基于Profibus现场总线的新型布袋除尘器控制系统设计

基于Profibus现场总线的新型布袋除尘器控制系统设计摘要：本文介绍了基于Profibus现场总线的新型布袋除尘器控制系统，通过工艺分析并结合现场实际要求，对系统结构设计和和各子系统的控制功能进行了详细说明。基于Profibus现场总线的通信机理，使得信息的传送更为高速、安全。本文还阐述了控制系统下位机、操作面板及通信的组态过程。实际运行结果表明，系统达到了设计要求，实现了新型布袋除尘器的自动化，降低了烟气中的粉尘含量，大大提高了除尘效率。关键词：Profibus;现场总线;布袋除尘器;组态软件1引言随着环境保护要求的日渐提高，世界各国对环境保护都提出了愈来愈严格的要求。在我国，不但提高了烟尘的排放标准，而且加强了对排放硫氧化物的控制。许多锅炉为了符合限制排硫的标准而使用低硫煤，其结果虽然减少了硫的排放，但也提高了烟尘的比电阻，使得国内工业上广泛使用基于国外六、七年代技术的电除尘方法效率大大降低，已经逐渐落后于当代环保领域提出的新要求，因而当今环保领域面临一个重要的课题便是设计出经济、节能、高效的新型除尘系统。布袋除尘器从一开始就因为其除尘效率不受粉尘比电阻影响、排放粉尘浓度低和对硫氧化物有吸收作用的优点而被这些工业生产部门普遍认同和广泛采用。从长远看，随着环保的要求越来越高，布袋除尘器的优越性将会越来越明显，并将受到更为广泛的重视和应用。因此，自主开发适合中国工业的布袋除尘系统，尤其是控制系统就成为必然的选择。2工艺介绍新型布袋除尘器控制系统按照工艺要求由原烟气温度控制系统、除尘气室系统、灰斗系统和清灰系统组成一级子系统。从一级控制子系统分开来，又可以分成风机阵列系统、脉冲阀时序系统、回转臂系统、烟气挡板系统、布袋系统和喷水阀系统等诸多二级子系统。具体工艺结构图参照图1。从工艺结构图可以看出，布袋除尘器控制系统是一个控制对象众多，控制类型多样，控制策略复杂的综合控制系统。这样一个控制系统电气设备十分复杂，基于Profibus现场总线技术上的成熟与开放性，以及成本上的考虑，我们设计采用以Profibus现场总线作为新型布袋除尘器控制系统的底层现场控制总线，结合分布式I/O板卡配合可保证数据的可靠传输。分布式I/O系统是智能化系统，将减轻控制系统的处理负荷。I/O系统将能完成扫描、数据整定、数字化输入和输出、线性化热电偶冷端补偿、过程点质量判断、工程单元换算等功能。各个I/O板卡通过接口挂接到Profibus总线上，同时总线上的PLC将实现控制方案，总线上还配备人机操作单元，允许操作员进行现场监视和手动控制。[align=center]图1新型布袋除尘器工艺结构图[/align]3系统设计传统的控制系统方案多采用基于DCS技术的计算机控制系统来实现分散自动控制和集中监控。但基于DCS的系统存在一些重要缺陷，一方面传统的DCS系统是自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交互和共享，使自动化系统成为“信息孤岛”;另一方面传统DCS系统的现场底层传感器和数据采集器之间采用一对一物理连线和模拟信号传输，导致大范围布线，给现场施工带来很大麻烦，同时，信号传输的抗干扰能力也较差。因此，对于新型布袋除尘器系统工艺而言，采用传统的DCS已经难以满足其工艺和控制的要求。Profibus总线是一种新型的现场总线，其数据传输速度可以达到12Mb/s，可以承担现场、控制与监控的通信任务，降低系统及工程成本，具有较高的性价比，是当今实现分布式与集中式控制系统理想的总线技术。它具有开放性、可操作性、互换性与可集成性，大大增强了现场级的信息继承能力，提高了系统的可靠性。Profibus的网络协议是以ISO颁布的OSI标准七层参考模型为基础的，只是对第三层到第六层进行简化，标准适应性强。此外它的三种模块（FMS，DP和PA）可以适应不同的应用对象和通信速率方面的要求，具有良好的开放性。Profibus现场总线主站以主从方式与从站通讯，各主站之间有令牌协议决定总线控制权，节点数可达127个。本系统中采用Siemens的ET200MI/O系统，它是一种带光隔离的I/O板卡系统，不仅支持分布式的I/O配置模式，为系统提供了很好的可扩展性和灵活性，而且可升级为带电热拔插模式，使模块故障对系统的影响降低到最小。主控PLC则采用Siemens的S7-400系列CPU，配套编程工具STEP7进行软件开发，同时Profibus总线上连接人机界面操作面板OP270配合使用ProTool开发的监控系统，使操作员可以在布袋除尘系统现场直接进行监视和手动操作。而DP/PALink实现了ProbibusDP和ProfibusPA两种总线实现互联，使得基于ProfibusPA的相关的传感器和执行设备可以接入现场总线层。该系统总线结构原理图如图2所示。另外，作为独立开发的产品，本系统可以提供多种接口与上层DCS进行连接。通过包括ProfibusDP接口、MPI接口和其他各种接口模块在内，DCS主机可以方便的对布袋除尘器进行远程监控，实现高度信息交互和集成的多层网络结构。图2布袋除尘器网络结构原理图4系统控制功能描述布袋除尘器系统结构庞大，设备繁多，工艺要求电气设备和控制系统上的联锁十分复杂，要对这样一个系统进行综合控制，就需要对整个控制系统进行详细划分，并且对各个子系统进行协调，在完成每个子系统控制需要的同时，满足整体工艺要求.布袋除尘器基础控制结构可以划分为如下几个部分：1）控制涉及布袋除尘器系统范围内所有电气设备;2）I/O板卡负责采集现场数据，通过Profibus现场总线传送到PLC进行处理;3）分组设计思想，将子系统中各个电气设备结合成组，各组之间实现安全联锁;4）各组控制程序和联锁程序由PLC完成;5）系统具有手动、自动切换功能，操作员通过人机操作面板实现手动操作。布袋除尘器中最核心的部分是用于过滤粉尘的布袋，尽量延长布袋的使用寿命，是判断系统成功与否的关键指标。如何防止布袋阻塞，保证系统的正常运行对清灰系统提出了很高的控制要求。因此怎样选择正确有效的控制方案和控制策略对于工艺能否实现起到了很重要的作用。清灰控制系统实现的控制功能有：风机控制、回转臂控制及最核心的脉冲阀喷吹系统控制;并且实现了设备互锁保护、故障处理和报警等相关功能。风机系统用于提供脉冲阀喷吹需要的高压气源，如果风机出现故障，就无法对布袋按预定的频率进行喷吹，造成布袋阻塞，进而导致系统瘫痪。为了保障系统的正常运行，风机系统采用一用一备的方式，正常运行、正常清灰情况下两台风机100%冗余。当正在运行的风机出现故障或是清灰压力不够时，控制系统会自动将备用风机投入运行。回转臂系统负责控制布袋上方的回转臂，每个回转臂由一个小型的减速电机驱动，当回转臂转速过低或停止时，可能会对同一个布袋连续喷吹，大大降低布袋的使用寿命。为了避免这种情况的发生，控制系统实时计算、监控回转臂转速，当回转臂转速过低时，发出报警，通知操作员采取相应措施。脉冲阀喷吹系统根据清洁烟气室与原烟气室的压差值，即布袋内外侧的压差值，决定喷吹的频率，即喷吹的档位。喷吹档位根据工艺要求分成快速档、标准档、慢速档和停止档四种档位，每个档位对应不同的压差范围。具体喷吹档位极其对应的压差范围以表格形式提交给CPU，操作员可以在操作面板上进行设置和修改。当压差值较高时，说明布袋上附着的灰尘较多，相应的喷吹频率也较高，反之亦然。脉冲阀采用成组运行的模式，系统所有的脉冲阀按照预定的顺序和每次循环开始时判断的档位进行喷吹。为了方便检修，单个脉冲阀可以在任意时刻进入或退出循环（脉冲阀进入循环时要满足一定的运行条件），并且允许随时进行手动喷吹操作。除尘气室系统主要由出口挡板、入口挡板、实现联锁的回转臂和灰斗组成，一个气室分为两个单元。作为清灰系统正常运行的前提条件是每个气室的所有出口挡板和入口挡板都开到位，并且回转臂都处在运行状态。每个气室两个单元各有一个入口挡板作为烟气的入口，经过降温处理后原烟气通过气室的入口挡板进入到气室，经过布袋除尘器的过滤和隔离作用，进入到净烟气室。而后通过净烟气室的出口挡板排到大气。每个气室只有一个出口挡板，由两个单元共用。每个单元有一个灰斗，用来装抖落下来的粉尘，当灰斗的物位高于上限的时候，通过系统联锁会自动停止脉冲阀的工作。原烟气温度控制系统通过装载在原烟气管道上的喷水装置实现，由于工艺上为了防止布袋损害，要求进入除尘气室的烟气需要有稳定的温度，同时需要控制烟气中的含水量。基于这样的考虑，本系统的原烟气温度控制采用自学习模糊控制技术。由于进入布袋除尘系统的原烟气的温度是个渐变量，而系统又要对温度有较好的灵敏度，所以我们采用温度的导数dT/dt来作为温度变化的预测。程序中，我们将不仅采集当前周期的温度T值，还将利用两个周期温度的变化除以周期ΔT/C（周期）来近似dT/dt，这样就得到了一组两个关于时间t和温度T的数据（T，dT/dt），最后建立模糊控制表，通过模糊推理实现智能控制。同时，根据不同的运行状况发生的变化，模糊控制表会通过自学习不断进行调整，实现自学习控制与模糊控制的统一，满足系统控制要求。5系统实现根据系统功能提出的要求，系统软件分成下位机和控制面板部分。1）下位机编程本系统采用SIMATICS7-400CPU配套的编程工具STEP7进行硬件组态、网络组态、参数设置、I/O地址设置、PLC程序编程和调试。STEP7中，用户PLC程序由组织块（OB）、功能块（FB、FC）和数据块（DB）组成。组织块是系统操作程序与用户程序的接口，决定用户程序的结构，操作系统通过调用用户编写的组织块程序，用于控制扫描循环和中断程序的执行，以及PLC的启动和错误处理等等。功能块是用户编写的程序块，用户通过功能块对每个子系统进行程序编写，功能块提供强大的面向对象的功能，使用户能够在功能块外部方便的进行访问。数据块是用于存放执行用户程序时所需的变量数据的数据区，还能够用于存储需要进行通信的数据。2）操作面板画面设计本系统操作面板OP270是一个集成的人机界面（HMI）系统和监控管理（SCADA）系统。它是结合了西门子公司在过程自动化领域中的先进技术和微软公司强大软件功能的产物。它配套的组态软件ProTool提供了面向对象的功能，各种图形库满足组态不同工业控制系统的需求。另外，它还具有全面开放的特性，通过ProTool组态软件可以方便的建立操作面板同PLC之间的连接，它可以直接使用STEP7中配置的变量表，大幅度地减少工程时间，提高工作效率。3）ProfibusDP通信组态的实现步骤首先在STEP7的硬件组态上设置好ProfibusDP网络参数，对网络上挂接的CPU、操作面板、和I/O板卡设置网络地址，注意网络地址不能重复，组态的通信网络需要与硬件搭配一致。其次对STEP7的变量表中进行变量组态，组态好的变量将作为PLC程序中的全局变量，连接在ProfibusDP网络上的操作面板也可以进行访问。然后启动ProTool，建立一个新的ProTool项目，在项目窗口的控制器管理器中组态系统配置的CPU，设置好ProfibusDP的网络地址和参数，注意各种地址和参数必须与STEP7中组态的一致，确定后编译。最后通过ProTool的变量管理器，可以找到STEP7变量表中组态的变量，这样二者将具有相同的变量名和变量地址。通过这种方法将需要通信的变量一一进行连接，同时将变量关联到相应的组态控件，就可以实现操作面板上画面对象与现场设备的连接。6结束语本系统采用目前工业上流行的Profibus现场总线，搭建高度开放性和实时性的网络结构，使整个控制系统的综合自动化程度得到充分的实现。通过Siemens的配套组态软件STEP7和ProTool，完成PLC控制功能，生成人机操作面板画面，很好的实现了系统自动化控制与操作员现场监控的统一。通过现场调试表明，采用基于Profibus现场总线的新型布袋除尘器控制系统，控制结构合理，控制性能优越，结合采用先进控制技术，能够提高除尘效果，降低运行成本，大大提高了新型布袋除尘器的工业应用前景。