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

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生產和社會生活的各方面。本礦井水處理自動控制系統主要用于煤礦、鐵礦井下水處理。經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境產生的嚴重污染，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，為了保證出水水質及整個水處理系統正常可靠運行，水處理工藝中的全部工序實現智能化自動控制；對系統運行全過程實現自動監控。

2  工藝流程及對控制系統的要求

    礦井水由井下泵抽至預沉調節池，再經過施加混凝劑、絮凝劑及濾池沉淀過濾處理就可用作工業用水，再經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：

根據工藝流程對控制系統提出以下要求：

1.監控整個水處理站的設施、設備。

2.提升泵執行自動切換，同時三臺提升泵與調節池液位實施連鎖，低液位自動停泵。

3.污水池、集水池實行自動停、開。

4.上位機實現數據處理，匯總，打印，上位機出現故障時，PLC可脫離上位機獨立運行。

5.調節池、污泥池、集水池及清水池的液位實行監控。

6.所有監控的水位、液位、藥位在中央控制室動態連續顯示。

7.所有測量數據在中央控制室集中顯示。

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

9.總進水及無閥濾池的出水量實現在線監測，并在中央控制室集中顯示。

10.根據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測，要求無閥濾池的出水濁度≤3度。

11.PAC、PAM的加藥量，根據水質、水量的變化，實現實時自動調節，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，在集中控制室能數字顯示，并且攪拌機和加藥箱液位實施連鎖。

13.根據水力循環澄清池內煤泥濃度，實現自動排泥。

14.根據進入清水池的水量，實現自動加氯，并對清水池的出水口余氯實行在線監測，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連鎖。

3  控制系統的組成和工作原理

    該系統是較典型的集散式上、下兩級控制的智能化監控系統。整個控制系統分解成四個相對獨立的子系統，可分別獨立運行。系統設上位機，上位機通過通訊總線聯結各子系統。上位機可實時監控各單元工作狀況；對運行過程狀態、數據進行記錄、存貯；將記錄的數據編制成各種統計報表、報告。

              

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

    （1）設置能夠直觀、清晰的顯示系統運行流程及各設備狀態的界面，實時監控各單元工作狀態。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）將記錄存貯數據統計、編輯、整理打印所需報告、報表。
    
    四個子系統分別為變頻恒壓供水系統；自動加氯滅菌系統；自動加藥系統；泵閥控制及設備運行狀態監控系統。

    3.1  變頻恒壓供水系統
    
    恒壓供水系統由壓力變送器、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速使用方便、性能可靠、成本低廉并有明顯的節能效果，可實現循環變頻，電機軟起動等功能。
    
    根據供水管線結構，系統有兩臺獨立供水柜，每臺供水柜安裝一臺變頻器拖動兩臺水泵（水泵數量可根據供水量擴展）水泵由變頻器拖動實現恒壓變量供水，恒壓供水壓力可在1500-5000kpa間連續調整。兩供水管線間設置旁通閥，在某供水系統因設備故障停機時，開啟旁通閥由另一系統承擔應急供水，可提高供水系統可靠性。
    
    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，將供水柜工作狀態及供水量傳至上位監控操作臺，實現遠程工作狀態監測及供水數據的記錄統計。

    
    3.2  自動加氯滅菌系統
    
    選用山東大學華特公司H99系列二氧化氯發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生器由供料系統、反應系統、溫控系統、吸收系統、安全系統、殘液自動處理系統組成，該設備有以下特點：
    
    ＊ 反應系統采用耐高溫、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，加氯計量準確、穩定可靠。余氯含量穩定在0.3-1mg/L。
    
    ＊ 原料采用氯酸鈉和鹽酸，不產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
    
    自動加藥系統由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。經控制器參照原水成份中其它參數，按設定最佳加藥量數學模式計算后，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澄清池沉積煤泥總量。由此數值確定澄清池排泥電動閥開啟時間，實現自動排泥。
    
    自動加藥系統帶有485接口，把系統運行狀態、處理水量、加藥量、濁度值等數據傳輸至上位機。自動加藥系統亦設置操作顯示界面。
    
    自動加藥系統是本控制系統核心，其工作質量對水質有直接影響，加藥控制模式亦是各水處理廠探索的主要目標。
    
    3.4  泵閥控制及運行監控系統
    
    系統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進行監控。
    
    監控PLC通過總線連接供水系統、加藥系統并同上位微機聯機，是系統工作的核心單元，脫離上位微機監控系統仍可正常運行并保存24小時以上運行數據。
    
    系統要設置完善、可靠、清晰的人機操作顯示界面，對水處理量、供水量，濁度等重要參數實時數字顯示；對各設備故障狀態聲光報警，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速，此模塊具有以下特點：
    
    （1） 工藝先進，性能優越
    
    ＊ 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；
    
    ＊ 熱循環負載次數達萬次以上，使用壽命長。
    
    （2） 質量可靠，安全方便
    
    ＊ 移相控制系統，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節；
    
    ＊ 可手動、儀表或微機控制；
    
    ＊ 三相模塊主電路交流輸入無相序；
    
    
    
    系統對水泵、電動閥控制原則如下：
    
    （1） 提升泵： 正常狀態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，預沉調節池低液位停機。
    
    （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：當有下列情況發生時,關閉清水池電動閥。
    
    ① 清水池高水位
    
    ② 加氯消毒系統故障
    
    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、閥附近可執行手動就近啟/停控制。
    
4  結  論
    
    本礦井水處理自動控制系統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，是現代科學技術對解決環保問題的又一貢獻。