高速離心鼓風機自控改造技術(shù)初探

蔣 磊

（煙臺工程職業(yè)技術(shù)學院，山東 煙臺 264006）

0 引言

在污水處理廠設備總投資中，生物池鼓風機屬于工藝設備中的關(guān)鍵設備，主要用于生物池曝氣池的生物曝氣。在曝氣池生化工藝中，鼓風機曝氣關(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微生物環(huán)境形成，能有效達到污水的除磷脫氮效果。鼓風機曝氣過程中，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，鼓風機的運行也產(chǎn)生大量能耗，據(jù)統(tǒng)計鼓風機能耗占污水廠總能耗一半左右。優(yōu)秀的鼓風機控制系統(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、控制先進的自動化控制鼓風機系統(tǒng)，能有效滿足污水處理廠優(yōu)化運行工藝方案，滿足污水處理廠出水國家標準，從而能保證污水處理廠安全、穩(wěn)定、高效運行。同時，對鼓風機的維護保養(yǎng)、故障解決、技術(shù)改造提出更高的要求。

早期國內(nèi)污水處理廠多采用國外資金和技術(shù)建設，主要的工藝設備鼓風機、脫水機、濃縮機等工藝處理設備，基本上采用進口。運行十幾年來，大多污水處理廠的工藝設備普遍面臨大修、更新問題。

在大修和更新過程中，鼓風機的工藝設備、機械配件可采用進口/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，鼓風機原自控硬件已老化，在國內(nèi)且無配件進行采購，廠家已停止提供技術(shù)支持；其次，原生產(chǎn)鼓風機廠家，因知識產(chǎn)權(quán)等方面的原因，不提供原代碼或提供加密代碼，對后期鼓風機改造形成很大障礙。因此，需對整體工藝和運行操作流程深入了解后，才能進行鼓風機自控程序編寫，故難度增大。

1 鼓風機自控改造設計原則

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物，以達到去除大部分有機物目的；同時，對生物池的硝化細菌供氧，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)工藝設備比較分散。鼓風機自控系統(tǒng)一般適宜采用集中控制原則，分散工藝設備就近納入附近的遠程IO 自控柜中，通過TCP/IP 通訊、Profibus 通訊或ControlNet 與主PLC 進行通訊，并由主PLC 進行程序的自動和手動控制，來完成和實現(xiàn)對鼓風機的系統(tǒng)控制。在離心鼓風機改造過程中，遵循設計原則：

1.1 可靠性原則

可靠性原則是鼓風機能否可靠運行的關(guān)鍵點。系統(tǒng)需遵循可靠原則，將故障和報警分為重要、一般、輕度等級，通過故障報警、停機程序來保護鼓風機的安全運行。

1.2 先進性和穩(wěn)定性原則

先進性和穩(wěn)定性原則，選擇先進性技術(shù)是增強可靠性的有效途徑。首先，技術(shù)穩(wěn)定才能保障鼓風機能在復雜環(huán)境下，平滑穩(wěn)定運行。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，不被主流自控技術(shù)淘汰。

1.3 易操作性和易維護性原則

操作性和維護性是衡量一個系統(tǒng)好壞的一個標志，通過對系統(tǒng)工藝的進一步磨合，進一步完善鼓風機的實際操作工藝，有利于操作人員操作。早期鼓風機自控系統(tǒng)一般存在缺陷，不容易維護，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，以實現(xiàn)整體易操作性和易維護性。

1.4 一致性原則

一致性原則，指改造過程中，兼顧運行人員操作習慣和工藝運行特點，努力降低鼓風機的改造成本。機械部分適宜沿用原有設備，對故障機械部件進行更替，僅對鼓風機自控系統(tǒng)進行改造。實踐證明，通過改造的鼓風機更加成熟可靠。在原設計圖紙基礎上進一步完善，追加新功能，使系統(tǒng)更加實用，同樣兼顧技術(shù)工作人員查閱和維修。

2 鼓風機自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和改造內(nèi)容

2.1 鼓風機自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

鼓風機自控系統(tǒng)組成包括：就地控制柜、總控柜、壓力變送器、熱空氣流量計、溫度計等相關(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、繼電保護等部件，采集離心鼓風機運行信號傳輸給總控柜功能；總控制柜接收反饋信號后，中央處理器運算單元根據(jù)儀表反饋信號，采用PID 控制、風量數(shù)學模型等對離心鼓風機進行優(yōu)化控制。根據(jù)工藝實際需要，設置鼓風機的運行數(shù)量和運行次序，并根據(jù)設定的運行時間和溶解氧數(shù)據(jù)范圍，動態(tài)調(diào)節(jié)鼓風機運行。

離心鼓風機壓力變送器和熱空氣流量計等儀表，主要作用是對設備重要參數(shù)進行監(jiān)視，并且通過模擬量、數(shù)字量信號傳送給就地控制柜。

2.2 鼓風機自控系統(tǒng)改造內(nèi)容

對就地控制柜、總控柜進行相關(guān)更換，將PLC 設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，機械設備部分保持不變。對原有鼓風機功能進行二次開發(fā)設計，以滿足鼓風機操作新功能需求。

3 鼓風機自控系統(tǒng)改造方案

根據(jù)鼓風機原工藝流程，參照現(xiàn)有說明書和安裝維護手冊，并依據(jù)運行經(jīng)驗，制定適宜的鼓風機自控改造方案，以實現(xiàn)對鼓風機的優(yōu)化管理。在硬件改造方面，對就地控制柜及總控柜、觸摸屏進行更新迭代，完善數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)監(jiān)測；同時，增加觸摸屏，對鼓風機設備進行現(xiàn)場操作、狀態(tài)顯示和故障報警；通過以太網(wǎng)通訊和中心控制室計算機進行數(shù)據(jù)傳輸。在軟件改造方面，進一步完善啟動程序部分、停機程序部分、部件操作程序部分、系統(tǒng)保護程序部分和服務狀態(tài)這5 部分。

3.1 啟動程序

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

3.2 停機程序

停機分為正常停機和故障停機，正常停機采用手動模式和自動遠程模式。自動遠程模式根據(jù)總控制柜，通過設置PID 參數(shù)、總風量、投入運行的鼓風機數(shù)量，并根據(jù)溶解氧需求量來遠程開啟和關(guān)閉鼓風機系統(tǒng)；手動停機采用觸摸屏來控制開關(guān)。

通過自動、手動和服務測試模式來實現(xiàn)對直線電機、油泵、導葉片等部件的控制。

3.3 監(jiān)測和系統(tǒng)保護程序

系統(tǒng)保護是自控程序的核心，是通過保護程序來對鼓風機機械部分進行保護。保護分為單項報警、復合報警以及系統(tǒng)鎖定報警等。

3.3.1 單項報警

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

3.3.2 復合報警

滿足鼓風機開啟后，運行過程中在信號無反饋或丟失、閥門故障或急停等情況下，立即發(fā)生復合報警。運行條件滿足供電情況正常下，系統(tǒng)開啟3min 后，自控運行信號無反饋，立即觸發(fā)復合報警，通過復合報警來保護鼓風機系統(tǒng)。

3.3.3 系統(tǒng)鎖定

當主電路斷路器合閘和開機按鍵觸發(fā)后，運行信號無反饋時，反復操作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 服務維護

服務維護模式，將就地控制柜內(nèi)的“service test”鍵的狀態(tài)設置為“1”，風機的主電機不啟動，可以模擬系統(tǒng)啟動，用來自控系統(tǒng)檢查。若運行條件滿足，無故障報警顯示，供電正常，鼓風機可投入運行。

4 結(jié)束語

鼓風機在污水廠有重要的核心位置，擁有良好可靠性的鼓風機是污水廠運營的長期安全保障。針對各種不同品牌、不通型號的鼓風機，匹配具體的生化池運行環(huán)境的特點來制定自控方案。通過實踐探索出合理的方案，作為新項目的實踐依據(jù)，達到對生化池曝氣穩(wěn)定、水質(zhì)指標的優(yōu)化控制，促進污水處理廠的可靠運行。