秦長葳,楊淑連等 發表於 2013-03-29 16:17:30
以單片機為核心的高壓靜電除塵控制器具有成本低廉，功能強大的特點，但人機互動性較差，系統維護困難，工業現場幹擾較明顯，除塵效率、操作維護與運營成本不能兼顧。本文針對這一問題構建了以PLC為核心的控制器，其模塊化的結構易於擴展和更換，系統可靠性高，控制器與上位機之間聯網通信簡單，同時沒有降低煙塵的排放標準。
1 靜電除塵控制系統的原理
高壓供電控制系統原理框圖如圖1所示，採集電路採集到的一次電壓、電流，二次電壓、電流，濁度等模擬量信號通過PLC模擬量輸入模塊送入 CPU；變壓器油溫、油位，偏勵磁等開關量信號通過PLC的數字量輸入信號處理迴路進入CPU。PLC以掃描方式依次讀入所有輸入狀態和數據，根據數據處理的結果產生兩路觸發脈衝，送往主迴路的兩個反並聯可控矽的控制極以觸發可控矽，通過調整可控矽的導通角，控制升壓變壓器的一次側輸入電壓，從而控制輸入電場的電壓。一方面要根據工況變化，自動調節除塵器的電壓，使集電極和收塵極之間的電場強度儘量大，電離子儘量多，越逼近擊穿電壓，控制水平越高；另一方面，又要考慮不能讓除塵器極板間電壓過高，避免使除塵器處於擊穿狀態，以防損壞本體及電氣設備，節約不必要損耗的電能，但又要在介質恢復時能夠迅速恢復正常供電。
圖1 高壓供電控制系統原理框圖
2 控制系統的設計與實現
2.1 硬體設計
高壓靜電除塵控制系統的硬體結構框圖如圖2所示，它主要由PLC及其外圍電路、觸控螢幕、和上位機組成。
圖2 控制系統的硬體結構框圖
2.1.1 PLC的選型
PLC因具有邏輯簡單直觀，電氣性能良好，功能組合便捷，可靠性高，維護方便並且可以直接對數字量和模擬量進行控制和驅動等優點在工業控制領域廣泛應用，本系統以PLC為控制核心，選用西門子公司的新一代模塊化小型PLC S7—1200、S7—1200 PLC主要由CPU模塊、信號板、信號模塊、通信模塊和編程軟體組成，各種模塊安裝在標準導軌上，微處理器選用CPU 1214C，數字量輸入點數14點，輸出點數10點，模擬量輸入點數2點，最多可以擴展8個信號模塊，S7-1200的最大特點在於配置了乙太網接口 RJ45，本系統共有8路模擬量輸入，12路數字量輸入，2路模擬量輸出，19路數字量輸出PLC硬體組態如圖3所示。
圖3 PLC硬體組成
2.1.2 人機界面的選型
觸控螢幕、PLC和PC通過CSM1277乙太網交換機連接在一起，完成人機互動並進行實時狀態顯示和控制，如圖4所示。
圖4 觸控螢幕、PLC和PC的連接
2.1.3 偏勵磁檢測電路
變壓器產生偏勵磁時，原邊或副邊上的交流電壓正半周和負半周的幅度不相等，這會產生非常大的浪湧電流，時間稍長就可能導致變壓器的燒毀，靜電除塵器中的高壓供電變壓器功率較大，其負載會隨著不同的工況而變化，在控制系統中必須對變壓器偏勵磁進行檢測，一旦發現偏勵磁現象，控制器便啟動保護程序，跳閘停機。
圖5 偏勵磁檢測電路
如圖5所示，偏勵磁檢測電路的輸入是由一次電壓經過小變壓器降壓而得到，最後端為兩個D觸發器，當初始化以後，兩個D觸發器的輸出均為低電平，如果輸出觸發時鐘信號有效，則D觸發器發生翻轉，D觸發器的輸出變為高電平24V，檢測電路前端是兩個電壓比較器，一個比較器為正輸入，另一個比較器為負輸入，當偏勵磁現象發生時，輸入的電壓信號正半周和負半周的幅度不相等，只會有一個比較器的輸出發生偏轉，經過反相器後，同樣只有一個發生翻轉，即只有一個D觸發器的觸發信號有效，這樣，當PLC只檢測到一個觸發信號時就判斷變壓器發生了偏勵磁，自動進行跳閘停機工作。
2.1.4 過零檢測電路
過零檢測就是輸入的工頻交流信號每經過一次零點，輸出就發出一次脈衝，這個輸出的信號就作為PLC的一個外部中斷信號，每10 ms觸發一次，每個導通角的導通時間都是從零電壓開始計算的，導通角的時間不一樣，導通的角度就不一樣，的正弦波，經過電阻分壓後，由零電壓比較電路消去正弦波的負半波，電壓比較器將正弦波變為方波，在交流電每次過零點時都會輸出脈衝，其正負過零點產生兩個下降沿，通過PLC的中斷組織塊，產生中斷，執行對應的中斷OB。
圖6 過零檢測電路
2.1.5 火花檢測電路
火花檢測的目的在於火花控制，提高除塵效率和保護除塵器本體，火花檢測的原理如圖7所示：二次電流採樣值通過比較器與設定的火花值進行比較，經過RS觸發器後的值送至PLC處理，當檢測到火花放電時，處理器就會執行火花處理程序，以較高的速度減小到當前電壓的80％，然後再以較低的速率上升至接近火花電壓，如此往復循環，最終達到提高除塵效率的目的。
圖7 火花檢測電路
2.1.6 可控矽觸發電路
除塵控制系統是通過改變晶閘管的觸發角來控制供電的，觸發角的增減則是通過觸發脈衝來改變的，如圖8所示，觸發脈衝電路主要由脈衝放大器和變壓器組成，PLC產生過零中斷時，啟動定時器T0（T0為初始值，與導通角對應），T0溢出會產生中斷，此時PLC輸出觸發脈衝從而控制三極體導通，脈衝變壓器一次側便會產生觸發脈衝分別加到可控矽的G、K極，當三極體截止時觸發脈衝便會被阻斷。
圖8 可控矽觸發電路
2.1.7 數據採集電路
需要檢測的模擬量主要有一次電壓、電流的平均值，二次電壓、電流的平均值以及二次電流的峰值，這些模擬量的值一般都比較大，
送入控制系統前要進行現場取樣。
一次電壓的取樣：初級電壓通過小變壓器降壓。
一次電流的取樣：串聯在初級迴路中的電流互感器轉換。
二次電壓的取樣：變壓整流器中的陽極高壓電路分壓。
二次電流的取樣：變壓整流器中陽極副邊迴路的對地端並聯採樣電阻後轉換。
圖9 二次電壓採集電路
下面以二次電壓為例進行說明，其採樣電路如圖9所示，現場採集的二次電壓經過分壓後，通過由滑動變阻器VR4組成的比例調整電路，最後由霍爾電壓傳感器進行檢測。
2.2 軟體設計
2.2.1 程序主流程圖
如圖10所示，控制系統上電後，首先進行系統初始化，如果有復位鍵按下，則重新開始；如果啟動鍵按下，則進行參數設定階段，CPU對採集到的各項參數進行處理，如果有火花出現，則進入火花處理子程序，如果有參數超限，則進入報警及故障處理子程序。最後系統重新進行數據掃描，開始新的循環。
圖10 程序主流程圖
2.2.2 觸控螢幕畫面組態
觸控螢幕的組態主要是畫面的組態，設計一個友好便利的觸控螢幕界面，不但可以增加操作的方便性，亦可減少操作錯誤率，使機器和設備發揮最大的功能，畫面包括主畫面、參數設定、顯示畫面、趨勢曲線和幫助，顯示畫面和參數設置畫面詳圖略。
在參數設置畫面中，點擊畫面上的輸入域，將會出現一個數字鍵盤進行輸入KTP觸控螢幕可以確保當故障到來時，即在當前頁面中進行報警顯示，以進行第一時間的處理，報警類別有錯誤和警告兩類，警告不需要確認，不對設備造成直接危害；錯誤需要操作確認，對設備有危害，設備要跳閘停機，警告有一次電壓超限，一次電流超限，二次電壓超限等，錯誤有二次過流故障，二次過壓故障，油溫超限故障，偏勵磁等。
3 遠程控制的實現
藉助於現代網絡互聯技術，除塵器各個電場的控制器能夠通過乙太網與上位機監控軟體進行數據交換，上位機可對除塵設備實現遠程啟動、停止、升壓、降壓控制和參數調整等功能，電除塵器各個設備的運行參數和運行狀態也能夠直觀的顯示在上位機屏幕上，管理人員便能如身臨現場般實現遠程控制。
上位機監控軟體選用西門子公司的WinCC組態軟體，畫面有操作畫面、監視畫面、控制畫面、報警畫面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線，能夠列印報表。
WinCC與S7—1200 CPU的通信，是通過乙太網來實現的，並且只能通過OPC的方式實現，S7-1200 CPU只需設置IP位址即可，上位機通過SIMATIC NET軟體建立PC Starion來與S7—1200 CPU通信，S7-1200 CPU具有一個集成的PROFINET埠，支持乙太網和基於TCP／IP的通信標準，三電場的除塵器遠程控制如圖11所示。
圖11 三電場遠程控制示意圖
4 結束語
該系統不但具有良好的自動調壓和遠程控制能力，而且通過PLC和觸控螢幕簡化了現場操作，提高了控制程序和人機界面的靈活性，維護簡便，雖然設備的初期投入較高，但從長遠看該運營成本是可以接受的。
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