煤粉电除尘器监控系统设计.docx
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煤粉电除尘器监控系统设计
编号
淮安信息职业技术学院
毕业论文
题目
煤粉电除尘器监控系统设计
学生姓名
蔡辉
学号
42012239
系部
电气工程系
专业
机电一体化技术
班级
420122
指导教师
彭波
顾问教师
施敏
二〇一四年十一月
摘要
随着人类社会的发展与进步,工业化和现代化进程的不断加快,对大气的污染程度也愈来愈严重。
粉尘污染在大气污染中所占的比例也在逐年增大,粉尘污染不仅严重危害到人类的身体健康,还会造成大量贵重材料的流失。
电除尘器作为治理大气污染最有效的手段之一,其研究和应用变得越来越广泛。
如何能够有效的实现电除尘器的控制成为重要的研究项目之一。
本论文以煤粉电除尘器为模型,将PLC自动控制技术和MCGS组态软件相结合应用于煤粉电除尘器的控制系统设计当中,首先利用PLC来完成除尘现场数据的采集和处理上位机则利用MCGS组态软件来开发煤粉电除尘器的监控界面,利用其对煤粉电除尘器的除尘情况进行实时监控,大大提高了电除尘器控制系统的功能性和可操作性。
实现了对煤粉电除尘控制系统的实时监控,具有安全登录,实时数据采集,现场监控,历史数据保存等功能,达到了对电除尘器监控的目的。
关键词:
电除尘器监控系统PLCMCGS
Abstract
Withthedevelopmentofhumansociety,andtheacceleratingofindustrializationandmodernization’sprocess,thepollutionoftheatmosphereisgettingmoreserious.Dustpollution’sproportionisalsoincreasingyearbyyearintheairpollution,dustpollutionisnotonlyseriouslyharmtohumanhealth,butalsomaketheresultofthelossofalargenumberofpreciousmaterials.ESPasoneofthemosteffectivemeansofcontrollingairpollutionofitsresearchandapplicationsbecomemorewidespread.HowtoeffectivelycontroltheimplementationofESPhasbecomeanimportantresearchproject.
ThisthesismakecoalESPasthemodel,PLCautomaticcontroltechnologyandMCGSconfigurationsoftwareusedasacombinationofelectrostaticprecipitatorcontrolsystemdesigns,theuseofPLCtocompletefielddatacollectionandprocessing,thePCconfigurationwithMCGSmonitoringinterfacesoftwaredevelopment,andtheuseofMCGStomonitorecoaldustelectrostaticprecipitatorthesituationreal-time,whatgreatlyimprovedtheelectrostaticprecipitatorcontrolsystem’sfunctionalityandoperability.Inthisthesis,theuseofMCGSconfigurationsoftwarecompletedtherealizationofcoaldustcontrolsystemforreal-timeelectronicmonitoring,withasecurelogin,real-timedataacquisition,sitemonitoring,historicaldatastorageandotherfunctions,andachievedthepurposeofmonitoringforelectrostaticprecipitator.
Keywords:
CottrellMonitoringsystemPLCMCGS
第一章绪论
1.1课题研究的背景及意义
随着人类社会的发展与进步,工业化和现代化进程的不断加快,对环境的污染程度也愈来愈严重。
在当前形势下,人们已经充分地认识到保护自身生命健康和我们赖以生存的家园的重要性,环境保护已经越来越受到全世界人民的高度重视。
然而,在人类的生产和生活中必然会产生大量污染物,尤其是在以煤炭为主要能源的工业生产过程中,会产生大量的烟尘,这些烟尘严重的污染了大气环境,严重破坏了人类赖以生存自然环境。
据统计显示,全球每年向大气中排放的人为污染物多达6亿多吨。
在这些污染物中,粉尘约占1.60%。
煤炭加工、电力、冶金、采矿、造纸、化工等大型工业生产都会排放大量的粉尘颗粒。
粉尘的大量排放不仅严重污染空气,更时时刻刻危及这人类的生命健康。
尤其是粒径小于10μm的气体溶胶粉尘颗粒,这些颗粒会长时间的悬浮在空气当中,人们一旦吸入就很容易患呼吸系统疾病或心脏病,它将直接威胁人体健康。
所以,治理和防治粉尘污染,保护大气环境刻不容缓。
在静电除尘中系统中引用PLC控制,可以极大地提高除尘的效率,在我国较大的煤矿加工厂和火力发电厂推广使用,不但可以提高静电除尘的经济性,还可以节约大量的能源,提高企业的经济效率。
因此,对于PLC控制静电除尘的学习和研究意义重大。
但是利用PLC控制也存在一些缺点,其不足之处表现在PLC属于现场控制层,它的人机交互性比较差,管理人员不能及时地了解除尘现场的状况;同时,利用PLC控制也无法随时掌握除尘过程的历史数据。
如果能够将PLC控制与MCGS组态软件技术结合起来开发煤粉电除尘器的控制系统,利用PLC控制系统来完成除尘现场的数据采集和处理,上位机则采用MCGS组态软件进行监控界面的开发设计,这样就会大大提高煤粉电除尘器控制系统的功能性和可操作性。
因此,本课题把PLC控制系统和MCGS组态软件相结合应用于电除尘器的控制系统设计当中,首先利用PLC控制系统完成现场数据的采集和处理,上位机则采利用MCGS组态软件来开发设计煤粉电除尘器的监控界面,这样将会大大提高电除尘器控制系统的功能性和可操作性。
1.2国内外发展现状
1.2.1电除尘器发展及现状
公元前六世纪,古希腊的哲学家撒勒斯(Thales)就发现了经过摩擦的琥珀能够吸引微小物体的现象,而利用静电除去带电粉尘的设想,大约是在两百年前提出来的。
1824年,德国人霍非尔德(M.Hohlfeld)用莱顿瓶的电荷供给一个盛满烟雾的玻璃瓶,通过放在瓶中的金属线产生放电现象而使烟气被净化,成为历史上第一个静电除尘现象的演示。
静电除尘的理论研究始于1911年,美国人斯特朗(W.W.Strong)对粉尘荷电和除尘效率等方面的问题作了大量的研究分析,为静电除尘理论的发展奠定了基础。
1922年,德国人多依奇(Deutch)在假设没有紊流的条件下,推导出了除尘效率的理论计算公式,成为目前静电除尘理论的基础。
此后,国外科学家们相继在电场荷电、捕集高比电阻粉尘反电晕影响及建立影响电除尘器性能的数学模型等研究上取得了重要成果。
虽然世界各国的学者们在静电除尘理论技术方面的研究取得了巨大的进步,但静电除尘技术的理论仍然滞后于实际应用。
1.2.2我国PLC发展情况
在70年代末和80年代初,我国随国外成套设备、专用设备引进了不少国外
PLC。
我国不少科研单位和工厂在研制和生产PLC,如辽宁无线电二厂、无锡华光电子公司、上海香岛电机制造公司、厦门A-B公司等。
在传统设备改造和新设备设计中,PLC的应用逐年增多,取得良好效果。
PLC在我国的应用越来越广泛。
PLC在中国市场上的历史:
如Siemens,Mitsubishi和Omron都是在中国市场上传统的供应商,在很多领域占了先机,相对应的是GE,Schneider和LG这些后来者虽然市场快速增长,但距先行者仍有一定的差距。
预测在最近的经济发展中,中国以其制造业发展的迅猛及范围的广泛为人瞩目,使PLC在某些自动化领域增长超过了20%。
中国的PLC市场在未来的5年内,将以14.1%的综合年增长率增长。
1.2.3PLC的应用领域
目前,PLC在国内外已广泛应用冶金、石油、化工、建材、机械制造、电力、汽车、轻工、环保及文化娱乐等各行各业,随着PLC性能价格比的不断提高,其应用领域不断扩大。
PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制,扩展到以下应用领域:
中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统,以及与生活相关的机器、与环境相关的机器,而且有急速的上升趋势。
1.3组态软件发展状况及应用领域
最早的组态软件是由美国WONDERWARE公司推出的16位Windows环境下的Intouch,曾一度在国际上具有很高的市场占有率。
随后,澳大利亚CIT公司推出的Citech在世界范围内也具有很快的发展。
近年来,一些国外著名厂商推出了日趋成熟的组态软件产品,如美国AB公司的RSView,美国GE公司的Cimplicity。
这些组态软件均加强了与其他硬件产品的驱动支持和其他软件的内部功能,一改过去仅为其本身硬件配套的OEM形式,已逐步发展成通用的组态软件。
近年来,国产的许多组态软件也越来越多的被用户所接受,其中应用较多的有MCGS、ControlX、SYNALL、组态王、虎翼、天工和力控等。
国内已有不少单位,甚至一些个人正在积极的投入到组态软件的开发研究当中。
其中,北京昆仑通态自动化软件科技有限公司推出的MCGS组态软件,是一套基于Windows平台的,用于快速构造和生成上位机监控系统的软件系统。
MCGS组态软件的设计思想比较独特,有许多特殊概念和使用方法,目前MCGS组态软件在国内的应用也是比较广泛的。
第二章电除尘器介绍
所谓电除尘器,就是利用高压直流电源产生强电场,当含有粉尘的气体在通过高压电场进行电离的过程中,使尘粒带点,并在电场力的作用下沉积在积尘器上,使尘粒从含有粉尘的气体中分离出来的一种除尘设备。
电除尘器具有处理烟气量大;设备阻力小,能耗低;对微细粉尘具有很高的补集效率;自动化程度高,运行可靠;运行费用低,维护工作量小等优点,因此被广泛使用。
2.1电除尘器的工作原理
(1)气体电离
在放电极和集尘极之间加上高压直流电压,在电晕极附近形成一个足以使流经电场的气体产生电离的强电场,并发生电晕放电,电晕区内空气电离,产生大量正、负离子等带电粒子。
(2)粉尘荷电
在放电极附近的电晕区内,正离子立即被电晕极表面吸引而失去电荷,剩下的自由电子和负离子一部分在电场力的作用下沿着电力线向电压变化梯度最大的方向运动,向着集尘极方向移动,于是在放电极和集尘极之间的绝大部分空间内都存在着自由电子和负离子。
当含尘气体通过这部分空间的时候,粉尘与自由电子和负离子发生碰撞,当自由电子和负离子接近粉尘颗粒时,粉尘的内部电荷就会重新分布,从而导致这两者之间产生吸引力,自由电子和负离子附着在粉尘颗粒表面上使之带电,实现了粉尘荷电,这种粉尘荷电机制称为电场荷电。
另外一部分自由电子和负离子因做不规则的热运动与粉尘颗粒发生碰撞而荷电,这种粉尘荷电机制称为扩散荷电。
(3)粉尘捕集和沉积
在放电极和收尘极之间的荷电粉尘主要受到自身的重力、电场力、惯性力和介质阻力的作用,在这四种力的综合作用下,荷电粉尘被驱往集尘极。
经过一段时间之后到达集尘极表面,荷电粉尘因释放出所带电荷而沉集在集尘极表面,逐渐地形成一层粉尘薄层。
(4)清灰
当电除尘器经过一段时间的除尘后,除尘器的电晕极和集尘极上都会有粉尘沉积。
粉尘沉积在电晕极上会影响电晕电流的大小和均匀性,沉积在集尘极则有可能使粉尘重新进入气流,把粉尘从集尘器表面直接吹起,振打电极使粉尘重新弥散在气流中。
或者把捕集的粉尘从灰斗中卷起。
因此,要定时对电晕极和集尘极进行清灰处理。
对电晕极的清灰主要采用振打清灰的方式。
对集尘极的清灰方式在干式除尘器和湿式除尘器中是不同的,在干式除尘器中,主要采用机械撞击或者电极振动产生的振动力来清除;在湿式除尘器中,主要采用水冲洗集尘器,使集尘极表面经常保持着一层水膜,粉尘降落在水膜上,随着水膜一同流下,从而达到清灰的目的。
2.2电除尘器的结构
电除尘器按照不同的应用形式有不同的分类方式。
按照集尘极几何形状的不同可以分为线管型电除尘器和线板型电除尘器;按照集尘极上清灰方式的不同可以分为干式电除尘器和湿式电除尘器;按照气流流动方式的不同可以分为立式电除尘器和卧式电除尘器;按照粉尘在静电除尘器内荷电方式的不同及分离区域布置可以分为单区电除尘器和双区电除尘器。
通常情况下,工业上较大规模的电除尘通常采用干式电除尘器、线板型电除尘器或单区卧式电除尘器,电晕线采用负电晕放电。
2.2.1电晕电极
电除尘器的电晕极的种类有很多,目前最常用的包括直径3mm的圆形线、星形线以及锯齿线、芒刺线等。
电晕线的固定方式分为重锤悬吊式和管框绷线式。
对电晕线的一般要求是起晕电压低、电晕电流大、机械强度高、能够维持准确的极距以及便于清灰等。
2.2.2收尘极
在实际电除尘器的应用中,收尘极的型式有很多,主要分为板式和管式两大类,二板式又可以分为平板行电极、箱式电极和型板式电极三种。
收尘极的结构直接影响着电除尘器的除尘效率、造价及金属耗量,因此对其要求也很高。
具体要求为:
(1)具有良好的电性能,即极板表面上的电场强度和电流分布要均匀,火花电压要足够高。
(2)极板受温度影响后变形小,并且要有足够的刚度。
(3)有利于粉尘在板面上沉积,经过定期的振打能够顺利地落入灰斗,同时还要具有防止二次扬尘的功能。
(4)极板的振打性能足够好,有利于振打加速度均匀地传递到整个板面,清灰效果好。
(5)形状简单,平面度好,容易制造。
(6)运输和安装,以及在运行过程中不易变形。
2.2.3放电极
放电极又可以称为电晕极或阴极,它是电除尘器中一个重要的组成部分。
其主要作用是与收尘极一同构成电场,产生电晕,形成电晕电流。
其构成主要包括放电极线、放电极线框架、框架吊杆以及支撑套管、放电极振打装置等,其具体形状如图2-1所示。
a.圆形线;b.星形线;c.锯齿线;d.芒刺线
图2-1常用电晕极形状
2.2.4高压供电设备
高压供电设备的主要任务是提供粒子荷电和粒子捕集所需要的高压电场和电晕电流。
通常情况下,高压供电设备的输出峰值电压为70~1000kV,电晕电流为100~2000mA。
2.2.5气流分布板
电除尘器内部的气流分布对除尘效率的高低有着很大的影响,为了减少涡流,保证气流分布均匀,应在进出口处设置一个变径管道,进口变径管内应设置一个气流分布板。
最常见的气流分布板有百叶窗式、多孔板分布格子、槽行钢式以及栏杆型分布板等。
而其中又以多孔板使用最为广泛。
2.2.6烟箱及气流均布装置
电除尘器的烟箱包括进气烟箱和出气烟箱两个部分。
进气烟箱的结构主要依据电除尘器的工艺和场地等条件来决定。
通常情况下所采用的进气烟箱有上部进烟气、水平进烟气、下部进烟气、侧部进烟气以及斜向进烟气等,其形状如图2-2所示。
其中最常用的是水平进烟气和下部进烟气两种。
1-水平进气烟箱;2-下进气烟箱;3-上进气烟箱;4-水平侧进气烟箱;5-斜进气烟箱
图2-2电除尘器进气烟箱
出气烟箱与进气烟箱的结构基本相同,区别在于出气烟箱内部不设置气体分流装置。
气流均布装置设置在进气烟箱内,其主要作用就是将小断面、高速流的烟气通过气流分布装置后变成大断面、低速流的烟气,从而使进入电场中的烟气分布符合电除尘器的要求。
由于进气烟箱进气方式的不同,气流分布装置的结构也有很多种,其结构如图2-3所示。
其中格栅板式、多孔板式、X形孔板和锯齿式多用于水平进烟气烟箱中,垂直偏转板式和垂直折板式多用于上下进烟气烟箱中。
f
e
d
b
c
a
a
a格栅板式b多孔板式c垂直偏转板式d锯齿式e形孔板f垂直折板式
图2-3气流分布装置结构图
2.2.7灰斗和卸输灰系统
在电除尘器中,灰斗的作用是用来存储收集下来的粉尘,是电除尘器的重要组成部分。
目前常用的灰斗有锥台形灰斗和船形灰斗。
其中锥台形灰斗使用更为广泛,船形灰斗是近年来随着干法和半干法烟气脱硫脱氮的发展而出现的灰斗形式,目前在常规的电除尘器中应用还很少。
在电除尘器中,卸输灰系统的作用是将灰斗内存储的粉尘输送到指定的地点。
卸输灰系统由插板箱、星形卸灰器、螺旋气化输送机等系统组成。
2.2.8壳体
在电除尘器中,壳体位于进出口烟箱之间,并通过出口烟箱与整个除尘系统相连接。
壳体内部是一个密闭的空间,其内部设置的收尘极、放电极和振打清灰装置等核心部套与外界相隔绝,形成一个封闭的除尘空间。
除此之外,它还是一个承载部套,其内部的收尘极、放电极和振打清灰装置都悬挂在壳体的顶梁上,灰斗也焊在壳体的底梁上。
此外,壳体还要承担一些附加载荷,例如,收尘极和放电极上的积灰,高位布置的电源和自然环境下的附加载荷。
由此可见,所有电除尘器上的载荷都要通过壳体传递到水泥基础或钢支架上。
因此,就要求电除尘器壳体必须要有足够的强度和稳定性,同时,还要求壳体的密封要严密,不允许存在较大的漏风,否则将会影响电除尘器的安全、稳定运行。
电除尘器的壳体由框架和墙板两部分构成。
框架由顶梁、底梁、立柱和支撑构成,是电除尘器的主要受力构件。
在有立柱的框架中,墙板的主要作用是密闭和承担工作负压引起的荷载,这种有立柱的墙板称为梁柱构件;在没有立柱的框架中,墙板的主要作用是受力构件和密闭的双重作用,这种没有立柱的墙板称为板壳构件。
在有立柱的框架中,所有的荷载主要通过立柱传递;而在有立柱的板壳构件中,载荷则主要通过板壳传递。
底梁与立柱相连接,并在底梁上构成一个平面网络,灰斗就焊接在底梁上。
2.2.9支座及辅助系统
电除尘器的壳体与基础之间由固定支座和活动支座相连接。
活动支座又可分为单向活动支座和多向活动支座两种,单向活动支座只能沿着固定的方向移动,而多向活动支座的移动方向则不受任何限制。
在场地上固定支座的位置应当靠近进气端,电除尘器与进出口的热膨胀伸缩量相接近,从而减轻热胀冷缩所产生的伸缩拉力。
活动支座的移动应位于固定支座的辐射线上。
电除尘器的支撑系统需要一个或几个固定支座,其余均为活动支座。
其中,固定支座中心位于电除尘器壳体与基础之间的固定连接点上。
当壳体热胀冷缩时,固定支座不动,其他各活动支座均沿着放射方向移动,从而可以减少结构热应力,保证电除尘器的安全、稳定运行。
第三章PLC的选型分析
随着微处理器、计算机和数字通信技术的快速发展,自动化控制系统的控制方式也越来越多,目前常用的控制方式有PLC控制、EDA控制、单片机控制、继电器控制、传统的PC控制和嵌入式控制。
PLC控制的优点有应用面广、功能强大、可靠性高、各种抗干扰能力强、编程安装使用简单、价格低廉、使用寿命长等,此外,PLC控制方式所具有的监控程序能够完成设备故障的检查,用户程序的输入、修改及执行等一系列功能,其梯形图语言编程与计算机汇编语言相比具有简单、直观、易学等优点,因此本课题中采用PLC控制煤粉电除尘器控制系统。
3.1可编程控制器(PLC)
3.1.1可编程控制器的概述
可编程控制器(PLC)是采用微机技术的通用工业自动化装置,近几年在国内已得到推广普及。
正改变着工厂自动控制的面貌,对传统的技术改造、发展新型工业具有重大意义。
可编程控制器是60年代末在美国首先出现的,其基本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来,控制器的硬件是标准的、通用的。
随着微处理器和微型计算机技术的发展,到70年代中期以后,已广泛使用微处理器作为中央处理器,输入输出块和外围电路都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路,这时的已不再是仅有逻辑判断功能,还同时具有数据处理、调节和数据通信功能。
可编程控制器(PLC)是一个以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置,专为在工业现场应用而设计。
PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物,它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点,充分利用了微处理器的优点,又照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯,特别是PLC的程序编制,不需要专门的计算机编程语言知识,而是采用了一套以继电器梯形图为基础的简单指令形式,使用户程序编制形象、直观、方便易学;调试与查错也都很方便。
由于这些特点,可编程控制器问世以后很快受到工业控制界的欢迎,并得到迅速发展。
目前,可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具,得到了广泛推广应用。
3.1.2可编程控制器(PLC)的基本结构
从硬件来看,PLC主要由CPU,存储器,I/O接口,电源,编程器等组成其结构示意图如图3-1所示。
图3-1PLC硬件的基本结构图
(1)CPU板
CPU板PLC的核心部件,它包括:
微处理器CPU、存储器(ROM、RAM)、并行接口(PIO)、串行接口(SIO)及时钟控制电路等。
CPU板是PLC的运算、控制中心,用来实现各种逻辑运算、算术运算及对整机进行管理控制;PLC内部配有程序存储器和数据存储器(ROM,RAM),分别用于存储系统程序和用户程序,并生成用户环境;并行接口和串行接口主要用于CUP与各接口电路之间的信息交换。
时钟及控制电路用于产生脉冲及各种控制信号。
(2)输入/输出电路
输入电路通常有两种形式;直流输入和交流输入电路。
输入电路的作用是接收现场输入设备送来的控制信号,并经光电耦合器隔离后转换成PLC内部的标准电平信号,然后由CPU读入并送至输入映象寄存器中,供程序执行使用。
输出电路的作用是将PLC的输出控制信号送给外部输出设备,通过输出设备控制被控制对象工作。
输出电路共有三种形式:
一种是继电器形式,它是通过控制继电器的线圈使其触点的通断来控制输出设备,实现电气隔离;另一种是晶体管输出型,它是通过光电耦合器使输出开关晶体管通断,进而控制输出设备;第三种是可控硅输出型,通过触发可控硅的通断实现对外部输出设备的控制。
(3)存储器扩展接口
存储器扩展接口用于连接用户程序存储器及数据存储器的扩展卡盒。
常用的扩展卡盒有三种:
一种是COMS开型ROM卡盒,它需要用锂电池后备,以防止断电时丢失程序及数据;另一种是EPROM卡盒,这种卡盒需要用专门写入器将调试好的用户程序或数据写入EPROM中,擦写时需要用紫外线擦除器;第三种是EEPROM卡盒,是电可擦除存储器,它的写入和擦写只需专用编程器。
(4)I/O扩展接口
I/O扩展接口与CPU之间是以总线方式连接的,因此它可以连接开总量的I/O扩展单元及扩展块,使I/O点数规模在配置更加灵活。
同时也可以配接如模拟量、高速脉冲等单元及通信适配器等特殊功能模块,使PLC的功能大大增强。
(5)编程器及其接口
编程器用于程序及数据的输入、编辑、调试和检测。
当PLC在正常运时,一般不需要编程
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