基于和利时LK大型PLC的鼓风机防喘振控制系统.pdf

92 T echnology技术纵横 文献标识码文献标识码B 文章编号1003-0492 2020 10-092-04中图分类号文章编号1003-0492 2020 10-092-04中图分类号TP273273 基于和利时LK大型PLC的 鼓风机防喘振控制系统 Blower Anti-surge Control System Based on Hollysys LK PLC ★王 云 飞 （ 北京和利时智能技术有限公司，北 京王 云 飞 （ 北京和利时智能技术有限公司，北 京100176 摘要本文针对鼓风机喘振现象，提出了基于摘要本文针对鼓风机喘振现象，提出了基于PLC控制器的鼓风机防喘控制器的鼓风机防喘 振控制系统。根据鼓风机的喘振特性曲线，分析喘振现象发生的原因及振控制系统。根据鼓风机的喘振特性曲线，分析喘振现象发生的原因及 主要因素，通过主要因素，通过PID调节来控制鼓风机的运行状态，使鼓风机的工作点调节来控制鼓风机的运行状态，使鼓风机的工作点 处于安全区域。该系统采用和利时处于安全区域。该系统采用和利时LK大型大型PLC设计，通过计算鼓风机的设计，通过计算鼓风机的 运行参数，对防喘阀进行实时调节，避免喘振的发生，从而提高设备的运行参数，对防喘阀进行实时调节，避免喘振的发生，从而提高设备的 使用寿命，保证了污水处理厂的稳定运行。使用寿命，保证了污水处理厂的稳定运行。 关键词鼓风机；关键词鼓风机；PLC;防喘振防喘振； PID Abstract Aiming at the phenomenon of blower surge, this paper proposes a blower anti-surge control system based on PLC controller. According to the surge characteristic curve of the blower, the causes and main factors of the surge phenomenon are analyzed. The operation state of the blower is controlled by PID adjustment, so that the working point of the blower is in a safe area. The system adopts Hollysys LK PLC design. According to the calculation of the operating parameters of the blower, the anti-surge valve is adjusted in real time to avoid the occurrence of surge, so as to increase the service life of the equipment and ensuring the stable operation of the sewage treatment plant. Key words Blower; PLC; Anti-surge; PID 1引言1引言 鼓风机是污水处理厂的核心设备，用于好氧生化 工艺，为好氧微生物提供氧气、维持好氧微生物的生 长，同时混合搅拌，防止污泥沉积，增大污染物与微生 物的接触面积，从而达到高效除污的目的。鼓风曝气是 污水处理工艺过程中的重要环节，如果鼓风机发生喘振， 与之相联的外围设备也会产生共振，不仅设备本身会受到 损害，还会影响污水处理重要工艺段的正常运行，影响除 污效率，导致出水水质不达标和其他经济损失。 在 污水处理工艺中常用的鼓风机有罗茨鼓风 机、离心鼓风机、空气悬浮鼓风机和磁悬浮鼓风机。其 中，空气悬浮鼓风机和磁悬浮鼓风机一般配备独立的控 制器，来监控风机的运行，控制器和污水厂的集控系统 进行通信，而罗茨鼓风机和离心鼓风机一般不配备控制 器，需由污水厂集控系统统一进行监控。本文以离心鼓 风机为例，通过和利时LK大型PLC搭建的污水厂集控 系统，对离心鼓风机进行防喘振控制，以保证鼓风机的 安全、稳定运行。 2离心鼓风机的工作原理2离心鼓风机的工作原理 离心鼓风机由电动机、风机壳体、叶轮、主轴、 联动轴和润滑系统等组成，其剖面图如图1所示。当电 机转动带动风机叶轮旋转时，叶片之间的气体也跟着旋 转，这时气体受到离心力的作用，气体被甩向叶轮边 缘，于是叶轮中心就形成真空。在外界大气压的作用 下，空气被吸入鼓风机的壳体内进行补充，将部分动能 转变为压力能，然后通过管道排出，从而形成了风机的 连续工作。 2020.10 AUTOMATION PANORAMA 9 3 图l离心式鼓风机剖面图 3喘振产生原因3喘振产生原因 鼓风机运行时，由于进气压力过低、进口风道过 滤网堵塞、鼓风机转速忽然降低、排气量忽然减小等不 稳定工况，鼓风机出口压力可能出现大幅下降的情况。 当送气管道中的压力大于风机出口的压力时，管道中的 气体会倒流至风机内，直到管道中压力小于风机出口压 力才停止。然后，鼓风机继续向管网送气，使风机出口 压力再次降低，管道中的气体又倒流至风机内。如此周 而复始，气体会在鼓风机内部逬行周期性的振荡，产生 剧烈震动，并伴有很大的声响，造成喘振现象的出现。 4影响喘振的主要因素4影响喘振的主要因素 鼓风机的喘振曲线是呈驼峰状的，如图2所示。图 中横坐标Q为风机流量，纵坐标P为风机出口压力， n 为风机转速。鼓风机在不同转速下，对应不同的特性曲 线，A1〜A4代表不同转速下的喘振点。喘振点右侧为 稳定区，而风机流量随出口压力的增大而减小。当达到 该转速下的喘振点时，鼓风机进入喘振区，出口压力幵 始减小，流量也随之减小，机组发生喘振。风机流量和 转速是呈正比的，当风机流量减小时，风机转速必然降 低，所以从风机本身可控参数来说，转速减小是发生喘 振的根本原因。 图2 喘振特性曲线 影响风机喘振的因素还有诸多外界因素的影响， 如进气压力、进气温度、气体分子质量等。风机入口 压力越低，风机流量就越小，越容易喘振；入口温度越 高，气体密度越低，越容易喘振；在入口温度一定的情 况下，气体分子质量越小，越容易喘振。 5防喘振难点分析5防喘振难点分析 鼓风机的工作环境是动态变化的，增加或减少风机 运行的数量时，送风管路压力会产生波动；某些工艺切 换曝气池时，送气管路压力会产生波动；曝气池内水位 的变化，也会改变送气管路的压力。 以上压力的变化都 会影响风机流量，所以风机的工作点也是动态变化的。 为了防止喘振现象的发生，需要采集大量的风机负荷数 据，计算出动态的防喘振点，并通过PID实时调节，控制 防喘阀的幵度。同时，基于鼓风机喘振曲线，计算不同 工况下的放空线、防喘振线及报警线，以防喘振线作为 调控的节点，调整防喘阀的开度，改变风机的工作点， 避免进入喘振区。综上，防喘振控制系统设计对数据采 集的精准度、CPU的运算速度等提出了较高的要求。 6防喘振控制的主要方法6防喘振控制的主要方法 1 定极限流量法 定极限流量法，简言之，就是设定定值流量，使 鼓风机的流量始终保持大于这一定值流量，防止设备 因流量变化而逬入喘振区。此方法的优点是控制系统简 单，使用仪表较少。缺点是当压缩机低速运行时，风机 流量可能小于设置的固定极限流量，这种情况下，防喘 振系统投入，旁路阀打开，气体回流，造成能量的浪 费。这种防喘振控制适用于固定转速的场合。 2 变极限流量法 变极限流量法是设置极限流量随着转速而变的一 种防喘振控制法。因为不同转速工况下，极限喘振流量 是一个动态参数，它随转速的下降而变小，所以需要留 有适当的安全裕量，使防喘阀沿着喘振极限流量曲线右 侧的一条安全控制线工作。该方法主要应用于随动系 统，结合检测仪表的参数，自动给定喘振极限流量值， 使风机一直处于稳定区。 7防喘振控制系统设计7防喘振控制系统设计 对于不配备控制器的离心鼓风机，需由污水厂集 94 i Technology 技术纵横 控系统统一进行防喘振控制。本系统采用和利时LK大 型PLC搭建污水厂集控系统，网 络 架 构 采 用 “ 星型网 络”。共设两套PLC主站、两套远程站点及两套PLC从 站，通过中心交换机汇集至调度室，其中所有鼓风机的 信号由进水泵房PLC站统一监控。网络架构如图3所示。 ITT I I I I i t i n 操作员站 孃作员站 服务M HolliSCADA大屏雇示 1111 I 駑外at PLC站 加b间及其他从站 EABACSBAlfSIfS 图3 污水厂网络架构图 随着污水厂对鼓风机安全启停的需求以及降低污水 厂运行成本的目的，变频控制应用更加广泛。针对变频 控制系统，优 先 采 用 “ 变极限流量法”来实现鼓风机的 防喘振控制。通过在线仪表检测鼓风机进口压力、进口 流量、喉部压差、进口温度、出口压力、出口流量、风 机转速及电机温度等，并根据PID调节来控制防喘阀动 作，对防喘振的算法与联锁逻辑进行有效控制。鼓风机 工艺流程如图4所示。 ① 入口压力 ② 入 口 織 ③ 入口温度 ④ 唯部压差 ⑤ 出口压力 出口滴量 逆止阀送气阀 生化池 图4 离心鼓风机工艺流程图 变极限流量法需要根据鼓风机的特性曲线，为 喘振调节留出适当的安全裕量。根据实际经验，计算 出图2中 的 报 警 线 （ 喘 振 线 的 下 移 1〇 12、防喘 振 线 （ 喘 振 线 下 移 810及 放 空 线 （ 喘振线下移 3 5 。防喘振流量是通过计算得到的，根据喘振 特性曲线、鼓风机进口压力、进口流量、出口压力及风 机转速等负荷参数，计算出该工况下的喘振极限流量， 从而计算出防喘振流量。 以上参数均是动态参数，且系 入口过滤器 ① ② ③ ⑤ P摊阀 放空阀 统运行过程中有较多的外界干扰，所以防喘振流量设定 值也是动态参数。 为 了 避 免 喘振的发生，防 喘 阀 采 用 “ 快开、慢 关”的设计。当风机运行点到达放空线时，防喘阀快速 打开，使运行点回到报警线以下。此时防喘阀在关闭的 时候，应缓慢关闭，即防喘阀在打幵和关闭的过程中， 速度是不一样的。为 了 实 现 “ 快开、慢关”功能，可改 变PID参数中的比例项或积分项，通过偏差Pe的值来判 定 “ 快开、慢关”的过程。 8防喘振控制系统实现8防喘振控制系统实现 鼓风机防喘振系统的实现采用模块化程序的设计 方法，包含模拟量出入模块、模拟量输出模块、比较器 模块、PID调节模块等组成，如图5所示。其中，将入 口流量Q经过折线运算后得到的出口压力作为PID控制 的 设 定 以 此 来 控 制 出 口 压 力P_〇UT，压力偏 差PeP_〇UT-P_SET。风机正常工作时，Pe0，以此来调节防喘阀的开度。 图5 防喘振控制原理图 2020.10 AUTOMATION PANORAMA9 5 风机启动时，放空 阀和防喘阀全部打开，待放 空阀和防喘阀同时开到位后，风机开始运行。 当风机 到达一定转速时，放空阀关闭，缓慢减小防喘振阀开 度。 由出口压力及鼓风机流量联锁，对防喘阀进行实 时调节，使风机的工作点保持在防喘振线以下，达到 稳定运行的目的。 当风机工作点到达报警线时，触发喘振预警 信号，提醒工作人员密切关注风机的运行状况； 当风机工作点到达防喘振线时，PID幵始调 节，通过计算防喘振压力与出口压力的压差Pe，来调 节防喘阀的开度，改变通过鼓风机的流量，调节出口压 力。保持工作点位于喘振线以下，避免进入喘振区； 当风机工作点到达放空线时，防喘阀全部打 开，迅速提高鼓风机流量，并根据出口压力等参数，缓 慢的减小防喘阀的幵度，使风机快速脱离喘振区，实现 防喘阀的快开、慢关功能； 防喘振控制系统逻辑如下 VAR P_SET REAL; *风机出口压力设定值* P_OUT REAL; *风机出口压力检测值* PIDSTARTBO〇L; *PID调节介入* KpREAL; KiREAL; KREAL; *比例常量* PeREAL; *压力偏差* PelREAL; *压力偏差 1* ki_integralREAL; *积分增益* increment_PREAL; *压差增量* END一VAR IF PID_START1 THEN PeP_SET-POUT; PelPSET-P_〇UT; ELSE PeP_OUT-P_SET; PelP_〇UT-P_SET; IF Pe0 THEN ki_integralki 一 integralK*Pe; ELSE ki_integral ki_integralPe; END_IF increment_PKp*Pelki_integral/Ki; END IF 9结论9结论 LK大型PLC具有533MHz处理器，定点数运算速 度可达0.01，完全满足鼓风机进口压力、进口流量、 出口压力及风机转速等参数的快速运算及响应；同时具 有16位高分辨率的模拟量输入模块，数据采集精度更 高，使PID调节更加精准可靠；LK大型PLC不限制PID 控制回路个数，能够满足所有鼓风机防喘振控制及其他 工艺环节的PID控制；LK全系列模块的三防涂层设计， 对污水厂严苛的工况环境具有更高的适用性。基于以上 系统特点，采用和利时LK大型PLC搭建离心鼓风机的 防喘振控制系统，可以极大地提高系统运行的可靠性， 减少喘振现象的发生几率，确保整个机组的平稳运行， 为好氧生化工艺提供稳定的供养环境，维持系统高效的 除污率，保障出水水质达标排放D IE 作者简介 王 云 飞 （ 1 9 9 0 - ，河北石家庄人，工 程 师 ，专 科 ， 现任北京和利时智能技术有限公司高级技术支持，主 要研究工业自动化控制系统的应用，在水务行业经验 丰富。 参考文献 [1] 田海， 刘赫轩.信息融合的高炉鼓风机防喘振控制策略研究[J].自动化仪表,2017,（ 08 33 - 36. 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