高速离心鼓风机自控改造技术初探

蒋 磊

（烟台工程职业技术学院，山东 烟台 264006）

0 引言

在污水处理厂设备总投资中，生物池鼓风机属于工艺设备中的关键设备，主要用于生物池曝气池的生物曝气。在曝气池生化工艺中，鼓风机曝气关系到曝气池溶解氧浓度高低，符合工艺参数要求的曝气有利于促进微生物环境形成，能有效达到污水的除磷脱氮效果。鼓风机曝气过程中，曝气管道中空气温度基本在75℃～100℃，能给生物池内污水输送热量，让污水保持一定的温度，有利于微生物的生存。同时，鼓风机的运行也产生大量能耗，据统计鼓风机能耗占污水厂总能耗一半左右。优秀的鼓风机控制系统能大幅降低电能的消耗，例如目前流行的精确曝气系统。

选择具有节能高效、控制先进的自动化控制鼓风机系统，能有效满足污水处理厂优化运行工艺方案，满足污水处理厂出水国家标准，从而能保证污水处理厂安全、稳定、高效运行。同时，对鼓风机的维护保养、故障解决、技术改造提出更高的要求。

早期国内污水处理厂多采用国外资金和技术建设，主要的工艺设备鼓风机、脱水机、浓缩机等工艺处理设备，基本上采用进口。运行十几年来，大多污水处理厂的工艺设备普遍面临大修、更新问题。

在大修和更新过程中，鼓风机的工艺设备、机械配件可采用进口/定制或替代的方式有效解决。但自控系统中，软件部分就需要一定的难度。首先，鼓风机原自控硬件已老化，在国内且无配件进行采购，厂家已停止提供技术支持；其次，原生产鼓风机厂家，因知识产权等方面的原因，不提供原代码或提供加密代码，对后期鼓风机改造形成很大障碍。因此，需对整体工艺和运行操作流程深入了解后，才能进行鼓风机自控程序编写，故难度增大。

1 鼓风机自控改造设计原则

曝气系统主要是给生物池的好氧活性污泥的微生物供氧，以供微生物消耗有机物，以达到去除大部分有机物目的；同时，对生物池的硝化细菌供氧，以使氮类物质发生硝化作用。

在污水处理厂中，生物池面积一般较大，关联工艺设备比较分散。鼓风机自控系统一般适宜采用集中控制原则，分散工艺设备就近纳入附近的远程IO 自控柜中，通过TCP/IP 通讯、Profibus 通讯或ControlNet 与主PLC 进行通讯，并由主PLC 进行程序的自动和手动控制，来完成和实现对鼓风机的系统控制。在离心鼓风机改造过程中，遵循设计原则：

1.1 可靠性原则

可靠性原则是鼓风机能否可靠运行的关键点。系统需遵循可靠原则，将故障和报警分为重要、一般、轻度等级，通过故障报警、停机程序来保护鼓风机的安全运行。

1.2 先进性和稳定性原则

先进性和稳定性原则，选择先进性技术是增强可靠性的有效途径。首先，技术稳定才能保障鼓风机能在复杂环境下，平滑稳定运行。目前，自控新旧交替技术更替越来越快。在更新过程中，可采用西门子和罗克韦尔最新的PLC 产品，这样能基本保证未来几年内技术先进，不被主流自控技术淘汰。

1.3 易操作性和易维护性原则

操作性和维护性是衡量一个系统好坏的一个标志，通过对系统工艺的进一步磨合，进一步完善鼓风机的实际操作工艺，有利于操作人员操作。早期鼓风机自控系统一般存在缺陷，不容易维护，这样便增加了技术人员的操作和管理的难度。在系统改造中，增加了人性化较好的彩色触摸屏辅助操作，以实现整体易操作性和易维护性。

1.4 一致性原则

一致性原则，指改造过程中，兼顾运行人员操作习惯和工艺运行特点，努力降低鼓风机的改造成本。机械部分适宜沿用原有设备，对故障机械部件进行更替，仅对鼓风机自控系统进行改造。实践证明，通过改造的鼓风机更加成熟可靠。在原设计图纸基础上进一步完善，追加新功能，使系统更加实用，同样兼顾技术工作人员查阅和维修。

2 鼓风机自控系统结构组成和改造内容

2.1 鼓风机自控系统结构组成

鼓风机自控系统组成包括：就地控制柜、总控柜、压力变送器、热空气流量计、温度计等相关仪表及探头组成。

就地控制柜主要集成供电系统、就地操作、继电保护等部件，采集离心鼓风机运行信号传输给总控柜功能；总控制柜接收反馈信号后，中央处理器运算单元根据仪表反馈信号，采用PID 控制、风量数学模型等对离心鼓风机进行优化控制。根据工艺实际需要，设置鼓风机的运行数量和运行次序，并根据设定的运行时间和溶解氧数据范围，动态调节鼓风机运行。

离心鼓风机压力变送器和热空气流量计等仪表，主要作用是对设备重要参数进行监视，并且通过模拟量、数字量信号传送给就地控制柜。

2.2 鼓风机自控系统改造内容

对就地控制柜、总控柜进行相关更换，将PLC 设备替换成最新西门子300 系列PLC 或者罗克韦尔的PLC 最新1769 系列产品，机械设备部分保持不变。对原有鼓风机功能进行二次开发设计，以满足鼓风机操作新功能需求。

3 鼓风机自控系统改造方案

根据鼓风机原工艺流程，参照现有说明书和安装维护手册，并依据运行经验，制定适宜的鼓风机自控改造方案，以实现对鼓风机的优化管理。在硬件改造方面，对就地控制柜及总控柜、触摸屏进行更新迭代，完善数据采集及状态监测；同时，增加触摸屏，对鼓风机设备进行现场操作、状态显示和故障报警；通过以太网通讯和中心控制室计算机进行数据传输。在软件改造方面，进一步完善启动程序部分、停机程序部分、部件操作程序部分、系统保护程序部分和服务状态这5 部分。

3.1 启动程序

通过设计，对PLC 供电单元进行检测；分别对油压压力、油温温度和放空阀到位情况、导叶片位置进行监测，并将上述要素组合成开机条件。开机条件满足在无喘振报警、再循环报警、电机温度高报警等相关报警情况下，启动程序启动。如果存在不满足上述条件的情况下，系统不能启动。

3.2 停机程序

停机分为正常停机和故障停机，正常停机采用手动模式和自动远程模式。自动远程模式根据总控制柜，通过设置PID 参数、总风量、投入运行的鼓风机数量，并根据溶解氧需求量来远程开启和关闭鼓风机系统；手动停机采用触摸屏来控制开关。

通过自动、手动和服务测试模式来实现对直线电机、油泵、导叶片等部件的控制。

3.3 监测和系统保护程序

系统保护是自控程序的核心，是通过保护程序来对鼓风机机械部分进行保护。保护分为单项报警、复合报警以及系统锁定报警等。

3.3.1 单项报警

油压低报警、高油温报警、喘振报警、电机温度高报警等，上述单项普通报警直接造成系统停机。采用“reset”键恢复正常后，系统满足开机条件，才能重新开机。

3.3.2 复合报警

满足鼓风机开启后，运行过程中在信号无反馈或丢失、阀门故障或急停等情况下，立即发生复合报警。运行条件满足供电情况正常下，系统开启3min 后，自控运行信号无反馈，立即触发复合报警，通过复合报警来保护鼓风机系统。

3.3.3 系统锁定

当主电路断路器合闸和开机按键触发后，运行信号无反馈时，反复操作4 次，然后将系统转入系统锁定状态，防止误操作造成损坏。

3.4 服务维护

服务维护模式，将就地控制柜内的“service test”键的状态设置为“1”，风机的主电机不启动，可以模拟系统启动，用来自控系统检查。若运行条件满足，无故障报警显示，供电正常，鼓风机可投入运行。

4 结束语

鼓风机在污水厂有重要的核心位置，拥有良好可靠性的鼓风机是污水厂运营的长期安全保障。针对各种不同品牌、不通型号的鼓风机，匹配具体的生化池运行环境的特点来制定自控方案。通过实践探索出合理的方案，作为新项目的实践依据，达到对生化池曝气稳定、水质指标的优化控制，促进污水处理厂的可靠运行。