污水处理过程中鼓风机防喘振控制的设计与实现.pdf

鼗攘剃j 计 算 机 测 量 与 控 制 ． 2 0 0 6 ． 1 4 2 C o m p u te r M ea s u r em e n t ＆ C o n tro l 2 1 7 文章缩号 1 6 7 1 ～4 5 9 8 I 2 0 0 6 0 2 --0 2 1 7 --0 2 中圈分 类号 TP 2 9 文献标 识码 A 污水处理过程中鼓风机 防喘振控制的设计与实现 张婉悦 ，唐 健 ，孙以雷。 ，宋颖梅。 1 ．沈阳理工大学 信息工程与科学分院，辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 8 ；2 ．江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江2 1 2 0 0 3 ； 3 ．沈阳鼓风机厂 自动控制工程公司，辽宁 沈阳 1 1 0 0 3 2 摘要 为确保 鼓风机 在污水处理过程 中稳定可靠地高速运行 ，需有效地控制喘振现象 ，同时考虑到小城 镇建设 的小型污水处 理厂的 经济承受能力有限 ，提出采用低成本 的 Mo o r e 3 5 3自动过程控制器设计与实现 防喘振控制 I通过分 析污水 处理过程 中风机 防喘振控 制的 特点，对常规算法进行补充；并且针对防喘振系统正常负荷下控制偏差长期存在，不利于防喘振阀实时准确地动作，提出了解决方案； 实践证明 ，控制效 果 良好 ，成本明显降低 。 关键词 鼓风机 l P I D算法 I防喘振技术 De s i g n a n d I mpl e me nt a t i o n o f Pr e v e n t i ng S u r g e Co nt r o l o f Co mpr e s s i n Pr o c e s s o f S e wa g e Tr e a t me nt Zh a n g Wa n y u e ，Ta n g J i a n ，S u n Yi l e i 。 ，S o n g Yi n g me i 。 1 ． Fa c u l t y o f I n f o r ma t i o n S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g ，S h e n y a n g Li g o n g Un i v e r s i t y，S h e n y a n g 1 1 0 1 6 8 ，Ch i n a ； 2 ．S c h o o l o f El e c t r o n i c s a n d I n f o r ma t i o n，J i a n g s u Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，Z h e i a n g 2 1 2 0 0 3 ，Ch i n a ； 3 ． Au t o ma t i c Co n t r o l En g in e e r i n g Co mp a n y，S h e n y a n g Co mp r e s s Fa c t o r y，S h e n y a n g 1 1 0 0 3 2，Ch i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r a im s a t s u r g e p he n o me n o n o f c o m p r e s s i n t h e p r o c e s s o f s e wa g e t r e a t me n t a n d c o n s i d e r s l i m i t e d e c o n o m y a b i l i t y o f mi n i a t u r e s e wa g e t r e a t me nt f a c t o r y ．Thi s c o n t r o l s y s t e m ha s a n d e s i g n a n d i mp l e me n t a t i o n o f p r e v e nt i n g s u r g e c o nt r o l o f c o mp r e s s i n t he p r o c e s s o f s e wa ge t r e a t me n t u s i n g M o o r e 3 5 3 pr o c e s s a u t o m a t i o n c o nt r o l l e r o f l o w c o s t． Th r o u g h a n a l y s i s o f t h e c ha r a c t e r i s t i c ，c o n v e nt i o n a l a l g o r i t h m i s i mp r o v e d，a n d d e v i a t i o n o f s y s t e m i s c o n t r o l l e d u n d e r n o r ma l b u r t h e n，s e t t l e me n t s c h e me i s p u t f o r wa r d ．Re a l u s e p r o v e d t ha t t h e c o n t r o l s y s t e m i s o f f i n e c o nt r o l e f f e c t a n d c o s t i s r e d u c e d ． Ke y wo r d s c o mp r e s s l PI D a l g o r i t h m l p r e v e n t i n g s u r ge t e c h no l o gy O 引 言 所谓污水处理过程就是，利用鼓风机向爆气池的水中鼓吹 空气，使池中细菌有氧得以生存 ，存活细菌吃掉污水中的污 物，再经过多次沉淀 、过滤 ，使污水达到可以排放的要求 。鼓 风机在 污水处理过程 中起爆气作用 。 整个处理流程对风机出口压力及风量大小都有严格要求， 否则细菌将无法生存。而且风机本身的转速极高，同时需有效 地控制喘振现象，需要专业人员的实时监控。如果人工手动完 成 ，则可靠性不高 ，不便维护 通常采用 P L C和工控机、上位机结合作监控，能够实现 控制 ，但造价太高 ，对于一些小城镇建设的小型污水处理厂又 承受不起。根据 实际情 况 和要 求，本 系统 采用 低价 位 的 Mo o r e 3 5 3自动过程控制器来实现对污水处理过程中鼓风机的 监测和控制 ，通 过分析 污水 处理 过程 中风 机 防喘振 控制 的特 点，对常规算法进行补充；并且针对防喘振系统正常负荷下控 制偏差长期存在，不利于防喘振阀体实时准确地动作，提出了 解决方案。实践证明收到良好的控制效果，有效地控制了鼓风 收稿 日期 2 0 0 5 --0 7 1 0 ； 修 回日期 2 0 o 5 一O 8 1 9 。 作者简介 张婉悦 1 9 7 7 一 ， 女 ， 辽宁沈 阳人 ， 硕 士研究 生 ， 主要从事 计算机控制方面的研究 ； 唐健 1 9 5 1 一 ， 男， 教授， 研究员级高级工程师， 主要从事计算机测 控方面 的研究。 机的喘振现象。成本的降低能够帮助小城镇的小型污水处理项 目推广和普及，对环保具有重要意义。 1 系统分析 实现污水处理过程 中鼓风机 的防喘振 控制 ，首先要了解风 机的工作性能。鼓风机在工作过程中，当入口气体流量小于机 组该工况下 的最小流量 限时 ，机 组将 从工作 区进入喘振 区，这 时机组连 同它 的外 围管道一起做 周期 性的大幅度 的振动 ，工程 上称为喘振 ] 。为确保鼓风机稳定可靠地工作。工程上常将机 组出口气体的一部分抽出经一控制阀返回到机组入口端，操作 该控制阀 的开度就可 以改变实 际进入 压缩机叶轮 的气量 ，不致 小于喘振流量 。该 阀又称 “ 防喘振 阀” 。如 图 1 所示 。 防喘振技术是鼓风机或压缩机控制系统的关键技术。此技 术所实现 的是一旦机组 现行工作 点过喘振线进入喘振 区发 生喘 振 ，防喘振阀迅速打开 、喘振消失后 防喘振阀会慢慢关闭 。机 组安全可靠运行时，工况点落在防喘振线的右侧。如 图 2所 示 。 P 出 口 压 力 图 1 原理 图 图 2防喘振控制示意图 中 华 测 控 网 c hi n a 皿 c ． n e t ． c n 维普资讯 2 1 8 计算机测量与控制 第 2 期 根据 生产工艺过 程的需要 ，鼓风机防喘振控制调节 任务可 分 为两类 1 等压调节鼓风机的流量变化时，要保持其排气压力 稳定，即 P OUTC o n s t 为风机运行的工况线。 2 恒流调节 排 气压力变化时 ，流量要保持 稳定 ，即 G C o n s t 为风机运行的工况线 2 系统硬件分析 考虑风机的特殊工作要求和小型污水厂的实际经济能力， 本系统采用性能与价格比较好的 Mo o r e 3 5 3自动过程控制器对 机组进行防喘振 阀调节 回路 的调节 。 该控制系统 的 Mo o r e 3 5 3自动 过 程控 制器 的应 用 软件 是 i Co n f i g c o n t r o l l e r c o n f i g u r a t i o n s o f t wa r e V2 ． 3 1 [ z ] 。 Mo o r e 3 5 3自动过程控制器完成 的主要任 务是 ①运行参数的设定 可手动调节 ，也 可 自动调 节 ； ②回路工作情况的调节和显示功 能 ， ③P I D调节 功能 ， ④联锁切除功能 。 3 系统 算法分析及软件 实现 由于所选用控制器所 限，主要利 用软 件功能有效地防止 喘 振现象发生 。 3 ． 1 防喘振控制的 P I D算法分析 常规 P I D离散差分算 式[ 1 ] T 个 UI Uk 一 1 Kp 一 e k - - 1 Kp P Kp j f 』 一 2 1 十 2 根据本控制 系统要应用 于污 水处 理过程中鼓风机 的实 际情 况，空气源源不断进 入经过 风机，实际上它是一个扰动输 入【 3 ] 。系统必须有一个积分环节来 消除该扰动 ，系统要 达到无 差就必须有一个积分环节 。由于微分运 算在数字量 化 时，对信 号的变化跟踪十分敏感 ，容易产生较大的误差，容易引起系统 的不稳定，实际 P I D算法多不使用纯微分运算 ，因此本系统 只用 P l 控制器 。算式如下 T Uk一 1 Kp 一 e k - - 1 Kp P 其中 、 1 为第 k ，k 一1次采样输出； 一 一 1 为第 ， 一1次采样偏差 ；K ， ，T分别为比例增 益 ，积分时间 ，采样周期 。 3 ． 2 采用算 法的补充 由于防喘振控制器有快开慢关 的特点 ，而 常规 P I D 运算若不改变 比例项或积分项 的参数 ，开 与关 的速度 应 该是相同 的，在此对采用 的 P I 算法进行补充 。 所谓 “ 慢关”是为 了让机 组 慢慢 进 入 正 常工 作状 态 ，维持整个动态系统稳定 ，防止快速关 阀，出口压力 猛增再次造成开阀，形成振荡。所以，本系统在程序中 对关防喘振阀调节给出 了限定 。 出 口 入 口 T x Ma x p T x 一0 ，／ ／ 指针回绕 Tx E n a b l e ；／ ／ 开始发送 } ／ ／ 推荐 的接 口设备取数据的算法 v o i d】 L {u n s i g n e d in t I ； I ou t p u t l ／ ／o u t p u t 函数将数据 从缓冲区读出到接 口设 备中 p Tx ； TxNu m l i f p Tx TxMa xp Tx 0， } 3 ． 2 A R I N C 4 2 9数据发送 该接口板需要处理 4路 ARI NC 4 2 9的数据发送，我们在 双 I 1 R AM 中开辟 了 4个独立 的 6 4帧 1 2 8 字 的环形 队列数 据空间作为 发送缓 冲区，接 口设备 先将需要发送的数据存放 到 相应的缓冲区，然后再通知 D S P取走数据并发送。采用 C语 言描述的算法请参见 3 ． 1节所述。 4 结束语 本文所述的8收 4发的 AR I NC 4 2 9标准通信 I S A总线接 口板 已经在 工程 实际中得 到了应用 ，经过实践 的检验 ，证明本 设计合理、通信可靠，而且操作方便灵活，具有一定的实用意 义 ● 考 文 献 E 1 3 D e v i c e E n g i n e e r i n g I n c ．D E I 1 0 1 6 AR I N C 4 2 9 Tr a n s c e i v e r E Z ] ． 2 0 0 0 ． E 2 3 De v i c e E n g i n e e r i n g I n c ．B D 4 2 9 ARI NC 4 2 9 ／ RS --4 2 2 L i n e D r i v e r I n t e g r a t e d C i r c u i t E Z ] ．2 0 0 0 ． E 3 3 At me l C o r p o r a t i o n ．AT F 2 2 L V1 0 Hi g h p e r f o r ma n c e E E P L D i z ] ， 2 0 0 2 ． E 4 3史新福．金翊 ，冯萍 ，等．3 2位微型机 算计原理接 I I 技术及应 用 E M- I ．西安 西北工业大学出版社 ，2 0 0 0 ． E s - I刘和平．TMS 3 2 0 L F 2 4 0 x D S P结构 、原 理及应用[ M] ．北 京．北 京航空航天大学出版社 ，2 0 0 2 ． E 6 ]T e x a s I n s t r u m e n t s ． T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 D S P C o n t r o l l e r s E Z ] ．2 0 0 0 ． 上接第 2 1 8页 很方便的可组成集散式控制系统．方便用户扩大污水处理厂时 作大型集散式的控制系统的管理．有很强的实用价值。 用 D OU T数字 量输 出块 使 阀全 开。此时 ，AOUT输 出无效 。 AO UT是把与它相连的信号转化成输出范围为 4 2 0 mA的 参考文献 ，_ 竺 拟 量 输 控 兰 篓 r 1] 蓑 1防 喘9 9 7 振 控, 2 4 鲥 景 1 挹 前 打 开 探 讨 口 l 化 工 鲫化 显 示 出 来 。 M T H 、 G B 、 S R T 分 别是 把A I N采 集来的 数 据的 [ 2 ] 5 3 p ro c e s s a u to 二 曲 c o n t r o lle r u s e r ， s m a u a l u M 3 5 3 1 数学运算块。 R e v ．9 E z - I ． 2 0 0 1 ．7 ． 4当 譬 宙 诲 [ 3 ]魏宇，张魁林，赵欣．利用P L C和变频器实现煤气输气过程中的 ⋯⋯ 一P I D控制 [ J ] ．沈阳工业学院学报，2 0 0 2 ，2 1 4 4 2 4 6 ． 此控制 系统现 已运行于污水处理厂 ，运行情况 良好 ，系统 [ 4 ]金孚安．数字P I D算法中的微分饱和与积分饱和问题 E J - ] ．微机 稳定，操作简易，工作可靠，而且方便维护。人工劳动量大大 发展，2 0 0 1 ， 6 6 8 ． 减轻，成本明显降低，比P L C和工控机、上位机结合监控成 [ 5 ]C h a n g W D ， Y a n J J A d a p t i v e r o b u s t P I D c o n t r o l l e r d e s i g n b a s e d 1-- -Y - ，取得很好的经济效益和社会效益。特别适用于 o ． n ” l i d ， n g 。 。 f o。 r u n h a o t ic， s y s 忙 L J J ． “ 一 小型污水处理厂对 污水 处 理 的监测 和 控制 。而 且 ，Mo o r e 3 5 3 过程控制器具有以太网口，扩展灵活，具有很强的通讯功能， 中 华 测 控 网 c h i n a m c ． n e t ． C B 维普资讯