基于PLC的高压静电除尘控制系统研究

摘要：为了更有效的进行高压静电除尘，设计了一种新型除尘控制器，该系统以PLC为控制核心，以触摸屏为人机界面，实现了控制器与上位机之间的联机交互，兼顾了其他静电除尘器除尘效率高与易于操作维护的特点。
关键词：PLC；触摸屏；静电除尘；远程控制

    以单片机为核心的高压静电除尘控制器具有成本低廉，功能强大的特点，但人机交互性较差，系统维护困难，工业现场干扰较明显，除尘效率、操作维护与运营成本不能兼顾。本文针对这一问题构建了以PLC为核心的控制器，其模块化的结构易于扩展和更换，系统可靠性高，控制器与上位机之间联网通信简单，同时没有降低烟尘的排放标准。

1 静电除尘控制系统的原理
    高压供电控制系统原理框图如图1所示，采集电路采集到的一次电压、电流，二次电压、电流，浊度等模拟量信号通过PLC模拟量输入模块送入CPU；变压器油温、油位，偏励磁等开关量信号通过PLC的数字量输入信号处理回路进入CPU。PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，根据数据处理的结果产生两路触发脉冲，送往主回路的两个反并联可控硅的控制极以触发可控硅，通过调整可控硅的导通角，控制升压变压器的一次侧输入电压，从而控制输入电场的电压。一方面要根据工况变化，自动调节除尘器的电压，使集电极和收尘极之间的电场强度尽量大，电离子尽量多，越逼近击穿电压，控制水平越高；另一方面，又要考虑不能让除尘器极板间电压过高，避免使除尘器处于击穿状态，以防损坏本体及电气设备，节约不必要损耗的电能，但又要在介质恢复时能够迅速恢复正常供电。

2 控制系统的设计与实现
2．1 硬件设计
    高压静电除尘控制系统的硬件结构框图如图2所示，它主要由PLC及其外围电路、触摸屏、和上位机组成。

2．1．1 PLC的选型
    PLC因具有逻辑简单直观，电气性能良好，功能组合便捷，可靠性高，维护方便并且可以直接对数字量和模拟量进行控制和驱动等优点在工业控制领域广泛应用，本系统以PLC为控制核心，选用西门子公司的新一代模块化小型PLC S7—1200、S7—1200 PLC主要由CPU模块、信号板、信号模块、通信模块和编程软件组成，各种模块安装在标准导轨上，微处理器选用CPU 1214C，数字量输入点数14点，输出点数10点，模拟量输入点数2点，最多可以扩展8个信号模块，S7-1200的最大特点在于配置了以太网接口RJ45，本系统共有8路模拟量输入，12路数字量输入，2路模拟量输出，19路数字量输出PLC硬件组态如图3所示。

2．1．2 人机界面的选型
    触摸屏、PLC和PC通过CSM1277以太网交换机连接在一起，完成人机交互并进行实时状态显示和控制，如图4所示。

2．1．3 偏励磁检测电路
    变压器产生偏励磁时，原边或副边上的交流电压正半周和负半周的幅度不相等，这会产生非常大的浪涌电流，时间稍长就可能导致变压器的烧毁，静电除尘器中的高压供电变压器功率较大，其负载会随着不同的工况而变化，在控制系统中必须对变压器偏励磁进行检测，一旦发现偏励磁现象，控制器便启动保护程序，跳闸停机。

    如图5所示，偏励磁检测电路的输入是由一次电压经过小变压器降压而得到，最后端为两个D触发器，当初始化以后，两个D触发器的输出均为低电平，如果输出触发时钟信号有效，则D触发器发生翻转，D触发器的输出变为高电平24V，检测电路前端是两个电压比较器，一个比较器为正输入，另一个比较器为负输入，当偏励磁现象发生时，输入的电压信号正半周和负半周的幅度不相等，只会有一个比较器的输出发生偏转，经过反相器后，同样只有一个发生翻转，即只有一个D触发器的触发信号有效，这样，当PLC只检测到一个触发信号时就判断变压器发生了偏励磁，自动进行跳闸停机工作。
2．1．4 过零检测电路
    过零检测就是输入的工频交流信号每经过一次零点，输出就发出一次脉冲，这个输出的信号就作为PLC的一个外部中断信号，每10 ms触发一次，每个导通角的导通时间都是从零电压开始计算的，导通角的时间不一样，导通的角度就不一样，的正弦波，经过电阻分压后，由零电压比较电路消去正弦波的负半波，电压比较器将正弦波变为方波，在交流电每次过零点时都会输出脉冲，其正负过零点产生两个下降沿，通过PLC的中断组织块，产生中断，执行对应的中断OB。

2．1．5 火花检测电路
    火花检测的目的在于火花控制，提高除尘效率和保护除尘器本体，火花检测的原理如图7所示：二次电流采样值通过比较器与设定的火花值进行比较，经过RS触发器后的值送至PLC处理，当检测到火花放电时，处理器就会执行火花处理程序，以较高的速度减小到当前电压的80％，然后再以较低的速率上升至接近火花电压，如此往复循环，最终达到提高除尘效率的目的。

2．1．6 可控硅触发电路
    除尘控制系统是通过改变晶闸管的触发角来控制供电的，触发角的增减则是通过触发脉冲来改变的，如图8所示，触发脉冲电路主要由脉冲放大器和变压器组成，PLC产生过零中断时，启动定时器T0(T0为初始值，与导通角对应)，T0溢出会产生中断，此时PLC输出触发脉冲从而控制三极管导通，脉冲变压器一次侧便会产生触发脉冲分别加到可控硅的G、K极，当三极管截止时触发脉冲便会被阻断。

2．1．7 数据采集电路
    需要检测的模拟量主要有一次电压、电流的平均值，二次电压、电流的平均值以及二次电流的峰值，这些模拟量的值一般都比较大，
送入控制系统前要进行现场取样。
    一次电压的取样：初级电压通过小变压器降压。
    一次电流的取样：串联在初级回路中的电流互感器转换。
    二次电压的取样：变压整流器中的阳极高压电路分压。
    二次电流的取样：变压整流器中阳极副边回路的对地端并联采样电阻后转换。

    下面以二次电压为例进行说明，其采样电路如图9所示，现场采集的二次电压经过分压后，通过由滑动变阻器VR4组成的比例调整电路，最后由霍尔电压传感器进行检测。
2．2 软件设计
2．2．1 程序主流程图
    如图10所示，控制系统上电后，首先进行系统初始化，如果有复位键按下，则重新开始；如果启动键按下，则进行参数设定阶段，CPU对采集到的各项参数进行处理，如果有火花出现，则进入火花处理子程序，如果有参数超限，则进入报警及故障处理子程序。最后系统重新进行数据扫描，开始新的循环。

2．2. 2 触摸屏画面组态
    触摸屏的组态主要是画面的组态，设计一个友好便利的触摸屏界面，不但可以增加操作的方便性，亦可减少操作错误率，使机器和设备发挥最大的功能，画面包括主画面、参数设定、显示画面、趋势曲线和帮助，显示画面和参数设置画面详图略。
    在参数设置画面中，点击画面上的输入域，将会出现一个数字键盘进行输入KTP触摸屏可以确保当故障到来时，即在当前页面中进行报警显示，以进行第一时间的处理，报警类别有错误和警告两类，警告不需要确认，不对设备造成直接危害；错误需要操作确认，对设备有危害，设备要跳闸停机，警告有一次电压超限，一次电流超限，二次电压超限等，错误有二次过流故障，二次过压故障，油温超限故障，偏励磁等。

3 远程控制的实现
    借助于现代网络互联技术，除尘器各个电场的控制器能够通过以太网与上位机监控软件进行数据交换，上位机可对除尘设备实现远程启动、停止、升压、降压控制和参数调整等功能，电除尘器各个设备的运行参数和运行状态也能够直观的显示在上位机屏幕上，管理人员便能如身临现场般实现远程控制。
    上位机监控软件选用西门子公司的WinCC组态软件，画面有操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线，能够打印报表。
    WinCC与S7—1200 CPU的通信，是通过以太网来实现的，并且只能通过OPC的方式实现，S7-1200 CPU只需设置IP地址即可，上位机通过SIMATIC NET软件建立PC Starion来与S7—1200 CPU通信，S7-1200 CPU具有一个集成的PROFINET端口，支持以太网和基于TCP／IP的通信标准，三电场的除尘器远程控制如图11所示。

4 结束语
    该系统不但具有良好的自动调压和远程控制能力，而且通过PLC和触摸屏简化了现场操作，提高了控制程序和人机界面的灵活性，维护简便，虽然设备的初期投入较高，但从长远看该运营成本是可以接受的。