高校工程實訓中心通風除塵監(jiān)控系統(tǒng)設計

章盼梅， 朱萬浩

（1.深圳市朗飛實驗室建設有限公司，廣東深圳518055；2.深圳科信智能技術有限公司，廣東深圳518040）

0 引言

目前，普遍高校的金工實訓中心作為大學生金屬工藝學教學、學習的場所，主要是以提高大學生動手能力為培養(yǎng)目的，讓大學生了解掌握基本的車削、鉗工、焊接、鑄造等工藝。而部分工藝因其加工特點，將不可避免地產生污染源。當學生或老師在進行實際操作時，有毒廢氣及粉塵將對實驗室人員的身體產生毒害作用[1]。作者通過調研廣東若干所高校的實驗室，發(fā)現(xiàn)普遍采用合理的除塵排風系統(tǒng)來解決環(huán)境污染問題。筆者根據(jù)廣東某高校通風除塵系統(tǒng)的建設項目，對存在問題進行分析，提出見解，并采用合理的設計方法，總結出金工實訓中心通風除塵系統(tǒng)的設計思路，對工業(yè)通風系統(tǒng)設計具有參考意義[2]。

1 車間現(xiàn)狀及污染源的產生

該高校金工實訓中心提供15個工種開展教學及科研活動，如：車、銑、鑄造、焊接、線切割、電火花、快速成型等。其中產生有毒氣體及粉塵的環(huán)節(jié)主要有以下3種[3]。

1）焊接。該校焊接培訓車間位于金工實訓中心的3樓，面積約150 m2，電焊工位8個，單側靠窗排列。每個焊位大約1.5 m2，周圍用隔板隔開，形成獨立的單元。學生在焊接練習時，主要產生錳的氧化物、鐵的氧化物等粉塵污染。

2）電火花。電火花培訓車間位于金工實訓中心的2樓，面積約80 m2，共有兩臺電火花機。學生在電火花的實訓中，不僅絕緣的材料會反應生成氣體，而且反應的材料也會產生部分粉塵。

3）鑄造。鑄造培訓車間位于金工實訓中心的1樓，面積約120 m2，有1臺中頻爐，2個熔爐。爐在反應中容易產生大量的粉塵和氣體，工件澆鑄時產生大量的預熱和有害氣體，影響學生的身體健康[4]。

2 通風除塵系統(tǒng)方案設計

在各工種實際操作時，污染源的工位相對固定，但各工種樓層不同。如果采用全面通風的設計方案，雖然通風量較好，但消耗的能量比較多。因此選擇采取局部機械排風和分區(qū)集中排風方式[5]。即在污染物產生的地方直接利用吸氣罩將它們收集起來，經通風裝置處理后排放到戶外。通過這種措施能有效地防治有害污染物排放到室外，風量要求小且結構簡單靈活，設計費用少，通風效率高。分區(qū)集中排風是將整個培訓車間根據(jù)污染源工位安排，即焊接8個工位，電火花2個工位，鑄造2個工位，分布在3個樓層。每個工位的煙氣量經局部排煙再集中到總煙道后，在總煙道出口處采用大功率軸流風機強制吸出。大功率軸流風機安裝在車間外頂樓（即4樓）處，其目的是在保證排煙流量的基礎上，降低車間內部噪聲[6]。

局部通風除塵系統(tǒng)如圖1所示。

2.1 抽風罩設計

局部抽風罩設計應考慮下列原則：1）力求造價低，結構簡單，便于檢修及維護；2）充分了解生產工藝情況，應在不影響工藝、正常操作的前提下，選用合理的安裝方位和選用合適的排氣設備，安裝的排氣設備應原理污染源，同時應降低外界氣體的影響；3）嚴格按照國家標準和相關規(guī)范計算系統(tǒng)參數(shù);4）抽風罩的強度必須足夠，以防止變形。

圖1 局部通風除塵系統(tǒng)示意圖

目前我國局部通風排氣普遍采用上吸式排氣和側吸式排氣兩種。因焊接、鑄造和電火花工種操作人員均在工作臺一側工作，且學生和老師的教學工作量大，沒有時間去移動罩口。因此，各工種工位抽風罩選用固定上吸式。上部吸氣罩的工作原理是依據(jù)罩口的往復運動，使污染物附近的空氣產生一定的流動，進而把污染物吸入罩內。考慮到3個工種的工藝流程和操作方式不同，根據(jù)實際情況，既要有效捕捉煙塵，又不影響操作人員的操作及安全。焊接工位抽風罩設計成淺圍擋，鑄造工位抽風罩設計成只留操作口的密閉式活動圍擋。電火花工位煙氣集中，工作范圍小，抽風罩選擇開放式。

其中，抽風罩抽風量計算公式為

式中：V0為通風罩口平均風速，m/s；A為罩口面積，m2。

2.2 風管設計

通風除塵系統(tǒng)的風管斷面形狀，按國家標準可分為圓形和矩形兩種規(guī)格，相對于矩形風管而言，圓形風管具有在通風時阻力小、容易制造且構成的力學性能穩(wěn)定等優(yōu)點，因此本方案中的焊接、鑄造、電火花車間均采用圓形風管。風管的設計嚴格按照國家標準、行業(yè)標準以及招標人要求進行設計，管道的鋪設符合相關規(guī)范，不得阻礙消防通道及學生的正常操作。管道的安裝位于樓層的最上層，方便其它設備裝置的安裝。

管段斷面直徑按下兩式聯(lián)立計算：

式中：L為管段中風量，m3/s；V為管段中最小風速，m/s；F為

管段端面面積，m2；D為管段端面直徑，m。

2.3 凈化設備選擇

除塵器選用考慮因素：滿足排放標準規(guī)定的排放濃度；顆粒物的性質和粒徑分布；氣體類污染的種類、性質和濃度；顆粒狀污染物的濃度值和分布范圍。

針對金工實訓中心焊接、鑄造、電火花產生煙塵的具體情況，煙塵粒徑為1 μm左右，對凈化裝置要求較高。袋式除塵裝置具有除塵效率高、構造簡單、穩(wěn)定可靠、價格低廉且維護方便的特點，通常除塵效率達90%以上。綜上考慮，本方案采用袋式除塵裝置[9]。

2.4 軸流風機選擇

根據(jù)計算確定各管道直徑后，再根據(jù)總煙道風管直徑及長度，計算排風量。根據(jù)廠家設備的參數(shù)資料，結合本方案的具體情況，選用四臺功率7.5 kW、風量為5712/10562 m3/h、風壓為2554/1673 Pa的風機，安裝在車間頂部的煙道端口，進出風口采用圓形管道相連接，從而減少彎形和圓形連接對風力的阻礙作用，降低了噪聲，減少了能耗[10]。

2.5 監(jiān)控系統(tǒng)構成

1）上位機監(jiān)控系統(tǒng)。北京亞控公司開發(fā)的組態(tài)王軟件是一套國內先進的自動化監(jiān)控軟件，它能解決工業(yè)生產、智能樓宇、智能家居等很多行業(yè)監(jiān)控問題。它具有功能強大、穩(wěn)定性高、安全性好、通用性強等優(yōu)點，能夠適應各種不同的生產運行環(huán)境；提供清晰的2D/3D畫面顯示，使生產過程等更加可視化，方便技術人員了解生產流程并操控設備；能夠精確地監(jiān)控生產設備，優(yōu)化生產設備的運行達到資源的優(yōu)化配置，減少原料、人力等資源的消耗，提高生產效率；畫面更新速度快，實時性能好，能夠快速響應更新數(shù)據(jù)[11]。工程技術人員設計在監(jiān)控室放置HIS（Human interface system，人機界面）和服務器，現(xiàn)場的PLC控制器接收下位機傳送過來的信號，經過處理后傳送到上位機監(jiān)控軟件中。HIS具有圖表顯示、報警、報表等功能，能夠把現(xiàn)場的各項參數(shù)清晰地顯示到監(jiān)控電腦界面上。綜合考慮本工程的情況，本工程對國產軟件組態(tài)王軟件進行二次開發(fā)，設計監(jiān)控系統(tǒng)[12]。

2）下位機控制器。本工程遵循安全可靠、先進適用的設計原則，要求完全滿足高校實驗室通風系統(tǒng)控制要求，同時對PLC產品的選擇本著技術先進、質量可靠、安全穩(wěn)定、完全開放的原則，使操作人員在選型、設計、施工、運行、維護、升級等各個階段進行全過程的成本控制。AB（Allen-Bradley，羅克韋爾公司）1769ControlLogix具有強大的功能，將邏輯運算、積分運算、PID調節(jié)技術集成于一體，對現(xiàn)場的各種情況能夠快速計算，適用于各種復雜的監(jiān)控環(huán)境[13]。它采用集中操作、分散控制的思想，各個PLC控制子站相互獨立，互不干擾。優(yōu)點在于：如果有一個PLC子站出現(xiàn)故障，其它PLC子站能夠正常工作；在PLC里面各個模塊也同樣是相對獨立的。AB PLC采用框架背插方式，模擬量、數(shù)字量等模塊插在背板上，支持熱插拔和方便模塊的增減。同時，ControlLogix采用Logix多功能控制引擎和面向對象技術的控制編程軟件，用戶開發(fā)、閱讀和修改程序非常方便。它幫助越來越多在工業(yè)應用中的設備生產商建立安全穩(wěn)定、方便操作的高性能控制平臺，因此本方案采用AB 1769 PLC。

AB PLC配套使用RSLogix 5000程序編寫軟件，PLC通過工業(yè)以太網和上位機交換數(shù)據(jù)。中央控制室的上位機與下位機設備分工合作，完成對站內設備和儀表進行監(jiān)控，實現(xiàn)工廠自動化的智能管理。

AB PLC的編程軟件采用國際通用標準的編程，可在線診斷、模擬仿真等功能，擁有多種編程語言（如順序模塊圖、功能模塊圖、梯形圖等），可單獨或同時存在一個編程工作表中，帶有自診斷功能；同時支持Modbus、以太網等多種通訊方式，具有開放性和擴展性，使系統(tǒng)容易升級和進一步開發(fā)。RSLogix 5000具備完善功能，具有比例-微分-積分運算、中斷程序、多種數(shù)據(jù)類型運算、程序功能塊、故障自動分析功能等，能完全滿足本工程的實際控制需要[14]。

PLC軟件控制系統(tǒng)的特點：PLC控制軟件按軟件工程的標準模式開發(fā)，采用梯形圖語言編寫，按結構化編程，I/O點、功能模塊、子程序等具有簡明、達意的文字說明和注解。函數(shù)、功能模塊、子程序的入口參數(shù)、出口參數(shù)等定義明確規(guī)范且有簡明達意的說明。軟件確保能可靠、穩(wěn)定地運行，并具備良好的容錯性、易用性、可擴充性、可讀性和可維護性等，適合應用于工業(yè)控制領域。輸入模擬量進行抗干擾處理后才能被系統(tǒng)采用，所有數(shù)據(jù)均會進行標準化處理。PLC程序根據(jù)每個模擬量數(shù)值自動判斷該模擬量值是否處于正常范圍，如果處于異常范圍，中控室會發(fā)出報警信號。PLC程序有嚴格的出錯處理和時間監(jiān)視功能，防止各種錯誤導致系統(tǒng)崩潰，防止死循環(huán)的出現(xiàn)。在運行期間，所有可能需要調整的工藝參數(shù)都進行參數(shù)化，并在人機界面上能給出操作提示進行設置和修改。工程中重要的設備具有上位機控制、現(xiàn)場觸摸屏控制和設備現(xiàn)場控制三種控制方式。設計中充分考慮運行中維護的方便，三種控制方式能夠實現(xiàn)平滑的過渡。程序嚴格按照相關標準、規(guī)范進行設計，具有安全互縮的功能；開發(fā)本著以人為本、安全第一的原則，充分保護生產和維修人員的安全，軟件中具有防誤操作安全鎖[15]。

3 結 語

通風除塵系統(tǒng)安裝完畢后，在實訓現(xiàn)場經檢查驗收，結果表明煙塵濃度明顯降低，煙塵量比改造前約降低了60%，空氣質量大有改善并滿足國家相關標準。從測試效果可看出，該系統(tǒng)結構維護保修方便，性能穩(wěn)定，效果好，因此本設計方案是可行的。

［參考文獻］

[1] 張新.有效控制焊接培訓車間煙塵的措施[J].焊接技術,2007(增刊2)：62-65.

[2] 李懷明,秦洪建,劉新江.淺析鑄造車間除塵系統(tǒng)設計及除塵設備選擇[J].機械工業(yè)標準化與質量,2015(7)：20-24.

[3] 黃利萍,胥進.通風與空調識圖教材[M].上海：上海科學技術出版社,2004.

[4] 鄭博倫.居住建筑自然通風實驗方法研究[D].北京：清華大學,2014.

[5] 于承志,倪訓松.化學實驗室通風空調自控系統(tǒng)設計和調試[J].暖通空調,2014,44(12)：32-34.

[6] 張占蓮.實驗室氣流組織形式對污染物分布影響的研究[D].廣州：廣州大學,2015.

[7] 李娟,尹奎超,宋孝春,等.北京某高校實驗樓通風空調設計[J].暖通空調,2015,45(9)：38-41.

[8] 翟哲崇.智能控制在儲糧通風過程中的應用[D].北京：北京郵電大學,2015.

[9] 計算機軟件需求規(guī)格說明規(guī)范：GB/T9385-2008[S].

[10] 陳康.實驗室通風柜安全應用的影響因素研究[D].上海：華東理工大學,2013.

[11] 朱萬浩.工業(yè)自動化系統(tǒng)現(xiàn)場調試的幾種方法[J].科技視界,2016(24)：92.

[12] 許小平,趙艷,陳琳鳳.ControlLogix系列PLC系統(tǒng)在污水處理廠的應用[J].中國給水排水,2012,28(6)：69-72.

[13] 章盼梅.基于組態(tài)王和PLC的實驗室通風監(jiān)控系統(tǒng)[J].科技視界,2016(18)：119.

[14] 朱萬浩,方昌始.基于WINcc和PLC的污水處理提升泵優(yōu)先度控制[J].自動化技術與應用,2013,32(11)：71-74.

[15] 朱萬浩,方昌始.基于RSView的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].自動化與儀器儀表,2013,33(3)：50-52.