组) 内没有电流： v 相绕组( v l v 2 绕组) 电流为负值，说明电流由v 2 流进，由v l 流出；而w 相绕组( w w 2 绕组) 电流为正，说明电流由w 流进，由w ：流出。运用右手螺旋定则，可以确定合成 磁场如图2 4 ( a ) 所示。 2 t = t 6 瞬间( i u 为正值；i v 为负值；i w = o ) ：u 相绕组电流为正，电流由u ，流进， 由u ：流出；v 相绕组电流未变；w 相绕组内没有电流。合成磁场如图2 4 ( b ) 所示， 同t = 0 瞬间相比，合成磁场沿顺时针方向旋转了6 0 0 。 3 t = t 3 瞬间( i u 为正值；i v = 0 ；i w 为负值) ：合成磁场沿顺时针方向又旋转了6 0 。， 如图2 4 ( c ) 所示。 4 仁t 2 瞬间( i u = o ；i v 为正值；i w 为负值) ：与t = 0 瞬间相比，合成磁场共旋转 了18 0 0 。 9 第二章污泥离心脱水系统设计 v 1v 1v 1 v 1 ( a )( b )( c )( d ) 图2 4 合成磁场分析图 当电动机的定子绕组通以三相交流电时，便在气隙中产生旋转磁场。设旋转磁场以 n 1 的速度顺时针旋转，相当于磁场不动，转子导体逆时针方向切割磁力线，产生感应电 动势、感应电流，其方向可根据右手定则判断( 假定磁场不动，导体以相反的方向切割 磁力线) 。由于转子电路为闭合电路，在感应电动势的作用下， 产生了感应电流。由于载流导体在磁场中受到力的作用，因此可 以用左手定则确定转子导体所受电磁力的方向如图2 5 所示。电 磁力对转轴形成电磁转矩，其作用方向同旋转磁场的旋转方向一 致。这样，转子便以一定的速度沿旋转磁场的旋转方向转动起来。 图2 5转子旋转方向 异步电动机转子转速n 2 与旋转磁场n 1 同向，转子转速1 1 2 不可能达到同步转速n 1 。 若n l - - n 2 ，转子和旋转磁场不存在相对运动，转子不切割磁力线，转子受电磁力为零。 2 1 3 变频器变频调速原理 变频器通常包括整流电路、直流中间电路、控制电路、逆变电路等m 】。其中控制电 路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的 输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。如下图2 6 所示。 l o 长安大学顾十学位论文 u v w 图2 6 变频器组成电路 变频技术是应交流电动机无级调速的需要而产生的。变频器是通过对电力半导体器 件的通断控制将电压和频率固定不变的交流电( 工频) 电源变换为电压或频率可变的交 流电的电能控制装置。对交直交型的变频器来说，为了产生可变的电压和频率，首先 要把工频( 5 0 h z ) 的交流电源变换成直流电( d c ) ，再转换成各种频率( o 一5 0 h z ，0 4 0 0 h z ) 的交流电，最终实现对电机的调速控制【1 5 】。 交流电动机的转速表达式 n = 6 0 f ( 1 一s ) p ( 2 2 ) 式中卜异步电动机的转速； i 异步电动机的频率； 卜电动机转差率； 卜电动机极对数。 由式( 2 2 ) 可知，转速n 与频率f 成正比，只要改变频率f 即可改变电动机的转速， 变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度的调节。当频率f 在旺5 0 h z 变化时，电 动机转速调节范围非常宽。 u f 控制模式是最为常见的一种控制模式，即频率下降时电压u 也成比例下降。这种 控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。异步电动机的转矩是由电机的磁通与转子内 流过电流之间相互作用而产生的，在改变频率时，如果电压不变只降低频率，那么磁通 就会过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机，因此频率与电压同时成比例地改变，使电 动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和的现象产生。 第二章污泥离心脱水系统设计 2 2 系统功能模块设计 污泥离心脱水系统根据功能的不同，可以分为絮凝剂添加模块、污泥切害0 模块、污 泥泵模块、离心机模块、污泥渣输送模块和清洗模块下图2 7 所示污泥离心脱水系统功 能模块示意图【1 鲥”。 图2 7 污泥离心脱水系统功能模块图 表2 1 离心脱水系统各模块控制目标详表 i絮凝剂添加模块絮凝荆泵变频器絮凝剂流量计 污泥切# 4 模块污泥切割电机 污泥泵模块污泥泵变颇器，污泥流量计圬拢阀 离心机模块转鼓变频器螺旋输送器变频器， 轴承温度传感器，振动传感器润滑油检测传感器 污泥渣输送模块污泥输送器电机 清洗模块清洗水嘲 2 21 絮凝剂添加模块 絮凝剂添加模块由絮凝剂池、絮凝剂泵、絮凝剂泵电机、絮凝荆泵变频器和絮凝剂 流量计等设备组成。如图27 a 絮凝剂添加模块所示。 待脱水的污泥在进入系统之前，必须加入调配好的一定量的絮凝荆，在絮凝剂的作 用下，原本微小的固体颗粒将被凝结成大颗粒，这样做的优点是提高离心机设备的分离 处理能力，减d , t 离心机的工作强度，取得较好的分离效果。 控制原理：由表21 可得，絮凝剂添加模块根据控制目标的不同可分为对絮凝剂泵 变频器的控制和对絮凝剂流量计的控制两个部分。 一餮 = 曼 长安人学硕十学位论文 絮凝剂泵变频器控制絮凝剂泵电机的启动停止与转速，同时可将絮凝剂泵电机的实 时状态反馈给控制系统，以备后续处理。 絮凝剂流量计将当前絮凝剂的流量检测值反馈给控制系统，以各后续处理。 2 2 2 污泥切割模块 污泥切割模块由污泥池、污泥切割机和污泥切割电机等设备组成。如图2 7 b 污泥切 割模块所示。 污泥中存在着超大的固体颗粒或粘附性较强的物体，当这些未经处理的物体进入管 道进而被输送到离心机内，会导致离心机产生粘阻现象，严重时会引起离心机强烈振动， 导致系统无法稳定运行。在实际应用中，已添加一定浓度絮凝剂的湿污泥在被输送到离 心机之前，首先经过污泥切割机进行切割处理，这样做的目的是形成均匀浓度的污泥， 以提高系统的运行效率。 控制原理：由表2 1 可得，污泥切割模块中主要对污泥切割电机进行控制。 污泥切割电机控制着污泥切割机的启动停止操作，控制系统可根据污泥切割电机的 不同状态实施相应地操作。 2 2 3 污泥泵模块 污泥泵模块由污泥池、污泥泵、污泥泵电机、污泥泵变频器、污泥流量计和污泥阀 等设备组成。如图2 7c 污泥泵模块所示。 切割后浓度均匀的污泥将被存放在污泥池中，待离心机启动后，在污泥泵电机的驱 动下，污泥泵将污泥池内的污泥输送到离心机系统中进行脱水处理。 控制原理：由表2 1 可得，污泥泵模块根据控制目标的不同可分为对污泥泵变频器 的控制，对污泥流量计的控制以及对污泥阀的控制三个部分。 污泥泵变频器控制污泥泵电机的启动停止与转速，同时可将污泥泵电机的实时状态 反馈给控制系统，以备后续处理。 污泥流量计将当前污泥的流量检测值反馈给控制系统，以备后续处理。 污泥阀的作用是控制污泥是否输送给离心机进行脱水处理，控制系统可根据实际情 况开启或关闭污泥阀。 2 2 4 离心机模块 离心机模块由卧螺沉降式离心脱水机、转鼓电机、转鼓变频器、皮带轮、差速器、 螺旋输送器电机和螺旋输送器变频器等设备组成 1 8 , 1 9 , 2 0 1 。如图2 7 d 离心机模块所示。 1 3 第二章污泥离心脱水系统设计 离心机模块是系统的核心部分，也是本文的研究重点。卧螺沉降式离心脱水机主要 由转鼓、螺旋输送器和差速器等部件组成。转鼓电机通过皮带轮带动转鼓高速转动，同 时转鼓通过离心机轴承连接差速器外壳，差速器同螺旋输送器相连。 污泥泵将待脱水的污泥输送到离心机中，在转鼓、螺旋输送器和差速器的共同作用 下，在离心力的影响下，将污泥分离成相对湿度较低的污泥渣和含固量较低的水。当转 鼓电机启动时，转鼓在转鼓电机的带动下旋转，由于差速器的影响，使得螺旋输送器在 一定差速下运转，随着螺旋输送器电机的开启，可平滑的调节转鼓同螺旋输送器之间的 差速，实现污泥的平稳脱水。 控制原理：由表2 1 可得，离心机模块根据控制目标的不同可分为对转鼓变频器的 控制，对螺旋输送器变频器的控制，对轴承温度传感器的控制，对振动传感器的控制以 及对润滑剂检测传感器的控制五个部分。 转鼓变频器和螺旋输送器变频器分别控制着转鼓电机和螺旋输送器电机的启动停 止与转速，同时可将转鼓电机和螺旋输送器电机的实时状态反馈给控制系统，其控制原 理如下所述。 当污泥浓度一致并且系统无干扰时，泵入离心机内部的污泥在差速器和双电机的控 制下以一定的差速被分离成湿度较低的污泥渣和含固量较低的水；当污泥浓度变化或系 统扰动等原因发生时，系统平衡将被打破。当污泥浓度升高时，螺旋输送器的力矩将变 大，污泥渣增多，在差速不变的条件下，出泥速率一定，导致污泥渣无法及时排出，极 易产生离心机堵塞现象；当污泥浓度降低时，螺旋输送器的力矩减小，污泥渣减少，在 差速不变的条件下，出泥速率一定，导致污泥渣以较快的速度被排出，离心机空载运行， 分离水回流从排渣口排出；当两种情况同时发生时，显然无法满足设计要求。这时通过 引入控制系统来解决当前存在的问题。 转鼓变频器和螺旋输送器变频器将当前转鼓电机和螺旋输送器电机的运行速度和实 时转矩反馈给控制系统，当扰动发生时，控制系统根据当前转速和转矩调整螺旋输送器 转速及双电机之间的差速，达到稳定出泥的目的【2 1 2 2 1 。控制原理如图2 8 所示。 1 4 长安大学硕士学位论文 图2 8 离心机模块双电机控制原理图 离心机的前后轴承都装有温度传感器，温度感应触头采集温度信号，将温度信号转 换为4 - 2 0 m a 的模拟信号，通过判别当前温度是否超出设定范围而输出相应的数字信号 给控制系统。 离心机装有振动传感器，通过判别当前振动量是否超出设定范围而输出相应的数字 信号给控制系统。 离心机为润滑剂池配备液位检测传感器，当离心机润滑剂的剩余量低于设定标准时， 输出相应的数字信号给控制系统。 2 2 5 污泥渣输送模块 污泥渣输送模块由污泥渣池、污泥输送器和污泥输送器电机等设备组成。如图2 7 e 污泥渣输送模块所示。 污泥经离心机脱水后将分离成湿度较低的污泥渣和含固量较低的水，污泥渣通过污 泥输送器输送到污泥渣池中，以备后续处理。 控制原理：由表2 1 可得，污泥渣输送模块中主要对污泥输送器电机进行控制。 污泥输送器电机控制着污泥输送器的启动与停止，控制系统可根据污泥输送器电机 的不同状态实施相应地操作。 2 2 6 清洗模块 清洗模块由清洗水池和清洗水阀等设备组成。如图2 7 f 清洗模块所示。 1 5 第二章污泥离心脱水系统设计 当离心机正常停机或污泥堵塞出泥口而被迫停机等异常情况发生时，通常需要对离 心机实施清洗工作，以延长离心机的使用寿命。 控制原理：由表2 1 可得，清洗模块中主要对清洗水阀进行控制。 清洗水阀的作用是控制清洗水是否输送给离心机进行清洗操作，控制系统可根据实 际情况开启或关闭清洗水阀。 2 3 系统硬件电路设计 根据污泥离心脱水系统控制目标的不同，结合硬件电路设计的具体要求，总结出硬 件电路设计包括：供电设计、变频器控制电路设计、电机控制电路设计、阀门控制电路 设计、传感器控制电路设计和流量计控制电路设计等。 2 3 1 供电设计 电能是工业生产的主要能源和动力，工业生产实现电气化以后可以大大增加产量， 提高产品质量，提高劳动生产率，降低生产成本，减轻劳动强度，改善劳动条件，有利 于实现生产过程自动化。供电，就是指所需电能的供应和分配。供电设计的优劣对工业 生产起着巨大的影响。 在本论文中，遵循安全、可靠、优质、经济的供电设计原则，对污泥离心脱水系统 中主要电气设备作如下供电设计，如下图2 9 所示。 转鼓电机 螺鼍蓊器污泥泵电机絮掇剂泵电机 图2 9 主要电气设备供电设计 污泥离心脱水控制系统主要电气设备包括：转鼓变频器、螺旋输送器变频器、污泥 1 6 长安人学硕士学位论文 泵变频器、絮凝剂泵变频器、转鼓电机、螺旋输送器电机、污泥泵电机、絮凝剂泵电机、 污泥切割电机、污泥输送器电机、污泥阀、清洗水阀、p l c 、触摸屏、流量计、调试插座 和风扇等。其中，变频器和电机分别由三相3 8 0 v 5 0 h z 的电源直接供电：风扇，插座 及流量计经3 8 0 v 2 2 0 v 变压器降压供电；p l c 、触摸屏和阀门经2 2 0 v 2 4 v 变压器降压 供电。电路中主断路器选择a b b 公司的i s o m a x 系列塑壳断路器s 5 n 6 3 0 t m l o h f f c ， 该断路器的分断能力能达到1 0 0 k a 。安全继电器选用德国p i l z ( 皮尔兹) 公司p n o z x 3 安全继电器实现紧急停止及系统复位等功能。 2 3 2 变频器控制电路设计 本设计中由变频器控制的设备主要包括转鼓电机、螺旋输送器电机、污泥泵电机和 絮凝剂泵电机，每个设备配备相应的变频器控制电机的启动停止和转速。由于变频器控 制电路设计原理基本一致，故在此以螺旋输送器变频器为例，详细阐述其控制电路设计 方案。 螺旋输送器变频器控制的参数主要包括：螺旋输送器电机实时转速( a i ) 、螺旋输 送器电机实时转矩( 触) 、螺旋输送器电机设定转速( a o ) 、螺旋输送器电机准备好信号 反馈( d i ) 、螺旋输送器电机运行信号反馈( d i ) 、螺旋输送器电机启动停止设定( d o ) 、 螺旋输送器正转反转设定( d o ) 2 4 】。螺旋输送器变频器控制电路图2 1 0 如下所示。 i 。21t t t r 3 一4 3 一 畲，、薛镭器 ， 5 一6 5；置 曼要= ， 岫 磊j嵫ji 蠢 sji 要 蜱葺 v 捌 懈 馏 懈簿 批 鬟需莒苔 船 星 皿嗣(林 角 培基墨 宴 粤葶 岳 心 噙 嚣 踺 1能1r 蹦韵 逛 妇 妇 2 2 0 v 2 4 v 甚 23r 一 、 _ 蠡1 二 p l c 垂蠢蠢蠢蠢耄i 图2 1 0 螺旋输送器变频器控制电路图 由上图可得，控制电路中，除了给变频器和p l c 提供3 8 0 v 和2 4 v 的电源外，还需 添加熔断器f l 和交流接触器k l 来保障控制电路的安全。当电路发生故障或异常时，若 电路中正确地安装了熔断器，那么熔断器就会在电流异常的时候，自身熔断切断电流， 从而起到保护电路安全运行的作用，在大负载电路中，常使用熔断器代替断路器的原因 是熔断器具有更高的分断能力。交流接触器是一种自动化控制电器，主要用于频繁接通 1 7 第二章污泥离心脱水系统设计 电路或分断交、直流电路，具有控制容量大，可远距离操作等特点，配合继电器可实现 定时操作、联锁控制、定量控制和失压欠压保护功能，广泛应用于自动控制电路。另外， 螺旋输送器变频器通过和p l c 可编程控制器相连接实现控制参数的输入与输出。 2 3 3 电机控制电路设计 本设计中由电机直接控制的设备主要包括污泥输送器和污泥切割机。由于电机控制 电路设计原理基本一致，故在此以污泥切割电机为例，详细阐述其控制电路设计方案。 污泥切割电机控制的参数包括：污泥切割电机准备好信号反馈( d i ) 、污泥切割电 机运行信号反馈( d i ) 、污泥切割电机启动停止设定( d o ) 。污泥切割机控制电路如下 图2 1 1 所示。 断路器q l接触器k l 3 * 3 8 0 w 5 0 h z ：2 一 l 一2 i 一， 一 一 一 4 3 一4 3 f 污i 一一 二电吐 5 一6 5 一 登。1 31 1 ! ! 一 r 4 1 31 4 i ln m 一 q i i 竺菡 一 继电器l ( 2 3 8 0 v 2 2 0 v 2 2 0 v 2 4 v 1 4 哆1 3。 3 一l1 4 眵i i：i 一闹一 一； 继电器k 3 图2 1 1 污泥切割电机控制电路图 在控制电路中，除了给污泥切割电机和p l c 提供3 8 0 v 和2 4 v 的电源外，还需添加 低压断路器q 1 、交流接触器k 1 和继电器k 2 、k 3 来保障控制电