劉小剛 張紅飆 鄭鑫 劉錫堯

摘要

電除塵技術(shù)在環(huán)保行業(yè)中占有重要的地位，而智能電磁振打控制系統(tǒng)是電除塵清灰控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵。智能電磁振打控制系統(tǒng)以STM32F103C8T6可編程控制器為核心進(jìn)行開發(fā)，采用SCR控制技術(shù)來驅(qū)動振打器，并且結(jié)合合信TP07觸摸屏作為人機(jī)交互界面，使操作可視化。該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了智能過流、過壓保護(hù)電路，可靠性高，響應(yīng)速度快適應(yīng)性強(qiáng)。

【關(guān)鍵詞】電除塵振打系統(tǒng) STM32F103C8T6SCR技術(shù) 系統(tǒng) 電磁振打

目前，根據(jù)相關(guān)行業(yè)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，我國的粉塵排放總量己高達(dá)1740萬噸，僅僅電力這一行業(yè)每年的排放量就達(dá)420萬噸。我國每年因?yàn)榄h(huán)境污染而造成的經(jīng)濟(jì)損失約為540億美元，因?yàn)榄h(huán)境生態(tài)而導(dǎo)致的自然災(zāi)害和其治理成本約占整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的5%左右，解決工業(yè)粉塵排放一直是我國政府的關(guān)注焦點(diǎn)。

當(dāng)前我國采用的主要除塵技術(shù)是煙氣粉塵脫離除塵，其技術(shù)主要有袋式除塵器和電除塵器兩種應(yīng)用，電除塵器包括放電極和收塵極，在放電電極端產(chǎn)生一個(gè)足以使氣體電離的靜電場，當(dāng)粉塵氣體經(jīng)過時(shí)會由于強(qiáng)電場的作用下電離，并使粉塵帶電，利用電場力使粉塵粒子向收塵電極方向運(yùn)動并在收塵電極上沉積。當(dāng)收塵極表面沉積一定厚度粉塵時(shí)，將直接影響除塵效率。因此，有效的清除電極板上的粉塵，是電除塵器能否高效穩(wěn)定運(yùn)行的前提。頂部振打清灰技術(shù)，可以有效的清除兩個(gè)電極板上的沉積粉塵。

電除塵器能否穩(wěn)定高效運(yùn)行，主要取決于電極板上的粉塵有無有效清除，如果振打的力度過小的話，會引起嚴(yán)重的反向電暈，而反向電暈會使電暈持續(xù)增大，除塵效率就會下降而當(dāng)振打力太大的時(shí)候，從極板上剝落的粉塵難形成片塊狀落下，容易形成“二次揚(yáng)塵”，而且對振打系統(tǒng)的整個(gè)機(jī)械損耗很大。因此，智能電磁振打控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究就顯得非常重要。

1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

智能電磁振打控制系統(tǒng)包括主系統(tǒng)和驅(qū)動單元兩個(gè)部分，主系統(tǒng)主要包含主控系統(tǒng)和人機(jī)交互界面，而振打器的正常工作則由驅(qū)動單元負(fù)責(zé)。核心控制器通過MODBUS協(xié)議來獲取人機(jī)界面所設(shè)置的相關(guān)參數(shù)，經(jīng)過相關(guān)計(jì)算后通過控制器輸出一系列脈沖來啟動驅(qū)動單元，并且通過反饋信號采集驅(qū)動單元輸出電流及振打高度來判斷相控角是否準(zhǔn)確。本設(shè)計(jì)選用STM32F103C8T6作為核心控制器，驅(qū)動單元采用單相半控橋式整流電路，結(jié)合TP07觸摸屏、VL53LOX、TA20FL-100以及MAX485E等組成整個(gè)系統(tǒng)。如圖1所示。

1.1 核心控制器原理圖設(shè)計(jì)

核心控制器模塊包含兩部分電路，一部分電路是以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心控制芯片的最小系統(tǒng)電路，如圖2所示。該電路包括了晶振電路、復(fù)位電路、數(shù)碼管驅(qū)動芯片電路以及單片機(jī)穩(wěn)定工作需要的去耦電容。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，STM32F103C8T6通過檢測電壓電路送來的信號來判斷電路是否處于正常工作電壓范圍內(nèi)，然后通過接收觸摸屏發(fā)過來的工作參數(shù)，通過計(jì)算后輸出相對應(yīng)的觸發(fā)脈沖至驅(qū)動單元，然后通過反饋采集系統(tǒng)來采集信號，分析運(yùn)行效果是否與期望相同，如果實(shí)際運(yùn)行效果與期望效果相差太遠(yuǎn)，則電路暫停輸出。

另一部分是由同步信號電路、電壓檢測電路及電流檢測電路組成，同步信號檢測電路如圖3所示。同步信號電路由三極管Q3及其電路構(gòu)成，當(dāng)三極管Q3的B點(diǎn)電位高于E點(diǎn)電位約0.7V時(shí)，此時(shí)C點(diǎn)的電位高于B點(diǎn)電位，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，且集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，因此三極管Q3處于工作狀態(tài)，則TB輸出低電平;反之則輸出高電平。其波形如圖4所示，其中B波形為整流后的交流電信號，A波形為同步信號輸出，即交流電的零點(diǎn)所在。

如圖3-5所示，電壓檢測電路采用電阻分壓形式來采樣，根據(jù)歐姆定律U=IR可得：

U_a為輸入到單片機(jī)的電壓信號

U_in為整流后的交流電信號

因此，STM32F103C8T6通過檢測Ua的電壓值就可以得到U_in的電壓值，假設(shè)U_a為2.52V，R₁₆為200Ω，已知變壓器匝數(shù)比為220/9，那么由公式（1）即可算出Uin為9.44V，則供電電壓大約為230V，處于正常工作電壓。

如圖6，驅(qū)動板上的輸出電流由霍爾電流互感器TA20-100測定，TA20-100變比為1000：1，輸入電流為0-20A，輸出電流為0-20mA，取樣電阻為400Ω，則取樣電壓為0-8V，取樣電壓經(jīng)過整流器整流，電阻分壓限流后送入處理器，處理器通過AD轉(zhuǎn)換得到當(dāng)前電流大小。

1.2 晶閘管觸發(fā)電路

閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通，如圖7所示，由555多諧振蕩電路、V1、V2、V3構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)以及脈沖變壓器和附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)組成晶閘管觸發(fā)電路。

核心控制器送來處理完的觸發(fā)信號至GK時(shí)，光耦導(dǎo)通，555多諧振蕩電路輸出頻率固定的矩形波，為了使脈沖變壓器穩(wěn)定工作，通常555多諧振蕩電路輸出頻率接近于脈沖變壓器的工作頻率。即

由式（2）可知，555多諧振蕩電路輸出頻率約為23.31KHz。

2 軟件的總體設(shè)計(jì)

軟件整體的設(shè)計(jì)思想如圖8所示，控制系統(tǒng)上電后對STM32F103C8T6和觸摸屏初始化，核心控制板與觸摸屏通信連接，之后STM32F103C8T6通過對供電電源的電壓采樣，計(jì)算是否處于正常工作電壓。如果處于正常工作電壓，接著核心控制塊通過MODBUS協(xié)議讀取觸摸屏發(fā)來的數(shù)據(jù)判斷是否開始，如果未開始，則繼續(xù)等待;如果觸摸屏點(diǎn)擊開始，STM32F103C8T6判斷設(shè)置的導(dǎo)通角、振打強(qiáng)度是否在正常范圍內(nèi)，如果超出正常范圍，則發(fā)送數(shù)據(jù)至觸摸屏觸發(fā)報(bào)警文本，假如在正常范圍內(nèi)的話，則STM32F103C8T6將緩沖區(qū)的導(dǎo)通角、振打強(qiáng)度取出進(jìn)行計(jì)算后輸出一系列觸發(fā)脈沖給驅(qū)動控制單元。

在輸出觸發(fā)脈沖給驅(qū)動控制單元的同時(shí)反饋采集系統(tǒng)開始工作，對一次電流進(jìn)行采樣整流分壓后送入STM32F103C8T6，STM32F103C8T6對一次電流進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并推算出電流是否超限，如果超限，則立即停止輸出觸發(fā)脈沖，防止晶閘管燒毀;如果電流處于正常范圍，則繼續(xù)工作，直至振打次數(shù)為零。

3 測試數(shù)據(jù)與分析

在測試完各個(gè)模塊后，將整個(gè)系統(tǒng)組合在一起測試，控制系統(tǒng)整機(jī)裝置如圖9所示。

在整個(gè)測試中，參數(shù)均可通過觸摸屏調(diào)整，當(dāng)參數(shù)超出振打器能承受范圍時(shí)，觸摸屏顯示報(bào)警文本，本控制系統(tǒng)可以根據(jù)使用現(xiàn)場的工況隨時(shí)對高度進(jìn)行設(shè)置，方便可靠。

智能振打控制系統(tǒng)的輸出是由導(dǎo)通角和振打強(qiáng)度來決定的，在振打強(qiáng)度一定的時(shí)候，改變導(dǎo)通角，其輸出的一次電流強(qiáng)度和高度隨之變化，所有數(shù)據(jù)均采樣五次取平均，振打強(qiáng)度為10時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

將表1數(shù)據(jù)用坐標(biāo)系的形式來繪制出關(guān)系曲線，如圖1。所示，由圖可知，在導(dǎo)通角30°～90°時(shí)，高度值和導(dǎo)通角θ的曲線關(guān)系通過MATLAB擬合為函數(shù)y=-0.0002*x^3+0.0235*x^2+2.9194*x^1+-5.5201（其中x為導(dǎo)通角）;在導(dǎo)通角90°～120°時(shí)，高度隨導(dǎo)通角變化關(guān)系不明顯。由此可知，在振打強(qiáng)度為10的時(shí)候，導(dǎo)通角30°～90°比較時(shí)候振打器穩(wěn)定工作，高于90°，則振打高度變化微小，易造成晶閘管發(fā)熱嚴(yán)重。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)利用SCR控制技術(shù)來驅(qū)動振打器;單片機(jī)通過RS-485接口和觸摸屏通信，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制;在振打過程中，控制系統(tǒng)對整個(gè)過程當(dāng)中的每個(gè)參量進(jìn)行檢測，一旦有指數(shù)超標(biāo)，驅(qū)動單元即刻停止輸出，同時(shí)顯示報(bào)警文本告知差錯(cuò)原因。系統(tǒng)在傳統(tǒng)工業(yè)中的電磁振打技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合人機(jī)界面及晶閘管控制技術(shù)，使整個(gè)控制達(dá)到智能化、可視化的操作流程和界面，在改變電磁振打的控制方式的同時(shí)，又提高了工作效率、降低了其生產(chǎn)成本，有利于增加其市場競爭力和易于市場推廣。

（通訊作者：劉錫堯）

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