基于设备组合控制方式的袋式除尘器脉冲喷吹控制系统

莫布林

(韶关市坪石发电厂有限公司(B厂)，广东 韶关 512229)

袋式除尘器对细微颗粒具有高捕捉率，对粉尘达标排放起到重要作用，在电力、冶金、化工和建材等行业得到了越来越广泛的应用[1]。脉冲喷吹系统是保障袋式除尘器高效稳定运行的关键部件。袋式除尘器的脉冲喷吹清灰方式需要用大量的控制设备，一般有几十个至几百个电磁阀或气动门等，所以需要占用大量控制系统的DO通道和电缆[2]。选用和设计好袋式除尘器的脉冲喷吹控制系统[3]，对节省设备投资和工程施工费用具有重要作用。

矩阵控制方式相比单个控制方式具有很大幅度控制系统的设备节省率[4]，其能够有效地降低设备投资费用和工程施工费用。应用实践证明矩阵控制方式能够成功应用于袋式除尘脉冲喷吹系统，已被大量应用于该领域。随着控制技术的发展，矩阵控制方式并非最节省设备和工程量的控制方式，采用矩阵控制方式的袋式除尘器脉冲喷吹控制系统的设备和工程量节省率仍有提升空间。

本文采用设备组合控制方式对袋式除尘器脉冲喷吹系统的矩阵控制方式进行优化设计[5]，将设备组合控制方式应用于袋式除尘器的脉冲喷吹控制系统，充分利用控制系统性能，简化控制系统设备，以期达到进一步降低设备投资费用和工程施工费用的目的。

1 工艺流程

1.1 系统组成

某袋式除尘器共有8个仓室，除尘器清灰采用脉冲喷吹方式[6]，每个仓室用20个电磁阀控制清灰，一共有160个电磁阀。仓室和电磁阀布置方式如图1所示。

图1 袋式除尘器设备布置方式

1.2 清灰流程

袋式除尘器清灰流程：从1号仓室开始清灰，每个仓室的清灰从1号电磁阀开始，按顺序逐个进行到20号，1号仓室完成清灰后按顺序进行2-8号仓室清灰，当8号仓室全部电磁阀工作完毕后即完成了1轮清灰工作，当符合任意清灰条件时又从1号仓室的1号电磁阀开始进行下一轮清灰工作，如此循环进行。清灰有定时清灰和差压清灰2种工作方式，其中定时清灰方式有3个参数：电磁阀带电时间，设定范围为0～150 ms；各电磁阀之间的清灰间隔时间，设定范围为1～20 s；循环间隔时间，设定范围为不大于720 min，某袋式除尘器清灰参数分别设置为30 ms、15 s、120 min[7]。

2 矩阵控制方式

2.1 原理

对袋式除尘器脉冲喷吹电磁阀的控制有多种方式，可以采用单个控制方式，也可以采用矩阵控制方式等。单个控制方式即每个电磁阀采用控制系统的单独输出通道和单独的电缆进行控制。矩阵控制方式的特点是采用多行和多列输出，通过某行和某列共同接通某个设备的电路进行控制。某袋式除尘器的电磁阀采用矩阵控制方式，通过8行行选输出和20列列选输出来控制160个电磁阀的工作。该袋式除尘器脉冲喷吹控制系统是以西门子S7-300可编程控制器为中心的控制系统[8]，实现对160个电磁阀的矩阵控制方式，其电气原理如图2所示，信号连接如图3所示。

图2 矩阵控制方式电气原理

图3 矩阵控制方式信号连接

2.2 矩阵控制方式特点

由图2可知，矩阵控制方式是通过行、列的交叉点来确定某个被控制设备，分别由2个输出点来控制1个设备，如电磁阀M2-2是通过DO点Q0.1和Q1.1共同输出使得该电磁阀带电动作。此处使用8×20的行列来实现160个电磁阀的控制，共需28个DO通道(8+20=28)，28根(8+20=28)电缆线进行控制。行、列数的划分是根据袋式除尘器的仓室数量和每个仓室的电磁阀数量来确定，并非最节省DO通道和电缆的行列划分方式。

由基本不等式公式及其性质可知：矩阵控制方式最优行列数划分问题是基本不等式中的“积定和最小”问题。由于应用于袋式除尘器电磁阀的矩阵控制方式，a、b的取值要求是正整数，所以问题可以转化为乘积一定，两数相差越小，和越小。此处积是160，经过开方运算和几次乘法计算比较，得出最优行、列数为13，即用13×13(积为169，有9个被控设备位置剩余)的阵列能够满足160个电磁阀的控制需求，且所需的DO通道数(13+13=26个)和导线数(13+13=26根)最少，比实际所用的8×20阵列节省2个DO点和2根电缆导线。

2.3 设备节省率

如果采用电磁阀单个控制方式，需要的DO点数是160个，需要的导线数是320根，而采用8×20行列的矩阵控制方式所需的DO点数是28点，电缆导线数是28根，设备节省率如表1所示。

表1 设备节省率

由此可见，采用矩阵控制方式比单个控制方式节省较大幅度的DO通道数和导线数。

3 设备组合控制方式

3.1 原理

设备组合控制方式是对在同一系统中或位置分布上相近、信号类型和数量相同或相近的设备进行集中控制，对该组设备的信号进行编码，控制系统按编码从小到大的顺序，分时对这些设备周而复始地进行信号采样或控制输出，如图4所示。其特点是让多个设备共享1个或多个I/O 通道，集中处理一组设备的输出和输入信号。

图4 设备组合控制方式原理

由图4可知，设备组合控制方式主要由设备组合控制块、译码器、数码线、状态线和路径中间继电器等设备组成，是在某个控制系统上实现的。

3.2 控制方式改进

采用设备组合控制方式对原袋式除尘器脉冲喷吹系统矩阵控制方式进行改进，应用设备组合控制方式来控制电磁阀的信号连接如图5所示。

图5 设备组合控制方式信号连接

由图5可知，采用设备组合控制方式所需的DO通道数是8个，导线数是9根(其中有1根是数码信号公共线)。

3.3 控制逻辑组态

首先运用西门子S7-300可编程控制器编程软件自定义变量编写程序代码创建设备组合控制功能块[10]；然后在主程序中调用该功能块，并对原有矩阵控制方式的程序稍作修改，完成控制逻辑组态工作，实现袋式除尘器脉冲喷吹系统的设备组合控制方式。

3.4 控制方式特点

设备组合控制方式通过编码和译码的方式选择某个设备并进行控制，编码采取二进制编码方式，每个DO通道表示1位二进制码。对于被控设备数量已知为y的应用，所需的编码位数设为x，则x=log2y(x为实数、y为正整数)，也就是对于一组被控数量为y的设备，所需的DO通道数和编码导线数均为x(当x不为整数时，应往上取整计算)。若已知DO通道数和导线数为x，则可控的设备数量y=2x(x、y为正整数)，即y是以2为底数，x为指数的指数函数。由指数函数的曲线特点可知，增加1个DO通道，相应地能够大幅度增加被控设备数量。

4 改进效果

4.1 控制速度分析

电磁阀在清灰时带电动作30 ms，间隔15 s后进行下一个电磁阀清灰。假设西门子S7-300可编程控制器的扫描周期是50 ms[11]，则设备组合控制功能块每s可以输出20个编码，即1 s可以控制20个电磁阀动作，对于清灰方式要求的2个电磁阀工作间隔15 s在速度上完全能够满足，不存在控制延迟问题。改进后的控制方式在控制速度上足够快，在外部看来与原有的矩阵控制方式完全一样。

4.2 设备节省率

采用设备组合控制方式所需的设备数量与优化前8×20行列及最优13×13行列矩阵控制方式对比如表2所示。

表2 设备组合控制方式设备节省率

由表2可知，从DO通道和导线使用数量分别比较，设备组合控制方式均比矩阵控制方式节省设备，且与矩阵控制方式的最优行列配置方式比较，也有较大幅度的节省率。

5 结束语

采用设备组合控制方式的袋式除尘器脉冲喷吹控制系统在控制速度上完全能够满足清灰的控制需求，设备组合控制方式与最优行列配置的矩阵控制方式在主要设备使用数量上对比，设备节省率达65.38%以上，该方式优于矩阵控制方式。设备组合控制方式是在控制系统中编程组态实施，只需增加少量新设备，来提高控制系统性能，效果明显，达到了降低设备费用和工程费用目的。