布袋除塵器中矩陣式脈沖閥控制設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

呂志偉，任俊

（重慶中建機(jī)械制造有限公司，重慶 401325）

1 引言

在環(huán)保型工業(yè)發(fā)展背景下，固廢焚燒處置項(xiàng)目數(shù)量增加，將袋式除塵器應(yīng)用于焚燒處置項(xiàng)目中，可過(guò)濾煙氣中的粉塵，降低排煙顆粒度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)。國(guó)外研究重點(diǎn)關(guān)注除塵器脈沖電磁閥技術(shù)原理，力求依靠沖擊振動(dòng)達(dá)到清灰效果。本研究提出矩陣式脈沖閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，對(duì)傳統(tǒng)邏輯聯(lián)鎖程序編寫進(jìn)行優(yōu)化，不但可預(yù)防潛在邏輯沖突，還可適應(yīng)各種工況，滿足環(huán)保要求。

2 矩陣式脈沖閥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

布袋除塵系統(tǒng)的主要控制對(duì)象為各倉(cāng)室內(nèi)的脈沖噴吹閥，控制系統(tǒng)構(gòu)成為PLC 柜、就地操作箱、人機(jī)界面（HMI）與煙氣壓力變送器等。在操作箱上設(shè)定遠(yuǎn)程就地按鍵、脈沖閥觸發(fā)按鍵等，在安裝調(diào)試環(huán)節(jié)使用。在就地運(yùn)行模式下，通過(guò)倉(cāng)室號(hào)BCD 撥碼器明確所需調(diào)試的倉(cāng)室編號(hào)，按下相應(yīng)的脈沖閥按鈕，系統(tǒng)便可輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，為調(diào)試中故障確定與參數(shù)校驗(yàn)提供便利。除塵器運(yùn)行狀態(tài)主要由出入口煙氣壓力測(cè)量值表示，依靠變送器將轉(zhuǎn)換為4～20 mA 信號(hào)接入PLC 柜中的輸入模塊，再在HMI 生產(chǎn)單元中設(shè)定中央操作室，依靠二次開發(fā)畫面展現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行信息，如持續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)、工作模式、出入口壓力差等，還可查閱歷史記錄、運(yùn)行狀態(tài)、故障程度等。PLC柜安裝于電氣室中，包括I/O 輸入單元、CPU 和固態(tài)繼電器等，用于接收中央操作室傳輸信號(hào)，依靠軟件計(jì)算結(jié)果，啟動(dòng)PLC柜內(nèi)固態(tài)繼電器，將運(yùn)行信息傳遞給操作室，如圖1 所示[1]。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 運(yùn)行模式

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，通過(guò)HMI 站的組態(tài)畫面，技術(shù)人員可選擇相應(yīng)的運(yùn)行模式，如半自動(dòng)運(yùn)行、持續(xù)運(yùn)行、手動(dòng)模式等，各模式的功能設(shè)計(jì)如下。

1）手動(dòng)操作

該模式由技術(shù)人員根據(jù)組態(tài)畫面顯示，在任意點(diǎn)確定倉(cāng)室號(hào)碼，對(duì)需要噴吹的脈沖閥進(jìn)行操作；可在遠(yuǎn)程模式下判斷脈沖閥運(yùn)行狀態(tài)，還可在某個(gè)脈沖閥發(fā)生故障后采取應(yīng)急處理措施。

2）持續(xù)運(yùn)行

在遠(yuǎn)程控制支持下，脈沖閥結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)狀，事先設(shè)定自動(dòng)清灰周期、壓差啟動(dòng)值等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。在對(duì)含灰量較高的固廢原料焚燒時(shí)，可將噴吹周期設(shè)定為2 h，各倉(cāng)室中的脈沖閥每間隔2 h 會(huì)按照事先設(shè)定的工作方式進(jìn)行清灰。當(dāng)除塵袋出口側(cè)的煙氣壓力差值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，無(wú)論系統(tǒng)是否達(dá)到自動(dòng)清灰時(shí)間，除塵器均會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)噴吹模式進(jìn)行清灰，該模式自動(dòng)化程度高，可有效減輕從業(yè)者作業(yè)量，且安全可靠。

3）半自動(dòng)運(yùn)行

在遠(yuǎn)程控制支持下，脈沖噴吹閥自動(dòng)運(yùn)行，在選取此種模式后，根據(jù)噴吹控制程序按順序開展清灰工作，先從1 號(hào)倉(cāng)室的1 號(hào)脈沖閥開始，逐個(gè)變更倉(cāng)室號(hào)，使各倉(cāng)室中脈沖閥參與噴吹工作，待全部倉(cāng)室中脈沖閥噴吹結(jié)束后，替換為第二個(gè)脈沖閥，重新從1 號(hào)倉(cāng)室進(jìn)行循環(huán)，直至全部脈沖閥噴吹結(jié)束，再替換成3 號(hào)脈沖閥，如此循環(huán)，直至各倉(cāng)室的脈沖閥均按順序噴吹結(jié)束。該循環(huán)過(guò)程包含3 個(gè)周期，即脈沖閥運(yùn)行時(shí)間，用Tp表示；相同脈沖閥號(hào)碼在周期內(nèi)變更倉(cāng)室號(hào)碼的間隔周期，用Ti表示；不同脈沖閥號(hào)碼的噴吹間隔時(shí)間，用Tc表示，脈沖順序如圖2 所示。因該模式需操作者觸發(fā)后才可自動(dòng)運(yùn)行，故稱為半自動(dòng)運(yùn)行。不同固廢焚燒原料的含灰量、周期設(shè)定等不盡相同，應(yīng)結(jié)合模式特點(diǎn)合理選擇[2]。

圖2 脈沖閥運(yùn)行順序

2.2.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)HMI 站組態(tài)畫面，技術(shù)人員可結(jié)合授權(quán)等級(jí)，對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括脈寬、脈沖間隔、循環(huán)停機(jī)時(shí)間等（見(jiàn)表1），使多種固廢料焚燒后的清灰需求得到滿足。技術(shù)人員還應(yīng)密切觀察設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，在發(fā)生異常時(shí)及時(shí)干預(yù)，系統(tǒng)軟件帶有豐富的數(shù)據(jù)顯示框、狀態(tài)欄，可通過(guò)HMI 站畫面展示，包括出入口煙氣壓力值、運(yùn)行時(shí)間指示、運(yùn)行模式等，便于操作者獲得完整的設(shè)備信息，對(duì)工長(zhǎng)進(jìn)程進(jìn)行科學(xué)指示[3]。

表1 控制參數(shù)設(shè)定

2.2.3 矩陣控制

在PLC 自動(dòng)程序編制中，矩陣控制閥屬于關(guān)鍵工具，需結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，將除塵脈沖閥的運(yùn)行過(guò)程合理分解，依靠轉(zhuǎn)換條件實(shí)現(xiàn)每個(gè)流程的轉(zhuǎn)換。在符合轉(zhuǎn)換條件的情況下，由前一步轉(zhuǎn)換為后一步，每個(gè)環(huán)節(jié)的PLC 程序輸出點(diǎn)均有相應(yīng)輸出狀態(tài)進(jìn)行匹配。在單序列、并行序列模式下，該應(yīng)用可有效避免相鄰步驟僅有一個(gè)有效的問(wèn)題，預(yù)防邏輯聯(lián)鎖交叉和信號(hào)沖突情況。在控制軟件程序編輯過(guò)程中，應(yīng)考慮到軟件在布袋除塵器中的適用性，立足知識(shí)管理與遷移，整個(gè)程序利用FB 功能塊封裝，有助于程序塊重復(fù)利用，提高使用效率。在接口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，背景數(shù)據(jù)塊DB、FB 功能塊中程序利用結(jié)構(gòu)化編程，可為后續(xù)調(diào)試提供諸多便利。

3 矩陣脈沖閥控制系統(tǒng)在布袋除塵器中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目引入1 臺(tái)布袋除塵器，含有5 個(gè)倉(cāng)室，各倉(cāng)室配備7 個(gè)脈沖閥。在以往設(shè)計(jì)模式下，各脈沖閥與PLC 輸出點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，共需35 個(gè)輸出繼電器與I/O 輸出模塊，各繼電器還要1 根控制電纜與就地脈沖閥相連。因系統(tǒng)分室數(shù)量眾多，此種模式的設(shè)計(jì)強(qiáng)度較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與現(xiàn)代化控制系統(tǒng)應(yīng)用需求不符，急需對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，以提高布袋除塵器的應(yīng)用效能。

3.2 矩形控制模式

針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式的不足，采用矩形設(shè)計(jì)模式，該模式下的各倉(cāng)室僅需輸出一路DO，7 個(gè)脈沖閥分別輸出一路DO，即可使脈沖閥的噴吹控制需求得到滿足。在實(shí)際運(yùn)行中，控制優(yōu)化原理如下：共設(shè)定5 行7 個(gè)列矩陣，5 行指代5 個(gè)倉(cāng)室，7 列指代各倉(cāng)室中的脈沖閥數(shù)量，5 路轉(zhuǎn)換按鍵可實(shí)現(xiàn)1～5 各倉(cāng)室自由選擇。在選取某個(gè)倉(cāng)室后，該倉(cāng)室中的7 個(gè)脈沖閥便要帶24 V 電壓。例如，選取1 號(hào)閥門后，該倉(cāng)室中的1 號(hào)閥24 V 電源的地線接通，通電吸合，實(shí)施噴吹。繼電器均設(shè)定為干接點(diǎn)輸出，由低壓柜中24 V 電源模塊提供電源，24 V 電源與轉(zhuǎn)換按鍵SA 相連，24 V 電源的地線接入PLC 選閥節(jié)電器內(nèi)，調(diào)整為手動(dòng)控制模式。按下選室轉(zhuǎn)換按鍵，任意選擇某個(gè)倉(cāng)室，按下從1～5 選室按鈕中的任意一個(gè)，與之相對(duì)的閥便可獲得電流，實(shí)現(xiàn)噴吹。在自動(dòng)控制模式下，就地轉(zhuǎn)換按鈕調(diào)至遠(yuǎn)方，在PLC 畫面上選擇控制模式，例如在線或離線、定時(shí)或定阻等，在噴吹模式選定后，正式開啟，按事先設(shè)定的邏輯程序與參數(shù)進(jìn)行噴吹。在噴吹過(guò)程中，每次僅開啟1 個(gè)脈沖閥，確保壓力值與清灰要求相符，設(shè)定范圍0.3～0.4 MPa，可按照噴吹管大小靈活選擇，噴吹順序如下：

先從1 號(hào)倉(cāng)室的1 號(hào)閥開始噴吹，然后是2 號(hào)倉(cāng)室脈沖閥噴吹，最后是5 號(hào)倉(cāng)室中1 號(hào)閥噴吹，完成一個(gè)循環(huán)。在第二個(gè)循環(huán)中，先是1 號(hào)倉(cāng)室的2 號(hào)閥噴吹，然后是1 號(hào)倉(cāng)室2號(hào)閥噴吹，最后是5 號(hào)倉(cāng)室2 號(hào)閥噴吹，如此反復(fù)，直至5 號(hào)倉(cāng)室的7 號(hào)閥噴吹完畢，完成一個(gè)噴吹周期。在周期循環(huán)中如若出現(xiàn)異常情況，需要設(shè)備檢修或暫停運(yùn)行，只需暫停噴吹即可，下次噴吹時(shí)接著上次噴吹順序，直至整個(gè)噴吹周期完成；利用PLC 進(jìn)行遠(yuǎn)程噴吹，各參數(shù)均可在PLC 上位機(jī)畫面中設(shè)定。將脈沖閥設(shè)置在除塵器頂部，電氣元件安裝到控制箱中，箱內(nèi)安裝選擇按鍵、電源指示燈、接線端子排等，從PLC 至控制箱的電纜利用箱內(nèi)端子排轉(zhuǎn)接。在設(shè)備單機(jī)調(diào)試過(guò)程中，依靠就地控制箱的就地遠(yuǎn)程按鈕，便可對(duì)35 個(gè)脈沖閥逐一測(cè)試，直至就地測(cè)試完畢，轉(zhuǎn)換按鍵打至遠(yuǎn)方，再?gòu)腜LC 畫面中逐一測(cè)定各個(gè)脈沖閥，最終完成遠(yuǎn)程調(diào)試工作[4]。

3.3 應(yīng)用效果

在控制軟件變成后，設(shè)計(jì)者開展仿真試驗(yàn)，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)情況，實(shí)施單機(jī)調(diào)試與設(shè)備聯(lián)合調(diào)試，該項(xiàng)目在規(guī)定期限內(nèi)正式運(yùn)行，軟件運(yùn)行無(wú)異常，與工藝功能要求相符合。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式相比，應(yīng)用效果更顯著，具體如下。

1）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間有效縮短。在仿真試驗(yàn)與單機(jī)調(diào)試基礎(chǔ)上，有效縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中需要修改的程序量，只需按照煙氣品質(zhì)合理調(diào)整部分生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)即可，便可在短期內(nèi)完成調(diào)試工作，使整個(gè)產(chǎn)線均能如期投入使用。

2）HMI 畫面更友好。在袋式除塵器運(yùn)行中，矩陣控制法賦予生產(chǎn)過(guò)程明確的段位標(biāo)志，使操作者能夠清楚地判斷除塵器的運(yùn)行狀態(tài)、所處環(huán)節(jié)等，預(yù)知后續(xù)步驟需要執(zhí)行的動(dòng)作，有利于操作水平提升，系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3）運(yùn)行維護(hù)更便利。與傳統(tǒng)控制相比，矩陣控制中的電路設(shè)計(jì)得到優(yōu)化，PLC 開關(guān)量由96 點(diǎn)降至35 點(diǎn)，PLC 模塊數(shù)量明顯降低，輸出中間繼電器數(shù)量也隨之減少，且系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單明了，線路故障率降低，故障排查方便快捷，為日常運(yùn)行維護(hù)工作帶來(lái)便利。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，工業(yè)生產(chǎn)更加注重粉塵控制問(wèn)題，將布袋除塵器應(yīng)用到生產(chǎn)中，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)與特殊濾袋材料，可滿足粉塵長(zhǎng)期超低排放要求。脈沖閥是除塵器的控制對(duì)象，其傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，影響運(yùn)行效果，將矩陣式控制模式投入使用后，利用矩陣控制法進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)、功能圖繪制，可使繪圖與工藝滿足功能需求，對(duì)連鎖條件二次確認(rèn)，根據(jù)不同焚燒原料性質(zhì)，合理選擇運(yùn)行模式與脈沖參數(shù)，在自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)運(yùn)行等模式下，使各倉(cāng)室循環(huán)作業(yè)，充分發(fā)揮脈沖閥的技術(shù)效能，縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，有效降低成本支出，達(dá)到預(yù)期清灰效果。