摘 要：本文介紹了基于Profibus現場總線的新型布袋除塵器控制系統，通過工藝分析并結合現場實際要求，對系統結構設計和和各子系統的控制功能進行了詳細說明。基于Profibus現場總線的通信機理，使得信息的傳送更為高速、安全。本文還闡述了控制系統下位機、操作面板及通信的組態過程。實際運行結果表明，系統達到了設計要求，實現了新型布袋除塵器的自動化，降低了煙氣中的粉塵含量，大大提高了除塵效率。 關鍵詞：Profibus;現場總線;布袋除塵器;組態軟件 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。 [align=center] 圖1 新型布袋除塵器工藝結構圖[/align] 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。 [align=center] 圖2 布袋除塵器網絡結構原理圖[/align] 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。 　　回轉臂系統負責控制布袋上方的回轉臂，每個回轉臂由一個小型的減速電機驅動，當回轉臂轉速過低或停止時，可能會對同一個布袋連續噴吹，大大降低布袋的使用壽命。為了避免這種情況的發生，控制系統實時計算、監控回轉臂轉速，當回轉臂轉速過低時，發出報警，通知操作員采取相應措施。 　　脈沖閥噴吹系統根據清潔煙氣室與原煙氣室的壓差值，即布袋內外側的壓差值，決定噴吹的頻率，即噴吹的檔位。噴吹檔位根據工藝要求分成快速檔、標準檔、慢速檔和停止檔四種檔位，每個檔位對應不同的壓差范圍。具體噴吹檔位極其對應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行設置和修改。當壓差值較高時，說明布袋上附著的灰塵較多，相應的噴吹頻率也較高，反之亦然。脈沖閥采用成組運行的模式，系統所有的脈沖閥按照預定的順序和每次循環開始時判斷的檔位進行噴吹。為了方便檢修，單個脈沖閥可以在任意時刻進入或退出循環（脈沖閥進入循環時要滿足一定的運行條件），并且允許隨時進行手動噴吹操作。 　　除塵氣室系統主要由出口擋板、入口擋板、實現聯鎖的回轉臂和灰斗組成，一個氣室分為兩個單元。作為清灰系統正常運行的前提條件是每個氣室的所有出口擋板和入口擋板都開到位，并且回轉臂都處在運行狀態。每個氣室兩個單元各有一個入口擋板作為煙氣的入口，經過降溫處理后原煙氣通過氣室的入口擋板進入到氣室，經過布袋除塵器的過濾和隔離作用，進入到凈煙氣室。而后通過凈煙氣室的出口擋板排到大氣。每個氣室只有一個出口擋板，由兩個單元共用。每個單元有一個灰斗，用來裝抖落下來的粉塵，當灰斗的物位高于上限的時候，通過系統聯鎖會自動停止脈沖閥的工作。 　　原煙氣溫度控制系統通過裝載在原煙氣管道上的噴水裝置實現，由于工藝上為了防止布袋損害，要求進入除塵氣室的煙氣需要有穩定的溫度，同時需要控制煙氣中的含水量。基于這樣的考慮，本系統的原煙氣溫度控制采用自學習模糊控制技術。由于進入布袋除塵系統的原煙氣的溫度是個漸變量，而系統又要對溫度有較好的靈敏度，所以我們采用溫度的導數dT/dt來作為溫度變化的預測。程序中，我們將不僅采集當前周期的溫度T值，還將利用兩個周期溫度的變化除以周期ΔT/C（周期）來近似dT/dt，這樣就得到了一組兩個關于時間t和溫度T的數據（T，dT/dt），最后建立模糊控制表，通過模糊推理實現智能控制。同時，根據不同的運行狀況發生的變化，模糊控制表會通過自學習不斷進行調整，實現自學習控制與模糊控制的統一，滿足系統控制要求。 5 系統實現 　　根據系統功能提出的要求，系統軟件分成下位機和控制面板部分。 　　1）下位機編程 　　本系統采用SIMATIC S7-400 CPU配套的編程工具STEP7進行硬件組態、網絡組態、參數設置、I/O地址設置、PLC程序編程和調試。STEP7中，用戶PLC程序由組織塊（OB）、功能塊（FB、FC）和數據塊（DB）組成。組織塊是系統操作程序與用戶程序的接口，決定用戶程序的結構，操作系統通過調用用戶編寫的組織塊程序，用于控制掃描循環和中斷程序的執行，以及PLC的啟動和錯誤處理等等。功能塊是用戶編寫的程序塊，用戶通過功能塊對每個子系統進行程序編寫，功能塊提供強大的面向對象的功能，使用戶能夠在功能塊外部方便的進行訪問。數據塊是用于存放執行用戶程序時所需的變量數據的數據區，還能夠用于存儲需要進行通信的數據。 　　2）操作面板畫面設計 　　本系統操作面板OP270是一個集成的人機界面（HMI）系統和監控管理（SCADA）系統。它是結合了西門子公司在過程自動化領域中的先進技術和微軟公司強大軟件功能的產物。它配套的組態軟件ProTool提供了面向對象的功能，各種圖形庫滿足組態不同工業控制系統的需求。另外，它還具有全面開放的特性，通過ProTool組態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間，提高工作效率。 　　3）Profibus DP通信組態的實現步驟 　　首先在STEP7的硬件組態上設置好Profibus DP網絡參數，對網絡上掛接的CPU、操作面板、和I/O板卡設置網絡地址，注意網絡地址不能重復，組態的通信網絡需要與硬件搭配一致。其次對STEP7的變量表中進行變量組態，組態好的變量將作為PLC程序中的全局變量，連接在Profibus DP網絡上的操作面板也可以進行訪問。然后啟動ProTool，建立一個新的ProTool項目，在項目窗口的控制器管理器中組態系統配置的CPU，設置好Profibus DP的網絡地址和參數，注意各種地址和參數必須與STEP7中組態的一致，確定后編譯。最后通過ProTool的變量管理器，可以找到STEP7變量表中組態的變量，這樣二者將具有相同的變量名和變量地址。通過這種方法將需要通信的變量一一進行連接，同時將變量關聯到相應的組態控件，就可以實現操作面板上畫面對象與現場設備的連接。 6 結束語 　　本系統采用目前工業上流行的Profibus現場總線，搭建高度開放性和實時性的網絡結構，使整個控制系統的綜合自動化程度得到充分的實現。通過Siemens的配套組態軟件STEP7和ProTool，完成PLC控制功能，生成人機操作面板畫面，很好的實現了系統自動化控制與操作員現場監控的統一。通過現場調試表明，采用基于Profibus現場總線的新型布袋除塵器控制系統，控制結構合理，控制性能優越，結合采用先進控制技術，能夠提高除塵效果，降低運行成本，大大提高了新型布袋除塵器的工業應用前景。 參考文獻 　　1 謝劍英.微型計算機控制技術.北京:國防工業出版社,2001 　　2 周明.現場總線控制.北京:中國電力出版社,2001 　　3 陳棟，謝劍英，陳應麟.基于工業以太網的干法煙氣脫硫網絡控制系統設計.自動化儀表,2005（3）:46～48