莫布林

(韶關市坪石發(fā)電廠有限公司(B廠)，廣東 韶關 512229)

袋式除塵器對細微顆粒具有高捕捉率，對粉塵達標排放起到重要作用，在電力、冶金、化工和建材等行業(yè)得到了越來越廣泛的應用[1]。脈沖噴吹系統(tǒng)是保障袋式除塵器高效穩(wěn)定運行的關鍵部件。袋式除塵器的脈沖噴吹清灰方式需要用大量的控制設備，一般有幾十個至幾百個電磁閥或氣動門等，所以需要占用大量控制系統(tǒng)的DO通道和電纜[2]。選用和設計好袋式除塵器的脈沖噴吹控制系統(tǒng)[3]，對節(jié)省設備投資和工程施工費用具有重要作用。

矩陣控制方式相比單個控制方式具有很大幅度控制系統(tǒng)的設備節(jié)省率[4]，其能夠有效地降低設備投資費用和工程施工費用。應用實踐證明矩陣控制方式能夠成功應用于袋式除塵脈沖噴吹系統(tǒng)，已被大量應用于該領域。隨著控制技術的發(fā)展，矩陣控制方式并非最節(jié)省設備和工程量的控制方式，采用矩陣控制方式的袋式除塵器脈沖噴吹控制系統(tǒng)的設備和工程量節(jié)省率仍有提升空間。

本文采用設備組合控制方式對袋式除塵器脈沖噴吹系統(tǒng)的矩陣控制方式進行優(yōu)化設計[5]，將設備組合控制方式應用于袋式除塵器的脈沖噴吹控制系統(tǒng)，充分利用控制系統(tǒng)性能，簡化控制系統(tǒng)設備，以期達到進一步降低設備投資費用和工程施工費用的目的。

1 工藝流程

1.1 系統(tǒng)組成

某袋式除塵器共有8個倉室，除塵器清灰采用脈沖噴吹方式[6]，每個倉室用20個電磁閥控制清灰，一共有160個電磁閥。倉室和電磁閥布置方式如圖1所示。

圖1 袋式除塵器設備布置方式

1.2 清灰流程

袋式除塵器清灰流程：從1號倉室開始清灰，每個倉室的清灰從1號電磁閥開始，按順序逐個進行到20號，1號倉室完成清灰后按順序進行2-8號倉室清灰，當8號倉室全部電磁閥工作完畢后即完成了1輪清灰工作，當符合任意清灰條件時又從1號倉室的1號電磁閥開始進行下一輪清灰工作，如此循環(huán)進行。清灰有定時清灰和差壓清灰2種工作方式，其中定時清灰方式有3個參數(shù)：電磁閥帶電時間，設定范圍為0～150 ms；各電磁閥之間的清灰間隔時間，設定范圍為1～20 s；循環(huán)間隔時間，設定范圍為不大于720 min，某袋式除塵器清灰參數(shù)分別設置為30 ms、15 s、120 min[7]。

2 矩陣控制方式

2.1 原理

對袋式除塵器脈沖噴吹電磁閥的控制有多種方式，可以采用單個控制方式，也可以采用矩陣控制方式等。單個控制方式即每個電磁閥采用控制系統(tǒng)的單獨輸出通道和單獨的電纜進行控制。矩陣控制方式的特點是采用多行和多列輸出，通過某行和某列共同接通某個設備的電路進行控制。某袋式除塵器的電磁閥采用矩陣控制方式，通過8行行選輸出和20列列選輸出來控制160個電磁閥的工作。該袋式除塵器脈沖噴吹控制系統(tǒng)是以西門子S7-300可編程控制器為中心的控制系統(tǒng)[8]，實現(xiàn)對160個電磁閥的矩陣控制方式，其電氣原理如圖2所示，信號連接如圖3所示。

圖2 矩陣控制方式電氣原理

圖3 矩陣控制方式信號連接

2.2 矩陣控制方式特點

由圖2可知，矩陣控制方式是通過行、列的交叉點來確定某個被控制設備，分別由2個輸出點來控制1個設備，如電磁閥M2-2是通過DO點Q0.1和Q1.1共同輸出使得該電磁閥帶電動作。此處使用8×20的行列來實現(xiàn)160個電磁閥的控制，共需28個DO通道(8+20=28)，28根(8+20=28)電纜線進行控制。行、列數(shù)的劃分是根據(jù)袋式除塵器的倉室數(shù)量和每個倉室的電磁閥數(shù)量來確定，并非最節(jié)省DO通道和電纜的行列劃分方式。

由基本不等式公式及其性質可知：矩陣控制方式最優(yōu)行列數(shù)劃分問題是基本不等式中的“積定和最小”問題。由于應用于袋式除塵器電磁閥的矩陣控制方式，a、b的取值要求是正整數(shù)，所以問題可以轉化為乘積一定，兩數(shù)相差越小，和越小。此處積是160，經(jīng)過開方運算和幾次乘法計算比較，得出最優(yōu)行、列數(shù)為13，即用13×13(積為169，有9個被控設備位置剩余)的陣列能夠滿足160個電磁閥的控制需求，且所需的DO通道數(shù)(13+13=26個)和導線數(shù)(13+13=26根)最少，比實際所用的8×20陣列節(jié)省2個DO點和2根電纜導線。

2.3 設備節(jié)省率

如果采用電磁閥單個控制方式，需要的DO點數(shù)是160個，需要的導線數(shù)是320根，而采用8×20行列的矩陣控制方式所需的DO點數(shù)是28點，電纜導線數(shù)是28根，設備節(jié)省率如表1所示。

表1 設備節(jié)省率

由此可見，采用矩陣控制方式比單個控制方式節(jié)省較大幅度的DO通道數(shù)和導線數(shù)。

3 設備組合控制方式

3.1 原理

設備組合控制方式是對在同一系統(tǒng)中或位置分布上相近、信號類型和數(shù)量相同或相近的設備進行集中控制，對該組設備的信號進行編碼，控制系統(tǒng)按編碼從小到大的順序，分時對這些設備周而復始地進行信號采樣或控制輸出，如圖4所示。其特點是讓多個設備共享1個或多個I/O 通道，集中處理一組設備的輸出和輸入信號。

圖4 設備組合控制方式原理

由圖4可知，設備組合控制方式主要由設備組合控制塊、譯碼器、數(shù)碼線、狀態(tài)線和路徑中間繼電器等設備組成，是在某個控制系統(tǒng)上實現(xiàn)的。

3.2 控制方式改進

采用設備組合控制方式對原袋式除塵器脈沖噴吹系統(tǒng)矩陣控制方式進行改進，應用設備組合控制方式來控制電磁閥的信號連接如圖5所示。

圖5 設備組合控制方式信號連接

由圖5可知，采用設備組合控制方式所需的DO通道數(shù)是8個，導線數(shù)是9根(其中有1根是數(shù)碼信號公共線)。

3.3 控制邏輯組態(tài)

首先運用西門子S7-300可編程控制器編程軟件自定義變量編寫程序代碼創(chuàng)建設備組合控制功能塊[10]；然后在主程序中調用該功能塊，并對原有矩陣控制方式的程序稍作修改，完成控制邏輯組態(tài)工作，實現(xiàn)袋式除塵器脈沖噴吹系統(tǒng)的設備組合控制方式。

3.4 控制方式特點

設備組合控制方式通過編碼和譯碼的方式選擇某個設備并進行控制，編碼采取二進制編碼方式，每個DO通道表示1位二進制碼。對于被控設備數(shù)量已知為y的應用，所需的編碼位數(shù)設為x，則x=log2y(x為實數(shù)、y為正整數(shù))，也就是對于一組被控數(shù)量為y的設備，所需的DO通道數(shù)和編碼導線數(shù)均為x(當x不為整數(shù)時，應往上取整計算)。若已知DO通道數(shù)和導線數(shù)為x，則可控的設備數(shù)量y=2x(x、y為正整數(shù))，即y是以2為底數(shù)，x為指數(shù)的指數(shù)函數(shù)。由指數(shù)函數(shù)的曲線特點可知，增加1個DO通道，相應地能夠大幅度增加被控設備數(shù)量。

4 改進效果

4.1 控制速度分析

電磁閥在清灰時帶電動作30 ms，間隔15 s后進行下一個電磁閥清灰。假設西門子S7-300可編程控制器的掃描周期是50 ms[11]，則設備組合控制功能塊每s可以輸出20個編碼，即1 s可以控制20個電磁閥動作，對于清灰方式要求的2個電磁閥工作間隔15 s在速度上完全能夠滿足，不存在控制延遲問題。改進后的控制方式在控制速度上足夠快，在外部看來與原有的矩陣控制方式完全一樣。

4.2 設備節(jié)省率

采用設備組合控制方式所需的設備數(shù)量與優(yōu)化前8×20行列及最優(yōu)13×13行列矩陣控制方式對比如表2所示。

表2 設備組合控制方式設備節(jié)省率

由表2可知，從DO通道和導線使用數(shù)量分別比較，設備組合控制方式均比矩陣控制方式節(jié)省設備，且與矩陣控制方式的最優(yōu)行列配置方式比較，也有較大幅度的節(jié)省率。

5 結束語

采用設備組合控制方式的袋式除塵器脈沖噴吹控制系統(tǒng)在控制速度上完全能夠滿足清灰的控制需求，設備組合控制方式與最優(yōu)行列配置的矩陣控制方式在主要設備使用數(shù)量上對比，設備節(jié)省率達65.38%以上，該方式優(yōu)于矩陣控制方式。設備組合控制方式是在控制系統(tǒng)中編程組態(tài)實施，只需增加少量新設備，來提高控制系統(tǒng)性能，效果明顯，達到了降低設備費用和工程費用目的。