CN114560445A - 一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统，包括中控室、触摸屏、PLC控制器、物联网网关、臭氧放电室、臭氧电源、臭氧泄漏报警仪、氧气泄漏报警仪、臭氧浓度仪、导线、氧气管道、冷却水管道、气动开关阀、气动调节阀、电动闸阀、变压器、控制开关，PLC通过局域网与触摸屏连接，触摸屏通过rs485导线与物联网网关连接，触摸屏通过局域网与中控室连接。该发明采用中央控制单元的扁平化管理，各个模块独立控制，使得臭氧的输出浓度调节范围更大，将臭氧输出浓度稳定于单模块臭氧输出浓度的最大值，应对一些难降解的物质，提高氧化效率，节约氧气的使用量，本设计的冷却水流量调节也降低设备制冷的能量消耗，综合运行成本大大降低。

Description

一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统

技术领域

本发明涉及环保材料技术领域，具体来说，涉及一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统。

背景技术

现代化工业的发展导致进入水体中的有机物数量和种类急剧增加，水体污染严重，特别是高浓度、难降解的有机废水，具有有机污染物浓度高、成分复杂、可生化性差、污染严重、毒性高等特点，采用常规的处理工艺已经很难满足净化要求，臭氧具有强氧化能力，可以与许多无机物和有机物发生氧化反应，对细菌、病毒等微生物杀灭率高、速度快，对有机化合物等污染物质去除彻底，不产生二次污染，是“理想的万能绿色强氧化药剂”，数据表明，基于臭氧的氧化工艺对水体污染处理的应用越来越多，随着国内工业集中化、园区化建设，工业污水的处理规模越来越大，复杂程度也与日俱增，特别是一些难降解废水，如石化废水、制药废水、化工废水、垃圾渗滤液、焦化废水、印染废水等，对污水的处理工艺要求越来越高，吨水处理费用也居高不下，臭氧作为高级氧化的主要手段，其运行费用一直备受关注；

基于臭氧氧化工艺的运行成本主要由臭氧发生器系统电耗和氧气等耗材的材料损耗组成，目前臭氧发生器的单位产量功耗根据产品形势的不同而差异较大，板式臭氧发生单位产量功耗一般在5~8w/g，而管式臭氧发生一般在7~11w/g，臭氧产量在进气量一定的情况下与臭氧输出浓度成正比，臭氧发生器的臭氧输出浓度越高，单位臭氧产量所需消耗的氧气越低，提高臭氧输出浓度，降低臭氧工艺的氧气消耗也是运营成本另一核心因素，板式臭氧发生器在输出浓度方面由于管式臭氧发生器约30~40%，综合来看，为第二代臭氧技术的板式臭氧发生器在单位臭氧产量的电耗及耗氧量方面都具有明显优势；

另外，除了臭氧发生器设备本身的功耗差异外，臭氧氧化工艺的运行成本还与系统的自动控制密切相关，目前的臭氧发生器，无论是一体化的管式臭氧发生器，还是模块化的板式臭氧发生器，均只能运行于整体调节模式，其输出臭氧产量的调节范围约为60%~100%，臭氧输出浓度也难以到达最高的臭氧输出浓度，管式臭氧发生器的放电室为压力容器，采用一体化结构，整个臭氧发生器只有一个放电室，因此对应的电源系统、变压器也为一个，只能整体启动或关闭，而臭氧放电室达到临界放电状态才能产生，放电电压通常要高于5600Vpp，而最高运行电压约为7600Vpp，因此臭氧发生器放电室达到运行稳定并产生臭氧，其最低臭氧产量通常在额定产量的60%左右，板式臭氧发生器采用模块化结构，系统采用分布式控制，虽然具备臭氧输出产量阶梯式控制条件，但是由于系统气路、水路、电源联动的复杂性，目前都运行于整体控制模式，输出产量调节范围通常也在50%~100%左右，如果需要大范围调整产量，一般采用手动模式启、停相应阀门，关闭或启动相应电源及放电室模块，由于工业废水及生活污水的排放具有间歇性、季节性，会导致污水处理场的进水水量和污染物成分发生变化，由此氧化工艺需要的臭氧产量会有较大的变化，如果臭氧发生器的臭氧产量调节范围小，产量调节响应不及时，臭氧产量少则会造成污水排放不达标，臭氧产量多则会造成臭氧浪费，另外当多余的臭氧存在于水体中时，在排放前需要做臭氧降解，臭氧降解同样需要增加能耗，从而造成运行成本的提高，目前污水治理，特别是工业园区，由于企业生产周期的不同，污水排放波动巨大，对工艺的设备调节能力提出了越来越高的要求，目前臭氧发生器控制系统难于满足臭氧氧化工艺对臭氧产量、浓度等快速调节的需求。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统，能够克服现有技术的上述不足。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统，包括PLC控制器，所述PLC控制器通过局域网与触摸屏连接，所述触摸屏通过局域网与中控室连接，所述触摸屏通过导线与物联网网关连接，所述PLC控制器通过控制开关量分别与两个气动开关阀连接，两个所述启动开关阀分别设置在氧气管道、冷却水管道的前端，所述氧气管道、冷却水管道与臭氧放电室连接，所述臭氧放电室与臭氧电源连接。

更进一步的，所述臭氧电源采用的是三相380V电压的电源。

更进一步的，所述臭氧放电室与臭氧电源之间设有变压器。

更进一步的，所述PLC控制器通过导线与臭氧电源连接，所述PLC控制器通过导线分别与臭氧泄漏报警仪、氧气泄漏报警仪、臭氧浓度仪连接。

更进一步的，所述氧气管道、冷却水管道的前端均设有气动调节阀，所述气动调节阀与PLC控制器连接，所述气动调节阀、启动开关阀均设置在氧气管道、冷却水管道的主管道上。

更进一步的，所述氧气管道、冷却水管道的支管道上设有电动闸阀。

更进一步的，所述电动闸阀通过控制开关量与臭氧电源连接。

更进一步的，所述臭氧放电室一侧设有臭氧排出管道、冷却水排出管道。

更进一步的，所述臭氧排出管道、冷却水排出管道与电动闸阀分别设置在臭氧放电室的两侧。

更进一步的，所述臭氧放电室可自由增加放置数量，所述臭氧放电室在系统中放置上限为128个。

本发明的有益效果：

（1）板式臭氧发生器的臭氧产量大范围调节

本设计的板式臭氧发生器自动控制系统，支持臭氧发生器的氧气进气量大范围调节，通过进气开关阀、调节阀以及各个模块的独立开关阀，可以实现臭氧发生器的臭氧输出从单模块的50%产量连续调整到臭氧发生器的满负荷产量，调节速度快，稳态误差小；

（2）解约能耗、降低运行成本

避免传统臭氧发生器的级联调节模式，气量调节范围大，使得臭氧的输出浓度调节范围更大，将臭氧输出浓度稳定于单模块臭氧输出浓度的最大值，应对一些难降解的物质，提高氧化效率，保证工艺的可靠性，同时节约氧气的使用量，本设计的冷却水流量调节也降低设备制冷的能量消耗，实现综合运行成本解约；

（3）采用Field Bus现场总线技术，降低系统的复杂性

本案设计的自动自动控制系统，采用Field Bus现场总线技术，采用Modbus标准协议，RS485总线采用MODBUS RTU数据传输，LAN局域网采用MODBUS TCP协议，物联网采用MQTT协议，采用总线模式，将系统内部的数据采集、传输简化大大简化，避免了系统的繁杂二次接线，接口简单、协议规范，可扩展性强，PLC能够快速准确获取中控系统、云服务器、触摸屏的指令数据，通过闭环算法，生成发生器模块的运行指令，快速调节臭氧发生器的运行状态；

（4）完备的系统闭环控制及保护

通过总线技术，将臭氧浓度仪、流量计、压力、温度、臭氧泄露、氧气泄露等信息实时采集至PLC中，进行闭环控制及运行状态监测，通过信息反馈，监测控制输出，做到模块运行闭环、设备运行闭环、工艺运行闭环，同时，根据监测数据，及时判断设备运行状态、做出相应处理，当氧气、臭氧泄露时、做出预警，并启动室内通风，避免时态进一步恶化，当系统、压力、流量、温度异常时，根据预案自动处理，并上报异常信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统的自动控制系统示意图。

图中：1、PLC控制器，2、触摸屏，3、中控室，4、物联网网关，5、气动开关阀，6、氧气管道，7、冷却水管道，8、臭氧放电室，9、臭氧电源，10、变压器，11、臭氧泄漏报警仪，12、氧气泄漏报警仪，13、臭氧浓度仪，14、气动调节阀，15、电动闸阀，16、控制开关量，17、臭氧排出管道，18、冷却水排出管道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图 1 所示，根据本发明实施例所述的一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统，包括PLC控制器1，所述PLC控制器1通过局域网与触摸屏2连接，所述触摸屏2通过局域网与中控室3连接，所述触摸屏2通过导线与物联网网关4连接，所述PLC控制器1通过控制开关量分别与两个气动开关阀5连接，两个所述启动开关阀5分别设置在氧气管道6、冷却水管道7的前端，所述氧气管道6、冷却水管道7与臭氧放电室8连接，所述臭氧放电室8与臭氧电源9连接。

在具体实施例中，所述臭氧电源9采用的是三相380V电压的电源。

在具体实施例中，所述臭氧放电室8与臭氧电源9之间设有变压器10。

在具体实施例中，所述PLC控制器1通过导线与臭氧电源9连接，所述PLC控制器1通过导线分别与臭氧泄漏报警仪11、氧气泄漏报警仪12、臭氧浓度仪13连接。

在具体实施例中，所述氧气管道6、冷却水管道7的前端均设有气动调节阀14，所述气动调节阀14与PLC控制器1连接，所述气动调节阀14、启动开关阀5均设置在氧气管道6、冷却水管道7的主管道上。

在具体实施例中，所述氧气管道6、冷却水管道7的支管道上设有电动闸阀15。

在具体实施例中，所述电动闸阀15通过控制开关量16与臭氧电源9连接。

在具体实施例中，所述臭氧放电室8一侧设有臭氧排出管道17、冷却水排出管道18。

在具体实施例中，所述臭氧排出管道17、冷却水排出管道18与电动闸阀15分别设置在臭氧放电室8的两侧。

在具体实施例中，所述臭氧放电室8可自由增加放置数量，所述臭氧放电室8在系统中放置上限为128个。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

在具体使用时，根据本发明所述的系统，本设计采用扁平化控制拓扑结构，臭氧发生器中控系统采用PLC控制器作为中控单元，触摸屏作为人机交互界面（HMI），板式臭氧发生器的自动控制系统示意如图1所示，本设计理论上模块级联数量可以达到128个；

PLC作为板式臭氧发生器的自动控制系统的控制核心，通过高速局域网（LAN）完成与触摸屏的数据交换，接收来自触摸屏的指令数据，并回传运行参数，触摸屏通过LAN接收中控室的指令参数，包括进水水量、水质情况、工艺系统运行状态的数据，并将来自PLC的运行参数回传至中控室，触摸屏采用RS485通讯连接至物联网网关（DTU），将PLC部分运行数据上传至云服务器，云服务器将优化设备运行参数，并通过DTU下发至触摸屏，并快速反馈至PLC控制器，当臭氧发生器处于工作状态时，PLC通过开关量IO打开氧气进气、冷却水进水的气动开关阀，臭氧发生器处于待机或关机时，则关闭气动开关阀；PLC根据接收到的运行数据，如工艺运行状态、进水水量、水质等、依据工艺的臭氧需求策略，计算臭氧发生器需要输出的臭氧浓度及臭氧出气量，通过氧气进气的气动调节阀和流量计获取当前氧气的进气量，作为臭氧出气的气量，利用串口总线RS485获取臭氧浓度仪所测的臭氧输出浓度，将测得臭氧气量和臭氧浓度作为状态量，将工艺需求的臭氧浓度和臭氧气量作为期望值，采用模糊PID算法，计算获取需要的氧气进气量和发生器的臭氧输出浓度。

设定单个臭氧发生器模块的臭氧产量调整范围为50%~100%，当臭氧发生器的总臭氧产量的调节范围在50%~100%时，既可以整体调节即每个模块都降功率运行，即产量的降低均分到每个模块，也可以而根据产量，先关闭部分模块，再使其他模块来均分承担发生器的臭氧产量输出，当臭氧发生器的总臭氧产量小于50%时，则需要关闭部分模块的进气，再调节剩余模块的运行功率，达到产量调节的目的，臭氧产量调整时，为降低功耗、停运放电室冷凝，需要同时调节冷却水水量，并通过电动闸阀关闭相应放电室的冷却水进水。

当系统需要进行气量调节时，为避免快速调节时，放电室气流流态不均，引起冲击，本设计的气量调节遵循以下逻辑，在调整氧气进气的气动调节阀时，同时调节放电室进气的电动闸阀，即在减小气量时，如果需要关闭部分放电室的进气，则将气动调节阀的调整过程根据需要关闭放电室的个数（N）分为N级，调整1级，关闭1个放电室进气，同理调整冷却水的进水水量，PLC将需要关闭的放电室指令通过MODBUS总线（RS485）下发至该放电室对应电源，电压接收指令后，先将运行功率调至零，通过IO口，发出关闭指令至放电室进气、进水的电动闸阀，该放电室模块处于热备状态，在增加气量时，如果需要打开部分放电室的进气，同样将气动调节阀的调整过程根据需要打开放电室的个数（N）分为N级，打开1个放电室进气，调整1级进气，同理调整冷却水的进水水量，PLC将需要启用的放电室指令通过RS485下发至该放电室对应电源，电压接收指令后，通过IO口，发出启动指令至放电室进气、进水的电动闸阀，打开该模块的进气、进水，并将运行功率从零逐步调至额定功率，使放电室模块处于工作状态。

当当系统需要调节电源运行功率或频率，来改变臭氧产量或者浓度时，PLC将需要运行的功率参数下发至相应电源模块，电源接收到指令后，通过闭环控制调节电源的输出功率和运行频率，功率及频率调节在500ms内完成，并将运行参数反馈至PLC，同时PLC通过检测氧气的进气量、臭氧浓度，闭环调节电源运行功率及频率参数，臭氧产量调节，阶梯调节即计算最小开启模块数量，再平均调节，级联调节即所有模块均参与工作，平均调节单元产量。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，设计臭氧产量为每小时50公斤（50kg/h）的臭氧发生器，采用20组单模块臭氧产量2.5kg/h组成，PLC控制器采用西门子 SIMATICS7 系列可编程控制器，构建臭氧发生器系统，50kg/h臭氧发生器的调节范围可实现从1.5kg/h~50kg/h的超大范围调节，远远高于目前50kg/h臭氧发生的25kg~50kg的调节范围，臭氧发生器从50kg/h调整至1.5kg/h，可以在145s内完成，从1.5kg/h调整至50kg/h，可以在185s内完成，完全满足目前基于臭氧氧化工艺的响应速度需求，级联调节模式从50kg/h调整至25kg/h，可以在5s内完成，从25kg/h调整至50kg/h，可以在15s内完成，阶梯调节模式从50kg/h调整至25kg/h，可以在75s内完成，从25kg/h调整至50kg/h，可以在95s内完成，调节速度、静态误差均优于目前臭氧发生器系统。

采用本案设计的板式臭氧发生器自动控制系统，通过降低氧气进气量，增加模块电源的输出功率，将臭氧发生器的输出浓度控制于180mg/L~260mg/L，在输出相同产量的臭氧情况下，降低氧气的使用量，解约运行成本，根据测定数据，采用本案自动控制设计的臭氧发生器，能够降低设备氧气消耗、电能消耗，使设备本身能够实现综合节能15%~25%，通过与工艺配合，根据进水水量、水质情况（COD，SS等）实现自动化臭氧输出浓度调节、产量调节，保证臭氧输出满足工艺实时需求，避免臭氧输出相对工艺调节的滞后性，在需要增加臭氧的工况，臭氧设备调节滞后，导致工艺不达标，当工艺需要减少臭氧的工况，臭氧设备调节滞后，臭氧浪费，浪费氧气、增加电耗，同时也增加多余臭氧消解的运行成本，采用本案设计的自动控制系统后，臭氧输出浓度、产量调节速度快，调节范围大，结合工艺调节臭氧能够节能约20%~30%，从而实现综合节能30~50%。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统，其特征在于，包括PLC控制器（1），所述PLC控制器（1）通过局域网与触摸屏（2）连接，所述触摸屏（2）通过局域网与中控室（3）连接，所述触摸屏（2）通过导线与物联网网关（4）连接，所述PLC控制器（1）通过控制开关量分别与两个气动开关阀（5）连接，两个所述启动开关阀（5）分别设置在氧气管道（6）、冷却水管道（7）的前端，所述氧气管道（6）、冷却水管道（7）与臭氧放电室（8）连接，所述臭氧放电室（8）与臭氧电源（9）连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统，其特征在于，所述臭氧电源（9）采用的是三相380V电压的电源。

3.根据权利要求2所述的一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统，其特征在于，所述臭氧放电室（8）与臭氧电源（9）之间设有变压器（10）。

4.根据权利要求1所述的一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统，其特征在于，所述PLC控制器（1）通过导线与臭氧电源（9）连接，所述PLC控制器（1）通过导线分别与臭氧泄漏报警仪（11）、氧气泄漏报警仪（12）、臭氧浓度仪（13）连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统，其特征在于，所述氧气管道（6）、冷却水管道（7）的前端均设有气动调节阀（14），所述气动调节阀（14）与PLC控制器（1）连接，所述气动调节阀（14）、启动开关阀（5）均设置在氧气管道（6）、冷却水管道（7）的主管道上。

6.根据权利要求4所述的一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统，其特征在于，所述氧气管道（6）、冷却水管道（7）的支管道上设有电动闸阀（15）。

7.根据权利要求6所述的一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统，其特征在于，所述电动闸阀（15）通过控制开关量（16）与臭氧电源（9）连接。

8.根据权利要求1所述的一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统，其特征在于，所述臭氧放电室（8）一侧设有臭氧排出管道（17）、冷却水排出管道（18）。

9.根据权利要求8所述的一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统，其特征在于，所述臭氧排出管道（17）、冷却水排出管道（18）与电动闸阀（15）分别设置在臭氧放电室（8）的两侧。

10.根据权利要求1所述的一种基于臭氧氧化的板式臭氧发生器负反馈闭环控制系统，其特征在于，所述臭氧放电室（8）可自由增加放置数量，所述臭氧放电室（8）在系统中放置的数量范围为1个-128个。

Images