好氧曝气系统无人值守控制系统设计

　　摘要：设计和实现了好氧曝气系统无人值守控制系统，该系统应用PLC控制器和EMCP物联网云平台，实现运行数据的远程监控，提高曝气系统的自动化和安全防护水平，节约人力成本。形成填埋场治理大数据，为工艺和节能优化提供数据支撑。

　　关键词：好氧曝气;无人值守;云平台;大数据

　　0引言

　　随着城市化进程的加快，我国城市生活垃圾产量增长越来越快。在过去，由于受经济发展水平的制约，许多城市垃圾填埋场未采取有效的防护措施，生活垃圾在非控制的自然降解过程中，产生的废气、废水和废渣污染了周围的空气、地上、地下水和土壤。通过好氧曝气及其他治理手段，使生态修复治理达标，实现污染土地价值的再生和深度利用，提升周边土地的利用价值。由于垃圾填埋场位置分散偏僻且好氧曝气系统噪音较大，利用物联网和云平台技术，远程监控好氧曝气系统，实现无人值守，既节约人力成本，又提高人员和设备安全。

　　1好氧曝气原理

　　利用设备向垃圾填埋场中注入空气，将垃圾填埋场变为一个生物反应器整体，建立符合微生物生长的环境，利用微生物的作用，加速垃圾中可降解有机物的分解，缩短填埋场的填埋时间。由于垃圾填埋场中的垃圾具有不均一性，好氧降解的反应过程比较复杂，好氧降解期间排出的垃圾填埋气体主要成分是二氧化碳、过量的氧气和少量的甲烷，同时还有少量的可挥发有机物排出[1]。

　　2好氧曝气系统组成

　　2.1抽气、注气系统

　　抽气、注气系统,注气系统由曝气罗茨风机及管道组成，向填埋场垃圾堆体注入新鲜空气。抽气系统包括排风罗茨风机、空气管道和光催化除臭单元，将有机物好氧生物反应产生的气体排出，保证新鲜空气持续注入，同时避免甲烷等可燃气体聚集，保证堆体安全。运行中，通过各管路阀门开闭，转换堆体管道功能，即抽气可以用作注气，注气可以用作抽气。1号蝶阀和2号蝶阀为放空阀，排风风机和曝气风机启动前，开启1号蝶阀和2号蝶阀，减小风机启动负载，减少对柴油发电机的负荷冲击。正循环时3号蝶阀和4号蝶阀开启，新鲜空气由注气井进入垃圾堆体，废气由抽气井排出。反循环时5号蝶阀和6号蝶阀开启，新鲜空气由抽气井进入垃圾堆体，废气由注气井排出。废气通过光电除臭单元消除气体中有害物质，达标排放。

　　2.2电气与控制系统

　　垃圾填埋场位置偏僻，好氧曝气持续半年左右，结合新建输电线路造价和柴油发电成本，供电电源选择柴油发电机。由于柴油发电机启动和停机阶段，发电电压无法满足电气设备运行要求，所以采用智能断路器，柴油发电机供电质量合格时，向配电系统供电。罗茨风机是主要的用电设备，采用变频器控制，曝气和排风风量可调。由于曝气设备为间接性运行，发电机供电为间断性的，为保证PLC的连续稳定供电，PLC柜使用UPS供电[2]。

　　控制器采用西门子S7-1200系列PLC，人机界面采用KTP1200精简面板。为提高自动化水平，实现无人值守，控制器PLC与变频器采用Profinet通信协议实现通信，不仅采集电流、运行频率等参数，而且将变频器的详细故障信号采集至PLC，通过无线数据网关推送，实现远程故障诊断。此外，控制器PLC与UPS采用RS232通信，采集UPS电压、剩余容量。柴油发电机接收PLC运行信号(DO)后启动，待电压稳定，向PLC发送发电正常信号。此时，智能断路器接收PLC合闸信号(DO)，自动闭合。

　　3好氧曝气工艺要求与实现

　　3.1好氧曝气工艺要求

　　抽注气井功能对换，可以强化好氧反应效果，保证垃圾中含氧均匀、提高氧气的覆盖率、有助于垃圾处理区保持最佳的好氧反应状态、消除垃圾中有机物曝氧的死角、使垃圾中有机物获得充分而迅速的降解[3]。同时为了降低能耗，在正循环曝气和反循环曝气完成后，曝气设备及柴油发电机停机，垃圾堆体内残余氧气供给好氧反应。设备控制方式分为就地和远程，远程控制方式下，又分为手动和全自动控制方式。

　　手动模式时，操作人员通过人机界面控制设备启停。全自动模式时，PLC自动控制所有设备的启停。曝气流程启动后，首先启动发电机，直到收到发电正常信号，控制智能断路器闭合，向电气设备供电。如果供电异常，则停止曝气流程，推送故障信息，等待检修。供电正常则开始正循环曝气，曝气结束进入停机流程，曝气风机、排气风机停机，蝶阀关闭后，断开智能断路器，停止柴油发电机，进入停机延迟状态。停机延迟时间根据垃圾堆体的压实度、气体传输效果和UPS供电时间(没有市电接入的情况下，保证PLC连续工作)等因素设定。停机延迟时间到达后，开始反循环曝气。反循环曝气与正循环曝气流程类似，反循环曝气结束后重新进入停机流程，停机延迟时间到达后，一次好氧曝气流程完成，系统自动进入下次好氧曝气流程。

　　3.2无人值守功能实现

　　保证设备安全稳定运行是无人值守的前提。PLC采集影响设备安全的故障信息，结合工艺专业和设备厂家意见，确定故障影响和处理流程。按照故障严重程度，PLC处理方式有报警、降速运行、系统停机。故障处理流程如表1所示。无人值守控制系统新增DTU模块和天线，DTU模块通信采集PLC数据，通过联通网络加密传输至EMCP物联网云平台，实现电脑Web网页、手机APP和微信对曝气系统的远程监视。DTU是用于EMCP物联网云平台连接下位设备所用的GPRS网关，DTU利用GPRS网络实现Modbus数据自动采集和传输，配置参数灵活，运行安全稳定适合于恶劣的工业现场。

　　EMCP是一个工业级综合性物联网云平台，支持多用户、跨行业、跨设备无缝接入。EMCP物联网云平台是由多台服务器构建的服务器集群。数据采用加密方式进行传送，平台用户有着严格权限管理，避免数据被他人获取。应用层采用了动静分离、负载均衡、集群等技术，保证在高并发、大访问量情况下服务稳定运行。同时数据库采用了贮备构架，系统会自动进行数据备份，并且做了同城容灾及异地容灾等处理，保证存储数据安全。利用云平台数据存储功能，将压力，流量、新风含氧量、排气含氧量、甲烷、温度数据定时存储，形成填埋场治理大数据。利用大数据分析结果，不断优化工艺管线布置和曝气时间，结合变频器自动调节风机工况，以达到节能降耗的目的。

　　4结束语

　　利用PLC控制技术，提高好氧曝气系统的自动化水平。同时结合物联网、云平台技术，远程监控好氧曝气系统，实现无人值守。本套系统已在填埋场治理工程中投入使用，取得显著效果。

　　参考文献

　　[1]李瑞成.简易生活垃圾填埋场污染的控制[J].环境工程,2010(6):59-62.

　　[2]朱远超.准好氧填埋技术在非正规垃圾填埋场治理中的应用[J].环境卫生工程,2014(6):48-50.

　　[3]屈志红,邢军,郭静.城市非正规垃圾填埋场环保治理技术：抽气输氧曝气法[J].城市管理技术,2009(1):54-55.

　　环境方向论文投稿刊物：《环境工程技术学报》办刊宗旨：追踪国内外环境工程技术的创新性研究成果，报道环境工程及实用技术应用的先进典型案例，关注环保产业最新政策和行业热点问题，推动环境工程新技术、新成果的转化应用，促进我国环境工程技术水平提升。