摘要:介紹西門子S7-200 PLC和WinCC組態(tài)軟件在除塵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過分析除塵系統(tǒng)的特點(diǎn),給出了相應(yīng)的控制策略及算法,設(shè)計了相關(guān)的程序模塊。利用WinCC組態(tài)模擬現(xiàn)場畫面,操作界面簡單明了,方便易用。實際應(yīng)用表明由S7-200 PLC和WinCC組態(tài)軟件構(gòu)成的控制系統(tǒng)具有成本低廉、經(jīng)濟(jì)實用、可靠性高等特點(diǎn),同時節(jié)約了設(shè)備投資。

關(guān)鍵詞:除塵, PLC自動控制, PID控制器, WinCC組態(tài)控制

礦熱爐在出硅鐵期間散發(fā)的煙塵是硅鐵廠對大氣的主要污染源之一。隨著高爐強(qiáng)化冶煉及大型化,如不采取行之有效的煙氣捕集及凈化措施,所造成的環(huán)境污染將會日趨嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計每冶煉1 t鐵水出鐵場可產(chǎn)生煙塵215 kg,一氧化碳2 kg。出鐵廠出鐵時,操作區(qū)含塵9～81 mg/m2 ,一氧化碳60～213 mg/m2 ,二氧化硫98～185 mg/m2 ,輻射強(qiáng)度高,車間環(huán)境溫度達(dá)40～60 ℃[ 1 ] 。因此,出鐵廠煙塵嚴(yán)重污染環(huán)境,造成勞動衛(wèi)生條件惡劣,威脅人體健康。

在目前的除塵系統(tǒng)中,除少量昂貴的高度自動化控制系統(tǒng)外,大部分是采用恒定引風(fēng)量引風(fēng)或人工調(diào)節(jié)引風(fēng)量兩種方法,前者因其引風(fēng)量大而恒定,所以運(yùn)行費(fèi)用高,除塵效果差;后者提高了操作人員的勞動強(qiáng)度,可靠性差。兩者都降低了布袋的運(yùn)行安全。因此,急需開發(fā)一種實用的除塵自控系統(tǒng)。

1　除塵系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1　工藝概述

除塵系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、電動蝶閥、除塵器、粉塵輸送裝置、管道、閥門等組成,系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。含塵氣體在風(fēng)機(jī)的吸引下,使煙氣溫度下降后進(jìn)入布袋除塵器,用布袋除去煙氣中的粉塵,凈化后的氣體從煙囪排入大氣。除塵器隨著粉塵的積累,壓差逐漸增大,當(dāng)壓差增至設(shè)定值時,除塵倉逐倉進(jìn)行清灰,然后逐倉進(jìn)行卸灰,定期用車運(yùn)走。

1.2　控制要求

除塵控制系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能:對溫度信號、壓差信號實現(xiàn)高精度智能檢測;實現(xiàn)溫度控制、清灰控制、卸灰控制;具有手動/自動、壓差/強(qiáng)制控制功能;對所有控制和檢測的模擬量具有歷史數(shù)據(jù)存儲、實時數(shù)據(jù)動態(tài)顯示、打印和報警功能;對所有的控制均能在上位機(jī)實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定和遠(yuǎn)程控制;工藝流程能在計算機(jī)屏幕上動態(tài)顯示。

1.3　控制系統(tǒng)構(gòu)成與配置

針對除塵控制的特點(diǎn),系統(tǒng)采用PLC作為下位機(jī)直接處理模擬量和開關(guān)量信號,選用PC機(jī)作為上位機(jī),利用W inCC組態(tài)軟件建立友好的實時操作界面與下位機(jī)進(jìn)行通信。系統(tǒng)構(gòu)成與配置如圖2所示。

下位機(jī)選用西門子公司的S7-200 系列PLC作為控制系統(tǒng)核心,實現(xiàn)風(fēng)量控制、清灰控制、卸灰控制。選用的CPU型號為CPU226,是S7 - 200系列中性能最高的CPU。其自帶24點(diǎn)數(shù)字量輸入和16點(diǎn)數(shù)字量輸出,并可擴(kuò)展至128個數(shù)字量輸入和128個數(shù)字量輸出,以及32個模擬量輸入和輸出。CPU226還有兩個通信接口,物理特性為RS485,既可作為編程口實現(xiàn)程序的編制和調(diào)試,又可在運(yùn)行時作為串行口與其他設(shè)備進(jìn)行通信。

EM231有4路模擬量輸入,將來自現(xiàn)場電流變送器的4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并將轉(zhuǎn)換結(jié)果送給CPU處理, 。EM223有16路輸入和16路輸出,用來增加開關(guān)量的控制單元。上位機(jī)選用工控機(jī),應(yīng)用西門子公司工控組態(tài)軟件WinCC,實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)存儲、實時數(shù)據(jù)動態(tài)顯示、打印和報警功能。工控組態(tài)軟件WinCC是一個集成的人機(jī)界面(HMI)系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng),提供各種PLC的驅(qū)動軟件,使PLC與上位機(jī)的聯(lián)接變得非常方便, 如果將WinCC 與STEP7合用, 更是大幅度降低工程時間, 因為在STEP7中定義的變量可以在WinCC中直接使用。另外,WinCC中的C語言腳本(Script)及提供的與數(shù)據(jù)庫之間的接口更能增加其應(yīng)用功能,能滿足用戶的復(fù)雜要求。

2　系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1　清灰控制

清灰控制可根據(jù)需要實現(xiàn)手動/自動控制、壓差/強(qiáng)制控制。清灰程序框圖見圖3。PLC首先判斷系統(tǒng)的控制方式,即判斷系統(tǒng)選擇強(qiáng)制方式或差壓方式,若選擇強(qiáng)制方式,則根據(jù)強(qiáng)制清灰信號判斷是否清灰;若系統(tǒng)選擇壓差控制,僅當(dāng)除塵器的差壓達(dá)到設(shè)定值時,清灰信號才有效。如果清灰選擇自動方式,清灰信號有效后,控制系統(tǒng)對1～5倉依次進(jìn)行清灰。清灰過程包括反吹、沉降兩個過程,這兩個過程的次數(shù)以及各過程的運(yùn)行時間可按工藝要求設(shè)定。

2.2　溫度控制

對于爐窯等高溫?zé)煔鈨艋到y(tǒng),溫度控制關(guān)系到設(shè)備的安全和壽命。進(jìn)入除塵器的煙氣溫度過高會燒毀濾袋或使濾袋壽命縮短;煙氣溫度過低又會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象,引起粉塵在濾袋上板結(jié),導(dǎo)致清灰困難,除塵器阻力不斷上升甚至形成惡性循環(huán),系統(tǒng)癱瘓。另外,煙氣溫度太低時,風(fēng)機(jī)負(fù)荷加大,會出現(xiàn)風(fēng)機(jī)電機(jī)超載。因此須對溫度進(jìn)行控制。系統(tǒng)利用調(diào)節(jié)電動蝶閥的開度調(diào)節(jié)混風(fēng)量,通過對風(fēng)量的控制實現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。溫度控制策略為:當(dāng)吸風(fēng)口溫度大于200 ℃時立即將電動蝶閥全部打開;根據(jù)進(jìn)口溫度值調(diào)節(jié)混風(fēng)閥開度,若溫度偏高且有上升趨勢則閥門開大;若溫度偏低且有下降趨勢則適當(dāng)關(guān)小閥門。采用PID控制算法[ 2 ]給出控制量:

式(1)中u(k)為采樣時刻k的輸出值; e(k)為采樣時刻k的偏差值; e(k-1)為采樣時刻(k-1)時的偏差值?？刂破鞯谋壤⒎e分、微分常數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)被控對象的模型和要求的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)決定, 控制參數(shù)對控制性能是至關(guān)重要的。由于除塵系統(tǒng)是一個變化較復(fù)雜的激振系統(tǒng), 沒有現(xiàn)成的數(shù)學(xué)模型可以參考。該系統(tǒng)采取的方法是:通過計算機(jī)仿真尋優(yōu),先求出最佳的參數(shù)范圍,然后在實際運(yùn)行中通過現(xiàn)場調(diào)節(jié)來達(dá)到最佳參數(shù)的選取。計算機(jī)仿真尋優(yōu)是通過給定一個激勵電流的階躍信號,進(jìn)口溫度呈S形的上升曲線,可以用一個慣性加時滯的模型來近似描述這一系統(tǒng),傳遞函數(shù)為:

在額定范圍內(nèi),電流的平均值與進(jìn)口溫度可以看成是正比的,可以根據(jù)除塵系統(tǒng)的階躍響應(yīng)來估算系統(tǒng)的時間常數(shù)T0 , T1 , T2 , 選用目標(biāo)函數(shù)θ= ∫∞0t| e | dt, 并以θ值最小為目標(biāo)尋優(yōu), 由于系統(tǒng)模型H(S )是一個近似模型,實測估算的T0 , T1 , T2 等參數(shù)誤差也較大,因此上述尋優(yōu)僅是估算比例、積分、微分參數(shù)的范圍,還需要通過現(xiàn)場整定以確定參數(shù)的最佳值。

現(xiàn)場整定是通過在控制面板上增加3個參數(shù)調(diào)節(jié)數(shù)字按鈕(BCD 碼) ,利用PLC的I/O 口對BCD碼進(jìn)行譯碼,轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的比例、積分、微分參數(shù)。在實際使用中, PLC程序還根據(jù)前一次誤差e ( k)的大小和正負(fù), △e ( k)的大小和正負(fù), 對比例、積分參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)校正[ 3 ] , 以達(dá)到最佳的控制效果。圖4為進(jìn)口溫度曲線。從圖中可以看出采用自適應(yīng)P ID控制能夠很好的使進(jìn)入布袋的煙氣溫度控制在限定值之內(nèi),達(dá)到了較好的控制效果。

2.3　上位機(jī)設(shè)計

首先根據(jù)系統(tǒng)的控制要求,利用組態(tài)軟件系統(tǒng)內(nèi)部提供的圖形庫來模擬實際的除塵器系統(tǒng),將其圖形、顏色、顯示數(shù)據(jù)組合在一起,形成直觀且符合視覺習(xí)慣的圖形。然后通過創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫,也就是定義組態(tài)軟件內(nèi)部的I/O變量,給每個變量定義屬性,建立變量連接,使除塵器現(xiàn)場的工作狀況以動畫的形式反映在屏幕上,同時使操作員在計算機(jī)前發(fā)布的指令迅速送達(dá)現(xiàn)場。另外系統(tǒng)還為部分動畫連接的圖形對象設(shè)置了訪問權(quán)限,例如參數(shù)設(shè)定畫面對系統(tǒng)的影響較大,為它設(shè)定了訪問權(quán)限,只有高級工程技術(shù)人員才能對此操作。這對于保障除塵系統(tǒng)的正常工作具有重要的意義。在系統(tǒng)中,共設(shè)計了10余幅畫面,包括總貌畫面、參數(shù)設(shè)置、各控制畫面、曲線、歷史數(shù)據(jù)、打印管理等。在每個畫面下方有數(shù)個自定義軟鍵,運(yùn)行時只要按下相應(yīng)的功能鍵便可顯示對應(yīng)畫面。

2.4　上位機(jī)與下位機(jī)的連接

系統(tǒng)中采用PPI協(xié)議實現(xiàn)WinCC與PLC的通訊。該方法具有連接簡單、硬件投資少,并且可以讀寫S7-200系列PLC中所有存儲區(qū)域。具體操作如下:

在控制面板中設(shè)定PG/PC接口參數(shù)。在Ac2cess Point of the App lication中選擇Computing Inter2face參數(shù)選擇PC /PP ICable。在WinCC變量管理中添加一個新的驅(qū)動程序, 新的驅(qū)動程序選擇OPC1CHN,在OPC GROUP中新建一個連接,打開屬性,選擇OPC GROUP Setting, OPC 的服務(wù)器名為OPCServer. MicroComputing,然后在新添加的連接中新建變量,變量的Item Name與PLC中用于監(jiān)控的變量名對應(yīng)。這樣就實現(xiàn)了WinCC與PLC之間的通信。

3　結(jié)束語

該控制系統(tǒng)于2004年3月在包頭硅鐵廠投入運(yùn)行。實踐證明,該系統(tǒng)功能完善、性能可靠、維修方便,使清灰、卸灰全過程實現(xiàn)自動控制。采用自適應(yīng)P ID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對溫度的控制,采用上位機(jī)的組態(tài)化控制使得除塵器系統(tǒng)的自動化水平有了更大提高,減少勞動強(qiáng)度,避免了人為操作而引發(fā)的事故,具有相當(dāng)?shù)南冗M(jìn)性。

參考文獻(xiàn):

[ 1 ] 　魏宗華,郭豐年1鋼鐵工業(yè)廢氣治理[M ]1北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社, 19921

[ 2 ] 　韓京清1非線性P ID控制器[ J ]. 自動化學(xué)報, 1994, 20(4) : 487 - 4901

[ 3 ] 　Watanabe. Mold Level Control in Continuous Caster by
Neural Network Model [ J ]. ISU international. 1993, 39

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