关键词：变频器　电力电子 PLC

1  引  言 

    随着以半导体功率器件为核心的电力电子技术的发展和以计算机为代表的控制技术的突飞猛进，电力电子技术、变频器技术、和PLC的应用已深入到工业生产和社会生活的各方面。本矿井水处理自动控制系统主要用于煤矿、铁矿井下水处理。经处理后的水可达到饮用水标准，不仅解决了矿井水直接排放对环境产生的严重污染，还解决了许多矿山面临的水资源匮乏的问题。由于大部分矿井水处理后作为生活饮用水，为了保证出水水质及整个水处理系统正常可靠运行，水处理工艺中的全部工序实现智能化自动控制；对系统运行全过程实现自动监控。

2  工艺流程及对控制系统的要求 

    矿井水由井下泵抽至预沉调节池，再经过施加混凝剂、絮凝剂及滤池沉淀过滤处理就可用作工业用水，再经加氯消毒即达到生活饮用水标准。矿井水处理的工艺流程如下图： 

根据工艺流程对控制系统提出以下要求： 

1.监控整个水处理站的设施、设备。 

2.提升泵执行自动切换，同时三台提升泵与调节池液位实施连锁，低液位自动停泵。 

3.污水池、集水池实行自动停、开。 

4.上位机实现数据处理，汇总，打印，上位机出现故障时，PLC可脱离上位机独立运行。 

5.调节池、污泥池、集水池及清水池的液位实行监控。 

6.所有监控的水位、液位、药位在中央控制室动态连续显示。 

7.所有测量数据在中央控制室集中显示。 

8.水处理工艺的主要设施，主要设备出现故障时，在中央控制室实现故障显示、报警并停机。 

9.总进水及无阀滤池的出水量实现在线监测，并在中央控制室集中显示。 

10.根据水处理工艺要求对提升泵的出水口和无阀滤池的出水口进行浊度在线监测，要求无阀滤池的出水浊度≤3度。 

11.PAC、PAM的加药量，根据水质、水量的变化，实现实时自动调节，达到最佳处理效果。 

12.加药箱设置液位计，两种加药量的变化量，在集中控制室能数字显示，并且搅拌机和加药箱液位实施连锁。 

13.根据水力循环澄清池内煤泥浓度，实现自动排泥。 

14.根据进入清水池的水量，实现自动加氯，并对清水池的出水口余氯实行在线监测，要求余氯含量小于1mg/L大于0.3mg/L。 

15.清水池进水阀门与自动加氯泵实现连锁。 

3  控制系统的组成和工作原理 

    该系统是较典型的集散式上、下两级控制的智能化监控系统。整个控制系统分解成四个相对独立的子系统，可分别独立运行。系统设上位机，上位机通过通讯总线联结各子系统。上位机可实时监控各单元工作状况；对运行过程状态、数据进行记录、存贮；将记录的数据编制成各种统计报表、报告。

    上位机系统由工控机主机增设485通讯接口转换模块及显示器、打印机组成，主要功能为： 

    （1）设置能够直观、清晰的显示系统运行流程及各设备状态的界面，实时监控各单元工作状态。如有故障声光报警，并提示故障部位。 
    
    （2）采集、记录、存贮水处理及供水设备运行状况。 
    
    （3）将记录存贮数据统计、编辑、整理打印所需报告、报表。 
    
    四个子系统分别为变频恒压供水系统；自动加氯灭菌系统；自动加药系统；泵阀控制及设备运行状态监控系统。 

    3.1  变频恒压供水系统 
    
    恒压供水系统由压力变送器、变频器、PLC及必须的外部设备组成。采用变频器对水泵进行调速使用方便、性能可靠、成本低廉并有明显的节能效果，可实现循环变频，电机软起动等功能。 
    
    根据供水管线结构，系统有两台独立供水柜，每台供水柜安装一台变频器拖动两台水泵（水泵数量可根据供水量扩展）水泵由变频器拖动实现恒压变量供水，恒压供水压力可在1500-5000kpa间连续调整。两供水管线间设置旁通阀，在某供水系统因设备故障停机时，开启旁通阀由另一系统承担应急供水，可提高供水系统可靠性。 
    
    每台供水柜操作面板设置手动/自动方式切换开关及供水压力、流量、泵阀状态显示操作界面。 
    
    每套供水管线中安装远传水表，由PLC完成各管线供水流量及流量积的计算及显示。 
    
    为实现流量大范围变化恒压供水，PLC还完成水泵拖动中变频/工频运行的上、下行切换。通过PLC485通讯接口，将供水柜工作状态及供水量传至上位监控操作台，实现远程工作状态监测及供水数据的记录统计。 
    
    3.2  自动加氯灭菌系统 
    
    选用山东大学华特公司H99系列二氧化氯发生器对生活用水进行灭菌处理。 
    
    华特H99高效复合二氧化氯发生器由供料系统、反应系统、温控系统、吸收系统、安全系统、残液自动处理系统组成，该设备有以下特点： 
    
    ＊ 反应系统采用耐高温、耐腐蚀的新材料，可达到最佳反应温度70℃。 
    
    ＊ 二氧化氯含量大于70%。 
    
    ＊ 配备自动测控系统，加氯计量准确、稳定可靠。余氯含量稳定在0.3-1mg/L。 
    
    ＊ 原料采用氯酸钠和盐酸，不产生杀伤人体红血球的亚氯酸根，用于饮水灭菌无副作用，运行成本低。 
    
    3.3  自动加药系统 
    
    自动加药系统由PLC、变频器和浊度计组成。 
    
    提升泵出水口和无阀滤池出水口设浊度传感器，将出水浊度信号实时传送控制器，同时把提升泵出水流量通过流量变送器送控制器。经控制器参照原水成份中其它参数，按设定最佳加药量数学模式计算后，输出电压信号控制变频器输出频率，从而控制加药计量泵转速，并使PAC、PAM两种药量均在最佳值。 
    
    将进水浊度值对流量积分，即对应原水悬浮物总量，其值正比于水力循环澄清池沉积煤泥总量。由此数值确定澄清池排泥电动阀开启时间，实现自动排泥。
    
    自动加药系统带有485接口，把系统运行状态、处理水量、加药量、浊度值等数据传输至上位机。自动加药系统亦设置操作显示界面。 
    
    自动加药系统是本控制系统核心，其工作质量对水质有直接影响，加药控制模式亦是各水处理厂探索的主要目标。 
    
    3.4  泵阀控制及运行监控系统 
    
    系统的控制核心为一增加扩展单元的PLC（可编程控制器）,由它通过晶闸管智能模块完成对十台水泵、一个电动阀的控制及对包括恒压供水、自动加药、加氯等全部过程运行状态进行监控。 
    
    监控PLC通过总线连接供水系统、加药系统并同上位微机联机，是系统工作的核心单元，脱离上位微机监控系统仍可正常运行并保存24小时以上运行数据。 
    
    系统要设置完善、可靠、清晰的人机操作显示界面，对水处理量、供水量，浊度等重要参数实时数字显示；对各设备故障状态声光报警，自动进行故障应急处理；对各储水池、储药槽液位用光柱仪直观形象的进行显示控制及超限报警。 
    
    本系统采用晶闸管三相智能交流模块MJYS-JL-75对水泵进行软起动及调速，此模块具有以下特点： 
    
    （1） 工艺先进，性能优越 
    
    ＊ 采用进口方芯片，高级芯片支撑板； 
    
    ＊ 国外加工专用IC； 
    
    ＊ 采用DCB，贴片等先进工艺； 
    
    ＊ 热循环负载次数达万次以上，使用寿命长。 
    
    （2） 质量可靠，安全方便 
    
    ＊ 移相控制系统，主电路，导热底板相互隔离，介电强度≥2000VAC； 
    
    ＊ 0—10V直流信号，可对电路输出电压进行平滑调节； 
    
    ＊ 可手动、仪表或微机控制； 
    
    ＊ 三相模块主电路交流输入无相序； 
    
     
    
    系统对水泵、电动阀控制原则如下： 
    
    （1） 提升泵： 正常状态时三台泵中两台工作，一台备用。每次由人工选择启动，故障自动切换，预沉调节池低液位停机。 
    
    （2） 集水泵：（潜水泵）集水池水位达到一定高度时自动开机，降到设定水位停止。 
    
    （3） 吸泥泵：每次提升泵运行至预沉池低液位（0.2m）停泵时，起动吸泥泵控制 
    
    运行时间，使其恰好将当日沉积煤泥抽光。 
    
    （4） 污泥泵：集水泵低液位停泵后起动，控制运行时间。 
    
    （5） 清水池电动阀：当有下列情况发生时,关闭清水池电动阀。 
    
    ① 清水池高水位 
    
    ② 加氯消毒系统故障 
    
    ③ 无阀滤池出水浊度>3NTU 
    
    ④ 提升泵停止运行 
    
    在手动工作模式，各泵、阀附近可执行手动就近启/停控制。 
    
4  结  论 
    
    本矿井水处理自动控制系统即将在兖矿集团杨村矿投运，电力电子器件、变频器及计算机控制技术相结合运用于矿井水处理如能推广，不仅大大减轻了工作人员的劳动强度，有效的节约了能源，而且解决了许多城市面临的水资源匮乏问题，是现代科学技术对解决环保问题的又一贡献。