基于工業(yè)以太網(wǎng)的袋式除塵器控制系統設計

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(diǎn)。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(shí)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??；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(guò)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(guò)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(zhù)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(guò)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控制系統總體設計

2.1總體設計

袋式除塵器的電氣控制系統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(gè)控制系統中，以及對高壓風(fēng)機的控制。低壓部分的設計囊括了：煙塵管道內煙塵溫度的控制、氣源溫度的控制、捕集系統的控制、高壓風(fēng)機站的控制、輸灰卸灰的控制、清灰系統的控制等等。

在整個(gè)系統的運行過(guò)程中，為保證系統的運行可靠，利用西門(mén)子可編程邏輯控制器s7-300實(shí)現對現場(chǎng)數字信號狀態(tài)、模擬信號的采集并將采集的信號通過(guò)以太網(wǎng)傳輸到上位機，上位機再根據需要將控制信號利用以太網(wǎng)傳輸給plc，通過(guò)plc完成各個(gè)控制對象的輸出。同時(shí)采用wincc5.2組態(tài)軟件實(shí)現對設備的實(shí)時(shí)遠程監控，包括對現場(chǎng)開(kāi)關(guān)量的實(shí)時(shí)顯示、對模擬量的實(shí)時(shí)顯示、下位機運行參數的實(shí)時(shí)修改、故障的報警、運行參數記錄等等。從下位機到上位機的信息傳輸利用以太網(wǎng)實(shí)現對整個(gè)系統現場(chǎng)設備運行狀態(tài)的集中監控，既提高了傳輸質(zhì)量，又可實(shí)現信息資源共享。

2.2以太網(wǎng)通訊的設計方案

在早期的實(shí)踐中，plc與wincc之間的通訊，許多都采用profibus現場(chǎng)總線(xiàn)的通訊方式，該方法雖具有快速的數據傳輸速度，但傳輸數據區域有限（最大64字節），且硬件成本很高，需要cp5412、em277profibus-dp、profibus總線(xiàn)等硬件。隨著(zhù)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(kāi)放性好和支持設備多的優(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(guò)它可以很容易的滿(mǎn)足以下的設計要求：

（1）不同廠(chǎng)商的設備容易互聯(lián)，可以解決控制系統中不同廠(chǎng)商設備的兼容和互操作性的問(wèn)題；
（2）傳輸速率高，可達10～100mbps；
（3）可以很方便的實(shí)現遠程訪(fǎng)問(wèn)，共享／訪(fǎng)問(wèn)多數據庫；
（4）軟硬件成本低廉，有多種軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和硬件設備供用戶(hù)選擇。

工業(yè)以太網(wǎng)的硬件選擇比較簡(jiǎn)單，主要作用是將plc設備與裝有wincc的遠程監控上位機及工作站進(jìn)行互連，以實(shí)現系統的數據傳輸與監控。

上位機通過(guò)cp1613通訊模塊實(shí)現與plc連接，現場(chǎng)采用的是s7-300plc，因此，需安裝simatics7protocolsuite通訊驅動(dòng)程序，安裝完畢后，還需建立通道單元，每個(gè)通道單元只對一個(gè)下位硬件驅動(dòng)程序用作端口，在現場(chǎng)下位端采用cp343-1通訊處理器實(shí)現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cpu模塊插入一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò )鏈接，并設定鏈接類(lèi)型為tcpconnection，再定義網(wǎng)絡(luò )通信的id號，一個(gè)網(wǎng)絡(luò )連接用一個(gè)id號，plc軟件根據不同的id號來(lái)判斷不同的網(wǎng)絡(luò )連接，鏈接完成后，通過(guò)以太網(wǎng)線(xiàn)與網(wǎng)絡(luò )交換機連接而完成如圖2所示的系統的組態(tài)與網(wǎng)絡(luò )配置。

圖2cp1613與cp343-1的組態(tài)圖

3設計評價(jià)

3.1系統的硬件設計及特點(diǎn)

（1）低壓部分采用4臺ggd型配電柜：進(jìn)線(xiàn)柜、閥門(mén)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、交流穩壓器后再送人電源模塊，保證了plc電源的穩定可靠。系統的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、數字輸人單元sm321、數字輸出單元sm322、模擬輸人單元sm331、通訊模塊cp343-1以及機架。

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

（3）除塵器要控制48個(gè)離線(xiàn)閥，每個(gè)離線(xiàn)閥帶動(dòng)8個(gè)脈沖閥，共計384個(gè)脈沖閥，采用傳統控制方式進(jìn)該部分就合計需要432個(gè)plc輸出控制點(diǎn)。為了降低工程造價(jià)節省plc輸出點(diǎn)，設計了一個(gè)矩陣電路，最終只須186個(gè)數字量輸出，減少了plc輸出點(diǎn)數量，降低了系統成本。

3.2系統的軟件設計及其特點(diǎn)

（1）下位機plc程序的編寫(xiě)采用simatic可編程邏輯控制器組態(tài)和編程的標準軟件包step7。系統的程序設計采用結構化、模塊化的程序設計思想：脈沖反吹清灰統中的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中調用fc2，然后在程序循環(huán)執行組織塊ob1中，再調用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(shí)現；另一方面，通過(guò)功能調用可以縮減程序的代碼，減少程序在plc中的存儲空間。

（2）上位機的監控系統設計，利用siemenswincc5.2組態(tài)軟件，通過(guò)activex、opc、sql等標準接口，可以很方便的與其它軟硬件系統進(jìn)行通訊。wincc后臺的數據庫功能和基于c語(yǔ)言的全局腳本編輯器使對象的動(dòng)態(tài)組態(tài)非常靈活、方便和快捷。其中，項目函數只在對其進(jìn)行創(chuàng )建的實(shí)際項目中才有效，這樣可以方便修改，減少現場(chǎng)中不必要的時(shí)間浪費，項目函數是c函數，可根據需要自行編寫(xiě)或修改。此外，系統設計實(shí)行分級管理登陸機制，工程師級能對數據設置修改，普通操作員只能進(jìn)行監控操作。對于檢測數據采用軟矩陣技術(shù)實(shí)現多點(diǎn)數狀態(tài)的監測，而對于現場(chǎng)模擬信號的非線(xiàn)性狀態(tài)，采用計算機分段線(xiàn)性化的處理方法，現場(chǎng)所有參數實(shí)時(shí)分類(lèi)存儲于數據庫中，為現場(chǎng)工藝人員的實(shí)時(shí)在線(xiàn)操作提供了極大的方便。

4結束語(yǔ)

以太網(wǎng)作為一個(gè)開(kāi)放性網(wǎng)絡(luò )在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的發(fā)展與應用，尤其應用在監控系統中，使監控系統更加方便、快捷的傳輸信息，并能夠實(shí)現遠程監控，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(shí)提供了較強的自診斷功能，有效地提高了系統的安全運行水平；plc矩陣電路的設計方案，簡(jiǎn)化了plc的輸出結點(diǎn)，使其具有較高的性?xún)r(jià)比。

經(jīng)泰鋼、焦鋼等多家公司的實(shí)際應用表明，該設計在性能上穩定可靠，工藝參數修改方便，適應現場(chǎng)的復雜情況，滿(mǎn)足用戶(hù)的實(shí)際需要，創(chuàng )造較大的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，具有較強的實(shí)用性。