如何進行基于Profibus現場總線的新型布袋除塵器控制系統設計？

1引言

隨著環境保護要求的日漸提高，世界各國對環境保護都提出了愈來愈嚴格的要求。在我國，不但提高了煙塵的排放標準，而且加強了對排放硫氧化物的控制。許多鍋爐為了符合限制排硫的標準而使用低硫煤，其結果雖然減少了硫的排放，但也提高了煙塵的比電阻，使得國內工業上廣泛使用基于國外六、七年代技術的電除塵方法效率大大降低，已經逐漸落后于當代環保領域提出的新要求，因而當今環保領域面臨一個重要的課題便是設計出經濟、節能、高效的新型除塵系統。

布袋除塵器從一開始就因為其除塵效率不受粉塵比電阻影響、排放粉塵濃度低和對硫氧化物有吸收作用的優點而被這些工業生產部門普遍認同和廣泛采用。從長遠看，隨著環保的要求越來越高，布袋除塵器的優越性將會越來越明顯，并將受到更為廣泛的重視和應用。因此，自主開發適合中國工業的布袋除塵系統，尤其是控制系統就成為必然的選擇。

2工藝介紹

新型布袋除塵器控制系統按照工藝要求由原煙氣溫度控制系統、除塵氣室系統、灰斗系統和清灰系統組成一級子系統。從一級控制子系統分開來，又可以分成風機陣列系統、脈沖閥時序系統、回轉臂系統、煙氣擋板系統、布袋系統和噴水閥系統等諸多二級子系統。具體工藝結構圖參照圖1。

從工藝結構圖可以看出，布袋除塵器控制系統是一個控制對象眾多，控制類型多樣，控制策略復雜的綜合控制系統。這樣一個控制系統電氣設備十分復雜，基于Profibus現場總線技術上的成熟與開放性，以及成本上的考慮，我們設計采用以Profibus現場總線作為新型布袋除塵器控制系統的底層現場控制總線，結合分布式I/O板卡配合可保證數據的可靠傳輸。分布式I/O系統是智能化系統，將減輕控制系統的處理負荷。I/O系統將能完成掃描、數據整定、數字化輸入和輸出、線性化熱電偶冷端補償、過程點質量判斷、工程單元換算等功能。各個I/O板卡通過接口掛接到Profibus總線上，同時總線上的PLC將實現控制方案，總線上還配備人機操作單元，允許操作員進行現場監視和手動控制。

圖1新型布袋除塵器工藝結構圖

3系統設計

傳統的控制系統方案多采用基于DCS技術的計算機控制系統來實現分散自動控制和集中監控。但基于DCS的系統存在一些重要缺陷，一方面傳統的DCS系統是自封閉式的集散系統，難以實現設備之間以及系統與外界之間的信息交互和共享，使自動化系統成為“信息孤島”;另一方面傳統DCS系統的現場底層傳感器和數據采集器之間采用一對一物理連線和模擬信號傳輸，導致大范圍布線，給現場施工帶來很大麻煩，同時，信號傳輸的抗干擾能力也較差。因此，對于新型布袋除塵器系統工藝而言，采用傳統的DCS已經難以滿足其工藝和控制的要求[3]。

Profibus總線是一種新型的現場總線，其數據傳輸速度可以達到12Mb/s，可以承擔現場、控制與監控的通信任務，降低系統及工程成本，具有較高的性價比，是當今實現分布式與集中式控制系統理想的總線技術。它具有開放性、可操作性、互換性與可集成性，大大增強了現場級的信息繼承能力，提高了系統的可靠性。Profibus的網絡協議是以ISO頒布的OSI標準七層參考模型為基礎的，只是對第三層到第六層進行簡化，標準適應性強。此外它的三種模塊(FMS，DP和PA)可以適應不同的應用對象和通信速率方面的要求，具有良好的開放性。Profibus現場總線主站以主從方式與從站通訊，各主站之間有令牌協議決定總線控制權，節點數可達127個[2]。

本系統中采用Siemens的ET200M?I/O系統，它是一種帶光隔離的I/O板卡系統，不僅支持分布式的I/O配置模式，為系統提供了很好的可擴展性和靈活性，而且可升級為帶電熱拔插模式，使模塊故障對系統的影響降低到最小。主控PLC則采用Siemens的S7-400系列CPU，配套編程工具 STEP?7進行軟件開發，同時Profibus總線上連接人機界面操作面板OP270配合使用ProTool開發的監控系統，使操作員可以在布袋除塵系統現場直接進行監視和手動操作。而DP/PA?Link實現了Probibus?DP和Profibus?PA兩種總線實現互聯，使得基于 Profibus?PA的相關的傳感器和執行設備可以接入現場總線層。該系統總線結構原理圖如圖2所示。

另外，作為獨立開發的產品，本系統可以提供多種接口與上層DCS進行連接。通過包括Profibus?DP接口、MPI接口和其他各種接口模塊在內，DCS主機可以方便的對布袋除塵器進行遠程監控，實現高度信息交互和集成的多層網絡結構。

圖2布袋除塵器網絡結構原理圖

4系統控制功能描述

布袋除塵器系統結構龐大，設備繁多，工藝要求電氣設備和控制系統上的聯鎖十分復雜，要對這樣一個系統進行綜合控制，就需要對整個控制系統進行詳細劃分，并且對各個子系統進行協調，在完成每個子系統控制需要的同時，滿足整體工藝要求[1]。

布袋除塵器基礎控制結構可以劃分為如下幾個部分：

1)控制涉及布袋除塵器系統范圍內所有電氣設備;

2)I/O板卡負責采集現場數據，通過Profibus現場總線傳送到PLC進行處理;

3)分組設計思想，將子系統中各個電氣設備結合成組，各組之間實現安全聯鎖;

4)各組控制程序和聯鎖程序由PLC完成;

5)系統具有手動、自動切換功能，操作員通過人機操作面板實現手動操作。

布袋除塵器中最核心的部分是用于過濾粉塵的布袋，盡量延長布袋的使用壽命，是判斷系統成功與否的關鍵指標。如何防止布袋阻塞，保證系統的正常運行對清灰系統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于工藝能否實現起到了很重要的作用。清灰控制系統實現的控制功能有：風機控制、回轉臂控制及最核心的脈沖閥噴吹系統控制;并且實現了設備互鎖保護、故障處理和報警等相關功能。

風機系統用于提供脈沖閥噴吹需要的高壓氣源，如果風機出現故障，就無法對布袋按預定的頻率進行噴吹，造成布袋阻塞，進而導致系統癱瘓。為了保障系統的正常運行，風機系統采用一用一備的方式，正常運行、正常清灰情況下兩臺風機100%冗余。當正在運行的風機出現故障或是清灰壓力不夠時，控制系統會自動將備用風機投入運行。