如何進(jìn)行基于Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)的新型布袋除塵器控制系統設計？

1引言

隨著(zhù)環(huán)境保護要求的日漸提高，世界各國對環(huán)境保護都提出了愈來(lái)愈嚴格的要求。在我國，不但提高了煙塵的排放標準，而且加強了對排放硫氧化物的控制。許多鍋爐為了符合限制排硫的標準而使用低硫煤，其結果雖然減少了硫的排放，但也提高了煙塵的比電阻，使得國內工業(yè)上廣泛使用基于國外六、七年代技術(shù)的電除塵方法效率大大降低，已經(jīng)逐漸落后于當代環(huán)保領(lǐng)域提出的新要求，因而當今環(huán)保領(lǐng)域面臨一個(gè)重要的課題便是設計出經(jīng)濟、節能、高效的新型除塵系統。

布袋除塵器從一開(kāi)始就因為其除塵效率不受粉塵比電阻影響、排放粉塵濃度低和對硫氧化物有吸收作用的優(yōu)點(diǎn)而被這些工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)普遍認同和廣泛采用。從長(cháng)遠看，隨著(zhù)環(huán)保的要求越來(lái)越高，布袋除塵器的優(yōu)越性將會(huì )越來(lái)越明顯，并將受到更為廣泛的重視和應用。因此，自主開(kāi)發(fā)適合中國工業(yè)的布袋除塵系統，尤其是控制系統就成為必然的選擇。

2工藝介紹

新型布袋除塵器控制系統按照工藝要求由原煙氣溫度控制系統、除塵氣室系統、灰斗系統和清灰系統組成一級子系統。從一級控制子系統分開(kāi)來(lái)，又可以分成風(fēng)機陣列系統、脈沖閥時(shí)序系統、回轉臂系統、煙氣擋板系統、布袋系統和噴水閥系統等諸多二級子系統。具體工藝結構圖參照圖1。

從工藝結構圖可以看出，布袋除塵器控制系統是一個(gè)控制對象眾多，控制類(lèi)型多樣，控制策略復雜的綜合控制系統。這樣一個(gè)控制系統電氣設備十分復雜，基于Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)上的成熟與開(kāi)放性，以及成本上的考慮，我們設計采用以Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)作為新型布袋除塵器控制系統的底層現場(chǎng)控制總線(xiàn)，結合分布式I/O板卡配合可保證數據的可靠傳輸。分布式I/O系統是智能化系統，將減輕控制系統的處理負荷。I/O系統將能完成掃描、數據整定、數字化輸入和輸出、線(xiàn)性化熱電偶冷端補償、過(guò)程點(diǎn)質(zhì)量判斷、工程單元換算等功能。各個(gè)I/O板卡通過(guò)接口掛接到Profibus總線(xiàn)上，同時(shí)總線(xiàn)上的PLC將實(shí)現控制方案，總線(xiàn)上還配備人機操作單元，允許操作員進(jìn)行現場(chǎng)監視和手動(dòng)控制。

圖1新型布袋除塵器工藝結構圖

3系統設計

傳統的控制系統方案多采用基于DCS技術(shù)的計算機控制系統來(lái)實(shí)現分散自動(dòng)控制和集中監控。但基于DCS的系統存在一些重要缺陷，一方面傳統的DCS系統是自封閉式的集散系統，難以實(shí)現設備之間以及系統與外界之間的信息交互和共享，使自動(dòng)化系統成為“信息孤島”;另一方面傳統DCS系統的現場(chǎng)底層傳感器和數據采集器之間采用一對一物理連線(xiàn)和模擬信號傳輸，導致大范圍布線(xiàn)，給現場(chǎng)施工帶來(lái)很大麻煩，同時(shí)，信號傳輸的抗干擾能力也較差。因此，對于新型布袋除塵器系統工藝而言，采用傳統的DCS已經(jīng)難以滿(mǎn)足其工藝和控制的要求[3]。

Profibus總線(xiàn)是一種新型的現場(chǎng)總線(xiàn)，其數據傳輸速度可以達到12Mb/s，可以承擔現場(chǎng)、控制與監控的通信任務(wù)，降低系統及工程成本，具有較高的性?xún)r(jià)比，是當今實(shí)現分布式與集中式控制系統理想的總線(xiàn)技術(shù)。它具有開(kāi)放性、可操作性、互換性與可集成性，大大增強了現場(chǎng)級的信息繼承能力，提高了系統的可靠性。Profibus的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議是以ISO頒布的OSI標準七層參考模型為基礎的，只是對第三層到第六層進(jìn)行簡(jiǎn)化，標準適應性強。此外它的三種模塊(FMS，DP和PA)可以適應不同的應用對象和通信速率方面的要求，具有良好的開(kāi)放性。Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)主站以主從方式與從站通訊，各主站之間有令牌協(xié)議決定總線(xiàn)控制權，節點(diǎn)數可達127個(gè)[2]。

本系統中采用Siemens的ET200M?I/O系統，它是一種帶光隔離的I/O板卡系統，不僅支持分布式的I/O配置模式，為系統提供了很好的可擴展性和靈活性，而且可升級為帶電熱拔插模式，使模塊故障對系統的影響降低到最小。主控PLC則采用Siemens的S7-400系列CPU，配套編程工具 STEP?7進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，同時(shí)Profibus總線(xiàn)上連接人機界面操作面板OP270配合使用ProTool開(kāi)發(fā)的監控系統，使操作員可以在布袋除塵系統現場(chǎng)直接進(jìn)行監視和手動(dòng)操作。而DP/PA?Link實(shí)現了Probibus?DP和Profibus?PA兩種總線(xiàn)實(shí)現互聯(lián)，使得基于 Profibus?PA的相關(guān)的傳感器和執行設備可以接入現場(chǎng)總線(xiàn)層。該系統總線(xiàn)結構原理圖如圖2所示。

另外，作為獨立開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，本系統可以提供多種接口與上層DCS進(jìn)行連接。通過(guò)包括Profibus?DP接口、MPI接口和其他各種接口模塊在內，DCS主機可以方便的對布袋除塵器進(jìn)行遠程監控，實(shí)現高度信息交互和集成的多層網(wǎng)絡(luò )結構。

圖2布袋除塵器網(wǎng)絡(luò )結構原理圖

4系統控制功能描述

布袋除塵器系統結構龐大，設備繁多，工藝要求電氣設備和控制系統上的聯(lián)鎖十分復雜，要對這樣一個(gè)系統進(jìn)行綜合控制，就需要對整個(gè)控制系統進(jìn)行詳細劃分，并且對各個(gè)子系統進(jìn)行協(xié)調，在完成每個(gè)子系統控制需要的同時(shí)，滿(mǎn)足整體工藝要求[1]。

布袋除塵器基礎控制結構可以劃分為如下幾個(gè)部分：

1)控制涉及布袋除塵器系統范圍內所有電氣設備;

2)I/O板卡負責采集現場(chǎng)數據，通過(guò)Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)傳送到PLC進(jìn)行處理;

3)分組設計思想，將子系統中各個(gè)電氣設備結合成組，各組之間實(shí)現安全聯(lián)鎖;

4)各組控制程序和聯(lián)鎖程序由PLC完成;

5)系統具有手動(dòng)、自動(dòng)切換功能，操作員通過(guò)人機操作面板實(shí)現手動(dòng)操作。

布袋除塵器中最核心的部分是用于過(guò)濾粉塵的布袋，盡量延長(cháng)布袋的使用壽命，是判斷系統成功與否的關(guān)鍵指標。如何防止布袋阻塞，保證系統的正常運行對清灰系統提出了很高的控制要求。因此怎樣選擇正確有效的控制方案和控制策略對于工藝能否實(shí)現起到了很重要的作用。清灰控制系統實(shí)現的控制功能有：風(fēng)機控制、回轉臂控制及最核心的脈沖閥噴吹系統控制;并且實(shí)現了設備互鎖保護、故障處理和報警等相關(guān)功能。

風(fēng)機系統用于提供脈沖閥噴吹需要的高壓氣源，如果風(fēng)機出現故障，就無(wú)法對布袋按預定的頻率進(jìn)行噴吹，造成布袋阻塞，進(jìn)而導致系統癱瘓。為了保障系統的正常運行，風(fēng)機系統采用一用一備的方式，正常運行、正常清灰情況下兩臺風(fēng)機100%冗余。當正在運行的風(fēng)機出現故障或是清灰壓力不夠時(shí)，控制系統會(huì )自動(dòng)將備用風(fēng)機投入運行。