如何進(jìn)行基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的新型布袋除塵器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)？

1引言

隨著環(huán)境保護(hù)要求的日漸提高，世界各國對(duì)環(huán)境保護(hù)都提出了愈來愈嚴(yán)格的要求。在我國，不但提高了煙塵的排放標(biāo)準(zhǔn)，而且加強(qiáng)了對(duì)排放硫氧化物的控制。許多鍋爐為了符合限制排硫的標(biāo)準(zhǔn)而使用低硫煤，其結(jié)果雖然減少了硫的排放，但也提高了煙塵的比電阻，使得國內(nèi)工業(yè)上廣泛使用基于國外六、七年代技術(shù)的電除塵方法效率大大降低，已經(jīng)逐漸落后于當(dāng)代環(huán)保領(lǐng)域提出的新要求，因而當(dāng)今環(huán)保領(lǐng)域面臨一個(gè)重要的課題便是設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、高效的新型除塵系統(tǒng)。

布袋除塵器從一開始就因?yàn)槠涑龎m效率不受粉塵比電阻影響、排放粉塵濃度低和對(duì)硫氧化物有吸收作用的優(yōu)點(diǎn)而被這些工業(yè)生產(chǎn)部門普遍認(rèn)同和廣泛采用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，隨著環(huán)保的要求越來越高，布袋除塵器的優(yōu)越性將會(huì)越來越明顯，并將受到更為廣泛的重視和應(yīng)用。因此，自主開發(fā)適合中國工業(yè)的布袋除塵系統(tǒng)，尤其是控制系統(tǒng)就成為必然的選擇。

2工藝介紹

新型布袋除塵器控制系統(tǒng)按照工藝要求由原煙氣溫度控制系統(tǒng)、除塵氣室系統(tǒng)、灰斗系統(tǒng)和清灰系統(tǒng)組成一級(jí)子系統(tǒng)。從一級(jí)控制子系統(tǒng)分開來，又可以分成風(fēng)機(jī)陣列系統(tǒng)、脈沖閥時(shí)序系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)、煙氣擋板系統(tǒng)、布袋系統(tǒng)和噴水閥系統(tǒng)等諸多二級(jí)子系統(tǒng)。具體工藝結(jié)構(gòu)圖參照?qǐng)D1。

從工藝結(jié)構(gòu)圖可以看出，布袋除塵器控制系統(tǒng)是一個(gè)控制對(duì)象眾多，控制類型多樣，控制策略復(fù)雜的綜合控制系統(tǒng)。這樣一個(gè)控制系統(tǒng)電氣設(shè)備十分復(fù)雜，基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)上的成熟與開放性，以及成本上的考慮，我們?cè)O(shè)計(jì)采用以Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線作為新型布袋除塵器控制系統(tǒng)的底層現(xiàn)場(chǎng)控制總線，結(jié)合分布式I/O板卡配合可保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。分布式I/O系統(tǒng)是智能化系統(tǒng)，將減輕控制系統(tǒng)的處理負(fù)荷。I/O系統(tǒng)將能完成掃描、數(shù)據(jù)整定、數(shù)字化輸入和輸出、線性化熱電偶冷端補(bǔ)償、過程點(diǎn)質(zhì)量判斷、工程單元換算等功能。各個(gè)I/O板卡通過接口掛接到Profibus總線上，同時(shí)總線上的PLC將實(shí)現(xiàn)控制方案，總線上還配備人機(jī)操作單元，允許操作員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視和手動(dòng)控制。

圖1新型布袋除塵器工藝結(jié)構(gòu)圖

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)方案多采用基于DCS技術(shù)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)分散自動(dòng)控制和集中監(jiān)控。但基于DCS的系統(tǒng)存在一些重要缺陷，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的DCS系統(tǒng)是自封閉式的集散系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交互和共享，使自動(dòng)化系統(tǒng)成為“信息孤島”;另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)底層傳感器和數(shù)據(jù)采集器之間采用一對(duì)一物理連線和模擬信號(hào)傳輸，導(dǎo)致大范圍布線，給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來很大麻煩，同時(shí)，信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差。因此，對(duì)于新型布袋除塵器系統(tǒng)工藝而言，采用傳統(tǒng)的DCS已經(jīng)難以滿足其工藝和控制的要求[3]。

Profibus總線是一種新型的現(xiàn)場(chǎng)總線，其數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到12Mb/s，可以承擔(dān)現(xiàn)場(chǎng)、控制與監(jiān)控的通信任務(wù)，降低系統(tǒng)及工程成本，具有較高的性價(jià)比，是當(dāng)今實(shí)現(xiàn)分布式與集中式控制系統(tǒng)理想的總線技術(shù)。它具有開放性、可操作性、互換性與可集成性，大大增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的信息繼承能力，提高了系統(tǒng)的可靠性。Profibus的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是以ISO頒布的OSI標(biāo)準(zhǔn)七層參考模型為基礎(chǔ)的，只是對(duì)第三層到第六層進(jìn)行簡(jiǎn)化，標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性強(qiáng)。此外它的三種模塊(FMS，DP和PA)可以適應(yīng)不同的應(yīng)用對(duì)象和通信速率方面的要求，具有良好的開放性。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線主站以主從方式與從站通訊，各主站之間有令牌協(xié)議決定總線控制權(quán)，節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)127個(gè)[2]。

本系統(tǒng)中采用Siemens的ET200M?I/O系統(tǒng)，它是一種帶光隔離的I/O板卡系統(tǒng)，不僅支持分布式的I/O配置模式，為系統(tǒng)提供了很好的可擴(kuò)展性和靈活性，而且可升級(jí)為帶電熱拔插模式，使模塊故障對(duì)系統(tǒng)的影響降低到最小。主控PLC則采用Siemens的S7-400系列CPU，配套編程工具 STEP?7進(jìn)行軟件開發(fā)，同時(shí)Profibus總線上連接人機(jī)界面操作面板OP270配合使用ProTool開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)，使操作員可以在布袋除塵系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行監(jiān)視和手動(dòng)操作。而DP/PA?Link實(shí)現(xiàn)了Probibus?DP和Profibus?PA兩種總線實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，使得基于 Profibus?PA的相關(guān)的傳感器和執(zhí)行設(shè)備可以接入現(xiàn)場(chǎng)總線層。該系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

另外，作為獨(dú)立開發(fā)的產(chǎn)品，本系統(tǒng)可以提供多種接口與上層DCS進(jìn)行連接。通過包括Profibus?DP接口、MPI接口和其他各種接口模塊在內(nèi)，DCS主機(jī)可以方便的對(duì)布袋除塵器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)高度信息交互和集成的多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖2布袋除塵器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)原理圖

4系統(tǒng)控制功能描述

布袋除塵器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，設(shè)備繁多，工藝要求電氣設(shè)備和控制系統(tǒng)上的聯(lián)鎖十分復(fù)雜，要對(duì)這樣一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制，就需要對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)劃分，并且對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，在完成每個(gè)子系統(tǒng)控制需要的同時(shí)，滿足整體工藝要求[1]。

布袋除塵器基礎(chǔ)控制結(jié)構(gòu)可以劃分為如下幾個(gè)部分：

1)控制涉及布袋除塵器系統(tǒng)范圍內(nèi)所有電氣設(shè)備;

2)I/O板卡負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線傳送到PLC進(jìn)行處理;

3)分組設(shè)計(jì)思想，將子系統(tǒng)中各個(gè)電氣設(shè)備結(jié)合成組，各組之間實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖;

4)各組控制程序和聯(lián)鎖程序由PLC完成;

5)系統(tǒng)具有手動(dòng)、自動(dòng)切換功能，操作員通過人機(jī)操作面板實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作。

布袋除塵器中最核心的部分是用于過濾粉塵的布袋，盡量延長(zhǎng)布袋的使用壽命，是判斷系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵指標(biāo)。如何防止布袋阻塞，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行對(duì)清灰系統(tǒng)提出了很高的控制要求。因此怎樣選擇正確有效的控制方案和控制策略對(duì)于工藝能否實(shí)現(xiàn)起到了很重要的作用。清灰控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的控制功能有：風(fēng)機(jī)控制、回轉(zhuǎn)臂控制及最核心的脈沖閥噴吹系統(tǒng)控制;并且實(shí)現(xiàn)了設(shè)備互鎖保護(hù)、故障處理和報(bào)警等相關(guān)功能。

風(fēng)機(jī)系統(tǒng)用于提供脈沖閥噴吹需要的高壓氣源，如果風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，就無法對(duì)布袋按預(yù)定的頻率進(jìn)行噴吹，造成布袋阻塞，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。為了保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用一用一備的方式，正常運(yùn)行、正常清灰情況下兩臺(tái)風(fēng)機(jī)100%冗余。當(dāng)正在運(yùn)行的風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障或是清灰壓力不夠時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將備用風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行。[!--empirenews.page--]

回轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制布袋上方的回轉(zhuǎn)臂，每個(gè)回轉(zhuǎn)臂由一個(gè)小型的減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)回轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速過低或停止時(shí)，可能會(huì)對(duì)同一個(gè)布袋連續(xù)噴吹，大大降低布袋的使用壽命。為了避免這種情況的發(fā)生，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算、監(jiān)控回轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速，當(dāng)回轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速過低時(shí)，發(fā)出報(bào)警，通知操作員采取相應(yīng)措施。

脈沖閥噴吹系統(tǒng)根據(jù)清潔煙氣室與原煙氣室的壓差值，即布袋內(nèi)外側(cè)的壓差值，決定噴吹的頻率，即噴吹的檔位。噴吹檔位根據(jù)工藝要求分成快速檔、標(biāo)準(zhǔn)檔、慢速檔和停止檔四種檔位，每個(gè)檔位對(duì)應(yīng)不同的壓差范圍。具體噴吹檔位極其對(duì)應(yīng)的壓差范圍以表格形式提交給CPU，操作員可以在操作面板上進(jìn)行設(shè)置和修改。當(dāng)壓差值較高時(shí)，說明布袋上附著的灰塵較多，相應(yīng)的噴吹頻率也較高，反之亦然。脈沖閥采用成組運(yùn)行的模式，系統(tǒng)所有的脈沖閥按照預(yù)定的順序和每次循環(huán)開始時(shí)判斷的檔位進(jìn)行噴吹。為了方便檢修，單個(gè)脈沖閥可以在任意時(shí)刻進(jìn)入或退出循環(huán)(脈沖閥進(jìn)入循環(huán)時(shí)要滿足一定的運(yùn)行條件)，并且允許隨時(shí)進(jìn)行手動(dòng)噴吹操作。

除塵氣室系統(tǒng)主要由出口擋板、入口擋板、實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖的回轉(zhuǎn)臂和灰斗組成，一個(gè)氣室分為兩個(gè)單元。作為清灰系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提條件是每個(gè)氣室的所有出口擋板和入口擋板都開到位，并且回轉(zhuǎn)臂都處在運(yùn)行狀態(tài)。每個(gè)氣室兩個(gè)單元各有一個(gè)入口擋板作為煙氣的入口，經(jīng)過降溫處理后原煙氣通過氣室的入口擋板進(jìn)入到氣室，經(jīng)過布袋除塵器的過濾和隔離作用，進(jìn)入到凈煙氣室。而后通過凈煙氣室的出口擋板排到大氣。每個(gè)氣室只有一個(gè)出口擋板，由兩個(gè)單元共用。每個(gè)單元有一個(gè)灰斗，用來裝抖落下來的粉塵，當(dāng)灰斗的物位高于上限的時(shí)候，通過系統(tǒng)聯(lián)鎖會(huì)自動(dòng)停止脈沖閥的工作。

原煙氣溫度控制系統(tǒng)通過裝載在原煙氣管道上的噴水裝置實(shí)現(xiàn)，由于工藝上為了防止布袋損害，要求進(jìn)入除塵氣室的煙氣需要有穩(wěn)定的溫度，同時(shí)需要控制煙氣中的含水量?；谶@樣的考慮，本系統(tǒng)的原煙氣溫度控制采用自學(xué)習(xí)模糊控制技術(shù)。由于進(jìn)入布袋除塵系統(tǒng)的原煙氣的溫度是個(gè)漸變量，而系統(tǒng)又要對(duì)溫度有較好的靈敏度，所以我們采用溫度的導(dǎo)數(shù)dT/dt 來作為溫度變化的預(yù)測(cè)。程序中，我們將不僅采集當(dāng)前周期的溫度T值，還將利用兩個(gè)周期溫度的變化除以周期ΔT/C(周期)來近似dT/dt，這樣就得到了一組兩個(gè)關(guān)于時(shí)間t和溫度T的數(shù)據(jù)(T，dT/dt)，最后建立模糊控制表，通過模糊推理實(shí)現(xiàn)智能控制。同時(shí)，根據(jù)不同的運(yùn)行狀況發(fā)生的變化，模糊控制表會(huì)通過自學(xué)習(xí)不斷進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)控制與模糊控制的統(tǒng)一，滿足系統(tǒng)控制要求。

5系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)功能提出的要求，系統(tǒng)軟件分

成下位機(jī)和控制面板部分。

1)下位機(jī)編程

本系統(tǒng)采用SIMATIC?S7-400?CPU配套的編程工具 STEP7進(jìn)行硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、I/O地址設(shè)置、PLC程序編程和調(diào)試。STEP7中，用戶PLC程序由組織塊(OB)、功能塊(FB、 FC)和數(shù)據(jù)塊(DB)組成。組織塊是系統(tǒng)操作程序與用戶程序的接口，決定用戶程序的結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)通過調(diào)用用戶編寫的組織塊程序，用于控制掃描循環(huán)和中斷程序的執(zhí)行，以及PLC的啟動(dòng)和錯(cuò)誤處理等等。功能塊是用戶編寫的程序塊，用戶通過功能塊對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行程序編寫，功能塊提供強(qiáng)大的面向?qū)ο蟮墓δ?，使用戶能夠在功能塊外部方便的進(jìn)行訪問。數(shù)據(jù)塊是用于存放執(zhí)行用戶程序時(shí)所需的變量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)，還能夠用于存儲(chǔ)需要進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)。

2)操作面板畫面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)操作面板OP270是一個(gè)集成的人機(jī)界面(HMI)系統(tǒng)和監(jiān)控管理(SCADA)系統(tǒng)。它是結(jié)合了西門子公司在過程自動(dòng)化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和微軟公司強(qiáng)大軟件功能的產(chǎn)物。它配套的組態(tài)軟件ProTool提供了面向?qū)ο蟮墓δ?，各種圖形庫滿足組態(tài)不同工業(yè)控制系統(tǒng)的需求。另外，它還具有全面開放的特性，通過ProTool組態(tài)軟件可以方便的建立操作面板同PLC之間的連接，它可以直接使用STEP7中配置的變量表，大幅度地減少工程時(shí)間，提高工作效率。

3)Profibus?DP通信組態(tài)的實(shí)現(xiàn)步驟

首先在STEP7的硬件組態(tài)上設(shè)置好Profibus?DP網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)上掛接的CPU、操作面板、和I/O板卡設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址，注意網(wǎng)絡(luò)地址不能重復(fù)，組態(tài)的通信網(wǎng)絡(luò)需要與硬件搭配一致。其次對(duì)STEP7的變量表中進(jìn)行變量組態(tài)，組態(tài)好的變量將作為PLC程序中的全局變量，連接在Profibus?DP網(wǎng)絡(luò)上的操作面板也可以進(jìn)行訪問。然后啟動(dòng)ProTool，建立一個(gè)新的ProTool項(xiàng)目，在項(xiàng)目窗口的控制器管理器中組態(tài)系統(tǒng)配置的CPU，設(shè)置好Profibus?DP的網(wǎng)絡(luò)地址和參數(shù)，注意各種地址和參數(shù)必須與STEP7中組態(tài)的一致，確定后編譯。最后通過 ProTool的變量管理器，可以找到STEP7變量表中組態(tài)的變量，這樣二者將具有相同的變量名和變量地址。通過這種方法將需要通信的變量一一進(jìn)行連接，同時(shí)將變量關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的組態(tài)控件，就可以實(shí)現(xiàn)操作面板上畫面對(duì)象與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接。

6結(jié)束語

本系統(tǒng)采用目前工業(yè)上流行的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，搭建高度開放性和實(shí)時(shí)性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使整個(gè)控制系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化程度得到充分的實(shí)現(xiàn)。通過Siemens的配套組態(tài)軟件 STEP7和ProTool，完成PLC控制功能，生成人機(jī)操作面板畫面，很好的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)自動(dòng)化控制與操作員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的統(tǒng)一。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試表明，采用基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的新型布袋除塵器控制系統(tǒng)，控制結(jié)構(gòu)合理，控制性能優(yōu)越，結(jié)合采用先進(jìn)控制技術(shù)，能夠提高除塵效果，降低運(yùn)行成本，大大提高了新型布袋除塵器的工業(yè)應(yīng)用前景。