基于設備組合控制方式的袋式除塵器脈沖噴吹控制系統

莫布林

(韶關市坪石發電廠有限公司(B廠)，廣東 韶關 512229)

袋式除塵器對細微顆粒具有高捕捉率，對粉塵達標排放起到重要作用，在電力、冶金、化工和建材等行業得到了越來越廣泛的應用[1]。脈沖噴吹系統是保障袋式除塵器高效穩定運行的關鍵部件。袋式除塵器的脈沖噴吹清灰方式需要用大量的控制設備，一般有幾十個至幾百個電磁閥或氣動門等，所以需要占用大量控制系統的DO通道和電纜[2]。選用和設計好袋式除塵器的脈沖噴吹控制系統[3]，對節省設備投資和工程施工費用具有重要作用。

矩陣控制方式相比單個控制方式具有很大幅度控制系統的設備節省率[4]，其能夠有效地降低設備投資費用和工程施工費用。應用實踐證明矩陣控制方式能夠成功應用于袋式除塵脈沖噴吹系統，已被大量應用于該領域。隨著控制技術的發展，矩陣控制方式并非最節省設備和工程量的控制方式，采用矩陣控制方式的袋式除塵器脈沖噴吹控制系統的設備和工程量節省率仍有提升空間。

本文采用設備組合控制方式對袋式除塵器脈沖噴吹系統的矩陣控制方式進行優化設計[5]，將設備組合控制方式應用于袋式除塵器的脈沖噴吹控制系統，充分利用控制系統性能，簡化控制系統設備，以期達到進一步降低設備投資費用和工程施工費用的目的。

1 工藝流程

1.1 系統組成

某袋式除塵器共有8個倉室，除塵器清灰采用脈沖噴吹方式[6]，每個倉室用20個電磁閥控制清灰，一共有160個電磁閥。倉室和電磁閥布置方式如圖1所示。

圖1 袋式除塵器設備布置方式

1.2 清灰流程

袋式除塵器清灰流程：從1號倉室開始清灰，每個倉室的清灰從1號電磁閥開始，按順序逐個進行到20號，1號倉室完成清灰后按順序進行2-8號倉室清灰，當8號倉室全部電磁閥工作完畢后即完成了1輪清灰工作，當符合任意清灰條件時又從1號倉室的1號電磁閥開始進行下一輪清灰工作，如此循環進行。清灰有定時清灰和差壓清灰2種工作方式，其中定時清灰方式有3個參數：電磁閥帶電時間，設定范圍為0～150 ms；各電磁閥之間的清灰間隔時間，設定范圍為1～20 s；循環間隔時間，設定范圍為不大于720 min，某袋式除塵器清灰參數分別設置為30 ms、15 s、120 min[7]。

2 矩陣控制方式

2.1 原理

對袋式除塵器脈沖噴吹電磁閥的控制有多種方式，可以采用單個控制方式，也可以采用矩陣控制方式等。單個控制方式即每個電磁閥采用控制系統的單獨輸出通道和單獨的電纜進行控制。矩陣控制方式的特點是采用多行和多列輸出，通過某行和某列共同接通某個設備的電路進行控制。某袋式除塵器的電磁閥采用矩陣控制方式，通過8行行選輸出和20列列選輸出來控制160個電磁閥的工作。該袋式除塵器脈沖噴吹控制系統是以西門子S7-300可編程控制器為中心的控制系統[8]，實現對160個電磁閥的矩陣控制方式，其電氣原理如圖2所示，信號連接如圖3所示。

圖2 矩陣控制方式電氣原理

圖3 矩陣控制方式信號連接

2.2 矩陣控制方式特點

由圖2可知，矩陣控制方式是通過行、列的交叉點來確定某個被控制設備，分別由2個輸出點來控制1個設備，如電磁閥M2-2是通過DO點Q0.1和Q1.1共同輸出使得該電磁閥帶電動作。此處使用8×20的行列來實現160個電磁閥的控制，共需28個DO通道(8+20=28)，28根(8+20=28)電纜線進行控制。行、列數的劃分是根據袋式除塵器的倉室數量和每個倉室的電磁閥數量來確定，并非最節省DO通道和電纜的行列劃分方式。

由基本不等式公式及其性質可知：矩陣控制方式最優行列數劃分問題是基本不等式中的“積定和最小”問題。由于應用于袋式除塵器電磁閥的矩陣控制方式，a、b的取值要求是正整數，所以問題可以轉化為乘積一定，兩數相差越小，和越小。此處積是160，經過開方運算和幾次乘法計算比較，得出最優行、列數為13，即用13×13(積為169，有9個被控設備位置剩余)的陣列能夠滿足160個電磁閥的控制需求，且所需的DO通道數(13+13=26個)和導線數(13+13=26根)最少，比實際所用的8×20陣列節省2個DO點和2根電纜導線。

2.3 設備節省率

如果采用電磁閥單個控制方式，需要的DO點數是160個，需要的導線數是320根，而采用8×20行列的矩陣控制方式所需的DO點數是28點，電纜導線數是28根，設備節省率如表1所示。

表1 設備節省率

由此可見，采用矩陣控制方式比單個控制方式節省較大幅度的DO通道數和導線數。

3 設備組合控制方式

3.1 原理

設備組合控制方式是對在同一系統中或位置分布上相近、信號類型和數量相同或相近的設備進行集中控制，對該組設備的信號進行編碼，控制系統按編碼從小到大的順序，分時對這些設備周而復始地進行信號采樣或控制輸出，如圖4所示。其特點是讓多個設備共享1個或多個I/O 通道，集中處理一組設備的輸出和輸入信號。

圖4 設備組合控制方式原理

由圖4可知，設備組合控制方式主要由設備組合控制塊、譯碼器、數碼線、狀態線和路徑中間繼電器等設備組成，是在某個控制系統上實現的。

3.2 控制方式改進

采用設備組合控制方式對原袋式除塵器脈沖噴吹系統矩陣控制方式進行改進，應用設備組合控制方式來控制電磁閥的信號連接如圖5所示。

圖5 設備組合控制方式信號連接

由圖5可知，采用設備組合控制方式所需的DO通道數是8個，導線數是9根(其中有1根是數碼信號公共線)。

3.3 控制邏輯組態

首先運用西門子S7-300可編程控制器編程軟件自定義變量編寫程序代碼創建設備組合控制功能塊[10]；然后在主程序中調用該功能塊，并對原有矩陣控制方式的程序稍作修改，完成控制邏輯組態工作，實現袋式除塵器脈沖噴吹系統的設備組合控制方式。

3.4 控制方式特點

設備組合控制方式通過編碼和譯碼的方式選擇某個設備并進行控制，編碼采取二進制編碼方式，每個DO通道表示1位二進制碼。對于被控設備數量已知為y的應用，所需的編碼位數設為x，則x=log2y(x為實數、y為正整數)，也就是對于一組被控數量為y的設備，所需的DO通道數和編碼導線數均為x(當x不為整數時，應往上取整計算)。若已知DO通道數和導線數為x，則可控的設備數量y=2x(x、y為正整數)，即y是以2為底數，x為指數的指數函數。由指數函數的曲線特點可知，增加1個DO通道，相應地能夠大幅度增加被控設備數量。

4 改進效果

4.1 控制速度分析

電磁閥在清灰時帶電動作30 ms，間隔15 s后進行下一個電磁閥清灰。假設西門子S7-300可編程控制器的掃描周期是50 ms[11]，則設備組合控制功能塊每s可以輸出20個編碼，即1 s可以控制20個電磁閥動作，對于清灰方式要求的2個電磁閥工作間隔15 s在速度上完全能夠滿足，不存在控制延遲問題。改進后的控制方式在控制速度上足夠快，在外部看來與原有的矩陣控制方式完全一樣。

4.2 設備節省率

采用設備組合控制方式所需的設備數量與優化前8×20行列及最優13×13行列矩陣控制方式對比如表2所示。

表2 設備組合控制方式設備節省率

由表2可知，從DO通道和導線使用數量分別比較，設備組合控制方式均比矩陣控制方式節省設備，且與矩陣控制方式的最優行列配置方式比較，也有較大幅度的節省率。

5 結束語

采用設備組合控制方式的袋式除塵器脈沖噴吹控制系統在控制速度上完全能夠滿足清灰的控制需求，設備組合控制方式與最優行列配置的矩陣控制方式在主要設備使用數量上對比，設備節省率達65.38%以上，該方式優于矩陣控制方式。設備組合控制方式是在控制系統中編程組態實施，只需增加少量新設備，來提高控制系統性能，效果明顯，達到了降低設備費用和工程費用目的。