摘要：為了更有效的進行高壓靜電除塵，設(shè)計了一種新型除塵控制器，該系統(tǒng)以PLC為控制核心，以觸摸屏為人機界面，實現(xiàn)了控制器與上位機之間的聯(lián)機交互，兼顧了其他靜電除塵器除塵效率高與易于操作維護的特點。
關(guān)鍵詞：PLC；觸摸屏；靜電除塵；遠程控制

    以單片機為核心的高壓靜電除塵控制器具有成本低廉，功能強大的特點，但人機交互性較差，系統(tǒng)維護困難，工業(yè)現(xiàn)場干擾較明顯，除塵效率、操作維護與運營成本不能兼顧。本文針對這一問題構(gòu)建了以PLC為核心的控制器，其模塊化的結(jié)構(gòu)易于擴展和更換，系統(tǒng)可靠性高，控制器與上位機之間聯(lián)網(wǎng)通信簡單，同時沒有降低煙塵的排放標(biāo)準。

1 靜電除塵控制系統(tǒng)的原理
    高壓供電控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，采集電路采集到的一次電壓、電流，二次電壓、電流，濁度等模擬量信號通過PLC模擬量輸入模塊送入CPU；變壓器油溫、油位，偏勵磁等開關(guān)量信號通過PLC的數(shù)字量輸入信號處理回路進入CPU。PLC以掃描方式依次讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果產(chǎn)生兩路觸發(fā)脈沖，送往主回路的兩個反并聯(lián)可控硅的控制極以觸發(fā)可控硅，通過調(diào)整可控硅的導(dǎo)通角，控制升壓變壓器的一次側(cè)輸入電壓，從而控制輸入電場的電壓。一方面要根據(jù)工況變化，自動調(diào)節(jié)除塵器的電壓，使集電極和收塵極之間的電場強度盡量大，電離子盡量多，越逼近擊穿電壓，控制水平越高；另一方面，又要考慮不能讓除塵器極板間電壓過高，避免使除塵器處于擊穿狀態(tài)，以防損壞本體及電氣設(shè)備，節(jié)約不必要損耗的電能，但又要在介質(zhì)恢復(fù)時能夠迅速恢復(fù)正常供電。

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
2．1 硬件設(shè)計
    高壓靜電除塵控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，它主要由PLC及其外圍電路、觸摸屏、和上位機組成。

2．1．1 PLC的選型
    PLC因具有邏輯簡單直觀，電氣性能良好，功能組合便捷，可靠性高，維護方便并且可以直接對數(shù)字量和模擬量進行控制和驅(qū)動等優(yōu)點在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，本系統(tǒng)以PLC為控制核心，選用西門子公司的新一代模塊化小型PLC S7—1200、S7—1200 PLC主要由CPU模塊、信號板、信號模塊、通信模塊和編程軟件組成，各種模塊安裝在標(biāo)準導(dǎo)軌上，微處理器選用CPU 1214C，數(shù)字量輸入點數(shù)14點，輸出點數(shù)10點，模擬量輸入點數(shù)2點，最多可以擴展8個信號模塊，S7-1200的最大特點在于配置了以太網(wǎng)接口RJ45，本系統(tǒng)共有8路模擬量輸入，12路數(shù)字量輸入，2路模擬量輸出，19路數(shù)字量輸出PLC硬件組態(tài)如圖3所示。

2．1．2 人機界面的選型
    觸摸屏、PLC和PC通過CSM1277以太網(wǎng)交換機連接在一起，完成人機交互并進行實時狀態(tài)顯示和控制，如圖4所示。

2．1．3 偏勵磁檢測電路
    變壓器產(chǎn)生偏勵磁時，原邊或副邊上的交流電壓正半周和負半周的幅度不相等，這會產(chǎn)生非常大的浪涌電流，時間稍長就可能導(dǎo)致變壓器的燒毀，靜電除塵器中的高壓供電變壓器功率較大，其負載會隨著不同的工況而變化，在控制系統(tǒng)中必須對變壓器偏勵磁進行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)偏勵磁現(xiàn)象，控制器便啟動保護程序，跳閘停機。

    如圖5所示，偏勵磁檢測電路的輸入是由一次電壓經(jīng)過小變壓器降壓而得到，最后端為兩個D觸發(fā)器，當(dāng)初始化以后，兩個D觸發(fā)器的輸出均為低電平，如果輸出觸發(fā)時鐘信號有效，則D觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，D觸發(fā)器的輸出變?yōu)楦唠娖?4V，檢測電路前端是兩個電壓比較器，一個比較器為正輸入，另一個比較器為負輸入，當(dāng)偏勵磁現(xiàn)象發(fā)生時，輸入的電壓信號正半周和負半周的幅度不相等，只會有一個比較器的輸出發(fā)生偏轉(zhuǎn)，經(jīng)過反相器后，同樣只有一個發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即只有一個D觸發(fā)器的觸發(fā)信號有效，這樣，當(dāng)PLC只檢測到一個觸發(fā)信號時就判斷變壓器發(fā)生了偏勵磁，自動進行跳閘停機工作。
2．1．4 過零檢測電路
    過零檢測就是輸入的工頻交流信號每經(jīng)過一次零點，輸出就發(fā)出一次脈沖，這個輸出的信號就作為PLC的一個外部中斷信號，每10 ms觸發(fā)一次，每個導(dǎo)通角的導(dǎo)通時間都是從零電壓開始計算的，導(dǎo)通角的時間不一樣，導(dǎo)通的角度就不一樣，的正弦波，經(jīng)過電阻分壓后，由零電壓比較電路消去正弦波的負半波，電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲?，在交流電每次過零點時都會輸出脈沖，其正負過零點產(chǎn)生兩個下降沿，通過PLC的中斷組織塊，產(chǎn)生中斷，執(zhí)行對應(yīng)的中斷OB。

2．1．5 火花檢測電路
    火花檢測的目的在于火花控制，提高除塵效率和保護除塵器本體，火花檢測的原理如圖7所示：二次電流采樣值通過比較器與設(shè)定的火花值進行比較，經(jīng)過RS觸發(fā)器后的值送至PLC處理，當(dāng)檢測到火花放電時，處理器就會執(zhí)行火花處理程序，以較高的速度減小到當(dāng)前電壓的80％，然后再以較低的速率上升至接近火花電壓，如此往復(fù)循環(huán)，最終達到提高除塵效率的目的。

2．1．6 可控硅觸發(fā)電路
    除塵控制系統(tǒng)是通過改變晶閘管的觸發(fā)角來控制供電的，觸發(fā)角的增減則是通過觸發(fā)脈沖來改變的，如圖8所示，觸發(fā)脈沖電路主要由脈沖放大器和變壓器組成，PLC產(chǎn)生過零中斷時，啟動定時器T0(T0為初始值，與導(dǎo)通角對應(yīng))，T0溢出會產(chǎn)生中斷，此時PLC輸出觸發(fā)脈沖從而控制三極管導(dǎo)通，脈沖變壓器一次側(cè)便會產(chǎn)生觸發(fā)脈沖分別加到可控硅的G、K極，當(dāng)三極管截止時觸發(fā)脈沖便會被阻斷。

2．1．7 數(shù)據(jù)采集電路
    需要檢測的模擬量主要有一次電壓、電流的平均值，二次電壓、電流的平均值以及二次電流的峰值，這些模擬量的值一般都比較大，
送入控制系統(tǒng)前要進行現(xiàn)場取樣。
    一次電壓的取樣：初級電壓通過小變壓器降壓。
    一次電流的取樣：串聯(lián)在初級回路中的電流互感器轉(zhuǎn)換。
    二次電壓的取樣：變壓整流器中的陽極高壓電路分壓。
    二次電流的取樣：變壓整流器中陽極副邊回路的對地端并聯(lián)采樣電阻后轉(zhuǎn)換。

    下面以二次電壓為例進行說明，其采樣電路如圖9所示，現(xiàn)場采集的二次電壓經(jīng)過分壓后，通過由滑動變阻器VR4組成的比例調(diào)整電路，最后由霍爾電壓傳感器進行檢測。
2．2 軟件設(shè)計
2．2．1 程序主流程圖
    如圖10所示，控制系統(tǒng)上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，如果有復(fù)位鍵按下，則重新開始；如果啟動鍵按下，則進行參數(shù)設(shè)定階段，CPU對采集到的各項參數(shù)進行處理，如果有火花出現(xiàn)，則進入火花處理子程序，如果有參數(shù)超限，則進入報警及故障處理子程序。最后系統(tǒng)重新進行數(shù)據(jù)掃描，開始新的循環(huán)。

2．2. 2 觸摸屏畫面組態(tài)
    觸摸屏的組態(tài)主要是畫面的組態(tài)，設(shè)計一個友好便利的觸摸屏界面，不但可以增加操作的方便性，亦可減少操作錯誤率，使機器和設(shè)備發(fā)揮最大的功能，畫面包括主畫面、參數(shù)設(shè)定、顯示畫面、趨勢曲線和幫助，顯示畫面和參數(shù)設(shè)置畫面詳圖略。
    在參數(shù)設(shè)置畫面中，點擊畫面上的輸入域，將會出現(xiàn)一個數(shù)字鍵盤進行輸入KTP觸摸屏可以確保當(dāng)故障到來時，即在當(dāng)前頁面中進行報警顯示，以進行第一時間的處理，報警類別有錯誤和警告兩類，警告不需要確認，不對設(shè)備造成直接危害；錯誤需要操作確認，對設(shè)備有危害，設(shè)備要跳閘停機，警告有一次電壓超限，一次電流超限，二次電壓超限等，錯誤有二次過流故障，二次過壓故障，油溫超限故障，偏勵磁等。

3 遠程控制的實現(xiàn)
    借助于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)，除塵器各個電場的控制器能夠通過以太網(wǎng)與上位機監(jiān)控軟件進行數(shù)據(jù)交換，上位機可對除塵設(shè)備實現(xiàn)遠程啟動、停止、升壓、降壓控制和參數(shù)調(diào)整等功能，電除塵器各個設(shè)備的運行參數(shù)和運行狀態(tài)也能夠直觀的顯示在上位機屏幕上，管理人員便能如身臨現(xiàn)場般實現(xiàn)遠程控制。
    上位機監(jiān)控軟件選用西門子公司的WinCC組態(tài)軟件，畫面有操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報警畫面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線，能夠打印報表。
    WinCC與S7—1200 CPU的通信，是通過以太網(wǎng)來實現(xiàn)的，并且只能通過OPC的方式實現(xiàn)，S7-1200 CPU只需設(shè)置IP地址即可，上位機通過SIMATIC NET軟件建立PC Starion來與S7—1200 CPU通信，S7-1200 CPU具有一個集成的PROFINET端口，支持以太網(wǎng)和基于TCP／IP的通信標(biāo)準，三電場的除塵器遠程控制如圖11所示。

4 結(jié)束語
    該系統(tǒng)不但具有良好的自動調(diào)壓和遠程控制能力，而且通過PLC和觸摸屏簡化了現(xiàn)場操作，提高了控制程序和人機界面的靈活性，維護簡便，雖然設(shè)備的初期投入較高，但從長遠看該運營成本是可以接受的。