[摘要]福州祥坂污水處理廠有4臺鼓風機,采用的是西門子的S5-101U序列PLC。由于S5序列PLC當前已處于淘汰狀態(tài),備件難以獲得,并且價格昂貴,所以需要對鼓風機系統(tǒng)進行升級�？紤]到相同品牌的兼容性,所以采用了主流的S7-200序列PLC進行改造。改造完成后,鼓風機達到了原系統(tǒng)的所有功能,并且在原基礎(chǔ)上增加了遠程監(jiān)控和操作功能,使鼓風機子系統(tǒng)和全廠自動化得到了整合。
　　 [關(guān)鍵詞]鼓風機;S7-200;S5;Profibus
　　
　　 福州市祥坂污水處理廠是福州市規(guī)劃建設(shè)的第一個污水廠,是市區(qū)內(nèi)河綜合整治系統(tǒng)工程的主體項目。工程于1992年籌建,1995年底建成運行。污水廠主要處理福州市西湖截污管、白馬河以西及其支流大慶河兩岸匯集來的污水,服務(wù)面積約560km2,設(shè)計污水處理能力5萬m3/日,全廠主要設(shè)備和自控、儀表均利用芬蘭政府貸款從芬蘭YIT公司引進,工程投資約8000萬元。該工程在國內(nèi)是一個較早采用具有脫氮除磷A/O工藝和利用國外政府貸款的污水處理廠,也是國內(nèi)較早采用盤式微孔曝氣和潛污泵技術(shù)的項目。污水廠具有工藝設(shè)計先進、適用,總體布置合理緊湊,占地指標較小(0.68m2/m3污水)的特點。污水廠運行以來,泥、水處理效果良好、穩(wěn)定,對保護福州段閩江水環(huán)境發(fā)揮了重要作用。該廠2005年擴建2.5萬m3/日后總規(guī)模為7.5萬m3/日,擴建工程已于2006年竣工投產(chǎn)。在配套管網(wǎng)支持下,能按設(shè)計規(guī)模運行。
　　 鼓風機是污水處理廠比較核心的設(shè)備,基本上都要求進口產(chǎn)品,以確�？煽啃�,如法國HIBON,德國AERZEN的羅茨風機等。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展,一部分設(shè)備也面臨著淘汰的狀態(tài),亟須對其進行升級改造。當前工廠自動化向著總線和網(wǎng)絡(luò)等集成化趨勢發(fā)展,所以一些老設(shè)備也亟須尋求新舊系統(tǒng)的解決方案。本次正是基于高端自動化解決方案提出,對該廠的鼓風機進行改造升級。
　　
　　一、對鼓風機系統(tǒng)進行改造的主要原因
　　
　　 目前國家對環(huán)保要求很嚴,全國各地都在建污水處理廠。 2004年,福州市順利通過國家環(huán)保總局驗收,獲得“國家環(huán)保模范城市”榮譽稱號,成為全國第五個獲得這一榮譽稱號的省會城市。 4年多時間里,在已建成洋里、金山、祥坂、快安和馬尾等5座污水處理廠的基礎(chǔ)上,投入2.4億元重點開展市區(qū)污水處理廠擴容和污水管網(wǎng)配套建設(shè),祥坂污水處理廠擴容2.5萬噸/日,達7.5萬噸/日;洋里污水處理廠擴容10萬噸/日,達30萬噸/日。目前城市污水處理能力達46.5萬噸/日,全市生活污水處理率由2004年的65%提高到目前的80%以上。
　　 而祥坂污水處理廠,全廠自控系統(tǒng)2005年通過升級,在中控室對廠內(nèi)大部分設(shè)備(包括潛水泵、電動閥、刮泥機等)運行狀態(tài)和各種運行參數(shù)都已實現(xiàn)了實時監(jiān)控,并能遠程控制和設(shè)備間的聯(lián)動�，F(xiàn)有丹麥鼓風機是國外進口,鼓風機自帶一套控制系統(tǒng),人機界面為控制面板,在控制面板上操作設(shè)備開停,設(shè)備的故障也顯示在控制面板上,并且沒有外接信號端口,無法使鼓風機的運行參數(shù)接入到該廠自控系統(tǒng),無法實現(xiàn)在中控室對其運行參數(shù)實時監(jiān)控和遠程控制,更無法實現(xiàn)依據(jù)曝氣池的DO5值變化自動調(diào)整鼓風機的供氣量。所以,必須對鼓風機的控制系統(tǒng)進行升級改造,使其與廠自控系統(tǒng)形成一體,才能對整個風機系統(tǒng)實現(xiàn)PLC的自動控制和監(jiān)視功能,做到最大的兼容性。改造后實現(xiàn)了就地和遠程的雙重控制,中控計算機失去控制能力各臺鼓風機也仍然可以就地操作,最大限度地避免停產(chǎn)的風險,提高了運行效率,降低了能耗。原系統(tǒng)采用的是西門子公司的S5序列PLC。目前S5序列PLC已處于停產(chǎn)狀態(tài),庫存量極少,購買備件成本極高,對以后的維護很不方便。所以,本系統(tǒng)采用同品牌西門子的S7-200序列PLC進行改造。
　　
　　二、對鼓風機系統(tǒng)進行改造的范圍與方案
　　
　　 (一)鼓風機系統(tǒng)進行改造的范圍
　　 對鼓風機房4臺鼓風機PLC控制系統(tǒng)進行改造, 4臺鼓風機可通過就地和遠程兩種方式進行操作。
　　 為使鼓風機系統(tǒng)安全和正常的運行,整個風機系統(tǒng)的技術(shù)改造把控制分為三級控制方式:本地手動控制、PLC遠程手動遙控和自動控制。(1)本地手動控制。將現(xiàn)場“手動/自動”選擇開關(guān)切換到手動,鼓風機設(shè)備由本地控制柜上的控制按鈕直接控制其開、停。這是最高優(yōu)先級,在這種方式下PLC系統(tǒng)僅對鼓風機系統(tǒng)進行監(jiān)視,而不能控制,現(xiàn)在風機系統(tǒng)采用的是這種運行方式,但改造后這種運行方式只在風機調(diào)試和檢修時使用。(2)PLC遠程手動遙控。將現(xiàn)場“手動/自動”選擇開關(guān)切換到自動。污水廠上位機操作系統(tǒng)使用Windows XP Professional版,人機界面及通訊軟件使用組態(tài)iFix。在這種方式下,操作人員用上位機的計算機終端,通過iFix軟件,根據(jù)曝氣池上傳送的溶氧數(shù)值確定風機開啟的臺數(shù)和風門開啟度,來控制鼓風機設(shè)備開停。這種控制方式使操作人員不用到現(xiàn)場就可以控制鼓風機設(shè)備的開停和風門開啟度調(diào)整,但鼓風機之間開停的切換以及換向閥的開閉都必須有運行人員來人為干預(yù)實現(xiàn)。在此模式下,遠程僅作為本地控制按鈕的延伸或轉(zhuǎn)移,在今后風機系統(tǒng)的運行中也只用于調(diào)試或檢修。(3)自動控制。在這種方式下,鼓風機設(shè)備的開停、頻率調(diào)整和各個換向閥的開閉切換,都由PLC按照預(yù)先編制好的程序自動完成,不需要運行人員人為干預(yù)。所有鼓風機的運行時間、風門開啟度調(diào)整、鼓風機的開啟臺數(shù),以及換向閥的開閉情況都可以由PLC根據(jù)現(xiàn)場溶解氧數(shù)值的情況進行自動調(diào)整,每臺鼓風機的運行情況也都可以由PLC系統(tǒng)進行監(jiān)視并存儲備份。
　　 四臺鼓風機的狀態(tài),包括運行、故障等參數(shù),如風門開啟度大小等均可傳送到中控室計算機上顯示。中控計算機也可以遠程對鼓風機啟停、風門大小調(diào)節(jié)等進行操作,達到在鼓風機正常運行時無人值守的目的。改造后的系統(tǒng),在保持原來就地操作不變的情況下,擴展中控調(diào)節(jié)能力。就地操作的方式和流程不予改變,做到最大的兼容性,即使中控計算機失去控制能力各臺鼓風機也仍然可以就地操作,最大限度地避免停產(chǎn)的風險。
　　 (二)鼓風機系統(tǒng)進行改造的方案
　　 鼓風機系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示:
　　
　　 1.鼓風機控制系統(tǒng)改造
　　 每臺鼓風機反饋和控制的I/O包括:
　　
　　 (1)鼓風機運行狀態(tài):運行/停止、手自動、泄空閥開啟和關(guān)閉、風門全開和全關(guān)、啟動允許狀態(tài)等。其中運行/停止、風門全開和全關(guān)、啟動允許為原系統(tǒng)已提供信號輸出,手自動、泄空閥開啟和關(guān)閉狀態(tài)信號為原PLC內(nèi)部狀態(tài)點,不提供I/O輸出。
　　 (2)鼓風機報警狀態(tài):油壓過低、油溫過高、沖擊報警、循環(huán)故障報警、電機溫度過高5個獨立報警以及1個總報警。當5個獨立報警其中任意一個發(fā)生時均發(fā)生總報警。原系統(tǒng)PLC只提供一個總報警輸出。
　　 (3)外部對鼓風機控制:原鼓風機控制系統(tǒng)中已預(yù)留外部控制點,包括:啟動/停止、開啟風門和關(guān)閉風門3個控制點。
　　 從以上所列出的原系統(tǒng)I/O點可以看出,原鼓風機控制系統(tǒng)只提供:啟停、開關(guān)風門控制,風門全開全關(guān)狀態(tài)以及總故障報警狀態(tài)。還缺少的狀態(tài)點包括:風門開啟度(連續(xù)量)、5個單獨的故障報警點、現(xiàn)場緊急停止狀態(tài)和風門目標值控制幾個重要的數(shù)據(jù)。這些參數(shù)對于中控室進行遠程調(diào)節(jié)是至關(guān)重要的。所以,針對這個特點制定如下改造方案。

        　　 如圖1所示,各臺鼓風機控制系統(tǒng)的PLC均更換為西門子公司的S7-200序列PLC。S7-200和S5均為西門子公司的PLC產(chǎn)品,可以在最大程度上達到兼容度,也就是說改造后可以快速地切換到新系統(tǒng)運行,縮短改造周期,不影響生產(chǎn)。
　　 原系統(tǒng)采用S5序列PLC,均為DI/DO開關(guān)量控制,無模擬量控制。對于DI/DO,S7-200有相應(yīng)的模塊替代S5,很容易即可實現(xiàn)。另外,中控室需要顯示鼓風機當前風門的開度大小,并依據(jù)開度和所需空氣量調(diào)整鼓風機。所以,風門的當前模擬量必須進入到PLC。在此,增加一個模擬量輸入模塊,將風門就地顯示量采集入控制系統(tǒng)。風門開度為4-20mA標準模擬量信號,可直接進入模擬量模塊。
　　 風門開度進入S7-200 PLC后,中控只需輸入所需的風門開度,通過預(yù)先編寫的PLC程序即可自動對開度進行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)風門開度的PLC程序存放在S7-200內(nèi),達到最快地調(diào)節(jié)響應(yīng)速度。
　　 2.Profibus網(wǎng)絡(luò)
　　 為實現(xiàn)中控室對各臺鼓風機的遠程遙控和狀態(tài)監(jiān)視,需要將4臺鼓風機連接進入到現(xiàn)有全廠總線網(wǎng)絡(luò)。考慮到鼓風機系統(tǒng)為一個比較獨立的系統(tǒng),避免對全廠控制網(wǎng)絡(luò)的影響,所以建立一個Profibus子網(wǎng),將水控室S7-300 PLC和4臺鼓風機的S7-200組成網(wǎng)絡(luò)。
　　 為將S7-200加入到Profibus網(wǎng)絡(luò),在每臺鼓風機PLC上配置一塊EM277模塊。EM277為S7-200專用Profibus從站模塊,不需任何的軟件配置,只需將其連接入S7-200 PLC即可,基本不需維護。將4臺鼓風機的EM277模塊通過Profibus電纜連接后,再連接到水控室的S7-300 PLC中。水控室S7-300 PLC加入一塊CP342模塊作為Profibus主站,組成Profibus子網(wǎng)。
　　 組成Profibus網(wǎng)絡(luò)后,水控的PLC通過STEP 7進行重新配置,加入對新網(wǎng)絡(luò)的支持,中控室即可對4臺鼓風機進行狀態(tài)監(jiān)視和控制。監(jiān)視和控制的內(nèi)容除了I/O點外,還可以包括內(nèi)部的狀態(tài)點,即就地顯示的狀態(tài)量進入PLC后即可在中控室顯示。(1)點所提到的每臺鼓風機反饋和控制的I/O均能反饋到中控室顯示。
　　 3.中控室人機界面升級
　　 現(xiàn)場到PLC系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)改造完成后,所有的I/O和狀態(tài)均可反映到中控室,所以中控室需要對鼓風機部分的畫面進行升級。
　　 鼓風機的EM277作為從站,起一個數(shù)據(jù)對S7-300主站輸入輸出功能,和中控室計算機交換的數(shù)據(jù)需要S7-300(水控室PLC)進行處理。和其他設(shè)備相似,在水控室PLC內(nèi)部增加相應(yīng)的處理程序(梯形圖),將交換的數(shù)據(jù)映射到中控室交換數(shù)據(jù)區(qū)。
　　 中控室計算機獲取到現(xiàn)場鼓風機數(shù)據(jù),通過在iFix畫面上增加相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示和控制功能,提供操作人員直觀的界面。iFix畫面的編寫方式和風格與其他設(shè)備相似,保持操作的習(xí)慣性。
　　
　　三、本鼓風機系統(tǒng)改造方案的優(yōu)點
　　
　　 經(jīng)過上述方案的改造后,4臺鼓風機即進入到全廠的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),除了原來簡單的運行狀態(tài)、電流狀態(tài)監(jiān)視外,鼓風機內(nèi)部的所有運行狀態(tài)均可在中控室顯示,操作人員可實時掌握鼓風機的運行情況。另外,還增加了遠程調(diào)控功能,包括啟停、風量調(diào)節(jié)等,操作人員只需在控制室即可操作,達到現(xiàn)場無人值守等目的。
　　
　　 本方案采用S7-200這種主流的PLC替代已停產(chǎn)的S5序列PLC,解決了維護過程中的備件問題。另外,通過S7-200和S5序列比較,S7-200不采用后備電池方式運行,完全可避免若干年后由于電池電量過低導(dǎo)致S5程序丟失或混亂造成的停機現(xiàn)象。

【英文題名】 Vibration Detecting, Monitoring and Analyzing System for Wind Power Generator
【作者】 婁海英;
【導(dǎo)師】 李杏春;
【學(xué)位授予單位】 北京交通大學(xué);
【學(xué)科專業(yè)名稱】 電力電子與電力傳動

【論文級別】 碩士
【網(wǎng)絡(luò)出版投稿人】 北京交通大學(xué)
【關(guān)鍵詞】 加速度傳感器; 振動監(jiān)測; 微控制器; MATLAB; FFT; FIR;
【英文關(guān)鍵詞】 accelerometer; vibration monitoring,負壓風機; MCU; MATLAB; FFT; FIR;
【中文摘要】 隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,設(shè)備的安全運行越來越重要。機器設(shè)備運行異常如不及時發(fā)現(xiàn),就會損壞設(shè)備,嚴重影響生產(chǎn)。機械設(shè)備的故障常從振動方面體現(xiàn)出來,根據(jù)振動信號進行監(jiān)測與診斷是目前設(shè)備維護管理的主要手段之一。該技術(shù)的發(fā)展,使得設(shè)備維修方式從傳統(tǒng)的“事故維修”和“定期維修”過渡到現(xiàn)代的“預(yù)知性維修”。 在此背景下,本文提出了一種新的較為完善的風力發(fā)電機實時振動檢測與監(jiān)控分析系統(tǒng),該系統(tǒng)包括四個模塊:從機檢測模塊、主機監(jiān)控模塊、PC機配置模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。從機模塊安裝在風機塔架上,傳感器檢測風機振動,輸出模擬和數(shù)字兩種形式的信號;從機采集信號,水簾廠家,將模擬信號進行帶通濾波,并和全頻段數(shù)字信號一起上傳到主機。主機模塊主要由雙串口單片機W77E58、繼電器報警電路、轉(zhuǎn)速輸入電路、存儲設(shè)備組成;主機接收從機數(shù)據(jù),以模擬量作為振動報警依據(jù),超限則觸發(fā)報警裝置,并將振動數(shù)據(jù)上傳PC機。數(shù)據(jù)分析模塊主要使用MATLAB軟件設(shè)計,可對全頻段數(shù)字量進行FFT頻譜分析和FIR數(shù)字濾波,實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)的頻域分析。系統(tǒng)配置軟件使用VB設(shè)計,可根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果,對系統(tǒng)工作參數(shù)進行配置。系統(tǒng)可設(shè)置報警閥值,當風機的振動情況達到報警閥值...
【英文摘要】 With the rapid development of economy, the device\'s safe running is becoming more and more important. If the device\'s abnormal working state could not be discovered in time, the device would be severely damaged. The fault of machinery is usually represented in the form of abnormal vibration. To detect and diagnose fault state according to vibration signals is recently one of the main approaches for the device\'s maintenance and management. The development of this technique has transformed the device\'s ...
【DOI】 CNKI:CDMD:2.2008.049278

　　鋁電解生產(chǎn)煙氣凈化用離心鍋爐引風機功率一般達800KW以上、轉(zhuǎn)速730r／min、流量Q＝500000m3／h、介質(zhì)比重0.745kg／m3、最高環(huán)境工作溫度60℃、潤滑油32＃機械油。原軸承箱壓蓋和轉(zhuǎn)軸之間的密封結(jié)刮?談?芊猓?芊廡閱芙喜睢?BR>

　　由于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速較高，在離心力的作用下，軸承箱內(nèi)的潤滑油沿軸從端蓋甩出，漏油現(xiàn)象非常普遍，造成軸承箱、聯(lián)軸器及周圍地面沾滿油污，給安全生產(chǎn)帶來隱患，造成潤滑油浪費，污染了生產(chǎn)環(huán)境，有時造成引風機缺油而損壞。因此，改進原油封結(jié)構(gòu)，使用壽命長的新型油封結(jié)構(gòu)以取代原油封是非常必要的。

　　一、原密封結(jié)構(gòu)存在的問題

　　引風機運行中油環(huán)下端浸入油池中，把潤滑油攪起，沿壓蓋內(nèi)表面淌下，直接滴到旋轉(zhuǎn)軸上，軸上積油很多，被旋轉(zhuǎn)軸帶動，油沿軸爬行，進入盤根與軸之間的間隙，由于盤根在安裝中間隙和預(yù)緊力不易掌握，安裝中有可能已經(jīng)造成盤根破損，運轉(zhuǎn)一段時間后盤根被磨損，造成盤根與轉(zhuǎn)軸的間隙變大，因而潤滑油不斷沿軸向外甩出，即發(fā)生漏油。從以上分析可以看出盤根結(jié)構(gòu)存在的主要問題是盤根材質(zhì)較差、安裝不易掌握，運轉(zhuǎn)一段時間后間隙變大起不到有效的密封作用。

　　據(jù)電解鋁廠對12臺鍋爐引風機24個軸承座的48個動密封點1年內(nèi)的泄漏情況統(tǒng)計，有70%的使用壽命在1個月左右，維修強度非常之大。

　　二、磁力油封的選用

　　1、磁力油封的結(jié)構(gòu)磁力機械油封，由兩部分組成：一部分為靜環(huán)，主要由耐磨合金制成的遇熱穩(wěn)定、光滑的靜密封面，一個不銹鋼結(jié)合蓋固定于軸承箱端蓋上,工廠降溫設(shè)備，結(jié)合蓋與端蓋之間采用密封膠或O型圈進行密封；另一部分為內(nèi)含磁性元件的動環(huán)，動密封面是由散熱性與耐磨性極佳的含碳復(fù)合材料制成，并且采用浮動式設(shè)計，可長期在與靜環(huán)的吸引下與之保持貼合，為了達到與靜環(huán)長期的吸合，磁力油封的磁性元件采用在高溫及高速的環(huán)境下都不會消磁的永磁材料，而且為了滿足浮動式設(shè)計的要求，動環(huán)由特殊的氟橡膠O型圈固定在軸上，O型圈與軸的摩擦力大于動環(huán)之間磁力的剪切力。

　　整個磁力機械油封裝置在設(shè)計上均考慮長壽命使用，設(shè)計上自身保護的特性與結(jié)構(gòu)采用特殊材料，均是在惡劣環(huán)境下及反復(fù)變化時能夠保持耐用的基礎(chǔ)。磁力機械油封可在干態(tài)下或存在潤滑的工況下工作，在有水侵蝕的情況下也無所謂。適應(yīng)于立式或臥式、低速或高速、干摩擦或潤滑狀況下的減速機、齒輪箱、風機、泵和電機等轉(zhuǎn)機設(shè)備。

　　2、磁力油封的選用1)設(shè)備精度要求徑向跳動：最大0.5mm軸向躥動：最大0.35mm垂直度：最大0.05%×軸徑(如：直徑50mm的軸，垂直度要求0.025mm。表座吸在軸上，表針指在靜環(huán)表面，軸旋轉(zhuǎn)1周的最大公差)

　　軸的公差：最大±0.04mm，建議±0.025mm

　　軸光潔度：最大64Rms，建議32Rms

　　靜環(huán)安裝處公差：H62)適用條件工作參數(shù)：溫度160℃；壓力3.3公斤，線速度60m／s，一般規(guī)格20～320mm。

　　3、磁力油封的安裝步驟

　　1)在清潔表面上將動靜環(huán)掰開，而非劃開，動環(huán)先放回盒內(nèi)。

　　2)將靜環(huán)外涂一層硅油，油脂不要與密封面接觸，且在端蓋后階面上均勻地抹一層密封膠。

　　3)用木棒或紫銅棒(不要損壞靜環(huán)面)將靜環(huán)壓入殼體直到平整地靠在臺階面上，再將沾在摩擦面上的膠和雜質(zhì)擦干凈。

　　4)在動環(huán)O型圈內(nèi)涂上潤滑油，將動環(huán)套在軸上推進，不要推到位。

　　5)將端蓋套軸上推進，動靜環(huán)接觸后，一起推到最終位置。