基于PLC的煙氣凈化系統(tǒng)的排煙風(fēng)門開度控制

周天沛

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，徐州 221140）

0 引言

在電解鋁生產(chǎn)過程中，電解槽會產(chǎn)生大量的氟化物、硫化物、粉塵等污染物，對環(huán)境造成很大的污染。為減少環(huán)境污染，并有效收集煙氣中的粉塵，提高煙氣的氟凈化率和粉塵凈化率，電解鋁廠會進行煙氣凈化，一般采用氧化鋁吸附干法凈化技術(shù)處理，然后通過布袋除塵器進行氣固分離，通過排煙風(fēng)機產(chǎn)生的吸力，使管道中產(chǎn)生負(fù)壓，將凈化后的煙氣吸出通過煙囪排入大氣[1]。目前排煙風(fēng)機的風(fēng)門開度調(diào)節(jié)主要通過手輪在現(xiàn)場進行人工手動調(diào)節(jié)，現(xiàn)場調(diào)節(jié)非常困難，費時費力。無法實現(xiàn)集控室遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)和現(xiàn)場電動調(diào)節(jié)；無法根據(jù)生產(chǎn)狀況，實現(xiàn)引風(fēng)量的及時、連續(xù)控制。為解決這個問題，本文提出以AB公司的SLC500系列PLC為核心，采用模糊控制算法，來對排煙風(fēng)機的風(fēng)門開度調(diào)節(jié)進行控制，取得了不錯的效果。

1 煙氣凈化系統(tǒng)工藝流程簡介

南屯電解鋁廠電解輸送車間共設(shè)置兩套煙氣凈化系統(tǒng)，分別為南北兩系。每套凈化系統(tǒng)的排煙量為997210立方米/小時。凈化后的電解煙氣分別由60米高煙囪排出。電解煙氣凈化系統(tǒng)流程簡圖如圖1所示。

圖1 電解煙氣凈化系統(tǒng)流程圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)煙氣凈化控制系統(tǒng)的功能要求，整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層：監(jiān)控管理層、控制層、現(xiàn)場設(shè)備層。監(jiān)控管理層由操作員監(jiān)控計算機(即工業(yè)計算機)、打印機和UPS電源等構(gòu)成；控制層由PLC構(gòu)成，該PLC系統(tǒng)分為南北兩個獨立的網(wǎng)絡(luò)，分別控制南北兩套煙氣凈化系統(tǒng)，PLC采用美國AB公司的SLC500系列PLC。南北兩個PLC系統(tǒng)通過DH+網(wǎng)進行通信?，F(xiàn)場設(shè)備層由執(zhí)行機構(gòu)和測量元件組成[2]。電解煙氣凈化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 電解煙氣凈化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 PLC的選型

該項目為改造項目，因原有的控制系統(tǒng)采用美國AB公司的SLC500 系列PLC，為與原系統(tǒng)保持一致，所以選用SLC500/04。其具有結(jié)構(gòu)緊湊，性能可靠，適用于惡劣工業(yè)環(huán)境，且語言豐富、編程簡單，支持DH+工業(yè)總線，傳輸速率高，距離遠(yuǎn)，易于組網(wǎng)。以南系煙氣凈化系統(tǒng)為例，其I/O點位統(tǒng)計如表1所示。

表1 煙氣凈化控制系統(tǒng)I/O分配表

根據(jù)表1的點位，南系煙氣凈化系統(tǒng)的SLC具體配置為: 電源模塊(1746-P2)2塊，CPU模塊(1747-L551)1塊，RIO適配器(1746-ASB)1塊，模擬量輸入模塊(1746-NI8)5塊，模擬量輸出模塊(1746-NO4I)1塊。

2.3 執(zhí)行機構(gòu)和測量元件的選擇

在該系統(tǒng)中，執(zhí)行機構(gòu)的作用是用來控制排煙風(fēng)門的開度，通過比較國內(nèi)外的各類產(chǎn)品性價比，考慮選擇采用PSQ角行程電動執(zhí)行機構(gòu)PSQ701-POT-PSAP4。該型號為調(diào)節(jié)動作模式，其轉(zhuǎn)矩為700N.M，動作時間為43秒。適合于90°旋轉(zhuǎn)閥門和風(fēng)門的開關(guān)與調(diào)節(jié)控制。

伺服放大器的作用將控制執(zhí)行機構(gòu)的4～20mA電流信號，與執(zhí)行機構(gòu)當(dāng)前位置信號進行比較，并根據(jù)偏差情況，控制電動執(zhí)行機構(gòu)開或關(guān)動作，使執(zhí)行機構(gòu)位置與輸入信號平衡，其有內(nèi)置和外配兩種方式。本方案考慮選取機內(nèi)內(nèi)置方式選配伺服放大器。對于PSQ角行程電動執(zhí)行機構(gòu)，選用所配套的PSAP4B型電子比例式伺服電路。

在該系統(tǒng)中，負(fù)壓傳感器的作用是用于測量管道負(fù)壓。本方案采用美國羅斯蒙特公司的負(fù)壓傳感器1151GP3E22M1。其采用4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出，量程-4000Pa～0 Pa。具有精度高，信號易于獲取等特點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)場合氣體壓力測量。

排煙風(fēng)機電機的軸承和定子溫度測量采用PT100鉑熱電阻元件，是一種精確，靈敏，穩(wěn)定的溫度傳感器。還有可靠性好，熱響應(yīng)時間短等優(yōu)點。特別是用在電機的軸承測溫。安裝特別簡單，直接顯示出軸承的實際工作溫度。

3 模糊控制算法的設(shè)計

3.1 排煙風(fēng)門開度控制

排煙風(fēng)門開度在電解鋁廠的煙氣凈化系統(tǒng)中起著很關(guān)鍵的作用。開度過小，則引風(fēng)量小，不能保證一定的負(fù)壓，造成相當(dāng)數(shù)量的煙氣泄漏到廠房空氣中；開度過大，則引風(fēng)量大，浪費能源，加重除塵器的負(fù)擔(dān)，排出的煙氣含塵量高。為了保證較高的煙氣捕集效率，引風(fēng)機引風(fēng)量需要保證距風(fēng)機最遠(yuǎn)的槽也能正常抽煙。煙氣管道負(fù)壓必須穩(wěn)定在-650Pa～-550Pa，既可以保證較高的煙氣捕集效率，又可以實現(xiàn)風(fēng)機節(jié)能運行。此外，風(fēng)機電流的大小、溫度的高低，對風(fēng)門開度的控制產(chǎn)生一定的影響。比如：引風(fēng)量過大時，風(fēng)機電流不能超過一定的上限；電機溫度較高時，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)大風(fēng)門。風(fēng)門開度控制框圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)門開度控制框圖

3.2 模糊控制器的設(shè)計

在煙氣凈化中，管道負(fù)壓值是決定煙氣凈化效果好壞的重要指標(biāo)。在設(shè)計模糊控制器時，以管道負(fù)壓偏差及管道負(fù)壓偏差的變化ec率作為輸入變量，以風(fēng)門的開度u為輸出變量。系統(tǒng)采用雙輸入單輸出模糊控制器，

本系統(tǒng)中煙氣管道負(fù)壓基本穩(wěn)定在[-650Pa,-550Pa]之間，設(shè)偏差e的基本論域為[-50Pa,50Pa]，其模糊量E的模糊論域為[-10Pa,10Pa]，則模糊量化因子ke=0.2。設(shè)煙氣管道的負(fù)壓誤差變化率ec的基本論域為[-10Pa,10Pa]，其模糊量的模糊論域為[-10Pa,10Pa]，則模糊量EC化因子kec=1。設(shè)排煙風(fēng)門開度u的基本論域為[-90°,90°]，其模糊量的模糊論域為[-10°,-10°]，則比例因子ku=9。E、EC及U的模糊集取7個并表示為；NB(負(fù)大)，NM (負(fù)中)，NS(負(fù)小)，Z0(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)。隸屬度函數(shù)取為三角形分布，量化值經(jīng)模糊語言變量隸屬度函數(shù)得到模糊量。

3.3 模糊控制規(guī)則的建立

確定控制規(guī)則的原則是必須保證控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動靜特性達到最佳[4]，根據(jù)系統(tǒng)的工作特點，建立相應(yīng)的模糊控制規(guī)則，如表2所示。

表2 模糊控制規(guī)則表

3.4 應(yīng)用

筆者將該模糊控制算法應(yīng)用于南屯電解鋁廠輸送車間煙氣凈化系統(tǒng)改造項目的風(fēng)門開度控制中。傳感器采用美國羅斯蒙特負(fù)壓傳感器，用于測量管道負(fù)壓，采用角行程電動執(zhí)行機構(gòu)控制排煙風(fēng)門的開度。首先將模糊化過程的各個參數(shù)存入PLC保持寄存器中，然后利用A/D模塊將輸入量采集到PLC的數(shù)據(jù)寄存器，經(jīng)過限幅化處理后，根據(jù)它們所對應(yīng)的輸入模糊論中的相應(yīng)元素，查模糊控制量表求出模糊輸出量，再乘以輸出量化因子即可得實際輸出量 ，由D/A模塊輸出對閥門開度進行控制[5]。

4 結(jié)束語

本文以某鋁廠對排煙風(fēng)門開度控制為研究背景，設(shè)計出了控制排煙風(fēng)門開度的PLC控制系統(tǒng)，并用于實際控制中，該項目自從2007年3月投入運行以來，氣固比穩(wěn)定在35～ 55g/m3范圍內(nèi)，煙氣管道負(fù)壓基本穩(wěn)定在-650～-550 Pa之間，管道負(fù)壓變化范圍比改造前減小30%左右，由于風(fēng)門開度隨負(fù)壓變動，這使得電機不用頻繁啟動，經(jīng)測算電機軸功率降低10%，一年可減少損耗約為450(KW)×10%×24(小時)×365(天×8(臺)×0.5(元/度)=1576800元，其排煙含塵量基本小于100mg/m3，排出氟化物含量基本小于6 mg/m3，達到環(huán)保的要求。結(jié)果表明該控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。

[1] 張宏杰,電解鋁煙氣凈化系統(tǒng)中引風(fēng)機的設(shè)計與應(yīng)用[J].通用機械,2006(10):67-71.

[2] 黃衡,曹靜華.電解鋁煙氣凈化的自動控制系統(tǒng)[J].上海有色金屬,2008,29(4):176-179.

[3] ALLEN-BRADLEY 模塊用戶手冊[Z].2005

[4] 靳兆榮,徐敏杰,魏學(xué)良,等.基于模糊決策的自動節(jié)水噴灌控制器的設(shè)計[J].排灌機械,2004,22(5):26-28.

[5] 肖愛武,廖平,羅智勇,等.模糊控制在礦井風(fēng)機風(fēng)量控制中的應(yīng)用[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2008,22(1):85-87.