[摘要]福州祥坂污水处理厂有4台鼓风机,采用的是西门子的S5-101U序列PLC。由于S5序列PLC当前已处于淘汰状态,备件难以获得,并且价格昂贵,所以需要对鼓风机系统进行升级。考虑到相同品牌的兼容性,所以采用了主流的S7-200序列PLC进行改造。改造完成后,鼓风机达到了原系统的所有功能,并且在原基础上增加了远程监控和操作功能,使鼓风机子系统和全厂自动化得到了整合。
　　 [关键词]鼓风机;S7-200;S5;Profibus
　　
　　 福州市祥坂污水处理厂是福州市规划建设的第一个污水厂,是市区内河综合整治系统工程的主体项目。工程于1992年筹建,1995年底建成运行。污水厂主要处理福州市西湖截污管、白马河以西及其支流大庆河两岸汇集来的污水,服务面积约560km2,设计污水处理能力5万m3/日,全厂主要设备和自控、仪表均利用芬兰政府贷款从芬兰YIT公司引进,工程投资约8000万元。该工程在国内是一个较早采用具有脱氮除磷A/O工艺和利用国外政府贷款的污水处理厂,也是国内较早采用盘式微孔曝气和潜污泵技术的项目。污水厂具有工艺设计先进、适用,总体布置合理紧凑,占地指标较小(0.68m2/m3污水)的特点。污水厂运行以来,泥、水处理效果良好、稳定,对保护福州段闽江水环境发挥了重要作用。该厂2005年扩建2.5万m3/日后总规模为7.5万m3/日,扩建工程已于2006年竣工投产。在配套管网支持下,能按设计规模运行。
　　 鼓风机是污水处理厂比较核心的设备,基本上都要求进口产品,以确保可靠性,如法国HIBON,德国AERZEN的罗茨风机等。随着自动化技术的发展,一部分设备也面临着淘汰的状态,亟须对其进行升级改造。当前工厂自动化向着总线和网络等集成化趋势发展,所以一些老设备也亟须寻求新旧系统的解决方案。本次正是基于高端自动化解决方案提出,对该厂的鼓风机进行改造升级。
　　
　　一、对鼓风机系统进行改造的主要原因
　　
　　 目前国家对环保要求很严,全国各地都在建污水处理厂。 2004年,福州市顺利通过国家环保总局验收,获得“国家环保模范城市”荣誉称号,成为全国第五个获得这一荣誉称号的省会城市。 4年多时间里,在已建成洋里、金山、祥坂、快安和马尾等5座污水处理厂的基础上,投入2.4亿元重点开展市区污水处理厂扩容和污水管网配套建设,祥坂污水处理厂扩容2.5万吨/日,达7.5万吨/日;洋里污水处理厂扩容10万吨/日,达30万吨/日。目前城市污水处理能力达46.5万吨/日,全市生活污水处理率由2004年的65%提高到目前的80%以上。
　　 而祥坂污水处理厂,全厂自控系统2005年通过升级,在中控室对厂内大部分设备(包括潜水泵、电动阀、刮泥机等)运行状态和各种运行参数都已实现了实时监控,并能远程控制和设备间的联动。现有丹麦鼓风机是国外进口,鼓风机自带一套控制系统,人机界面为控制面板,在控制面板上操作设备开停,设备的故障也显示在控制面板上,并且没有外接信号端口,无法使鼓风机的运行参数接入到该厂自控系统,无法实现在中控室对其运行参数实时监控和远程控制,更无法实现依据曝气池的DO5值变化自动调整鼓风机的供气量。所以,必须对鼓风机的控制系统进行升级改造,使其与厂自控系统形成一体,才能对整个风机系统实现PLC的自动控制和监视功能,做到最大的兼容性。改造后实现了就地和远程的双重控制,中控计算机失去控制能力各台鼓风机也仍然可以就地操作,最大限度地避免停产的风险,提高了运行效率,降低了能耗。原系统采用的是西门子公司的S5序列PLC。目前S5序列PLC已处于停产状态,库存量极少,购买备件成本极高,对以后的维护很不方便。所以,本系统采用同品牌西门子的S7-200序列PLC进行改造。
　　
　　二、对鼓风机系统进行改造的范围与方案
　　
　　 (一)鼓风机系统进行改造的范围
　　 对鼓风机房4台鼓风机PLC控制系统进行改造, 4台鼓风机可通过就地和远程两种方式进行操作。
　　 为使鼓风机系统安全和正常的运行,整个风机系统的技术改造把控制分为三级控制方式:本地手动控制、PLC远程手动遥控和自动控制。(1)本地手动控制。将现场“手动/自动”选择开关切换到手动,鼓风机设备由本地控制柜上的控制按钮直接控制其开、停。这是最高优先级,在这种方式下PLC系统仅对鼓风机系统进行监视,而不能控制,现在风机系统采用的是这种运行方式,但改造后这种运行方式只在风机调试和检修时使用。(2)PLC远程手动遥控。将现场“手动/自动”选择开关切换到自动。污水厂上位机操作系统使用Windows XP Professional版,人机界面及通讯软件使用组态iFix。在这种方式下,操作人员用上位机的计算机终端,通过iFix软件,根据曝气池上传送的溶氧数值确定风机开启的台数和风门开启度,来控制鼓风机设备开停。这种控制方式使操作人员不用到现场就可以控制鼓风机设备的开停和风门开启度调整,但鼓风机之间开停的切换以及换向阀的开闭都必须有运行人员来人为干预实现。在此模式下,远程仅作为本地控制按钮的延伸或转移,在今后风机系统的运行中也只用于调试或检修。(3)自动控制。在这种方式下,车间降温负压风机,鼓风机设备的开停、频率调整和各个换向阀的开闭切换,都由PLC按照预先编制好的程序自动完成,不需要运行人员人为干预。所有鼓风机的运行时间、风门开启度调整、鼓风机的开启台数,以及换向阀的开闭情况都可以由PLC根据现场溶解氧数值的情况进行自动调整,每台鼓风机的运行情况也都可以由PLC系统进行监视并存储备份。
　　 四台鼓风机的状态,包括运行、故障等参数,如风门开启度大小等均可传送到中控室计算机上显示。中控计算机也可以远程对鼓风机启停、风门大小调节等进行操作,达到在鼓风机正常运行时无人值守的目的。改造后的系统,在保持原来就地操作不变的情况下,扩展中控调节能力。就地操作的方式和流程不予改变,做到最大的兼容性,即使中控计算机失去控制能力各台鼓风机也仍然可以就地操作,最大限度地避免停产的风险。
　　 (二)鼓风机系统进行改造的方案
　　 鼓风机系统框架结构示意图如图1所示:
　　
　　 1.鼓风机控制系统改造
　　 每台鼓风机反馈和控制的I/O包括:
　　
　　 (1)鼓风机运行状态:运行/停止、手自动、泄空阀开启和关闭、风门全开和全关、启动允许状态等。其中运行/停止、风门全开和全关、启动允许为原系统已提供信号输出,手自动、泄空阀开启和关闭状态信号为原PLC内部状态点,不提供I/O输出。
　　 (2)鼓风机报警状态:油压过低、油温过高、冲击报警、循环故障报警、电机温度过高5个独立报警以及1个总报警。当5个独立报警其中任意一个发生时均发生总报警。原系统PLC只提供一个总报警输出。
　　 (3)外部对鼓风机控制:原鼓风机控制系统中已预留外部控制点,包括:启动/停止、开启风门和关闭风门3个控制点。
　　 从以上所列出的原系统I/O点可以看出,原鼓风机控制系统只提供:启停、开关风门控制,风门全开全关状态以及总故障报警状态。还缺少的状态点包括:风门开启度(连续量)、5个单独的故障报警点、现场紧急停止状态和风门目标值控制几个重要的数据。这些参数对于中控室进行远程调节是至关重要的。所以,针对这个特点制定如下改造方案。

        　　 如图1所示,各台鼓风机控制系统的PLC均更换为西门子公司的S7-200序列PLC。S7-200和S5均为西门子公司的PLC产品,可以在最大程度上达到兼容度,也就是说改造后可以快速地切换到新系统运行,缩短改造周期,不影响生产。
　　 原系统采用S5序列PLC,均为DI/DO开关量控制,无模拟量控制。对于DI/DO,S7-200有相应的模块替代S5,很容易即可实现。另外,中控室需要显示鼓风机当前风门的开度大小,并依据开度和所需空气量调整鼓风机。所以,风门的当前模拟量必须进入到PLC。在此,增加一个模拟量输入模块,将风门就地显示量采集入控制系统。风门开度为4-20mA标准模拟量信号,可直接进入模拟量模块。
　　 风门开度进入S7-200 PLC后,中控只需输入所需的风门开度,通过预先编写的PLC程序即可自动对开度进行调节。调节风门开度的PLC程序存放在S7-200内,达到最快地调节响应速度。
　　 2.Profibus网络
　　 为实现中控室对各台鼓风机的远程遥控和状态监视,需要将4台鼓风机连接进入到现有全厂总线网络。考虑到鼓风机系统为一个比较独立的系统,避免对全厂控制网络的影响,所以建立一个Profibus子网,将水控室S7-300 PLC和4台鼓风机的S7-200组成网络。
　　 为将S7-200加入到Profibus网络,在每台鼓风机PLC上配置一块EM277模块。EM277为S7-200专用Profibus从站模块,不需任何的软件配置,只需将其连接入S7-200 PLC即可,基本不需维护。将4台鼓风机的EM277模块通过Profibus电缆连接后,再连接到水控室的S7-300 PLC中。水控室S7-300 PLC加入一块CP342模块作为Profibus主站,组成Profibus子网。
　　 组成Profibus网络后,水控的PLC通过STEP 7进行重新配置,加入对新网络的支持,中控室即可对4台鼓风机进行状态监视和控制。监视和控制的内容除了I/O点外,还可以包括内部的状态点,即就地显示的状态量进入PLC后即可在中控室显示。(1)点所提到的每台鼓风机反馈和控制的I/O均能反馈到中控室显示。
　　 3.中控室人机界面升级
　　 现场到PLC系统和网络改造完成后,所有的I/O和状态均可反映到中控室,所以中控室需要对鼓风机部分的画面进行升级。
　　 鼓风机的EM277作为从站,起一个数据对S7-300主站输入输出功能,和中控室计算机交换的数据需要S7-300(水控室PLC)进行处理。和其他设备相似,在水控室PLC内部增加相应的处理程序(梯形图),将交换的数据映射到中控室交换数据区。
　　 中控室计算机获取到现场鼓风机数据,通过在iFix画面上增加相应的数据显示和控制功能,提供操作人员直观的界面。iFix画面的编写方式和风格与其他设备相似,保持操作的习惯性。
　　
　　三、本鼓风机系统改造方案的优点
　　
　　 经过上述方案的改造后,4台鼓风机即进入到全厂的监控网络,除了原来简单的运行状态、电流状态监视外,鼓风机内部的所有运行状态均可在中控室显示,操作人员可实时掌握鼓风机的运行情况。另外,还增加了远程调控功能,包括启停、风量调节等,操作人员只需在控制室即可操作,达到现场无人值守等目的。
　　
　　 本方案采用S7-200这种主流的PLC替代已停产的S5序列PLC,解决了维护过程中的备件问题。另外,通过S7-200和S5序列比较,S7-200不采用后备电池方式运行,完全可避免若干年后由于电池电量过低导致S5程序丢失或混乱造成的停机现象。

【英文题名】 Vibration Detecting, Monitoring and Analyzing System for Wind Power Generator
【作者】 娄海英;
【导师】 李杏春;
【学位授予单位】 北京交通大学;
【学科专业名称】 电力电子与电力传动

【论文级别】 硕士
【网络出版投稿人】 北京交通大学
【关键词】 加速度传感器; 振动监测; 微控制器; MATLAB; FFT; FIR;
【英文关键词】 accelerometer; vibration monitoring; MCU; MATLAB; FFT; FIR;
【中文摘要】 随着经济的快速发展,设备的安全运行越来越重要。机器设备运行异常如不及时发现,就会损坏设备,严重影响生产。机械设备的故障常从振动方面体现出来,根据振动信号进行监测与诊断是目前设备维护管理的主要手段之一。该技术的发展,使得设备维修方式从传统的“事故维修”和“定期维修”过渡到现代的“预知性维修”。 在此背景下,本文提出了一种新的较为完善的风力发电机实时振动检测与监控分析系统,该系统包括四个模块:从机检测模块、主机监控模块、PC机配置模块和数据分析模块。从机模块安装在风机塔架上,传感器检测风机振动,输出模拟和数字两种形式的信号;从机采集信号,将模拟信号进行带通滤波,并和全频段数字信号一起上传到主机。主机模块主要由双串口单片机W77E58、继电器报警电路、转速输入电路、存储设备组成;主机接收从机数据,以模拟量作为振动报警依据,超限则触发报警装置,并将振动数据上传PC机。数据分析模块主要使用MATLAB软件设计,可对全频段数字量进行FFT频谱分析和FIR数字滤波,实现振动数据的频域分析。系统配置软件使用VB设计,可根据数据分析结果,对系统工作参数进行配置。系统可设置报警阀值,当风机的振动情况达到报警阀值...
【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

　　铝电解生产烟气净化用离心锅炉引风机功率一般达800KW以上、转速730r／min、流量Q＝500000m3／h、介质比重0.745kg／m3、最高环境工作温度60℃、润滑油32＃机械油。原轴承箱压盖和转轴之间的密封结刮?谈?芊猓?芊庑阅芙喜睢?BR>

　　由于转轴的转速较高，在离心力的作用下，轴承箱内的润滑油沿轴从端盖甩出，漏油现象非常普遍，造成轴承箱、联轴器及周围地面沾满油污，给安全生产带来隐患，造成润滑油浪费，污染了生产环境，有时造成引风机缺油而损坏。因此，改进原油封结构，使用寿命长的新型油封结构以取代原油封是非常必要的。

　　一、原密封结构存在的问题

　　引风机运行中油环下端浸入油池中，把润滑油搅起，沿压盖内表面淌下，直接滴到旋转轴上，轴上积油很多，被旋转轴带动，油沿轴爬行，进入盘根与轴之间的间隙，由于盘根在安装中间隙和预紧力不易掌握，安装中有可能已经造成盘根破损，运转一段时间后盘根被磨损，造成盘根与转轴的间隙变大，因而润滑油不断沿轴向外甩出，即发生漏油。从以上分析可以看出盘根结构存在的主要问题是盘根材质较差、安装不易掌握，运转一段时间后间隙变大起不到有效的密封作用。

　　据电解铝厂对12台锅炉引风机24个轴承座的48个动密封点1年内的泄漏情况统计，有70%的使用寿命在1个月左右,工厂降温设备，维修强度非常之大。

　　二、磁力油封的选用

　　1、磁力油封的结构磁力机械油封，由两部分组成：一部分为静环，主要由耐磨合金制成的遇热稳定、光滑的静密封面，一个不锈钢结合盖固定于轴承箱端盖上，结合盖与端盖之间采用密封胶或O型圈进行密封；另一部分为内含磁性元件的动环，动密封面是由散热性与耐磨性极佳的含碳复合材料制成，并且采用浮动式设计，可长期在与静环的吸引下与之保持贴合，为了达到与静环长期的吸合，磁力油封的磁性元件采用在高温及高速的环境下都不会消磁的永磁材料，而且为了满足浮动式设计的要求，动环由特殊的氟橡胶O型圈固定在轴上，O型圈与轴的摩擦力大于动环之间磁力的剪切力。

　　整个磁力机械油封装置在设计上均考虑长寿命使用，设计上自身保护的特性与结构采用特殊材料，均是在恶劣环境下及反复变化时能够保持耐用的基础。磁力机械油封可在干态下或存在润滑的工况下工作，在有水侵蚀的情况下也无所谓。适应于立式或卧式、低速或高速、干摩擦或润滑状况下的减速机、齿轮箱、风机、泵和电机等转机设备。

　　2、磁力油封的选用1)设备精度要求径向跳动：最大0.5mm轴向蹿动：最大0.35mm垂直度：最大0.05%×轴径(如：直径50mm的轴，垂直度要求0.025mm。表座吸在轴上，表针指在静环表面，轴旋转1周的最大公差)

　　轴的公差：最大±0.04mm，建议±0.025mm

　　轴光洁度：最大64Rms，建议32Rms

　　静环安装处公差：H62)适用条件工作参数：温度160℃,厂房屋顶电动排气设备；压力3.3公斤，线速度60m／s，一般规格20～320mm。

　　3、磁力油封的安装步骤

　　1)在清洁表面上将动静环掰开，而非划开，动环先放回盒内。

　　2)将静环外涂一层硅油，油脂不要与密封面接触，且在端盖后阶面上均匀地抹一层密封胶。

　　3)用木棒或紫铜棒(不要损坏静环面)将静环压入壳体直到平整地靠在台阶面上，再将沾在摩擦面上的胶和杂质擦干净。

　　4)在动环O型圈内涂上润滑油，将动环套在轴上推进，不要推到位。

　　5)将端盖套轴上推进，动静环接触后，一起推到最终位置。