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1、PLC和组态软件在除尘控制系统中的应用1 除尘系统总体设计1.1 工艺概述除尘系统主要由风机、电动蝶阀、除尘器、粉尘输送装置、管道、阀门等组成,系统工艺流程如图1所示。含尘气体在风机的吸引下,使烟气温度下降后进入布袋除尘器,用布袋除去烟气中的粉尘,净化后的气体从烟囱排入大气。除尘器随着粉尘的积累,压差逐渐增大,当压差增至设定值时,除尘仓逐仓进行清灰,然后逐仓进行卸灰,定期用车运走。1.2 控制要求除尘控制系统可实现如下功能:对温度信号、压差信号实现高精度智能检测;实现温度控制、清灰控制、卸灰控制;具有手动/自动、压差
2、/强制控制功能;对所有控制和检测的模拟量具有历史数据存储、实时数据动态显示、打印和报警功能;对所有的控制均能在上位机实现参数设定和远程控制;工艺流程能在计算机屏幕上动态显示。1.3 控制系统构成与配置针对除尘控制的特点,系统采用PLC作为下位机直接处理模拟量和开关量信号,选用PC机作为上位机,利用WinCC组态软件建立友好的实时操作界面与下位机进行通信。系统构成与配置如图2所示。下位机选用西门子公司的S7-200系列PLC作为控制系统核心,实现风量控制、清灰控制、卸灰控制。选用的CPU型号为CPU226,是S7-20
3、0系列中性能最高的CPU。其自带24点数字量输入和16点数字量输出,并可扩展至128个数字量输入和128个数字量输出,以及32个模拟量输入和输出。CPU226还有两个通信接口,物理特性为RS485,既可作为编程口实现程序的编制和调试,又可在运行时作为串行口与其他设备进行通信。EM231有4路模拟量输入,将来自现场电流变送器的4～20mA标准电流信号进行A/D转换,并将转换结果送给CPU处理,。EM223有16路输入和16路输出,用来增加开关量的控制单元。上位机选用工控机,应用西门子公司工控组态软件WinCC,实现参数
4、设定、远程控制、数据存储、实时数据动态显示、打印和报警功能。工控组态软件WinCC是一个集成的人机界面(HMI)系统和监控管理系统,提供各种PLC的驱动软件,使PLC与上位机的联接变得非常方便,如果将WinCC与STEP7合用,更是大幅度降低工程时间,因为在STEP7中定义的变量可以在WinCC中直接使用。另外,WinCC中的C语言脚本(Script)及提供的与数据库之间的接口更能增加其应用功能,能满足用户的复杂要求。2 系统实现2.1 清灰控制清灰控制可根据需要实现手动/自动控制、压差/强制控制。清灰程序框图见图3
5、。PLC首先判断系统的控制方式,即判断系统选择强制方式或差压方式,若选择强制方式,则根据强制清灰信号判断是否清灰;若系统选择压差控制,仅当除尘器的差压达到设定值时,清灰信号才有效。如果清灰选择自动方式,清灰信号有效后,控制系统对1～5仓依次进行清灰。清灰过程包括反吹、沉降两个过程,这两个过程的次数以及各过程的运行时间可按工艺要求设定。2.2 温度控制对于炉窑等高温烟气净化系统,温度控制关系到设备的安全和寿命。进入除尘器的烟气温度过高会烧毁滤袋或使滤袋寿命缩短;烟气温度过低又会产生结露现象,引起粉尘在滤袋上板结,导致清
6、灰困难,除尘器阻力不断上升甚至形成恶性循环,系统瘫痪。另外,烟气温度太低时,风机负荷加大,会出现风机电机超载。因此须对温度进行控制。系统利用调节电动蝶阀的开度调节混风量,通过对风量的控制实现温度的调节。温度控制策略为:当吸风口温度大于200℃时立即将电动蝶阀全部打开;根据进口温度值调节混风阀开度,若温度偏高且有上升趋势则阀门开大;若温度偏低且有下降趋势则适当关小阀门。采用PID控制算法[2]给出控制量:式(1)中u(k)为采样时刻k的输出值;e(k)为采样时刻k的偏差值;e(k-1)为采样时刻(k-1)时的偏差值。控
7、制器的比例、积分、微分常数的选择应根据被控对象的模型和要求的最优目标函数决定,控制参数对控制性能是至关重要的。由于除尘系统是一个变化较复杂的激振系统,没有现成的数学模型可以参考。该系统采取的方法是:通过计算机仿真寻优,先求出最佳的参数范围,然后在实际运行中通过现场调节来达到最佳参数的选取。计算机仿真寻优是通过给定一个激励电流的阶跃信号,进口温度呈S形的上升曲线,可以用一个惯性加时滞的模型来近似描述这一系统,传递函数为:在额定范围内,电流的平均值与进口温度可以看成是正比的,可以根据除尘系统的阶跃响应来估算系统的时间常数
8、T0,T1,T2,选用目标函数θ=∫∞0t
9、e
10、dt,并以θ值最小为目标寻优,由于系统模型H(S)是一个近似模型,实测估算的T0,T1,T2等参数误差也较大,因此上述寻优仅是估算比例、积分、微分参数的范围,还需要通过现场整定以确定参数的最佳值。现场整定是通过在控制面板上增加3个参数调节数字按钮(BCD码),利用PLC的I/O口对BCD码进行译码
