基于工業(yè)以太網(wǎng)的袋式除塵器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1引言

由于煙塵的排放，對(duì)我國的大氣環(huán)境造成了較為嚴(yán)重的污染，因而，煙氣凈化設(shè)備成為了許多人注目的焦點(diǎn)。從目前的技術(shù)看，可選擇的煙氣凈化設(shè)備主要有電除塵器和袋式除塵器。其中，電除塵器受鍋爐工況和負(fù)荷變化的影響較大，同時(shí)它對(duì)微細(xì)粒子的捕集能力又有限，而袋式除塵器一次投資低，除塵效率高，可達(dá)99.9%以上；附屬設(shè)備少，投資?。荒懿都姵龎m難以回收的粉塵，所以，袋式除塵器逐漸成為一種重要的選擇。

袋式除塵器的除塵過程主要包括捕集、清灰、卸灰三個(gè)部分。捕集，顧名思義，就是將含有煙塵的空氣經(jīng)濾袋過濾，將煙塵留在濾袋中，被凈化的空氣則從出氣口排出；清灰單元是除塵器中一個(gè)非常重要的單元，隨著濾袋中的粉塵逐漸增厚，阻滯了被凈化空氣的排出，因此，需要定期的清除這些粉塵，利用對(duì)隔離閥、脈沖閥的操控，將被加熱過的空氣送入濾袋，濾袋受熱膨脹，再加上空氣流的作用，致使粉塵紛紛落入傳送帶上，被送入灰倉，原理圖如圖1所示。

圖1袋式除塵器的原理圖

2控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)

袋式除塵器的電氣控制系統(tǒng)主要包括高壓部分和低壓部分的設(shè)計(jì)。高壓部分主要指10kv高壓電源的引入，并將其分配給各個(gè)控制系統(tǒng)中，以及對(duì)高壓風(fēng)機(jī)的控制。低壓部分的設(shè)計(jì)囊括了：煙塵管道內(nèi)煙塵溫度的控制、氣源溫度的控制、捕集系統(tǒng)的控制、高壓風(fēng)機(jī)站的控制、輸灰卸灰的控制、清灰系統(tǒng)的控制等等。

在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，為保證系統(tǒng)的運(yùn)行可靠，利用西門子可編程邏輯控制器s7-300實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場數(shù)字信號(hào)狀態(tài)、模擬信號(hào)的采集并將采集的信號(hào)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)再根據(jù)需要將控制信號(hào)利用以太網(wǎng)傳輸給plc，通過plc完成各個(gè)控制對(duì)象的輸出。同時(shí)采用wincc5.2組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，包括對(duì)現(xiàn)場開關(guān)量的實(shí)時(shí)顯示、對(duì)模擬量的實(shí)時(shí)顯示、下位機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)修改、故障的報(bào)警、運(yùn)行參數(shù)記錄等等。從下位機(jī)到上位機(jī)的信息傳輸利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的集中監(jiān)控，既提高了傳輸質(zhì)量，又可實(shí)現(xiàn)信息資源共享。

2.2以太網(wǎng)通訊的設(shè)計(jì)方案

在早期的實(shí)踐中，plc與wincc之間的通訊，許多都采用profibus現(xiàn)場總線的通訊方式，該方法雖具有快速的數(shù)據(jù)傳輸速度，但傳輸數(shù)據(jù)區(qū)域有限（最大64字節(jié)），且硬件成本很高，需要cp5412、em277profibus-dp、profibus總線等硬件。隨著信息科技的飛速發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)因其具有傳輸速度高、低能耗、便于安裝、兼容性好、開放性好和支持設(shè)備多的優(yōu)勢，在信息網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的發(fā)展。

本設(shè)計(jì)中，以太網(wǎng)主要用于完成上位機(jī)與下位機(jī)之間的信息傳輸，通過它可以很容易的滿足以下的設(shè)計(jì)要求：

（1）不同廠商的設(shè)備容易互聯(lián)，可以解決控制系統(tǒng)中不同廠商設(shè)備的兼容和互操作性的問題；
（2）傳輸速率高，可達(dá)10～100mbps；
（3）可以很方便的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問，共享／訪問多數(shù)據(jù)庫；
（4）軟硬件成本低廉，有多種軟件開發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備供用戶選擇。

工業(yè)以太網(wǎng)的硬件選擇比較簡單，主要作用是將plc設(shè)備與裝有wincc的遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)及工作站進(jìn)行互連，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控。

上位機(jī)通過cp1613通訊模塊實(shí)現(xiàn)與plc連接，現(xiàn)場采用的是s7-300plc，因此，需安裝simatics7protocolsuite通訊驅(qū)動(dòng)程序，安裝完畢后，還需建立通道單元，每個(gè)通道單元只對(duì)一個(gè)下位硬件驅(qū)動(dòng)程序用作端口，在現(xiàn)場下位端采用cp343-1通訊處理器實(shí)現(xiàn)s7-300plc與工業(yè)以太網(wǎng)的連接，這個(gè)模塊自身帶處理器，可減輕cpu的通訊任務(wù)并可建立附加的連接。首先，定義cp343-1的以太網(wǎng)址，在simatic中的網(wǎng)絡(luò)配置軟件中，對(duì)cpu模塊插入一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)鏈接，并設(shè)定鏈接類型為tcpconnection，再定義網(wǎng)絡(luò)通信的id號(hào)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接用一個(gè)id號(hào)，plc軟件根據(jù)不同的id號(hào)來判斷不同的網(wǎng)絡(luò)連接，鏈接完成后，通過以太網(wǎng)線與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接而完成如圖2所示的系統(tǒng)的組態(tài)與網(wǎng)絡(luò)配置。

圖2cp1613與cp343-1的組態(tài)圖

3設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)

3.1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

（1）低壓部分采用4臺(tái)ggd型配電柜：進(jìn)線柜、閥門控制柜、輸出控制柜及plc控制柜，此外還有捕集罩控制箱、手動(dòng)卸灰控制柜、手動(dòng)清灰控制箱等。電源經(jīng)隔離變壓器、交流穩(wěn)壓器后再送人電源模塊，保證了plc電源的穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)的plc配置主要包括：中央處理單元cpu315、電源單元ps307、接口模板im361、im360、數(shù)字輸人單元sm321、數(shù)字輸出單元sm322、模擬輸人單元sm331、通訊模塊cp343-1以及機(jī)架。

（2）為了防止低壓柜內(nèi)交流線路對(duì)plc系統(tǒng)的干擾，plc的輸出模板均采用帶光電隔離的24v直流輸出型，通過輸出點(diǎn)帶動(dòng)中間繼電器，而且，觸點(diǎn)需要通過220v交流電壓的中間繼電器均放置在其它柜體內(nèi)。

（3）除塵器要控制48個(gè)離線閥，每個(gè)離線閥帶動(dòng)8個(gè)脈沖閥，共計(jì)384個(gè)脈沖閥，采用傳統(tǒng)控制方式進(jìn)該部分就合計(jì)需要432個(gè)plc輸出控制點(diǎn)。為了降低工程造價(jià)節(jié)省plc輸出點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)矩陣電路，最終只須186個(gè)數(shù)字量輸出，減少了plc輸出點(diǎn)數(shù)量，降低了系統(tǒng)成本。

3.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及其特點(diǎn)

（1）下位機(jī)plc程序的編寫采用simatic可編程邏輯控制器組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包step7。系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的程序設(shè)計(jì)思想：脈沖反吹清灰統(tǒng)中的8個(gè)脈沖閥的動(dòng)作控制作為一個(gè)模塊編制成一個(gè)fc2；脈沖反吹自動(dòng)系統(tǒng)的控制也作為一個(gè)模塊編制成一個(gè)fc1。在功能模塊fc1中調(diào)用fc2，然后在程序循環(huán)執(zhí)行組織塊ob1中，再調(diào)用fc1。這種模塊化的程序設(shè)計(jì)思想一方面可以使編程思路清晰，易于實(shí)現(xiàn)；另一方面，通過功能調(diào)用可以縮減程序的代碼，減少程序在plc中的存儲(chǔ)空間。

（2）上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用siemenswincc5.2組態(tài)軟件，通過activex、opc、sql等標(biāo)準(zhǔn)接口，可以很方便的與其它軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行通訊。wincc后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫功能和基于c語言的全局腳本編輯器使對(duì)象的動(dòng)態(tài)組態(tài)非常靈活、方便和快捷。其中，項(xiàng)目函數(shù)只在對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)建的實(shí)際項(xiàng)目中才有效，這樣可以方便修改，減少現(xiàn)場中不必要的時(shí)間浪費(fèi)，項(xiàng)目函數(shù)是c函數(shù)，可根據(jù)需要自行編寫或修改。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)行分級(jí)管理登陸機(jī)制，工程師級(jí)能對(duì)數(shù)據(jù)設(shè)置修改，普通操作員只能進(jìn)行監(jiān)控操作。對(duì)于檢測數(shù)據(jù)采用軟矩陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)狀態(tài)的監(jiān)測，而對(duì)于現(xiàn)場模擬信號(hào)的非線性狀態(tài)，采用計(jì)算機(jī)分段線性化的處理方法，現(xiàn)場所有參數(shù)實(shí)時(shí)分類存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中，為現(xiàn)場工藝人員的實(shí)時(shí)在線操作提供了極大的方便。

4結(jié)束語

以太網(wǎng)作為一個(gè)開放性網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展與應(yīng)用，尤其應(yīng)用在監(jiān)控系統(tǒng)中，使監(jiān)控系統(tǒng)更加方便、快捷的傳輸信息，并能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，用較少的組網(wǎng)成本達(dá)到了高質(zhì)量的通訊效果；良好的人機(jī)界面既豐富了人機(jī)聯(lián)系，同時(shí)提供了較強(qiáng)的自診斷功能，有效地提高了系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平；plc矩陣電路的設(shè)計(jì)方案，簡化了plc的輸出結(jié)點(diǎn)，使其具有較高的性價(jià)比。

經(jīng)泰鋼、焦鋼等多家公司的實(shí)際應(yīng)用表明，該設(shè)計(jì)在性能上穩(wěn)定可靠，工藝參數(shù)修改方便，適應(yīng)現(xiàn)場的復(fù)雜情況，滿足用戶的實(shí)際需要，創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。