基于工業(yè)以太網(wǎng)的袋式除塵器控制系統(tǒng)設計

　　1 引言

　　由于煙塵的排放，對我國的大氣環(huán)境造成了較為嚴重的污染，因而，煙氣凈化設備成為了許多人注目的焦點。從目前的技術(shù)看，可選擇的煙氣凈化設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荷變化的影響較大，同時它對微細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99.9%以上;附屬設備少，投資省;能捕集電除塵難以回收的粉塵，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)總體設計

　　2.1 總體設計

　　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計。高壓部分主要指10kv高壓電源的引入，并將其分配給各個控制系統(tǒng)中，以及對高壓風機的控制。低壓部分的設計囊括了：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、高壓風機站的控制、輸灰卸灰的控制、清灰系統(tǒng)的控制等等。

　　在整個系統(tǒng)的運行過程中，為保證系統(tǒng)的運行可靠，利用西門子可編程邏輯控制器s7-300實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)字信號狀態(tài)、模擬信號的采集并將采集的信號通過以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C，上位機再根據(jù)需要將控制信號利用以太網(wǎng)傳輸給plc，通過plc完成各個控制對象的輸出。同時采用wincc5.2組態(tài)軟件實現(xiàn)對設備的實時遠程監(jiān)控，包括對現(xiàn)場開關(guān)量的實時顯示、對模擬量的實時顯示、下位機運行參數(shù)的實時修改、故障的報警、運行參數(shù)記錄等等。從下位機到上位機的信息傳輸利用以太網(wǎng)實現(xiàn)對整個系統(tǒng)現(xiàn)場設備運行狀態(tài)的集中監(jiān)控，既提高了傳輸質(zhì)量，又可實現(xiàn)信息資源共享。

　　2.2 以太網(wǎng)通訊的設計方案

　　在早期的實踐中，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、em277 profibus-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、開放性好和支持設備多的優(yōu)勢，在信息網(wǎng)絡中得到了廣泛的發(fā)展。

　　本設計中，以太網(wǎng)主要用于完成上位機與下位機之間的信息傳輸，通過它可以很容易的滿足以下的設計要求：

　　(1)不同廠商的設備容易互聯(lián)，可以解決控制系統(tǒng)中不同廠商設備的兼容和互操作性的問題;

　　(2)傳輸速率高，可達10～100mbps;

　　(3)可以很方便的實現(xiàn)遠程訪問，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設備與裝有wincc的遠程監(jiān)控上位機及工作站進行互連，以實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控。

　　上位機通過cp1613通訊模塊實現(xiàn)與plc連接，現(xiàn)場采用的是s7-300plc，因此，需安裝simatic s7 protocol suite通訊驅(qū)動程序，安裝完畢后，還需建立通道單元，每個通道單元只對一個下位硬件驅(qū)動程序用作端口，在現(xiàn)場下位端采用cp343-1通訊處理器實現(xiàn)s7-300plc與工業(yè)以太網(wǎng)的連接，這個模塊自身帶處理器，可減輕cpu的通訊任務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)絡配置軟件中，對cpu模塊插入一個新的網(wǎng)絡鏈接，并設定鏈接類型為tcp connection，再定義網(wǎng)絡通信的id號，一個網(wǎng)絡連接用一個id號，plc軟件根據(jù)不同的id號來判斷不同的網(wǎng)絡連接，鏈接完成后，通過以太網(wǎng)線與網(wǎng)絡交換機連接而完成如圖2所示的系統(tǒng)的組態(tài)與網(wǎng)絡配置。

　　圖2 cp1613與cp343-1的組態(tài)圖

　　3 設計評價

　　3.1 系統(tǒng)的硬件設計及特點

　　(1)低壓部分采用4臺ggd型配電柜：進線柜、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、手動卸灰控制柜、手動清灰控制箱等。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以及機架。

　　(2)為了防止低壓柜內(nèi)交流線路對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，通過輸出點帶動中間繼電器，而且，觸點需要通過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個離線閥，每個離線閥帶動8個脈沖閥，共計384個脈沖閥，采用傳統(tǒng)控制方式進該部分就合計需要432個plc輸出控制點。為了降低工程造價節(jié)省plc輸出點，設計了一個矩陣電路，最終只須186個數(shù)字量輸出，減少了plc輸出點數(shù)量，降低了系統(tǒng)成本。

　　3.2 系統(tǒng)的軟件設計及其特點

　　(1)下位機plc程序的編寫采用simatic可編程邏輯控制器組態(tài)和編程的標準軟件包step7。系統(tǒng)的程序設計采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的程序設計思想：脈沖反吹清灰統(tǒng)中的8個脈沖閥的動作控制作為一個模塊編制成一個fc2;脈沖反吹自動系統(tǒng)的控制也作為一個模塊編制成一個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計思想一方面可以使編程思路清晰，易于實現(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中的存儲空間。

　　(2)上位機的監(jiān)控系統(tǒng)設計，利用siemens wincc5.2組態(tài)軟件，通過activex、opc、sql等標準接口，可以很方便的與其它軟硬件系統(tǒng)進行通訊。wincc后臺的數(shù)據(jù)庫功能和基于c語言的全局腳本編輯器使對象的動態(tài)組態(tài)非常靈活、方便和快捷。其中，項目函數(shù)只在對其進行創(chuàng)建的實際項目中才有效，這樣可以方便修改，減少現(xiàn)場中不必要的時間浪費，項目函數(shù)是c函數(shù)，可根據(jù)需要自行編寫或修改。此外，系統(tǒng)設計實行分級管理登陸機制，工程師級能對數(shù)據(jù)設置修改，普通操作員只能進行監(jiān)控操作。對于檢測數(shù)據(jù)采用軟矩陣技術(shù)實現(xiàn)多點數(shù)狀態(tài)的監(jiān)測，而對于現(xiàn)場模擬信號的非線性狀態(tài)，采用計算機分段線性化的處理方法，現(xiàn)場所有參數(shù)實時分類存儲于數(shù)據(jù)庫中，為現(xiàn)場工藝人員的實時在線操作提供了極大的方便。

　　4 結(jié)束語

　　以太網(wǎng)作為一個開放性網(wǎng)絡在工業(yè)控制領域得到了廣泛的發(fā)展與應用，尤其應用在監(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)遠程監(jiān)控，用較少的組網(wǎng)成本達到了高質(zhì)量的通訊效果;良好的人機界面既豐富了人機聯(lián)系，同時提供了較強的自診斷功能，有效地提高了系統(tǒng)的安全運行水平;plc矩陣電路的設計方案，簡化了plc的輸出結(jié)點，使其具有較高的性價比。

　　經(jīng)泰鋼、焦鋼等多家公司的實際應用表明，該設計在性能上穩(wěn)定可靠，工藝參數(shù)修改方便，適應現(xiàn)場的復雜情況，滿足用戶的實際需要，創(chuàng)造較大的經(jīng)濟效益和社會效益，具有較強的實用性。