董文琦,徐兆蓮，高 恒，曹玉波*

(1.吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.遼寧中集哈深冷氣體液化設(shè)備有限公司 技術(shù)中心,遼寧 開原 150000)

曝氣鼓風(fēng)機(jī)是污水處理廠的核心動(dòng)力設(shè)備，主要用于曝氣池中的生化反應(yīng)，為污泥中的好氧微生物提供足夠的氧氣來(lái)維持活性，同時(shí)進(jìn)行混合攪拌，防止污泥沉積，使污水與好氧微生物充分接觸，從而達(dá)到高效除污的作用[1-2].防喘振是鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)最重要的工作任務(wù)之一，鼓風(fēng)機(jī)一旦出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，不僅自身會(huì)受到損害，與之相連的管網(wǎng)設(shè)備等也會(huì)受到影響，進(jìn)而影響污水處理曝氣環(huán)節(jié)的正常運(yùn)作[3-4].本文通過(guò)SIEMENS S7-300PLC和WinCC組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了曝氣鼓風(fēng)機(jī)的防喘振自動(dòng)控制系統(tǒng)，保證鼓風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行.

1 鼓風(fēng)機(jī)防喘振原理及系統(tǒng)工藝流程

1.1 鼓風(fēng)機(jī)防喘振原理

鼓風(fēng)機(jī)的特性曲線大體呈駝峰狀，如圖1所示，圖中橫坐標(biāo)為風(fēng)機(jī)流量，縱坐標(biāo)為風(fēng)機(jī)出口壓力[5].鼓風(fēng)機(jī)在工作時(shí)，一般情況下入口導(dǎo)葉角度保持不變，由于SBR反應(yīng)池循環(huán)曝氣的影響，會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)系統(tǒng)阻力增加，從而使鼓風(fēng)機(jī)出口壓力陡增，流量下降.入口導(dǎo)葉片氣流沖角加大，在葉片背面產(chǎn)生氣體分離，形成脫離區(qū)，導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)出口排氣壓力突然下降.當(dāng)管網(wǎng)中的壓力大于鼓風(fēng)機(jī)出口壓力時(shí)，管網(wǎng)中的氣體會(huì)倒流回鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)直到管網(wǎng)壓力小于鼓風(fēng)機(jī)出口壓力，脫離區(qū)一般會(huì)隨著壓力下降而分離消失，鼓風(fēng)機(jī)繼續(xù)向管網(wǎng)供氣，當(dāng)壓力再上升時(shí)又產(chǎn)生氣體分離，氣體又重新倒流，氣體在鼓風(fēng)機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)分離反復(fù)從而產(chǎn)生喘振現(xiàn)象[6-7].由于管網(wǎng)阻力與SBR反應(yīng)池結(jié)構(gòu)及工作流程有關(guān)，難以控制，只有從流量、壓力入手，在即將發(fā)生喘振時(shí)，加大鼓風(fēng)機(jī)入口流量，減小出口壓力，進(jìn)而來(lái)避免喘振的發(fā)生.

圖1 喘振原理圖

1.2 鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)工藝流程

鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的工藝流程如圖2所示.空氣在經(jīng)過(guò)濾風(fēng)室以后由入口進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)，增速器對(duì)流入的空氣進(jìn)行做功提速，形成具有一定風(fēng)壓的氣流，經(jīng)過(guò)入口導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)后從鼓風(fēng)機(jī)出口通道排出，排風(fēng)通道形成4路，分別通向主、副防喘振閥，放風(fēng)閥和管網(wǎng)系統(tǒng).在鼓風(fēng)機(jī)的入口設(shè)有氣體壓力、流量以及溫度的檢測(cè)裝置；鼓風(fēng)機(jī)的出口設(shè)有氣體壓力檢測(cè)點(diǎn).當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，主防喘振閥PV-101、副防喘振閥PV-102、放風(fēng)閥XV-101完全打開，送風(fēng)閥XV-102以及入口導(dǎo)葉完全關(guān)閉.正常工作的情況下，主、副防喘振閥和放風(fēng)閥都處于關(guān)閉狀態(tài)，鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流通過(guò)送風(fēng)閥進(jìn)入SBR反應(yīng)池管網(wǎng)；如果鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)好的控制邏輯打開防喘振閥等裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終使鼓風(fēng)機(jī)恢復(fù)到正常工況.

圖2 鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)工藝流程圖

2 鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)控制策略與設(shè)計(jì)

2.1 鼓風(fēng)機(jī)防喘振控制策略

針對(duì)污水處理廠對(duì)鼓風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的需求，系統(tǒng)采用變極限流量法來(lái)實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)的防喘振控制，利用PID算法來(lái)控制防喘振閥，入口導(dǎo)葉動(dòng)作，對(duì)喘振消除與連鎖邏輯進(jìn)行有效控制.圖3為防喘振原理圖.

風(fēng)機(jī)流量Q

橫坐標(biāo)為鼓風(fēng)機(jī)流量Q，縱坐標(biāo)為鼓風(fēng)機(jī)出口壓力P，在轉(zhuǎn)速n下，C點(diǎn)為喘振點(diǎn)，喘振線右側(cè)為穩(wěn)定區(qū)，左側(cè)為喘振區(qū).

(1)防喘振閥自動(dòng)控制

系統(tǒng)的防喘振閥采用分區(qū)間控制，設(shè)置了主、副2個(gè)氣動(dòng)防喘振閥，閥門具有氣關(guān)特性，當(dāng)壓力變送器檢測(cè)到鼓風(fēng)機(jī)的出口壓力超過(guò)防喘振線后，PLC會(huì)發(fā)出開閥信號(hào)，副防喘振閥PV-102先打開.當(dāng)副防喘振閥的開度達(dá)到一定程度時(shí)，若出口壓力沒(méi)有恢復(fù)到正常工況，此時(shí)主防喘振閥PV-101打開.程序控制流程如圖4所示.

圖4 程序流程圖

防喘振閥使用了快開慢關(guān)的控制策略，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)越限時(shí)，防喘振閥要快速動(dòng)作確保鼓風(fēng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到正常工況，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)出口壓力恢復(fù)正常時(shí)，防喘振閥要平緩慢速動(dòng)作來(lái)避免壓力出現(xiàn)大波動(dòng).

(2)入口導(dǎo)葉開度控制

入口導(dǎo)葉開度的改變可以控制鼓風(fēng)機(jī)向管網(wǎng)中的供風(fēng)量，保證管網(wǎng)中有足夠的風(fēng)壓，同時(shí)可以對(duì)系統(tǒng)的防喘振起到輔助作用.入口導(dǎo)葉開度與鼓風(fēng)機(jī)入口流量連鎖，鼓風(fēng)機(jī)入口流量低于喘振流量時(shí)則通過(guò)PLC輸出開大信號(hào)，加大入口導(dǎo)葉開度.控制系統(tǒng)流程如圖5所示.

圖5 鼓風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)流程圖

鼓風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)主要包括控制、通信及監(jiān)控操作3個(gè)部分的設(shè)計(jì).控制部分采用比較安全穩(wěn)定的SIEMENS S7-300PLC，通訊部分采用PROFINET總線通信協(xié)議，監(jiān)控操作部分由SIEMENS公司開發(fā)的WinCC組態(tài)軟件進(jìn)行搭建設(shè)計(jì)[8-10].

2.2 防喘振控制

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)出口壓力、入口流量較小，不足以克服管網(wǎng)阻力，極易發(fā)生喘振現(xiàn)象.因此主防喘振閥PV-101、副防喘振閥PV-102全部打開，兩閥同時(shí)開到位后，鼓風(fēng)機(jī)開始運(yùn)行，當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)到達(dá)一定的轉(zhuǎn)速后，緩慢減小主、副防喘振閥的開度直至完全關(guān)閉，系統(tǒng)開始正常運(yùn)轉(zhuǎn)，由鼓風(fēng)機(jī)出口壓力進(jìn)行連鎖，對(duì)防喘振閥進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié).根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)的固有機(jī)械特性，需要為喘振調(diào)節(jié)留出一定的安全裕量，通過(guò)在線傳感器檢測(cè)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)出口流量、壓力、溫度，喉部壓差等參數(shù)，從而計(jì)算出當(dāng)前狀態(tài)下的極限參數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出防喘振參數(shù).鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)受到轉(zhuǎn)速、溫度等因素的干擾較多，因此以上都是動(dòng)態(tài)參數(shù)，防喘振線一般為喘振線的91%.將鼓風(fēng)機(jī)入口流量經(jīng)過(guò)折線計(jì)算后得到的出口壓力作為控制器的設(shè)定值，設(shè)定值也是動(dòng)態(tài)參數(shù)，當(dāng)壓力傳感器PIC-103檢測(cè)到實(shí)際出口壓力高于防喘振線時(shí)，壓力變送器將4～20 mA電信號(hào)通過(guò)模擬量輸入模塊給到PLC控制器中與壓力設(shè)定值計(jì)算得出偏差，依據(jù)PID算法公式計(jì)算出閥門開度，再經(jīng)模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)化為電信號(hào)對(duì)副防喘振閥PV-102進(jìn)行控制.當(dāng)副防喘振閥的開度達(dá)到70%時(shí)，若鼓風(fēng)機(jī)還沒(méi)有脫離喘振區(qū)，控制器會(huì)根據(jù)計(jì)算對(duì)主防喘振閥PV-101輸出閥門開度，使其快速打開.PID控制程序如圖6所示.

圖6 PID控制程序

2.3 入口導(dǎo)葉開度控制邏輯

當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，入口導(dǎo)葉全部關(guān)閉來(lái)減小鼓風(fēng)機(jī)的起車阻力，當(dāng)入口流量達(dá)到安全流量值時(shí)，入口導(dǎo)葉開啟到一個(gè)合適的角度來(lái)向管網(wǎng)供風(fēng).當(dāng)流量計(jì)FIC-101檢測(cè)到入口流量高于喘振流量時(shí)，變送器將4～20 mA電信號(hào)通過(guò)模擬量輸入模塊給到PLC控制器中與流量設(shè)定值計(jì)算得出偏差，依據(jù)PID算法公式計(jì)算出入口導(dǎo)葉開度，再經(jīng)模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)化為電信號(hào)對(duì)入口導(dǎo)葉開度進(jìn)行控制.根據(jù)控制邏輯選擇STL語(yǔ)言進(jìn)行編程，程序如圖7所示.

圖7 入口導(dǎo)葉開度控制程序

2.4 鼓風(fēng)機(jī)報(bào)警設(shè)計(jì)

為了鼓風(fēng)機(jī)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，使操作人員及時(shí)了解鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行情況，系統(tǒng)加入了報(bào)警程序的設(shè)計(jì)，主要分為鼓風(fēng)機(jī)起車報(bào)警、運(yùn)行報(bào)警兩部分.鼓風(fēng)機(jī)只有在相關(guān)的機(jī)械條件全部滿足后才能進(jìn)行正常工作，包括入口導(dǎo)葉、主防喘振閥PV-101、副防喘振閥PV-102、放風(fēng)閥XV-101等位置條件，只要有一個(gè)未達(dá)到起車條件，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警提示；整個(gè)控制系統(tǒng)具有多個(gè)模擬量變送器，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)出口壓力、入口流量等進(jìn)行監(jiān)控.一般情況下，報(bào)警控制線為喘振線的89%，當(dāng)出口壓力、入口流量超過(guò)報(bào)警線時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)兩者超過(guò)喘振線時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出停車信號(hào)來(lái)保證鼓風(fēng)機(jī)組的安全.控制程序如圖8所示.

圖8 報(bào)警控制程序

3 UI人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

鼓風(fēng)機(jī)防喘振控制系統(tǒng)有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)模式、遠(yuǎn)程手動(dòng)模式和遠(yuǎn)程自動(dòng)模式3種工作方式.現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)模式下工作人員可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備儀表進(jìn)行操控；切換為遠(yuǎn)程手動(dòng)模式后，工作人員可以在監(jiān)控室通過(guò)人機(jī)交互界面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)操控；切換為遠(yuǎn)程自動(dòng)模式后，系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)程序自動(dòng)運(yùn)行，工作人員只需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控即可.

人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)通過(guò)WinCC組態(tài)軟件來(lái)完成，利用自帶的工具箱進(jìn)行靜態(tài)圖形、按鈕等的繪制，然后進(jìn)行動(dòng)畫連接.人機(jī)交互界面如圖9所示.

圖9 人機(jī)交互界面

4 結(jié) 論

基于某污水處理廠曝氣鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行中存在的喘振問(wèn)題，采用SIEMENS S7-300PLC與WinCC組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了鼓風(fēng)機(jī)防喘振自動(dòng)控制系統(tǒng)，大幅度提高了曝氣鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，減少了喘振現(xiàn)象的發(fā)生概率，確保了整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行安全，為SBR反應(yīng)池中的生化反應(yīng)提供充足穩(wěn)定的溶氧量，保證污水處理環(huán)節(jié)的高效運(yùn)作.WinCC組態(tài)軟件加持下的UI人機(jī)交互界面簡(jiǎn)潔明了，操作方便，大大降低了操作人員的工作難度，系統(tǒng)整體運(yùn)行取得了良好效果.