高校工程實訓(xùn)中心通風(fēng)除塵監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

章盼梅， 朱萬浩

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

0 引言

目前，普遍高校的金工實訓(xùn)中心作為大學(xué)生金屬工藝學(xué)教學(xué)、學(xué)習(xí)的場所，主要是以提高大學(xué)生動手能力為培養(yǎng)目的，讓大學(xué)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(chǎn)生污染源。當(dāng)學(xué)生或老師在進(jìn)行實際操作時，有毒廢氣及粉塵將對實驗室人員的身體產(chǎn)生毒害作用[1]。作者通過調(diào)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(fēng)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(fēng)除塵系統(tǒng)的建設(shè)項目，對存在問題進(jìn)行分析，提出見解，并采用合理的設(shè)計方法，總結(jié)出金工實訓(xùn)中心通風(fēng)除塵系統(tǒng)的設(shè)計思路，對工業(yè)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計具有參考意義[2]。

1 車間現(xiàn)狀及污染源的產(chǎn)生

該高校金工實訓(xùn)中心提供15個工種開展教學(xué)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(chǎn)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(xùn)車間位于金工實訓(xùn)中心的3樓，面積約150 m2，電焊工位8個，單側(cè)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(xué)生在焊接練習(xí)時，主要產(chǎn)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(xùn)車間位于金工實訓(xùn)中心的2樓，面積約80 m2，共有兩臺電火花機(jī)。學(xué)生在電火花的實訓(xùn)中，不僅絕緣的材料會反應(yīng)生成氣體，而且反應(yīng)的材料也會產(chǎn)生部分粉塵。

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

2 通風(fēng)除塵系統(tǒng)方案設(shè)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(fēng)的設(shè)計方案，雖然通風(fēng)量較好，但消耗的能量比較多。因此選擇采取局部機(jī)械排風(fēng)和分區(qū)集中排風(fēng)方式[5]。即在污染物產(chǎn)生的地方直接利用吸氣罩將它們收集起來，經(jīng)通風(fēng)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(fēng)量要求小且結(jié)構(gòu)簡單靈活，設(shè)計費用少，通風(fēng)效率高。分區(qū)集中排風(fēng)是將整個培訓(xùn)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(jīng)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(fēng)機(jī)強(qiáng)制吸出。大功率軸流風(fēng)機(jī)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(chǔ)上，降低車間內(nèi)部噪聲[6]。

局部通風(fēng)除塵系統(tǒng)如圖1所示。

2.1 抽風(fēng)罩設(shè)計

局部抽風(fēng)罩設(shè)計應(yīng)考慮下列原則：1）力求造價低，結(jié)構(gòu)簡單，便于檢修及維護(hù)；2）充分了解生產(chǎn)工藝情況，應(yīng)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(shè)備，安裝的排氣設(shè)備應(yīng)原理污染源，同時應(yīng)降低外界氣體的影響；3）嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)范計算系統(tǒng)參數(shù);4）抽風(fēng)罩的強(qiáng)度必須足夠，以防止變形。

圖1 局部通風(fēng)除塵系統(tǒng)示意圖

目前我國局部通風(fēng)排氣普遍采用上吸式排氣和側(cè)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(cè)工作，且學(xué)生和老師的教學(xué)工作量大，沒有時間去移動罩口。因此，各工種工位抽風(fēng)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(fù)運動，使污染物附近的空氣產(chǎn)生一定的流動，進(jìn)而把污染物吸入罩內(nèi)。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(fēng)罩設(shè)計成淺圍擋，鑄造工位抽風(fēng)罩設(shè)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(fēng)罩選擇開放式。

其中，抽風(fēng)罩抽風(fēng)量計算公式為

式中：V0為通風(fēng)罩口平均風(fēng)速，m/s；A為罩口面積，m2。

2.2 風(fēng)管設(shè)計

通風(fēng)除塵系統(tǒng)的風(fēng)管斷面形狀，按國家標(biāo)準(zhǔn)可分為圓形和矩形兩種規(guī)格，相對于矩形風(fēng)管而言，圓形風(fēng)管具有在通風(fēng)時阻力小、容易制造且構(gòu)成的力學(xué)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(fēng)管。風(fēng)管的設(shè)計嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及招標(biāo)人要求進(jìn)行設(shè)計，管道的鋪設(shè)符合相關(guān)規(guī)范，不得阻礙消防通道及學(xué)生的正常操作。管道的安裝位于樓層的最上層，方便其它設(shè)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(fēng)量，m3/s；V為管段中最小風(fēng)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(shè)備選擇

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

針對金工實訓(xùn)中心焊接、鑄造、電火花產(chǎn)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(gòu)造簡單、穩(wěn)定可靠、價格低廉且維護(hù)方便的特點，通常除塵效率達(dá)90%以上。綜上考慮，本方案采用袋式除塵裝置[9]。

2.4 軸流風(fēng)機(jī)選擇

根據(jù)計算確定各管道直徑后，再根據(jù)總煙道風(fēng)管直徑及長度，計算排風(fēng)量。根據(jù)廠家設(shè)備的參數(shù)資料，結(jié)合本方案的具體情況，選用四臺功率7.5 kW、風(fēng)量為5712/10562 m3/h、風(fēng)壓為2554/1673 Pa的風(fēng)機(jī)，安裝在車間頂部的煙道端口，進(jìn)出風(fēng)口采用圓形管道相連接，從而減少彎形和圓形連接對風(fēng)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(gòu)成

1）上位機(jī)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(nèi)先進(jìn)的自動化監(jiān)控軟件，它能解決工業(yè)生產(chǎn)、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(qiáng)大、穩(wěn)定性高、安全性好、通用性強(qiáng)等優(yōu)點，能夠適應(yīng)各種不同的生產(chǎn)運行環(huán)境；提供清晰的2D/3D畫面顯示，使生產(chǎn)過程等更加可視化，方便技術(shù)人員了解生產(chǎn)流程并操控設(shè)備；能夠精確地監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備，優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備的運行達(dá)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(chǎn)效率；畫面更新速度快，實時性能好，能夠快速響應(yīng)更新數(shù)據(jù)[11]。工程技術(shù)人員設(shè)計在監(jiān)控室放置HIS（Human interface system，人機(jī)界面）和服務(wù)器，現(xiàn)場的PLC控制器接收下位機(jī)傳送過來的信號，經(jīng)過處理后傳送到上位機(jī)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(chǎn)軟件組態(tài)王軟件進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)[12]。

2）下位機(jī)控制器。本工程遵循安全可靠、先進(jìn)適用的設(shè)計原則，要求完全滿足高校實驗室通風(fēng)系統(tǒng)控制要求，同時對PLC產(chǎn)品的選擇本著技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠、安全穩(wěn)定、完全開放的原則，使操作人員在選型、設(shè)計、施工、運行、維護(hù)、升級等各個階段進(jìn)行全過程的成本控制。AB（Allen-Bradley，羅克韋爾公司）1769ControlLogix具有強(qiáng)大的功能，將邏輯運算、積分運算、PID調(diào)節(jié)技術(shù)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(fù)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?qū)ο蠹夹g(shù)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(yīng)用中的設(shè)備生產(chǎn)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(wǎng)和上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。中央控制室的上位機(jī)與下位機(jī)設(shè)備分工合作，完成對站內(nèi)設(shè)備和儀表進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)等多種通訊方式，具有開放性和擴(kuò)展性，使系統(tǒng)容易升級和進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)模式開發(fā)，采用梯形圖語言編寫，按結(jié)構(gòu)化編程，I/O點、功能模塊、子程序等具有簡明、達(dá)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(dá)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(kuò)充性、可讀性和可維護(hù)性等，適合應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。輸入模擬量進(jìn)行抗干擾處理后才能被系統(tǒng)采用，所有數(shù)據(jù)均會進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(yán)格的出錯處理和時間監(jiān)視功能，防止各種錯誤導(dǎo)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(diào)整的工藝參數(shù)都進(jìn)行參數(shù)化，并在人機(jī)界面上能給出操作提示進(jìn)行設(shè)置和修改。工程中重要的設(shè)備具有上位機(jī)控制、現(xiàn)場觸摸屏控制和設(shè)備現(xiàn)場控制三種控制方式。設(shè)計中充分考慮運行中維護(hù)的方便，三種控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)平滑的過渡。程序嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行設(shè)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(hù)生產(chǎn)和維修人員的安全，軟件中具有防誤操作安全鎖[15]。

3 結(jié) 語

通風(fēng)除塵系統(tǒng)安裝完畢后，在實訓(xùn)現(xiàn)場經(jīng)檢查驗收，結(jié)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(zhì)量大有改善并滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。從測試效果可看出，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)維護(hù)保修方便，性能穩(wěn)定，效果好，因此本設(shè)計方案是可行的。

［參考文獻(xiàn)］

[1] 張新.有效控制焊接培訓(xùn)車間煙塵的措施[J].焊接技術(shù),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(shè)計及除塵設(shè)備選擇[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量,2015(7)：20-24.

[3] 黃利萍,胥進(jìn).通風(fēng)與空調(diào)識圖教材[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社,2004.

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

[5] 于承志,倪訓(xùn)松.化學(xué)實驗室通風(fēng)空調(diào)自控系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試[J].暖通空調(diào),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(xué),2015.

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

[8] 翟哲崇.智能控制在儲糧通風(fēng)過程中的應(yīng)用[D].北京：北京郵電大學(xué),2015.

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

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

[11] 朱萬浩.工業(yè)自動化系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)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(yīng)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(fēng)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(shù)與應(yīng)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(shè)計[J].自動化與儀器儀表,2013,33(3)：50-52.