基于PLC的煙氣凈化系統的排煙風門開度控制

周天沛

（徐州工業職業技術學院 電氣工程系，徐州 221140）

0 引言

在電解鋁生產過程中，電解槽會產生大量的氟化物、硫化物、粉塵等污染物，對環境造成很大的污染。為減少環境污染，并有效收集煙氣中的粉塵，提高煙氣的氟凈化率和粉塵凈化率，電解鋁廠會進行煙氣凈化，一般采用氧化鋁吸附干法凈化技術處理，然后通過布袋除塵器進行氣固分離，通過排煙風機產生的吸力，使管道中產生負壓，將凈化后的煙氣吸出通過煙囪排入大氣[1]。目前排煙風機的風門開度調節主要通過手輪在現場進行人工手動調節，現場調節非常困難，費時費力。無法實現集控室遠程調節和現場電動調節；無法根據生產狀況，實現引風量的及時、連續控制。為解決這個問題，本文提出以AB公司的SLC500系列PLC為核心，采用模糊控制算法，來對排煙風機的風門開度調節進行控制，取得了不錯的效果。

1 煙氣凈化系統工藝流程簡介

南屯電解鋁廠電解輸送車間共設置兩套煙氣凈化系統，分別為南北兩系。每套凈化系統的排煙量為997210立方米/小時。凈化后的電解煙氣分別由60米高煙囪排出。電解煙氣凈化系統流程簡圖如圖1所示。

圖1 電解煙氣凈化系統流程圖

2 控制系統設計

2.1 控制系統網絡結構設計

根據煙氣凈化控制系統的功能要求，整個控制系統結構分為三層：監控管理層、控制層、現場設備層。監控管理層由操作員監控計算機(即工業計算機)、打印機和UPS電源等構成；控制層由PLC構成，該PLC系統分為南北兩個獨立的網絡，分別控制南北兩套煙氣凈化系統，PLC采用美國AB公司的SLC500系列PLC。南北兩個PLC系統通過DH+網進行通信?，F場設備層由執行機構和測量元件組成[2]。電解煙氣凈化控制系統結構圖如圖2所示。

圖2 電解煙氣凈化控制系統結構圖

2.2 PLC的選型

該項目為改造項目，因原有的控制系統采用美國AB公司的SLC500 系列PLC，為與原系統保持一致，所以選用SLC500/04。其具有結構緊湊，性能可靠，適用于惡劣工業環境，且語言豐富、編程簡單，支持DH+工業總線，傳輸速率高，距離遠，易于組網。以南系煙氣凈化系統為例，其I/O點位統計如表1所示。

表1 煙氣凈化控制系統I/O分配表

根據表1的點位，南系煙氣凈化系統的SLC具體配置為: 電源模塊(1746-P2)2塊，CPU模塊(1747-L551)1塊，RIO適配器(1746-ASB)1塊，模擬量輸入模塊(1746-NI8)5塊，模擬量輸出模塊(1746-NO4I)1塊。

2.3 執行機構和測量元件的選擇

在該系統中，執行機構的作用是用來控制排煙風門的開度，通過比較國內外的各類產品性價比，考慮選擇采用PSQ角行程電動執行機構PSQ701-POT-PSAP4。該型號為調節動作模式，其轉矩為700N.M，動作時間為43秒。適合于90°旋轉閥門和風門的開關與調節控制。

伺服放大器的作用將控制執行機構的4～20mA電流信號，與執行機構當前位置信號進行比較，并根據偏差情況，控制電動執行機構開或關動作，使執行機構位置與輸入信號平衡，其有內置和外配兩種方式。本方案考慮選取機內內置方式選配伺服放大器。對于PSQ角行程電動執行機構，選用所配套的PSAP4B型電子比例式伺服電路。

在該系統中，負壓傳感器的作用是用于測量管道負壓。本方案采用美國羅斯蒙特公司的負壓傳感器1151GP3E22M1。其采用4～20mA標準電流信號輸出，量程-4000Pa～0 Pa。具有精度高，信號易于獲取等特點，廣泛應用于工業場合氣體壓力測量。

排煙風機電機的軸承和定子溫度測量采用PT100鉑熱電阻元件，是一種精確，靈敏，穩定的溫度傳感器。還有可靠性好，熱響應時間短等優點。特別是用在電機的軸承測溫。安裝特別簡單，直接顯示出軸承的實際工作溫度。

3 模糊控制算法的設計

3.1 排煙風門開度控制

排煙風門開度在電解鋁廠的煙氣凈化系統中起著很關鍵的作用。開度過小，則引風量小，不能保證一定的負壓，造成相當數量的煙氣泄漏到廠房空氣中；開度過大，則引風量大，浪費能源，加重除塵器的負擔，排出的煙氣含塵量高。為了保證較高的煙氣捕集效率，引風機引風量需要保證距風機最遠的槽也能正常抽煙。煙氣管道負壓必須穩定在-650Pa～-550Pa，既可以保證較高的煙氣捕集效率，又可以實現風機節能運行。此外，風機電流的大小、溫度的高低，對風門開度的控制產生一定的影響。比如：引風量過大時，風機電流不能超過一定的上限；電機溫度較高時，應當適當調大風門。風門開度控制框圖如圖3所示。

圖3 風門開度控制框圖

3.2 模糊控制器的設計

在煙氣凈化中，管道負壓值是決定煙氣凈化效果好壞的重要指標。在設計模糊控制器時，以管道負壓偏差及管道負壓偏差的變化ec率作為輸入變量，以風門的開度u為輸出變量。系統采用雙輸入單輸出模糊控制器，

本系統中煙氣管道負壓基本穩定在[-650Pa,-550Pa]之間，設偏差e的基本論域為[-50Pa,50Pa]，其模糊量E的模糊論域為[-10Pa,10Pa]，則模糊量化因子ke=0.2。設煙氣管道的負壓誤差變化率ec的基本論域為[-10Pa,10Pa]，其模糊量的模糊論域為[-10Pa,10Pa]，則模糊量EC化因子kec=1。設排煙風門開度u的基本論域為[-90°,90°]，其模糊量的模糊論域為[-10°,-10°]，則比例因子ku=9。E、EC及U的模糊集取7個并表示為；NB(負大)，NM (負中)，NS(負小)，Z0(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)。隸屬度函數取為三角形分布，量化值經模糊語言變量隸屬度函數得到模糊量。

3.3 模糊控制規則的建立

確定控制規則的原則是必須保證控制器的輸出能夠使系統輸出響應的動靜特性達到最佳[4]，根據系統的工作特點，建立相應的模糊控制規則，如表2所示。

表2 模糊控制規則表

3.4 應用

筆者將該模糊控制算法應用于南屯電解鋁廠輸送車間煙氣凈化系統改造項目的風門開度控制中。傳感器采用美國羅斯蒙特負壓傳感器，用于測量管道負壓，采用角行程電動執行機構控制排煙風門的開度。首先將模糊化過程的各個參數存入PLC保持寄存器中，然后利用A/D模塊將輸入量采集到PLC的數據寄存器，經過限幅化處理后，根據它們所對應的輸入模糊論中的相應元素，查模糊控制量表求出模糊輸出量，再乘以輸出量化因子即可得實際輸出量 ，由D/A模塊輸出對閥門開度進行控制[5]。

4 結束語

本文以某鋁廠對排煙風門開度控制為研究背景，設計出了控制排煙風門開度的PLC控制系統，并用于實際控制中，該項目自從2007年3月投入運行以來，氣固比穩定在35～ 55g/m3范圍內，煙氣管道負壓基本穩定在-650～-550 Pa之間，管道負壓變化范圍比改造前減小30%左右，由于風門開度隨負壓變動，這使得電機不用頻繁啟動，經測算電機軸功率降低10%，一年可減少損耗約為450(KW)×10%×24(小時)×365(天×8(臺)×0.5(元/度)=1576800元，其排煙含塵量基本小于100mg/m3，排出氟化物含量基本小于6 mg/m3，達到環保的要求。結果表明該控制系統具有良好的控制效果。

[1] 張宏杰,電解鋁煙氣凈化系統中引風機的設計與應用[J].通用機械,2006(10):67-71.

[2] 黃衡,曹靜華.電解鋁煙氣凈化的自動控制系統[J].上海有色金屬,2008,29(4):176-179.

[3] ALLEN-BRADLEY 模塊用戶手冊[Z].2005

[4] 靳兆榮,徐敏杰,魏學良,等.基于模糊決策的自動節水噴灌控制器的設計[J].排灌機械,2004,22(5):26-28.

[5] 肖愛武,廖平,羅智勇,等.模糊控制在礦井風機風量控制中的應用[J].湖南工業大學學報, 2008,22(1):85-87.