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

1引言

隨著環(huán)境保護要求的日漸提高，世界各國對環(huán)境保護都提出了愈來愈嚴格的要求。在我國，不但提高了煙塵的排放標(biāo)準，而且加強了對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)域面臨一個重要的課題便是設(shè)計出經(jīng)濟、節(jié)能、高效的新型除塵系統(tǒng)。

布袋除塵器從一開始就因為其除塵效率不受粉塵比電阻影響、排放粉塵濃度低和對硫氧化物有吸收作用的優(yōu)點而被這些工業(yè)生產(chǎn)部門普遍認同和廣泛采用。從長遠看，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)組成一級子系統(tǒng)。從一級控制子系統(tǒng)分開來，又可以分成風(fēng)機陣列系統(tǒng)、脈沖閥時序系統(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)等諸多二級子系統(tǒng)。具體工藝結(jié)構(gòu)圖參照圖1。

從工藝結(jié)構(gòu)圖可以看出，布袋除塵器控制系統(tǒng)是一個控制對象眾多，控制類型多樣，控制策略復(fù)雜的綜合控制系統(tǒng)。這樣一個控制系統(tǒng)電氣設(shè)備十分復(fù)雜，基于Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)上的成熟與開放性，以及成本上的考慮，我們設(shè)計采用以Profibus現(xiàn)場總線作為新型布袋除塵器控制系統(tǒng)的底層現(xiàn)場控制總線，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償、過程點質(zhì)量判斷、工程單元換算等功能。各個I/O板卡通過接口掛接到Profibus總線上，同時總線上的PLC將實現(xiàn)控制方案，總線上還配備人機操作單元，允許操作員進行現(xiàn)場監(jiān)視和手動控制。

圖1新型布袋除塵器工藝結(jié)構(gòu)圖

3系統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)方案多采用基于DCS技術(shù)的計算機控制系統(tǒng)來實現(xiàn)分散自動控制和集中監(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)場底層傳感器和數(shù)據(jù)采集器之間采用一對一物理連線和模擬信號傳輸，導(dǎo)致大范圍布線，給現(xiàn)場施工帶來很大麻煩，同時，信號傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差。因此，對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)場總線，其數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到12Mb/s，可以承擔(dān)現(xiàn)場、控制與監(jiān)控的通信任務(wù)，降低系統(tǒng)及工程成本，具有較高的性價比，是當(dāng)今實現(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，大大增強了現(xiàn)場級的信息繼承能力，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)準七層參考模型為基礎(chǔ)的，只是對第三層到第六層進行簡化，標(biāo)準適應(yīng)性強。此外它的三種模塊(FMS，DP和PA)可以適應(yīng)不同的應(yīng)用對象和通信速率方面的要求，具有良好的開放性。Profibus現(xiàn)場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)點數(shù)可達127個[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)提供了很好的可擴展性和靈活性，而且可升級為帶電熱拔插模式，使模塊故障對系統(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進行軟件開發(fā)，同時Profibus總線上連接人機界面操作面板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)場直接進行監(jiān)視和手動操作。而DP/PA?Link實現(xiàn)了Probibus?DP和Profibus?PA兩種總線實現(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主機可以方便的對布袋除塵器進行遠程監(jiān)控，實現(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，要對這樣一個系統(tǒng)進行綜合控制，就需要對整個控制系統(tǒng)進行詳細劃分，并且對各個子系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)，在完成每個子系統(tǒng)控制需要的同時，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板卡負責(zé)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過Profibus現(xiàn)場總線傳送到PLC進行處理;

3)分組設(shè)計思想，將子系統(tǒng)中各個電氣設(shè)備結(jié)合成組，各組之間實現(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、自動切換功能，操作員通過人機操作面板實現(xiàn)手動操作。

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)的正常運行對清灰系統(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于工藝能否實現(xiàn)起到了很重要的作用。清灰控制系統(tǒng)實現(xiàn)的控制功能有：風(fēng)機控制、回轉(zhuǎn)臂控制及最核心的脈沖閥噴吹系統(tǒng)控制;并且實現(xiàn)了設(shè)備互鎖保護、故障處理和報警等相關(guān)功能。

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

回轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)負責(zé)控制布袋上方的回轉(zhuǎn)臂，每個回轉(zhuǎn)臂由一個小型的減速電機驅(qū)動，當(dāng)回轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速過低或停止時，可能會對同一個布袋連續(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)實時計算、監(jiān)控回轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速，當(dāng)回轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速過低時，發(fā)出報警，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)準檔、慢速檔和停止檔四種檔位，每個檔位對應(yīng)不同的壓差范圍。具體噴吹檔位極其對應(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行設(shè)置和修改。當(dāng)壓差值較高時，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)開始時判斷的檔位進行噴吹。為了方便檢修，單個脈沖閥可以在任意時刻進入或退出循環(huán)(脈沖閥進入循環(huán)時要滿足一定的運行條件)，并且允許隨時進行手動噴吹操作。

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

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現(xiàn)，由于工藝上為了防止布袋損害，要求進入除塵氣室的煙氣需要有穩(wěn)定的溫度，同時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)。由于進入布袋除塵系統(tǒng)的原煙氣的溫度是個漸變量，而系統(tǒng)又要對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。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關(guān)于時間t和溫度T的數(shù)據(jù)(T，dT/dt)，最后建立模糊控制表，通過模糊推理實現(xiàn)智能控制。同時，根據(jù)不同的運行狀況發(fā)生的變化，模糊控制表會通過自學(xué)習(xí)不斷進行調(diào)整，實現(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

成下位機和控制面板部分。

1)下位機編程

本系統(tǒng)采用SIMATIC?S7-400?CPU配套的編程工具 STEP7進行硬件組態(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的啟動和錯誤處理等等。功能塊是用戶編寫的程序塊，用戶通過功能塊對每個子系統(tǒng)進行程序編寫，功能塊提供強大的面向?qū)ο蟮墓δ?，使用戶能夠在功能塊外部方便的進行訪問。數(shù)據(jù)塊是用于存放執(zhí)行用戶程序時所需的變量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)，還能夠用于存儲需要進行通信的數(shù)據(jù)。

2)操作面板畫面設(shè)計

本系統(tǒng)操作面板OP270是一個集成的人機界面(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化領(lǐng)域中的先進技術(shù)和微軟公司強大軟件功能的產(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間，提高工作效率。

3)Profibus?DP通信組態(tài)的實現(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STEP7的變量表中進行變量組態(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行訪問。然后啟動ProTool，建立一個新的ProTool項目，在項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行連接，同時將變量關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的組態(tài)控件，就可以實現(xiàn)操作面板上畫面對象與現(xiàn)場設(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)場總線，搭建高度開放性和實時性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使整個控制系統(tǒng)的綜合自動化程度得到充分的實現(xiàn)。通過Siemens的配套組態(tài)軟件 STEP7和ProTool，完成PLC控制功能，生成人機操作面板畫面，很好的實現(xiàn)了系統(tǒng)自動化控制與操作員現(xiàn)場監(jiān)控的統(tǒng)一。通過現(xiàn)場調(diào)試表明，采用基于Profibus現(xiàn)場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)合采用先進控制技術(shù)，能夠提高除塵效果，降低運行成本，大大提高了新型布袋除塵器的工業(yè)應(yīng)用前景。