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如何进行基于Profibus现场总线的新型布袋除尘器控制系统设计?

作者:时间:2018-08-07来源:网络收藏

1引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201808/385619.htm

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。

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,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,尤其是就成为必然的选择。

2工艺介绍

新型按照工艺要求由原烟气温度、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。


图1新型布袋除尘器工艺结构图

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[3]。

Profibus总线是一种新型的,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[2]。

本系统中采用Siemens的ET200M?I/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 STEP?7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/PA?Link实现了Probibus?DP和Profibus?PA两种总线实现互联,使得基于 Profibus?PA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Profibus?DP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[1]。

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。

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