摘 要：本文介紹了基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的新型布袋除塵器控制系統(tǒng)，通過(guò)工藝分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和和各子系統(tǒng)的控制功能進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明?；赑rofibus現(xiàn)場(chǎng)總線的通信機(jī)理，使得信息的傳送更為高速、安全。本文還闡述了控制系統(tǒng)下位機(jī)、操作面板及通信的組態(tài)過(guò)程。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了新型布袋除塵器的自動(dòng)化，降低了煙氣中的粉塵含量，大大提高了除塵效率。 關(guān)鍵詞：Profibus;現(xiàn)場(chǎng)總線;布袋除塵器;組態(tài)軟件 Abstract：This paper introduces the new-type jet filter control system based on Profibus, and by combining the requirements of actual circumstances with the technics analysis, it expounds the system structure design and control function of the system. Basing on the communication mechanism of the Profibus, the information data can be transferred more quickly and safely. This paper also elaborates on the configuration process of control system, operation panel and communication. Pratical operation result indicates the system fulfilled designing requirement, realized the automation of the new-type jet filter, and improved efficiency of dedusting. Keywords：Profibus; Fieldbus,;Jet Filter; Configration Soft 1 引言 　　隨著環(huán)境保護(hù)要求的日漸提高，世界各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)都提出了愈來(lái)愈嚴(yán)格的要求。在我國(guó)，不但提高了煙塵的排放標(biāo)準(zhǔn)，而且加強(qiáng)了對(duì)排放硫氧化物的控制。許多鍋爐為了符合限制排硫的標(biāo)準(zhǔn)而使用低硫煤，其結(jié)果雖然減少了硫的排放，但也提高了煙塵的比電阻，使得國(guó)內(nèi)工業(yè)上廣泛使用基于國(guó)外六、七年代技術(shù)的電除塵方法效率大大降低，已經(jīng)逐漸落后于當(dāng)代環(huán)保領(lǐng)域提出的新要求，因而當(dāng)今環(huán)保領(lǐng)域面臨一個(gè)重要的課題便是設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、高效的新型除塵系統(tǒng)。 　　布袋除塵器從一開始就因?yàn)槠涑龎m效率不受粉塵比電阻影響、排放粉塵濃度低和對(duì)硫氧化物有吸收作用的優(yōu)點(diǎn)而被這些工業(yè)生產(chǎn)部門普遍認(rèn)同和廣泛采用。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，隨著環(huán)保的要求越來(lái)越高，布袋除塵器的優(yōu)越性將會(huì)越來(lái)越明顯，并將受到更為廣泛的重視和應(yīng)用。因此，自主開發(fā)適合中國(guó)工業(yè)的布袋除塵系統(tǒng)，尤其是控制系統(tǒng)就成為必然的選擇。 2 工藝介紹 　　新型布袋除塵器控制系統(tǒng)按照工藝要求由原煙氣溫度控制系統(tǒng)、除塵氣室系統(tǒng)、灰斗系統(tǒng)和清灰系統(tǒng)組成一級(jí)子系統(tǒng)。從一級(jí)控制子系統(tǒng)分開來(lái)，又可以分成風(fēng)機(jī)陣列系統(tǒng)、脈沖閥時(shí)序系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)、煙氣擋板系統(tǒng)、布袋系統(tǒng)和噴水閥系統(tǒng)等諸多二級(jí)子系統(tǒng)。具體工藝結(jié)構(gòu)圖參照?qǐng)D1。 　　從工藝結(jié)構(gòu)圖可以看出，布袋除塵器控制系統(tǒng)是一個(gè)控制對(duì)象眾多，控制類型多樣，控制策略復(fù)雜的綜合控制系統(tǒng)。這樣一個(gè)控制系統(tǒng)電氣設(shè)備十分復(fù)雜，基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)上的成熟與開放性，以及成本上的考慮，我們?cè)O(shè)計(jì)采用以Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線作為新型布袋除塵器控制系統(tǒng)的底層現(xiàn)場(chǎng)控制總線，結(jié)合分布式I/O板卡配合可保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。分布式I/O系統(tǒng)是智能化系統(tǒng)，將減輕控制系統(tǒng)的處理負(fù)荷。I/O系統(tǒng)將能完成掃描、數(shù)據(jù)整定、數(shù)字化輸入和輸出、線性化熱電偶冷端補(bǔ)償、過(guò)程點(diǎn)質(zhì)量判斷、工程單元換算等功能。各個(gè)I/O板卡通過(guò)接口掛接到Profibus總線上，同時(shí)總線上的PLC將實(shí)現(xiàn)控制方案，總線上還配備人機(jī)操作單元，允許操作員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視和手動(dòng)控制。 [align=center] 圖1 新型布袋除塵器工藝結(jié)構(gòu)圖[/align] 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)方案多采用基于DCS技術(shù)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)分散自動(dòng)控制和集中監(jiān)控。但基于DCS的系統(tǒng)存在一些重要缺陷，一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的DCS系統(tǒng)是自封閉式的集散系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交互和共享，使自動(dòng)化系統(tǒng)成為“信息孤島”;另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)底層傳感器和數(shù)據(jù)采集器之間采用一對(duì)一物理連線和模擬信號(hào)傳輸，導(dǎo)致大范圍布線，給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)很大麻煩，同時(shí)，信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差。因此，對(duì)于新型布袋除塵器系統(tǒng)工藝而言，采用傳統(tǒng)的DCS已經(jīng)難以滿足其工藝和控制的要求[3]。 　　Profibus總線是一種新型的現(xiàn)場(chǎng)總線，其數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到12Mb/s，可以承擔(dān)現(xiàn)場(chǎng)、控制與監(jiān)控的通信任務(wù)，降低系統(tǒng)及工程成本，具有較高的性價(jià)比，是當(dāng)今實(shí)現(xiàn)分布式與集中式控制系統(tǒng)理想的總線技術(shù)。它具有開放性、可操作性、互換性與可集成性，大大增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的信息繼承能力，提高了系統(tǒng)的可靠性。Profibus的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是以ISO頒布的OSI標(biāo)準(zhǔn)七層參考模型為基礎(chǔ)的，只是對(duì)第三層到第六層進(jìn)行簡(jiǎn)化，標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性強(qiáng)。此外它的三種模塊（FMS，DP和PA）可以適應(yīng)不同的應(yīng)用對(duì)象和通信速率方面的要求，具有良好的開放性。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線主站以主從方式與從站通訊，各主站之間有令牌協(xié)議決定總線控制權(quán)，節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)127個(gè)[2]。 　　本系統(tǒng)中采用Siemens的ET200M I/O系統(tǒng)，它是一種帶光隔離的I/O板卡系統(tǒng)，不僅支持分布式的I/O配置模式，為系統(tǒng)提供了很好的可擴(kuò)展性和靈活性，而且可升級(jí)為帶電熱拔插模式，使模塊故障對(duì)系統(tǒng)的影響降低到最小。主控PLC則采用Siemens的S7-400系列CPU，配套編程工具STEP 7進(jìn)行軟件開發(fā)，同時(shí)Profibus總線上連接人機(jī)界面操作面板OP270配合使用ProTool開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)，使操作員可以在布袋除塵系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行監(jiān)視和手動(dòng)操作。而DP/PA Link實(shí)現(xiàn)了Probibus DP和Profibus PA兩種總線實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，使得基于Profibus PA的相關(guān)的傳感器和執(zhí)行設(shè)備可以接入現(xiàn)場(chǎng)總線層。該系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。 　　另外，作為獨(dú)立開發(fā)的產(chǎn)品，本系統(tǒng)可以提供多種接口與上層DCS進(jìn)行連接。通過(guò)包括Profibus DP接口、MPI接口和其他各種接口模塊在內(nèi)，DCS主機(jī)可以方便的對(duì)布袋除塵器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)高度信息交互和集成的多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 [align=center] 圖2 布袋除塵器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)原理圖[/align] 4 系統(tǒng)控制功能描述 　　布袋除塵器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，設(shè)備繁多，工藝要求電氣設(shè)備和控制系統(tǒng)上的聯(lián)鎖十分復(fù)雜，要對(duì)這樣一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制，就需要對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)劃分，并且對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，在完成每個(gè)子系統(tǒng)控制需要的同時(shí)，滿足整體工藝要求[1]。 　　布袋除塵器基礎(chǔ)控制結(jié)構(gòu)可以劃分為如下幾個(gè)部分： 　　1） 控制涉及布袋除塵器系統(tǒng)范圍內(nèi)所有電氣設(shè)備; 　　2） I/O板卡負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線傳送到PLC進(jìn)行處理; 　　3） 分組設(shè)計(jì)思想，將子系統(tǒng)中各個(gè)電氣設(shè)備結(jié)合成組，各組之間實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖; 　　4） 各組控制程序和聯(lián)鎖程序由PLC完成; 　　5） 系統(tǒng)具有手動(dòng)、自動(dòng)切換功能，操作員通過(guò)人機(jī)操作面板實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作。 　　布袋除塵器中最核心的部分是用于過(guò)濾粉塵的布袋，盡量延長(zhǎng)布袋的使用壽命，是判斷系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵指標(biāo)。如何防止布袋阻塞，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行對(duì)清灰系統(tǒng)提出了很高的控制要求。因此怎樣選擇正確有效的控制方案和控制策略對(duì)于工藝能否實(shí)現(xiàn)起到了很重要的作用。清灰控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的控制功能有：風(fēng)機(jī)控制、回轉(zhuǎn)臂控制及最核心的脈沖閥噴吹系統(tǒng)控制;并且實(shí)現(xiàn)了設(shè)備互鎖保護(hù)、故障處理和報(bào)警等相關(guān)功能。 　　風(fēng)機(jī)系統(tǒng)用于提供脈沖閥噴吹需要的高壓氣源，如果風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，就無(wú)法對(duì)布袋按預(yù)定的頻率進(jìn)行噴吹，造成布袋阻塞，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。為了保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)采用一用一備的方式，正常運(yùn)行、正常清灰情況下兩臺(tái)風(fēng)機(jī)100%冗余。當(dāng)正在運(yùn)行的風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障或是清灰壓力不夠時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將備用風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行。 　　回轉(zhuǎn)臂系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制布袋上方的回轉(zhuǎn)臂，每個(gè)回轉(zhuǎn)臂由一個(gè)小型的減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)回轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速過(guò)低或停止時(shí)，可能會(huì)對(duì)同一個(gè)布袋連續(xù)噴吹，大大降低布袋的使用壽命。為了避免這種情況的發(fā)生，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算、監(jiān)控回轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速，當(dāng)回轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，發(fā)出報(bào)警，通知操作員采取相應(yīng)措施。 　　脈沖閥噴吹系統(tǒng)根據(jù)清潔煙氣室與原煙氣室的壓差值，即布袋內(nèi)外側(cè)的壓差值，決定噴吹的頻率，即噴吹的檔位。噴吹檔位根據(jù)工藝要求分成快速檔、標(biāo)準(zhǔn)檔、慢速檔和停止檔四種檔位，每個(gè)檔位對(duì)應(yīng)不同的壓差范圍。具體噴吹檔位極其對(duì)應(yīng)的壓差范圍以表格形式提交給CPU，操作員可以在操作面板上進(jìn)行設(shè)置和修改。當(dāng)壓差值較高時(shí)，說(shuō)明布袋上附著的灰塵較多，相應(yīng)的噴吹頻率也較高，反之亦然。脈沖閥采用成組運(yùn)行的模式，系統(tǒng)所有的脈沖閥按照預(yù)定的順序和每次循環(huán)開始時(shí)判斷的檔位進(jìn)行噴吹。為了方便檢修，單個(gè)脈沖閥可以在任意時(shí)刻進(jìn)入或退出循環(huán)（脈沖閥進(jìn)入循環(huán)時(shí)要滿足一定的運(yùn)行條件），并且允許隨時(shí)進(jìn)行手動(dòng)噴吹操作。 　　除塵氣室系統(tǒng)主要由出口擋板、入口擋板、實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖的回轉(zhuǎn)臂和灰斗組成，一個(gè)氣室分為兩個(gè)單元。作為清灰系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提條件是每個(gè)氣室的所有出口擋板和入口擋板都開到位，并且回轉(zhuǎn)臂都處在運(yùn)行狀態(tài)。每個(gè)氣室兩個(gè)單元各有一個(gè)入口擋板作為煙氣的入口，經(jīng)過(guò)降溫處理后原煙氣通過(guò)氣室的入口擋板進(jìn)入到氣室，經(jīng)過(guò)布袋除塵器的過(guò)濾和隔離作用，進(jìn)入到凈煙氣室。而后通過(guò)凈煙氣室的出口擋板排到大氣。每個(gè)氣室只有一個(gè)出口擋板，由兩個(gè)單元共用。每個(gè)單元有一個(gè)灰斗，用來(lái)裝抖落下來(lái)的粉塵，當(dāng)灰斗的物位高于上限的時(shí)候，通過(guò)系統(tǒng)聯(lián)鎖會(huì)自動(dòng)停止脈沖閥的工作。 　　原煙氣溫度控制系統(tǒng)通過(guò)裝載在原煙氣管道上的噴水裝置實(shí)現(xiàn)，由于工藝上為了防止布袋損害，要求進(jìn)入除塵氣室的煙氣需要有穩(wěn)定的溫度，同時(shí)需要控制煙氣中的含水量?；谶@樣的考慮，本系統(tǒng)的原煙氣溫度控制采用自學(xué)習(xí)模糊控制技術(shù)。由于進(jìn)入布袋除塵系統(tǒng)的原煙氣的溫度是個(gè)漸變量，而系統(tǒng)又要對(duì)溫度有較好的靈敏度，所以我們采用溫度的導(dǎo)數(shù)dT/dt來(lái)作為溫度變化的預(yù)測(cè)。程序中，我們將不僅采集當(dāng)前周期的溫度T值，還將利用兩個(gè)周期溫度的變化除以周期ΔT/C（周期）來(lái)近似dT/dt，這樣就得到了一組兩個(gè)關(guān)于時(shí)間t和溫度T的數(shù)據(jù)（T，dT/dt），最后建立模糊控制表，通過(guò)模糊推理實(shí)現(xiàn)智能控制。同時(shí)，根據(jù)不同的運(yùn)行狀況發(fā)生的變化，模糊控制表會(huì)通過(guò)自學(xué)習(xí)不斷進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)控制與模糊控制的統(tǒng)一，滿足系統(tǒng)控制要求。 5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 　　根據(jù)系統(tǒng)功能提出的要求，系統(tǒng)軟件分成下位機(jī)和控制面板部分。 　　1）下位機(jī)編程 　　本系統(tǒng)采用SIMATIC S7-400 CPU配套的編程工具STEP7進(jìn)行硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、I/O地址設(shè)置、PLC程序編程和調(diào)試。STEP7中，用戶PLC程序由組織塊（OB）、功能塊（FB、FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）組成。組織塊是系統(tǒng)操作程序與用戶程序的接口，決定用戶程序的結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用用戶編寫的組織塊程序，用于控制掃描循環(huán)和中斷程序的執(zhí)行，以及PLC的啟動(dòng)和錯(cuò)誤處理等等。功能塊是用戶編寫的程序塊，用戶通過(guò)功能塊對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行程序編寫，功能塊提供強(qiáng)大的面向?qū)ο蟮墓δ?，使用戶能夠在功能塊外部方便的進(jìn)行訪問(wèn)。數(shù)據(jù)塊是用于存放執(zhí)行用戶程序時(shí)所需的變量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)，還能夠用于存儲(chǔ)需要進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)。 　　2）操作面板畫面設(shè)計(jì) 　　本系統(tǒng)操作面板OP270是一個(gè)集成的人機(jī)界面（HMI）系統(tǒng)和監(jiān)控管理（SCADA）系統(tǒng)。它是結(jié)合了西門子公司在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和微軟公司強(qiáng)大軟件功能的產(chǎn)物。它配套的組態(tài)軟件ProTool提供了面向?qū)ο蟮墓δ埽鞣N圖形庫(kù)滿足組態(tài)不同工業(yè)控制系統(tǒng)的需求。另外，它還具有全面開放的特性，通過(guò)ProTool組態(tài)軟件可以方便的建立操作面板同PLC之間的連接，它可以直接使用STEP7中配置的變量表，大幅度地減少工程時(shí)間，提高工作效率。 　　3）Profibus DP通信組態(tài)的實(shí)現(xiàn)步驟 　　首先在STEP7的硬件組態(tài)上設(shè)置好Profibus DP網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)上掛接的CPU、操作面板、和I/O板卡設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址，注意網(wǎng)絡(luò)地址不能重復(fù)，組態(tài)的通信網(wǎng)絡(luò)需要與硬件搭配一致。其次對(duì)STEP7的變量表中進(jìn)行變量組態(tài)，組態(tài)好的變量將作為PLC程序中的全局變量，連接在Profibus DP網(wǎng)絡(luò)上的操作面板也可以進(jìn)行訪問(wèn)。然后啟動(dòng)ProTool，建立一個(gè)新的ProTool項(xiàng)目，在項(xiàng)目窗口的控制器管理器中組態(tài)系統(tǒng)配置的CPU，設(shè)置好Profibus DP的網(wǎng)絡(luò)地址和參數(shù)，注意各種地址和參數(shù)必須與STEP7中組態(tài)的一致，確定后編譯。最后通過(guò)ProTool的變量管理器，可以找到STEP7變量表中組態(tài)的變量，這樣二者將具有相同的變量名和變量地址。通過(guò)這種方法將需要通信的變量一一進(jìn)行連接，同時(shí)將變量關(guān)聯(lián)到相應(yīng)的組態(tài)控件，就可以實(shí)現(xiàn)操作面板上畫面對(duì)象與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的連接。 6 結(jié)束語(yǔ) 　　本系統(tǒng)采用目前工業(yè)上流行的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，搭建高度開放性和實(shí)時(shí)性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使整個(gè)控制系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化程度得到充分的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)Siemens的配套組態(tài)軟件STEP7和ProTool，完成PLC控制功能，生成人機(jī)操作面板畫面，很好的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)自動(dòng)化控制與操作員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的統(tǒng)一。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試表明，采用基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的新型布袋除塵器控制系統(tǒng)，控制結(jié)構(gòu)合理，控制性能優(yōu)越，結(jié)合采用先進(jìn)控制技術(shù)，能夠提高除塵效果，降低運(yùn)行成本，大大提高了新型布袋除塵器的工業(yè)應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn) 　　1 謝劍英.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2001 　　2 周明.現(xiàn)場(chǎng)總線控制.北京:中國(guó)電力出版社,2001 　　3 陳棟，謝劍英，陳應(yīng)麟.基于工業(yè)以太網(wǎng)的干法煙氣脫硫網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).自動(dòng)化儀表,2005（3）:46～48