西门子模块6ES517-3FP00-0AB0型号介绍
安装在卧螺离心机差速器小轴端的调速装置称为背驱动装置。这些装置如：电涡流制动器[1]；异步电动机；液力马达；机械式过载保护装置（小轴转速为零）等。在螺旋滞后于转鼓时，这些装置都是以消耗离心机动能为代价，对小轴作用制动力矩，借以达到调节差转速的目的。对小轴而言，背驱动装置是一种负负载。在通用变频器调速系统中，和差速器小轴相连的电动机长期处于再生状态，运行于第4象限，从离心机接受机械能，将再生制动的能量反馈到变频器的直流母线上，再通过制动电阻将其消耗掉。如何回收该部分能量是国内外离心机制造商热切关心的课题。
一、卧螺离心机背驱动装置的负载性质
安装在卧螺离心机差速器小轴端的调速装置称为背驱动装置。这些装置如：电涡流制动器[1]；异步电动机；液力马达；机械式过载保护装置（小轴转速为零）等。在螺旋滞后于转鼓时，这些装置都是以消耗离心机动能为代价，对小轴作用制动力矩，借以达到调节差转速的目的。对小轴而言，背驱动装置是一种负负载。在通用变频器调速系统中，和差速器小轴相连的电动机长期处于再生状态，运行于第4象限，从离心机接受机械能，将再生制动的能量反馈到变频器的直流母线上，再通过制动电阻将其消耗掉。如何回收该部分能量是国内外离心机制造商热切关心的课题。利用特别设计的四象限运行变频器（例如ABB公司的ACS611型变频器），可将再生能量直接反馈回电网，但变频器价格昂贵，国内除了轧钢厂以外很少有应用。Alfa-Laval公司近年生产的DS706型大型污水处理离心机应用双变频能源反馈节能调频控制系统（使用ACS800系列变频器），目前在香港昂船洲污水处理厂运行。国内也有厂家利用国产变频器，将共直流母线交流变频技术应用于卧螺离心机，使该部分能量大部分得到回收，取得了良好的社会效益和经济效益。
这一技术的推广应用无疑是极有意义的，本文对此进行讨论。
二、共直流母线交流变频调速系统的结构和特点
1-主变频器；2-主电机；3-离心机；4-差速器；5-副电机；6-副变频器；
结构：见图1，离心机3由主电机2驱动，差速器小轴和副电机5同轴连接。主、副电
机的转速由变频器1、6控制，二者的直流母线并连，三相电源输入主变频器1。
特点：
（1）优良的节能性能：在螺旋滞后时，再生的能量送到副变频器的直流母线上，由于主、
副变频器的直流母线并连，该能量就经过主变频器被主电机利用。
为简单起见，设稳态时离心机以恒转矩和恒差速运行（不计及调速时加速转矩和减速转矩的影响），则回收的能量为：P=0.8 M n/9550,式中：P-功率（KW）;M-小轴力矩（N.m）;n-小轴转速（r/min）;M前的0.8倍是由于再生制动时，即使不加放电的制动电阻，电动机内部也有20%的铜损被转换为制动转矩[2]。
（2）动态响应快：有些PID调节系统往往有超调现象，过渡过程时间较长，例如电涡流制动器调速系统，稳定周期有时长达数分钟。变频调速系统转矩响应时间仅150-200ms[3],动态特性明显改善。
（3）容易处理突发事件造成的转鼓内物料的堆积：副电机反转时运行于第Ⅰ象限（电动机状态），这时差速很大：Δn=(n1+n)/i，（n1-转鼓转速r/min;i-差速器速比），由于变频器具有2倍额定力矩的静态启动转矩[3],使堆积在转鼓内的物料容易排出。
（4）有利于实现恒转矩控制：某些物料，例如城市污水，含有60%-70%的有机物质，沉泥具有可压缩性，含固率时时刻刻在变化，使螺旋推料力矩随着进料**和含固率的波动而变化，要求电气系统根据力矩变化及时控制进料量或差转速，否则，很容易堵料。
恒力矩控制的关键是实时连续测量螺旋推料力矩,必须合理选择力矩传感元件。在液力马达调速系统中，使用液油压力变送器；在电涡流制动器调速系统中，使用电阻应变式力矩传感器；在本文介绍的变频器调速系统中，则可直接利用变频器输出的力矩电流模拟量,不必单独安装传感器。
例如，艾默生TD3000变频器具有转矩控制和转速控制两种工作方式：当选择转矩控制方式时，变频器输出频率将根据输出力矩信号自动调节，当螺旋推料力矩变大时，降低输出频率，增加差速，将沉泥快速推出转鼓；反之，增加输出频率，减小差速，使力矩增加。终使螺旋推料力矩稳定在设定值附近。
3调速系统的设计
（1）变频器选型：对主变频器没有特别要求，副变频器要求能屏蔽输入缺相保护。如果离心机需要恒力矩控制，应选用矢量控制变频器。
（2）主、副变频器功率匹配：不是任意功率的变频器都可以如图1连接，选取主变频器功率时必须考虑到当副电机处于电动机状态时，副变频器从主变频器吸取功率的能力。
（3）副电机选型：副电机额定输出力矩应能满足螺旋推料力矩的需求。由于差速器小轴传递力矩M是螺旋推料力矩M2的i分之一，因此副电机的额定力矩应大于M2/i；具体计算时，应考虑差转速调节范围；电机连接方式等因素。选用普通三相异步电机，转速控制精度为0.5%-0.1%,选用带编码器的变频电机,变频器运行在带PG矢量控制方式下，转速控制精度可达到0.1%-0.05%.
设计实例：表1是海申机电总厂在φ350到φ720的4个系列十几个品种城市污水处理离心机中主、副变频器的功率匹配和副电机选型表，主变频器选用艾默生TD2000,副变频器选用艾默生TD3000，副电机均选4极变频电机，安装OMRON E6C2-CWZ6C型600线光电编码器。
表1
以LW430W离心机为例，运行转速n1=2200r/min;差速器额定输出力矩4000-5000N.m,速比i=91;差速调节范围Δn=2-20r/min（正常运行10-12r/min）;副电机和差速器小轴直接连接（如图1），差速按Δn=（n1-n）/i计算，得表2数据，完全可以满足工艺要求。
表2中：差转速低于7.7r/min输出力矩变小，是由于变频电机50Hz以下为恒转矩调速；50Hz以上为恒功率调速，但差转速低的情况仅当进料浓度特别低或离心机进料初期才出现，这时的推料力矩也较小。
4 应用实例
图2是应用于大豆蛋白漕液分离的LW520型高速离心机电气控制简图,主变频器U1用于驱动离心机，使离心机转速0-3500r/min无级可调，变频器的输出频率由端子X1和X2设定。S1是离心机工作状态选择开关，把S1打到X1位置，离心机以分离频率运行，S1打到X2位置，以冲洗频率运行。分离频率出厂时设置为45Hz(转鼓转速3150r/min),冲洗频率出厂时设置为5Hz(转鼓转速350r/min),如果需要改变运行频率，可以对变频器参数F58,F59进行设定。
U2是副变频器，用于调节离心机转鼓和螺旋速度之差，即差转速，改变差转速的大小可以改变离心机的推泥速度，也会影响离心机每小时污泥处理量。本机主副变频器直流母线直接并连，具有优良的节能效果。
PR是转速显示仪表，用于显示离心机转鼓转速和差转速。转速表内部有一个开关,用于选择同步报警点，可选择：1r/min,5r/min,10r/min三种，当差速小于报警点时，安装在转速表内部的继电器常开触点先闭合,然后,继电器K1动作，副电机停车。通过继电器K1外接触点，用户可外接声音报警系统，或报警时切断进料阀，或和远程控制系统通信。
时间继电器KT是解决离心机启动阶段差转速低于报警点的问题.
本设计的特点除了电路简单操作方便以外,更主要的是差转速调节快速而准确,稳定性可达到±0.1r/min.
污水处理厂自控系统是整个污水处理工程的重要组成部分，其设计好坏与控制设备选择是否适当，不仅关系着自控系统的性价比的高低而且对以后整个污水处理厂运行维护的难易有着重要影响。笔者以某市污水处理厂这个实际工程为例，对污水处理厂自控系统的设计进行详细阐述。
一、污水处理厂概况
该污水处理厂位于市中区，为日处理能力为5万吨/天的污水处理厂，出水排入黄海，水质达到国家一级排放标准。
本工程采用水解－AICS处理工艺。其具体流程为：污水首先分别经过粗格栅去除粗大杂物，接着污水进入泵房及集水井，经泵**后流经细格栅和沉砂池，然后进入水解池，。水解池出水自流入AICS进行好氧处理，出水达标**排入黄海。AICS反应器为改进SBR的一种。其工艺流程如下图1所示：
污水处理厂处理工艺流程
二、污水处理厂自控系统设计的原则
从污水处理厂的工艺流程可以看出，该厂的主要工艺AICS反应器是改进SBR的一种，需要周期运行，AICS反应器的进水方向调整、厌氧好氧状态交替、沉淀反应状态轮换都有电动设备支持，大量的电动设备的开关都需要自控系统来完成，因此自控系统对整个周期的正确运行操作至关重要。而且好氧系统作为整个污水处理工艺能量消耗的大户，它的自控系统优化程度越高，整个污水处理工艺的运行费用也会越低，这也说明了自控系统在整个处理工艺中的重要性。
为了保证污水厂生产的稳定和高效，减轻劳动强度，改善操作环境，同时**污水厂的现代化生产管理水平，在充分考虑本污水处理工艺特性的基础上，将建设现代化污水处理厂的理念融入到自控系统设计当中，本自控系统设计遵循以下原则：**合理、安全可靠、经济实惠、开放灵活。
三、自控系统的构建
污水处理厂的自控系统是由现场仪表和执行机构、信号采集控制和人机界面（监控）设备三部分组成。自控系统的构建主要是指三部分系统形式和设备的选择。本执行机构主要是根据工艺的要求由工艺确定，预留自控系统的接口，仪表的选择将在后面的部分进行描述。信号采集控制部分主要包括基本控制系统的选择以及系统确定后控制设备和必须通讯网络的选择。人机界面主要是指中控室和现场值班室监视设备的选择。
1、 基本系统的选择
目前用于污水处理厂自控系统的基本形式主要有三种DCS系统、现场总线系统和基于PC控制的系统。从规模来看三种系统所适用的规模是不同。DCS系统和现场总线系统一般适用于控制点比较多而且厂区规模比较大的系统，基于PC的控制则用于小型而且控制点比较集中的控制系统。
基于PC的控制系统属于高度集成的控制系统，其人机界面和信号采集控制可能都处于同一个机器内，受机器性能和容量的限制，本工程厂区比较大，控制点较多，因此采用基于PC的控制系统是不太合适的。
DCS系统适用于模拟量多，闭环控制多的系统。而现场总线系统的主要优势是适用用于控制点相当较少而且特别分散的系统。从施工和维护的角度来看，传统的DCS系统布线的工作量要远远大于现场总线系统。此外，现场总线系统与DCS系统相比，还有为重要的一点是开发性好，扩展方便。
本工程的控制点在700点左右，模拟量只占20％左右，属于规模比较小的类型，而且这些控制点是以工艺处理单元为界线分散在厂区各处，因此本工程采用现场总线作为基本控制系统。
2、通讯网络选择
现场总线系统主要的特点就是依赖网络通讯，分散控制和信号采集，大程度的减少布线，节省安装和维护费用。现场总线主要是指从现场控制器或IO模块到监控系统的通讯网络。目前现场总线，根据通讯协议的不同可以分为很多种，比如，ProfiBus、CAN、ControlNet、DeviceNet FF Lon总线等。目前现场总线技术还没有统一的标准，各自的功能特点基本一致，因此本工程设计时选用在中小型控制系统应用非常广泛的ProfiBus总线。其在性价比较高，且在国内推广的时间长，稳定性较高。
ProfiBus总线有三种形式DP、PA和FMS。PA总线是与智能仪表结合在一起安全性非常高的一种ProfiBus总线形式，造价比较高，常用于石油化工冶金等行业；FMS总线适用于大范围和复杂的通讯系统，旨在解决通用性通讯任务，传速速度中等；DP总线是用于传感器和执行器级的高速数据传速网络，不需要智能仪表配合，安全性略低于PA总线。本工程是污水处理工程，对通讯安全性的要求并不太高，通信的任务比较简单，对系统的传输速度有一定要求。因此本工程的采用ProfiBUS－DP网络，即用西门子S7系列PLC搭建整个系统。总线采用普通双绞作为传输介质，通讯速率可以达到12MBP。
3、现场站设备配置的选择
对于ProfiBus－DP网络来说只是提供了一个从现场到监控层的信息通道，但信号的采集和执行命令的下达仍然需要由控制器和现场的IO模块组成的站来完成。ProfiBus－DP网络是一种主从站的网络结构。整个网络上多可以有128个从站，但只有一个作为主站，所有的通讯事务都由主站来管理。主站必须要有控制器（CPU），同时也可以安装IO采集模块。从站有两种方式：CPU＋IO模块和通讯模块＋IO模块。种方式每个从站都由CPU，每个站的控制事务都由本站完成，与主站之间的通讯量比较少。第二种方式是所有的从站都没有CPU，所有的控制事务都由主站CPU来完成，通过总线网络把命令结果传输到从站完成，从站只是远程IO。
前述这两种从站组成方式各有自己的特点。种方式，控制比较分散，通讯事务较小，对网络的依赖不强，但每个站都有CPU，造价高。第二种方式，控制集中，控制事务对网络依赖性强，需要可靠的网络来支撑，同时对主站CPU的性能要求高，在软件编程和调试方面具有很大的优势。这两种方式对工程的现场安装布线施工影响比较少。
本工程控制点的规模施工调试工期比较短，选用了性价比比较高的第二种方式作为从站的组成方式即由西门子IM153通讯模块和S7 300系列IO模块组成，主战CPU选用S7 315-2DP系列。
4、人机界面设备的选择
人机界面设备是直接与操作管理人员进行交流的监控视备，一般由两部分组成，即现场监视设备和中控室监视设备。现场监视设备可以是PC机或是触摸屏，中控室监视设备一般由工控机、模拟屏或投影仪等组成。监视设备应在兼顾投资的情况下，保证操作管理人员可以对整个污水处理厂全面直观的监视与控制。
现场监视设备一般在比较重要的单元或控制事务比较大的从站中设置，以便操作人员及时对现场情况进行处理。本工程的从站的规模比较少，厂区大小从操作距离来看并不大，同时现场操作间内均设有有线电话，因此可在不设不设现场监视系统的情况下保证现场与中控室的联络畅通。
中控室监视设备是全厂的指挥和信息处理中心，其作用不言而喻。中控室监视设备比较传统的做法是模拟屏加工控机的方式，这种方式造价比较高且复杂。随着多屏卡功能的不断完善，现场又出现了工控机多屏显示加投影仪的模式。多屏卡的安装使得一台工控机可以同时拖动多台显示器，并显示不同画面，不同的工段可以同时显示，保证了操作人员监视的全面性。投影仪可以把所需要的任何画面进行放大显示，也可以供人参观。第二种方式的造价要远低于传统做法。本工程选用APPinx一拖四的多屏卡和东芝投影仪一台。
5、其它
成套设备的耦合
本工程中鼓风机为高速离心风机，脱水机为2000mm带宽脱水机，均为大型设备。这些大型设备是由许多辅助电动部分与主机共同工作完成鼓风机和脱水机的正常工作。本工程设计要求大型设备都单独配有自己小型的控制器，由供应商根据自己的经验编制相关程序并预留ProfiBus－DP接口，终成为整个自控系统的一个从站。这样就其它大型设备自控系统与整个自控系统无缝连接，减少了不同供应商之间任务的交叉重叠。
监控软件的选择
监控软件是人机交流的桥梁和翻译，是保证整个自动控制系统易操作、易维护重要的部分。应选用成熟、**并应用广泛的监控软件，本项目选用力控PCAUTO组态软件。
自控控制系统与管理层的衔接
自控系统操作与污水处理厂管理层的衔接主要是把自动控制系统收集到的全厂信息可以顺利传输到管理层计算机，管理人员可以在线查看污水处理厂的运行状况并调用相关的运行数据。随着监控软件的供应商对INTERNET技术的不断应用开发，监控软件都可以通过局域网或INTERNET广域网进行信息发布，管理层或授权用户在任何可以上INTERNET网的地方便可浏览运行状况。而所使用MS IE浏览器的安全性问题已经得到解决。
冗余问题
由于本工程为污水处理厂工程，其安全性和可靠性要求并不严格，本设计没有对通讯网络和控制器进行冗余配置，只对上位工控机采用了双机热备配置。笔者认为在资金允许的情况下，应对主控制器进行冗余配置。
四、自控系统的站点划分
根据污水处理工艺的工作原理以空间分别特点，在布线小、功能完整的情况下对全厂的站点进行了划分，子站为泵房站、水解池站、1号改进SBR站、2号改进SBR站、脱水机房站和鼓风机房站。泵房子站负责**泵房、粗格栅、细格栅和沉砂池的数据处理，脱水机房站除负责脱水机房外，集泥池、浓缩池也归在该站内，其余子站负责各自的工艺单元。主站为变电所站，设在变电所内。各站配置控制点数量统计如下表：
工段名称 控点类型及数量
DI DO AI AO
泵房子站 96 16 20 2
水解池子站 64 32 16
1号改进SBR子站 160 64 32
2号改进SBR子站 160 64 32
脱水机房子站 24 8 8
鼓风机房子站 设备配套PLC并提供接口
各站所配置的控制点数量，富余量均大于20%。本工程自控系统的结构如图2所示：
污水处理厂自控拓补图
五、自控系统的仪表选择
仪表系统遵循“工艺必需、计量达标、实用有效、免维护”的原则进行设计，仪表配置如下：
粗格栅渠配置超声波液位差测量仪表1套；
集水池配置超声波液位测量仪表1套；
细格栅进水井：pH及温度测量仪表1套；
细格栅渠配置超声波液位差测量仪表1套；
AICS反应池配置溶解氧测量仪表及悬浮物浓度测量仪表各4套；
AICS反应池进气管路**测量仪表3套；
鼓风机房配置鼓风机进出风管压力测量仪表6套；
集泥池配置超声波液位测量仪表1套；
脱水机房配置脱水机进泥管路**测量仪表2套(随污泥脱水设备成套)；
絮凝制药装置液位开关2套(随污泥脱水设备成套)；
变电所配置各出线回路的电量测量仪表。
尽管上述仪表中部分仪表已经实现的国产化，但是在精度和稳定方面与进口产品还有一定的差距，因此上述仪表中除通用的**、温度和压力仪表外，其它均采用进口产品。
六、自控系统的功能设计
自动控制系统除了保证污水处理工艺的正常运转外，还有可以**处理工艺的整体优化水平等，本工程的功能设计主要归纳如下；
1、单体设备控制
对单体设备来说其控制分为三个层次，其优先顺序为现场手动控制、上位手动控制和PLC自动控制，这样现场发现设备故障时可以快的速度切断故障设备的运行，大程度地降低设备的损坏程度。在整个系统中，单体设备的损坏时保证系统其它无关联设备的正常运转。
2、节能控制
本工程的节能设计主要包括**水泵的变频控制和好氧部分溶解氧自动调节控制两部分。
通过变频器与液位计形成闭环控制，保持集水井内液面的稳定，这样可以减少因**泵的启动对处理系统造成的冲击，保证系统的稳定运行，同时根据水量变化调节水泵频率，降低了运行能耗。
为保持AICS反应器曝气部分溶解氧浓度稳定在2mg/l左右，通过控制鼓风机进口导叶角度来实现鼓风机的**的调节，达到节能的目的。
此外，液位差控制的格栅的按需运转也是节能设计的一部分。
3、信息处理设计
通过上位监控软件系统直接采集的在线仪表数据，并以数据报表和图形显示，还可根据处理工艺原理自动对所采集的数据进行分析和推导，提炼出对运行操作更有指导意义的数据。如：
污泥负荷、 **水泵运行效率、污泥龄、絮凝剂投加比例、鼓风机运行效率、泵房**单方水量的电耗、鼓风机每1000m3供风的电耗、单方污水污泥处理的电耗、低压总电量、附属设施耗电量、工艺设施总耗电量、**电耗、供风电耗以及工艺其它各个工艺构筑物的电耗等等。
七、自控特点：
1、低投资：投资少
本工程除一些精度要求高的在线监测仪表(污泥浓度计、溶解氧仪和液位计)为进口仪表外，其余部分在线仪表实现国产化，节省了一部分投资费用。
另外，从工艺控制角度看，省区了一些不影响工艺运行要求的在线仪表，如ORP计、气体**计等。不设现场监视设备的也是降低投资的重要原因之一。
在自控系统的总线技术选取上、现场I/O控制设备和上位监控设备的选取上，均采用了性价比较高的产品。如PLC采用西门子S7-300系列等。
本自控系统从以上几点节约了大量的费用。
2、低费用：运行费用低
在占全厂能耗90%的原水**和鼓风曝气这两个环节上，依托自动控制系统，进水段实现恒液位、变**控制，由大功率变频装置拖动大**潜污泵，完全涵盖了500—3000m3/h的**范围，克服了多台泵切换启停，**突变对后续工艺的水力冲击，也达到节能的目的，立式潜污泵的提水电耗为4.75kwh/km3。
占全厂能耗75%以上的鼓风机选用单级高速离心风机，通过控制进口导叶开度调节风量，从而降低能耗，具体的作法是在夜间小水量和过渡工序时自动减小供气量。
3、管理操作简便
本自控工程在上位软件二次开发过程从人性化角度出发，**自控系统的可操作性，使管理者在任意时间和地点可对工艺系统进行全方面的监控，及时了解到处理系统运行的优劣状态。
八、投资
本工程自控系统的预算费用约占污水处理厂总投资的5%左右。与其它污水处理厂相比，本工程的自控系统投资是中等偏下，性价比较高。
九、结语
该污水处理厂自控系统是根据工艺要求在确定的设计原则下进行设计，既保证污水处理系统的正常运行，又尽可能的降低了工程的造价投资，其设计过程和结果对其它污水处理工程的自控设计具有一定的借鉴意义。
