孔艷艷

（閩江師范高等?？茖W(xué)校， 福建 福州 350108）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步， 人們?nèi)找嬉庾R(shí)到環(huán)境保護(hù)的重要性， 電除塵器作為一種高效除塵裝置廣泛應(yīng)用于含塵氣體的處理[1-2]。 目前市場(chǎng)上靜電除塵器的低壓控制系統(tǒng)多是采用繼電器、接觸器和單片機(jī)為控制核心。由于單片機(jī)在工作環(huán)境惡劣時(shí)， 易受到干擾而出現(xiàn)程序跑飛、死機(jī)等現(xiàn)象。 因此，本電除塵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用西門子S7-1200PLC 為控制核心，通過觸摸屏（HMI）進(jìn)行人機(jī)交互，提高運(yùn)行的可靠性。

1 電除塵器的基本原理

電除塵器是一種煙氣凈化設(shè)備， 主要由高壓電源裝置、低壓控制系統(tǒng)、陽(yáng)極板、陰極線、振打裝置和清灰裝置等組成[3]。 它的工作原理是：高壓電源裝置在陽(yáng)極板和陰極線間施加負(fù)高壓直流電，陰陽(yáng)極之間將產(chǎn)生高壓電場(chǎng)，陰極線附近產(chǎn)生電暈放電，形成大量的正離子、負(fù)離子和電子。 煙氣中灰塵塵粒通過高壓靜電場(chǎng)時(shí)，與正負(fù)離子和電子發(fā)生碰撞而荷電，帶上電子和離子的塵粒在電場(chǎng)力的作用下向異性電極運(yùn)動(dòng)并積附在異性電極上，當(dāng)粉塵達(dá)到一定厚度時(shí)，通過振打?qū)⒒覊m落入收集灰斗中，使通過電除塵器的煙氣得到凈化，達(dá)到保護(hù)大氣，保護(hù)環(huán)境的目的。

2 電除塵低壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1 所示， 溫度傳感器采集各控制裝置現(xiàn)場(chǎng)的溫度信號(hào)， 輸入到模擬模塊6ES7231， 進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，經(jīng)PLC 處理，并結(jié)合電除塵工藝流程，控制電機(jī)、加熱器、報(bào)警器等控制信號(hào)輸出到相應(yīng)的外部設(shè)備， 實(shí)現(xiàn)陰陽(yáng)極振打、保溫箱電加熱、溫度檢測(cè)、倉(cāng)振和卸灰控制、故障報(bào)警等。 同時(shí)，PLC 和組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)靜電除塵控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以在HMI 上啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，設(shè)定和修改設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，具有安全登錄，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，歷史數(shù)據(jù)保存等功能。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

3 電除塵低壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 I/O 口分配

電除塵低壓控制系統(tǒng)主要包括四個(gè)陽(yáng)極振打電機(jī)、八個(gè)灰斗加熱控制器、八個(gè)倉(cāng)振電機(jī)、八個(gè)卸灰電機(jī)等部件。 根據(jù)控制要求， 選擇西門子S7-1200 PLC 作為控制器，并包含離散輸入模塊、離散輸出模塊和模擬量輸入模塊。 PLC 的部分I/O 口資源分配如表1 所示。

表1 部分PLC 的I/O 口資源分配表

3.2 電加熱控制系統(tǒng)

電加熱控制系統(tǒng)的控制對(duì)象包括保溫箱電加熱器和灰斗電加熱器?？刂葡到y(tǒng)的主回路采用交流接觸器控制，輔助回路采用中間繼電器、 開關(guān)和PLC 控制交流接觸器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)電加熱的手動(dòng)/自動(dòng)控制。 手動(dòng)控制模式時(shí)，轉(zhuǎn)換開關(guān)控制各路電加熱系統(tǒng)。 自動(dòng)控制模式時(shí)， 根據(jù)Ptl00 鉑電阻溫度傳感器檢測(cè)的溫度，經(jīng)PLC 處理，當(dāng)溫度低于下限時(shí)，啟動(dòng)電加熱器加熱；溫度高于上限時(shí)，停止電加熱器加熱，實(shí)現(xiàn)電加熱器恒溫控制。

3.2.1 電加熱溫度轉(zhuǎn)換原理及編程方法

在模擬量輸入模塊外接溫度傳感器， 傳感器將測(cè)得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為0～10V 的連續(xù)電壓信號(hào)輸入給PLC， 經(jīng)過PLC 內(nèi)部的A/D 轉(zhuǎn)換成0～27648 的數(shù)字量， 存儲(chǔ)在指定的寄存器中。 再根據(jù)A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)字量與對(duì)應(yīng)的溫度值成線性關(guān)系，換算出各點(diǎn)的溫度，包含：進(jìn)出口溫度、電加熱各處的加熱溫度，其通用公式是：

式中：Ti—各點(diǎn)的溫度；Ii—換算對(duì)象， 模擬量模塊采集上來的值；Tmax—溫度最大值；Tmin—溫度最小值；Imax—換算對(duì)象的最大值27648；Imin—換算對(duì)象的最小值0；

在編程方法上， 西門子S7-1200 采用轉(zhuǎn)換指令（CONVERT）和數(shù)學(xué)函數(shù)中的計(jì)算指令（CALCULATE）實(shí)現(xiàn)。 其中，轉(zhuǎn)換指令（CONVERT）將模擬量模塊采集的數(shù)據(jù)Ii（0～27648 ），從整數(shù)類型（int）轉(zhuǎn)化為實(shí)數(shù)類型（Real）。 數(shù)學(xué)運(yùn)算（CALCULATE）是將轉(zhuǎn)化后的實(shí)數(shù)，按照模擬量的轉(zhuǎn)換公式，進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算。

3.2.2 保溫箱電加熱控制

為了避免爬電等現(xiàn)象，降低設(shè)備故障率，保溫箱必須恒溫控制在110～130℃之間， 再根據(jù)各點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，采用比較指令， 實(shí)現(xiàn)加熱器的恒溫控制， 即： 當(dāng)溫度低于110℃時(shí)啟動(dòng)保溫箱加熱器， 當(dāng)溫度高于130℃時(shí)停止加熱，循環(huán)往復(fù)。 同時(shí)，觸摸屏可手動(dòng)/自動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控。 保溫箱電加熱模塊PLC 程序，如圖2 所示。

圖2 保溫箱電加熱塊程序

3.2.3 灰斗電加熱控制

該低壓控制系統(tǒng)共有八路灰斗電加熱器， 溫度控制在90～110℃之間， 編程方法與保溫箱低壓控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)相似，根據(jù)各點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度，采用比較指令實(shí)現(xiàn)。即：溫度傳感器檢測(cè)實(shí)際溫度， 經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后送至PLC，由PLC 實(shí)現(xiàn)恒溫控制。 同時(shí)， 觸摸屏可手動(dòng)/自動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.3 陰陽(yáng)級(jí)振打控制系統(tǒng)

當(dāng)極板上粉塵不易清除時(shí)， 容易誤認(rèn)為是振打次數(shù)太少或振打加速度太小[4]。實(shí)際上，除了振打，粉塵沉積厚度也是一個(gè)重要因素，把粉塵沉積一定厚度再打，用很小的振打力，粉塵會(huì)成片狀下落，這樣，不僅保證粉塵清除干凈，更能降低振打機(jī)構(gòu)噪音，防止擊碎粉塵出現(xiàn)二次飛揚(yáng)。 所以，振打控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)就是：通過改變電除塵陰陽(yáng)極板振打時(shí)間和方式，優(yōu)化振打周期。

3.3.1 陽(yáng)級(jí)振打

一般而言，一電場(chǎng)的收塵率占煙塵總量的80%，二電場(chǎng)的收率占煙塵總量的20%以下。所以，各電場(chǎng)沉積在陽(yáng)極板上的煙塵厚度達(dá)到需要振打的時(shí)間就差別非常大，為避免二次飛揚(yáng)，1#～4# 陽(yáng)極板在順序循環(huán)振打時(shí)，每個(gè)周期按1#-1#-2#-1#-2#-3#-1#-2#-3#-4# 的方式， 依次啟停，加大一電場(chǎng)陽(yáng)極板的振打次數(shù)。 圖3 所示是2# 陽(yáng)極振打程序。

圖3 2# 陽(yáng)極振打程序

3.3.2 陰極振打

陰極振打?yàn)轫敳渴秸翊?，用電機(jī)作驅(qū)動(dòng)，當(dāng)線圈通電時(shí)，線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，抬升振打棒，當(dāng)線圈斷電時(shí)，磁場(chǎng)消失，振打棒在重力作用下下落，撞擊振打桿，由振打桿將振打力傳遞到電除塵器內(nèi)部，從而振掉積灰。由于振打裝置在除塵器頂部，并隔離于煙塵之外，具有不占電場(chǎng)內(nèi)部空間、運(yùn)行安全可靠、后期維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

此外， 倉(cāng)振控制和卸灰控制的編程方法與振打控制相似，用計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器和比較指令等實(shí)現(xiàn)，均有手動(dòng)、自動(dòng)兩種控制方式，根據(jù)實(shí)地操作需要，除了遠(yuǎn)程監(jiān)控，還對(duì)電機(jī)等電動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)就地控制方式。

3.4 故障報(bào)警

故障報(bào)警程序是PLC 控制程序中非常重要的組成部分。當(dāng)電除塵低壓控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行的異常，并將其輸出警示，以提示操作人員。

本電除塵低壓控制系統(tǒng)主要是控制各種電機(jī)啟停和電加熱，因此，報(bào)警類型有兩種：電機(jī)控制故障報(bào)警和熱故障報(bào)警。

電機(jī)控制報(bào)警常見的就是跳閘，如圖4 所示，采用電機(jī)輸出Q 與輸入運(yùn)行狀態(tài)的比較實(shí)現(xiàn)，當(dāng)某處電機(jī)跳閘，延時(shí)3S 后，聲光報(bào)警，觸摸屏上對(duì)應(yīng)的故障燈點(diǎn)亮，故障排除后，報(bào)警系統(tǒng)復(fù)位。

圖4 部分陽(yáng)極振打報(bào)警程序

熱故障報(bào)警常見的是跳閘和熱電阻斷路。 跳閘報(bào)警編程實(shí)現(xiàn)方法與電機(jī)報(bào)警相似。 熱電阻斷路報(bào)警是根據(jù)PT100 的工作原理實(shí)現(xiàn)的， 當(dāng)出現(xiàn)熱電阻絲斷或連接導(dǎo)線虛接、折斷、都會(huì)造成測(cè)量?jī)x表測(cè)量值無(wú)窮大。 所以利用熱電阻感溫其阻值改變，用顯示儀表測(cè)量電阻的變化，從而達(dá)到測(cè)溫的目的。PLC 編程時(shí)采用比較指令實(shí)現(xiàn)。判斷故障是否排除，采用比較指令，故障排除后，用MOVE指令恢復(fù)報(bào)警系統(tǒng)。

4 觸摸屏控制界面

電除塵的低壓控制界面，主要包括：主界面、電加熱控制界面、進(jìn)出口溫度檢測(cè)界面、倉(cāng)振電機(jī)控制界面、卸灰電機(jī)控制界面、報(bào)警界面、操作說明界面等。

如圖5 所示，系統(tǒng)啟動(dòng)后，進(jìn)入主界面， 包含溫度檢測(cè)、控制區(qū)域和其他三大模塊。 如圖6 所示是振打控制界面，振打控制分為手動(dòng)/自動(dòng)兩種， 調(diào)試階段手動(dòng)控制整個(gè)工藝，正常工作后， 再次觸發(fā)“手動(dòng)”按鈕，按鈕變?yōu)椤白詣?dòng)”，切換為自動(dòng)控制模式。 振打電機(jī)工作時(shí)， 按鈕顯示綠色， 電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，按鈕是紅色，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖5 電除塵控制系統(tǒng)主界面

圖6 振打控制界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用西門子S7-1200PLC 和觸摸屏等實(shí)現(xiàn)了對(duì)電除塵器的陰陽(yáng)極振打、保溫箱加熱、灰斗加熱等功能的自動(dòng)控制。 實(shí)際應(yīng)用表明，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，除塵系統(tǒng)運(yùn)行良好，對(duì)粉塵大于3mg/m3的除塵效率達(dá)到99%以上，符合環(huán)保要求，達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的目的。