高速離心鼓風(fēng)機(jī)自控改造技術(shù)初探

蔣 磊

（煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264006）

0 引言

在污水處理廠設(shè)備總投資中，生物池鼓風(fēng)機(jī)屬于工藝設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于生物池曝氣池的生物曝氣。在曝氣池生化工藝中，鼓風(fēng)機(jī)曝氣關(guān)系到曝氣池溶解氧濃度高低，符合工藝參數(shù)要求的曝氣有利于促進(jìn)微生物環(huán)境形成，能有效達(dá)到污水的除磷脫氮效果。鼓風(fēng)機(jī)曝氣過程中，曝氣管道中空氣溫度基本在75℃～100℃，能給生物池內(nèi)污水輸送熱量，讓污水保持一定的溫度，有利于微生物的生存。同時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行也產(chǎn)生大量能耗，據(jù)統(tǒng)計(jì)鼓風(fēng)機(jī)能耗占污水廠總能耗一半左右。優(yōu)秀的鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)能大幅降低電能的消耗，例如目前流行的精確曝氣系統(tǒng)。

選擇具有節(jié)能高效、控制先進(jìn)的自動(dòng)化控制鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，能有效滿足污水處理廠優(yōu)化運(yùn)行工藝方案，滿足污水處理廠出水國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，從而能保證污水處理廠安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。同時(shí)，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)、故障解決、技術(shù)改造提出更高的要求。

早期國(guó)內(nèi)污水處理廠多采用國(guó)外資金和技術(shù)建設(shè)，主要的工藝設(shè)備鼓風(fēng)機(jī)、脫水機(jī)、濃縮機(jī)等工藝處理設(shè)備，基本上采用進(jìn)口。運(yùn)行十幾年來，大多污水處理廠的工藝設(shè)備普遍面臨大修、更新問題。

在大修和更新過程中，鼓風(fēng)機(jī)的工藝設(shè)備、機(jī)械配件可采用進(jìn)口/定制或替代的方式有效解決。但自控系統(tǒng)中，軟件部分就需要一定的難度。首先，鼓風(fēng)機(jī)原自控硬件已老化，在國(guó)內(nèi)且無配件進(jìn)行采購(gòu)，廠家已停止提供技術(shù)支持；其次，原生產(chǎn)鼓風(fēng)機(jī)廠家，因知識(shí)產(chǎn)權(quán)等方面的原因，不提供原代碼或提供加密代碼，對(duì)后期鼓風(fēng)機(jī)改造形成很大障礙。因此，需對(duì)整體工藝和運(yùn)行操作流程深入了解后，才能進(jìn)行鼓風(fēng)機(jī)自控程序編寫，故難度增大。

1 鼓風(fēng)機(jī)自控改造設(shè)計(jì)原則

曝氣系統(tǒng)主要是給生物池的好氧活性污泥的微生物供氧，以供微生物消耗有機(jī)物，以達(dá)到去除大部分有機(jī)物目的；同時(shí)，對(duì)生物池的硝化細(xì)菌供氧，以使氮類物質(zhì)發(fā)生硝化作用。

在污水處理廠中，生物池面積一般較大，關(guān)聯(lián)工藝設(shè)備比較分散。鼓風(fēng)機(jī)自控系統(tǒng)一般適宜采用集中控制原則，分散工藝設(shè)備就近納入附近的遠(yuǎn)程IO 自控柜中，通過TCP/IP 通訊、Profibus 通訊或ControlNet 與主PLC 進(jìn)行通訊，并由主PLC 進(jìn)行程序的自動(dòng)和手動(dòng)控制，來完成和實(shí)現(xiàn)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)控制。在離心鼓風(fēng)機(jī)改造過程中，遵循設(shè)計(jì)原則：

1.1 可靠性原則

可靠性原則是鼓風(fēng)機(jī)能否可靠運(yùn)行的關(guān)鍵點(diǎn)。系統(tǒng)需遵循可靠原則，將故障和報(bào)警分為重要、一般、輕度等級(jí)，通過故障報(bào)警、停機(jī)程序來保護(hù)鼓風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。

1.2 先進(jìn)性和穩(wěn)定性原則

先進(jìn)性和穩(wěn)定性原則，選擇先進(jìn)性技術(shù)是增強(qiáng)可靠性的有效途徑。首先，技術(shù)穩(wěn)定才能保障鼓風(fēng)機(jī)能在復(fù)雜環(huán)境下，平滑穩(wěn)定運(yùn)行。目前，自控新舊交替技術(shù)更替越來越快。在更新過程中，可采用西門子和羅克韋爾最新的PLC 產(chǎn)品，這樣能基本保證未來幾年內(nèi)技術(shù)先進(jìn)，不被主流自控技術(shù)淘汰。

1.3 易操作性和易維護(hù)性原則

操作性和維護(hù)性是衡量一個(gè)系統(tǒng)好壞的一個(gè)標(biāo)志，通過對(duì)系統(tǒng)工藝的進(jìn)一步磨合，進(jìn)一步完善鼓風(fēng)機(jī)的實(shí)際操作工藝，有利于操作人員操作。早期鼓風(fēng)機(jī)自控系統(tǒng)一般存在缺陷，不容易維護(hù)，這樣便增加了技術(shù)人員的操作和管理的難度。在系統(tǒng)改造中，增加了人性化較好的彩色觸摸屏輔助操作，以實(shí)現(xiàn)整體易操作性和易維護(hù)性。

1.4 一致性原則

一致性原則，指改造過程中，兼顧運(yùn)行人員操作習(xí)慣和工藝運(yùn)行特點(diǎn)，努力降低鼓風(fēng)機(jī)的改造成本。機(jī)械部分適宜沿用原有設(shè)備，對(duì)故障機(jī)械部件進(jìn)行更替，僅對(duì)鼓風(fēng)機(jī)自控系統(tǒng)進(jìn)行改造。實(shí)踐證明，通過改造的鼓風(fēng)機(jī)更加成熟可靠。在原設(shè)計(jì)圖紙基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善，追加新功能，使系統(tǒng)更加實(shí)用，同樣兼顧技術(shù)工作人員查閱和維修。

2 鼓風(fēng)機(jī)自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和改造內(nèi)容

2.1 鼓風(fēng)機(jī)自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

鼓風(fēng)機(jī)自控系統(tǒng)組成包括：就地控制柜、總控柜、壓力變送器、熱空氣流量計(jì)、溫度計(jì)等相關(guān)儀表及探頭組成。

就地控制柜主要集成供電系統(tǒng)、就地操作、繼電保護(hù)等部件，采集離心鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)傳輸給總控柜功能；總控制柜接收反饋信號(hào)后，中央處理器運(yùn)算單元根據(jù)儀表反饋信號(hào)，采用PID 控制、風(fēng)量數(shù)學(xué)模型等對(duì)離心鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化控制。根據(jù)工藝實(shí)際需要，設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行數(shù)量和運(yùn)行次序，并根據(jù)設(shè)定的運(yùn)行時(shí)間和溶解氧數(shù)據(jù)范圍，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

離心鼓風(fēng)機(jī)壓力變送器和熱空氣流量計(jì)等儀表，主要作用是對(duì)設(shè)備重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，并且通過模擬量、數(shù)字量信號(hào)傳送給就地控制柜。

2.2 鼓風(fēng)機(jī)自控系統(tǒng)改造內(nèi)容

對(duì)就地控制柜、總控柜進(jìn)行相關(guān)更換，將PLC 設(shè)備替換成最新西門子300 系列PLC 或者羅克韋爾的PLC 最新1769 系列產(chǎn)品，機(jī)械設(shè)備部分保持不變。對(duì)原有鼓風(fēng)機(jī)功能進(jìn)行二次開發(fā)設(shè)計(jì)，以滿足鼓風(fēng)機(jī)操作新功能需求。

3 鼓風(fēng)機(jī)自控系統(tǒng)改造方案

根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)原工藝流程，參照現(xiàn)有說明書和安裝維護(hù)手冊(cè)，并依據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，制定適宜的鼓風(fēng)機(jī)自控改造方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的優(yōu)化管理。在硬件改造方面，對(duì)就地控制柜及總控柜、觸摸屏進(jìn)行更新迭代，完善數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)監(jiān)測(cè)；同時(shí)，增加觸摸屏，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作、狀態(tài)顯示和故障報(bào)警；通過以太網(wǎng)通訊和中心控制室計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在軟件改造方面，進(jìn)一步完善啟動(dòng)程序部分、停機(jī)程序部分、部件操作程序部分、系統(tǒng)保護(hù)程序部分和服務(wù)狀態(tài)這5 部分。

3.1 啟動(dòng)程序

通過設(shè)計(jì)，對(duì)PLC 供電單元進(jìn)行檢測(cè)；分別對(duì)油壓壓力、油溫溫度和放空閥到位情況、導(dǎo)葉片位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將上述要素組合成開機(jī)條件。開機(jī)條件滿足在無喘振報(bào)警、再循環(huán)報(bào)警、電機(jī)溫度高報(bào)警等相關(guān)報(bào)警情況下，啟動(dòng)程序啟動(dòng)。如果存在不滿足上述條件的情況下，系統(tǒng)不能啟動(dòng)。

3.2 停機(jī)程序

停機(jī)分為正常停機(jī)和故障停機(jī)，正常停機(jī)采用手動(dòng)模式和自動(dòng)遠(yuǎn)程模式。自動(dòng)遠(yuǎn)程模式根據(jù)總控制柜，通過設(shè)置PID 參數(shù)、總風(fēng)量、投入運(yùn)行的鼓風(fēng)機(jī)數(shù)量，并根據(jù)溶解氧需求量來遠(yuǎn)程開啟和關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)；手動(dòng)停機(jī)采用觸摸屏來控制開關(guān)。

通過自動(dòng)、手動(dòng)和服務(wù)測(cè)試模式來實(shí)現(xiàn)對(duì)直線電機(jī)、油泵、導(dǎo)葉片等部件的控制。

3.3 監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)保護(hù)程序

系統(tǒng)保護(hù)是自控程序的核心，是通過保護(hù)程序來對(duì)鼓風(fēng)機(jī)機(jī)械部分進(jìn)行保護(hù)。保護(hù)分為單項(xiàng)報(bào)警、復(fù)合報(bào)警以及系統(tǒng)鎖定報(bào)警等。

3.3.1 單項(xiàng)報(bào)警

油壓低報(bào)警、高油溫報(bào)警、喘振報(bào)警、電機(jī)溫度高報(bào)警等，上述單項(xiàng)普通報(bào)警直接造成系統(tǒng)停機(jī)。采用“reset”鍵恢復(fù)正常后，系統(tǒng)滿足開機(jī)條件，才能重新開機(jī)。

3.3.2 復(fù)合報(bào)警

滿足鼓風(fēng)機(jī)開啟后，運(yùn)行過程中在信號(hào)無反饋或丟失、閥門故障或急停等情況下，立即發(fā)生復(fù)合報(bào)警。運(yùn)行條件滿足供電情況正常下，系統(tǒng)開啟3min 后，自控運(yùn)行信號(hào)無反饋，立即觸發(fā)復(fù)合報(bào)警，通過復(fù)合報(bào)警來保護(hù)鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。

3.3.3 系統(tǒng)鎖定

當(dāng)主電路斷路器合閘和開機(jī)按鍵觸發(fā)后，運(yùn)行信號(hào)無反饋時(shí)，反復(fù)操作4 次，然后將系統(tǒng)轉(zhuǎn)入系統(tǒng)鎖定狀態(tài)，防止誤操作造成損壞。

3.4 服務(wù)維護(hù)

服務(wù)維護(hù)模式，將就地控制柜內(nèi)的“service test”鍵的狀態(tài)設(shè)置為“1”，風(fēng)機(jī)的主電機(jī)不啟動(dòng)，可以模擬系統(tǒng)啟動(dòng)，用來自控系統(tǒng)檢查。若運(yùn)行條件滿足，無故障報(bào)警顯示，供電正常，鼓風(fēng)機(jī)可投入運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

鼓風(fēng)機(jī)在污水廠有重要的核心位置，擁有良好可靠性的鼓風(fēng)機(jī)是污水廠運(yùn)營(yíng)的長(zhǎng)期安全保障。針對(duì)各種不同品牌、不通型號(hào)的鼓風(fēng)機(jī)，匹配具體的生化池運(yùn)行環(huán)境的特點(diǎn)來制定自控方案。通過實(shí)踐探索出合理的方案，作為新項(xiàng)目的實(shí)踐依據(jù)，達(dá)到對(duì)生化池曝氣穩(wěn)定、水質(zhì)指標(biāo)的優(yōu)化控制，促進(jìn)污水處理廠的可靠運(yùn)行。