基于PLC的高壓靜電除塵控制系統(tǒng)研究

摘要：為了更有效的進(jìn)行高壓靜電除塵，設(shè)計(jì)了一種新型除塵控制器，該系統(tǒng)以PLC為控制核心，以觸摸屏為人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)了控制器與上位機(jī)之間的聯(lián)機(jī)交互，兼顧了其他靜電除塵器除塵效率高與易于操作維護(hù)的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：PLC；觸摸屏；靜電除塵；遠(yuǎn)程控制

    以單片機(jī)為核心的高壓靜電除塵控制器具有成本低廉，功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，但人機(jī)交互性較差，系統(tǒng)維護(hù)困難，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾較明顯，除塵效率、操作維護(hù)與運(yùn)營(yíng)成本不能兼顧。本文針對(duì)這一問(wèn)題構(gòu)建了以PLC為核心的控制器，其模塊化的結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展和更換，系統(tǒng)可靠性高，控制器與上位機(jī)之間聯(lián)網(wǎng)通信簡(jiǎn)單，同時(shí)沒(méi)有降低煙塵的排放標(biāo)準(zhǔn)。

1 靜電除塵控制系統(tǒng)的原理
    高壓供電控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，采集電路采集到的一次電壓、電流，二次電壓、電流，濁度等模擬量信號(hào)通過(guò)PLC模擬量輸入模塊送入CPU；變壓器油溫、油位，偏勵(lì)磁等開(kāi)關(guān)量信號(hào)通過(guò)PLC的數(shù)字量輸入信號(hào)處理回路進(jìn)入CPU。PLC以掃描方式依次讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果產(chǎn)生兩路觸發(fā)脈沖，送往主回路的兩個(gè)反并聯(lián)可控硅的控制極以觸發(fā)可控硅，通過(guò)調(diào)整可控硅的導(dǎo)通角，控制升壓變壓器的一次側(cè)輸入電壓，從而控制輸入電場(chǎng)的電壓。一方面要根據(jù)工況變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)除塵器的電壓，使集電極和收塵極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度盡量大，電離子盡量多，越逼近擊穿電壓，控制水平越高；另一方面，又要考慮不能讓除塵器極板間電壓過(guò)高，避免使除塵器處于擊穿狀態(tài)，以防損壞本體及電氣設(shè)備，節(jié)約不必要損耗的電能，但又要在介質(zhì)恢復(fù)時(shí)能夠迅速恢復(fù)正常供電。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2．1 硬件設(shè)計(jì)
    高壓靜電除塵控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，它主要由PLC及其外圍電路、觸摸屏、和上位機(jī)組成。

2．1．1 PLC的選型
    PLC因具有邏輯簡(jiǎn)單直觀，電氣性能良好，功能組合便捷，可靠性高，維護(hù)方便并且可以直接對(duì)數(shù)字量和模擬量進(jìn)行控制和驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，本系統(tǒng)以PLC為控制核心，選用西門子公司的新一代模塊化小型PLC S7—1200、S7—1200 PLC主要由CPU模塊、信號(hào)板、信號(hào)模塊、通信模塊和編程軟件組成，各種模塊安裝在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上，微處理器選用CPU 1214C，數(shù)字量輸入點(diǎn)數(shù)14點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)10點(diǎn)，模擬量輸入點(diǎn)數(shù)2點(diǎn)，最多可以擴(kuò)展8個(gè)信號(hào)模塊，S7-1200的最大特點(diǎn)在于配置了以太網(wǎng)接口RJ45，本系統(tǒng)共有8路模擬量輸入，12路數(shù)字量輸入，2路模擬量輸出，19路數(shù)字量輸出PLC硬件組態(tài)如圖3所示。

2．1．2 人機(jī)界面的選型
    觸摸屏、PLC和PC通過(guò)CSM1277以太網(wǎng)交換機(jī)連接在一起，完成人機(jī)交互并進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示和控制，如圖4所示。

2．1．3 偏勵(lì)磁檢測(cè)電路
    變壓器產(chǎn)生偏勵(lì)磁時(shí)，原邊或副邊上的交流電壓正半周和負(fù)半周的幅度不相等，這會(huì)產(chǎn)生非常大的浪涌電流，時(shí)間稍長(zhǎng)就可能導(dǎo)致變壓器的燒毀，靜電除塵器中的高壓供電變壓器功率較大，其負(fù)載會(huì)隨著不同的工況而變化，在控制系統(tǒng)中必須對(duì)變壓器偏勵(lì)磁進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)偏勵(lì)磁現(xiàn)象，控制器便啟動(dòng)保護(hù)程序，跳閘停機(jī)。

    如圖5所示，偏勵(lì)磁檢測(cè)電路的輸入是由一次電壓經(jīng)過(guò)小變壓器降壓而得到，最后端為兩個(gè)D觸發(fā)器，當(dāng)初始化以后，兩個(gè)D觸發(fā)器的輸出均為低電平，如果輸出觸發(fā)時(shí)鐘信號(hào)有效，則D觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，D觸發(fā)器的輸出變?yōu)楦唠娖?4V，檢測(cè)電路前端是兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)比較器為正輸入，另一個(gè)比較器為負(fù)輸入，當(dāng)偏勵(lì)磁現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，輸入的電壓信號(hào)正半周和負(fù)半周的幅度不相等，只會(huì)有一個(gè)比較器的輸出發(fā)生偏轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)反相器后，同樣只有一個(gè)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即只有一個(gè)D觸發(fā)器的觸發(fā)信號(hào)有效，這樣，當(dāng)PLC只檢測(cè)到一個(gè)觸發(fā)信號(hào)時(shí)就判斷變壓器發(fā)生了偏勵(lì)磁，自動(dòng)進(jìn)行跳閘停機(jī)工作。
2．1．4 過(guò)零檢測(cè)電路
    過(guò)零檢測(cè)就是輸入的工頻交流信號(hào)每經(jīng)過(guò)一次零點(diǎn)，輸出就發(fā)出一次脈沖，這個(gè)輸出的信號(hào)就作為PLC的一個(gè)外部中斷信號(hào)，每10 ms觸發(fā)一次，每個(gè)導(dǎo)通角的導(dǎo)通時(shí)間都是從零電壓開(kāi)始計(jì)算的，導(dǎo)通角的時(shí)間不一樣，導(dǎo)通的角度就不一樣，的正弦波，經(jīng)過(guò)電阻分壓后，由零電壓比較電路消去正弦波的負(fù)半波，電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ǎ诮涣麟娒看芜^(guò)零點(diǎn)時(shí)都會(huì)輸出脈沖，其正負(fù)過(guò)零點(diǎn)產(chǎn)生兩個(gè)下降沿，通過(guò)PLC的中斷組織塊，產(chǎn)生中斷，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的中斷OB。

2．1．5 火花檢測(cè)電路
    火花檢測(cè)的目的在于火花控制，提高除塵效率和保護(hù)除塵器本體，火花檢測(cè)的原理如圖7所示：二次電流采樣值通過(guò)比較器與設(shè)定的火花值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)RS觸發(fā)器后的值送至PLC處理，當(dāng)檢測(cè)到火花放電時(shí)，處理器就會(huì)執(zhí)行火花處理程序，以較高的速度減小到當(dāng)前電壓的80％，然后再以較低的速率上升至接近火花電壓，如此往復(fù)循環(huán)，最終達(dá)到提高除塵效率的目的。

2．1．6 可控硅觸發(fā)電路
    除塵控制系統(tǒng)是通過(guò)改變晶閘管的觸發(fā)角來(lái)控制供電的，觸發(fā)角的增減則是通過(guò)觸發(fā)脈沖來(lái)改變的，如圖8所示，觸發(fā)脈沖電路主要由脈沖放大器和變壓器組成，PLC產(chǎn)生過(guò)零中斷時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器T0(T0為初始值，與導(dǎo)通角對(duì)應(yīng))，T0溢出會(huì)產(chǎn)生中斷，此時(shí)PLC輸出觸發(fā)脈沖從而控制三極管導(dǎo)通，脈沖變壓器一次側(cè)便會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖分別加到可控硅的G、K極，當(dāng)三極管截止時(shí)觸發(fā)脈沖便會(huì)被阻斷。

2．1．7 數(shù)據(jù)采集電路
    需要檢測(cè)的模擬量主要有一次電壓、電流的平均值，二次電壓、電流的平均值以及二次電流的峰值，這些模擬量的值一般都比較大，
送入控制系統(tǒng)前要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣。
    一次電壓的取樣：初級(jí)電壓通過(guò)小變壓器降壓。
    一次電流的取樣：串聯(lián)在初級(jí)回路中的電流互感器轉(zhuǎn)換。
    二次電壓的取樣：變壓整流器中的陽(yáng)極高壓電路分壓。
    二次電流的取樣：變壓整流器中陽(yáng)極副邊回路的對(duì)地端并聯(lián)采樣電阻后轉(zhuǎn)換。

    下面以二次電壓為例進(jìn)行說(shuō)明，其采樣電路如圖9所示，現(xiàn)場(chǎng)采集的二次電壓經(jīng)過(guò)分壓后，通過(guò)由滑動(dòng)變阻器VR4組成的比例調(diào)整電路，最后由霍爾電壓傳感器進(jìn)行檢測(cè)。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
2．2．1 程序主流程圖
    如圖10所示，控制系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，如果有復(fù)位鍵按下，則重新開(kāi)始；如果啟動(dòng)鍵按下，則進(jìn)行參數(shù)設(shè)定階段，CPU對(duì)采集到的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行處理，如果有火花出現(xiàn)，則進(jìn)入火花處理子程序，如果有參數(shù)超限，則進(jìn)入報(bào)警及故障處理子程序。最后系統(tǒng)重新進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，開(kāi)始新的循環(huán)。

2．2. 2 觸摸屏畫(huà)面組態(tài)
    觸摸屏的組態(tài)主要是畫(huà)面的組態(tài)，設(shè)計(jì)一個(gè)友好便利的觸摸屏界面，不但可以增加操作的方便性，亦可減少操作錯(cuò)誤率，使機(jī)器和設(shè)備發(fā)揮最大的功能，畫(huà)面包括主畫(huà)面、參數(shù)設(shè)定、顯示畫(huà)面、趨勢(shì)曲線和幫助，顯示畫(huà)面和參數(shù)設(shè)置畫(huà)面詳圖略。
    在參數(shù)設(shè)置畫(huà)面中，點(diǎn)擊畫(huà)面上的輸入域，將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)數(shù)字鍵盤進(jìn)行輸入KTP觸摸屏可以確保當(dāng)故障到來(lái)時(shí)，即在當(dāng)前頁(yè)面中進(jìn)行報(bào)警顯示，以進(jìn)行第一時(shí)間的處理，報(bào)警類別有錯(cuò)誤和警告兩類，警告不需要確認(rèn)，不對(duì)設(shè)備造成直接危害；錯(cuò)誤需要操作確認(rèn)，對(duì)設(shè)備有危害，設(shè)備要跳閘停機(jī)，警告有一次電壓超限，一次電流超限，二次電壓超限等，錯(cuò)誤有二次過(guò)流故障，二次過(guò)壓故障，油溫超限故障，偏勵(lì)磁等。

3 遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)
    借助于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)，除塵器各個(gè)電場(chǎng)的控制器能夠通過(guò)以太網(wǎng)與上位機(jī)監(jiān)控軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，上位機(jī)可對(duì)除塵設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動(dòng)、停止、升壓、降壓控制和參數(shù)調(diào)整等功能，電除塵器各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)也能夠直觀的顯示在上位機(jī)屏幕上，管理人員便能如身臨現(xiàn)場(chǎng)般實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
    上位機(jī)監(jiān)控軟件選用西門子公司的WinCC組態(tài)軟件，畫(huà)面有操作畫(huà)面、監(jiān)視畫(huà)面、控制畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線，能夠打印報(bào)表。
    WinCC與S7—1200 CPU的通信，是通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且只能通過(guò)OPC的方式實(shí)現(xiàn)，S7-1200 CPU只需設(shè)置IP地址即可，上位機(jī)通過(guò)SIMATIC NET軟件建立PC Starion來(lái)與S7—1200 CPU通信，S7-1200 CPU具有一個(gè)集成的PROFINET端口，支持以太網(wǎng)和基于TCP／IP的通信標(biāo)準(zhǔn)，三電場(chǎng)的除塵器遠(yuǎn)程控制如圖11所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    該系統(tǒng)不但具有良好的自動(dòng)調(diào)壓和遠(yuǎn)程控制能力，而且通過(guò)PLC和觸摸屏簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)操作，提高了控制程序和人機(jī)界面的靈活性，維護(hù)簡(jiǎn)便，雖然設(shè)備的初期投入較高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看該運(yùn)營(yíng)成本是可以接受的。