基于plc的煤粉电除尘器控制系统设计.docx
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基于plc的煤粉电除尘器控制系统设计
内蒙古科技大学
本科生毕业设计说明书(毕业论文)
题目:
基于PLC的煤粉电除尘器
控制系统设计
学生姓名:
孙文明
学号:
0967112310
专业:
测控技术与仪器
班级:
测控09-3班
指导教师:
闫俊红讲师
基于PLC的煤粉电除尘器控制系统设计
摘要
随着人类社会的进步与发展,工业化和现代化快速的发展下,在大气污染中粉尘污染所占的比例也在逐渐增加,粉尘污染不仅严重危害到人类和动物的呼吸系统,并且还会造成贵重材料的流失。
治理大气污染最有效的手段之一是电除尘器除尘,改善电除尘器的除尘效果并实现稳定控制是重要的研究方向。
本设计以煤粉电除尘器为研究对象,以PLC自动控制技术与组态王软件相结合设计煤粉电除尘器控制系统。
首先利用PLC来完成除尘现场数据的采集和处理,制定了PLC总控制系统方案,外部接线图以及总控制梯形图,设计了详细的PLC电除尘控制系统。
通过PLC完成对振打过程的控制、风机的控制、各电场的时序控制、消防报警的控制、卸灰装置的控制以及对PID浓度的控制。
上位机利用组态王软件来开发煤粉电除尘器的监控界面,实现了对煤粉电除尘器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,历史数据存储等功能,达到了对电除尘器监控的目的。
大大提高了电除尘器控制系统的功能性和可操作性。
关键词:
电除尘器;PLC;组态王
TheDesignofControlSystemforESPBasedonPLC
Abstract
Withthedevelopmentofhumansociety,andtheacceleratingofindustrializationandmodernization’sprocess,dustpollutionisnotonlyseriouslyharmtohumanhealth,butalsomaketheresultofthelossofalargenumberofpreciousmaterials.Howtoeffectivelycontroltheimplementationofelectrostaticprecipitatorhasbecomeanimportantresearchproject.
ThisthesismakecoalESPasthemodel,PLCautomaticcontroltechnologyandKingviewconfigurationsoftwareusedasacombinationofelectrostaticprecipitatorcontrolsystemdesigns,InthepaperthePLCcontrolsystemisdesigned,theuseofPLCtocompletefielddatacollectionandprocessing,ThePLCantrelsystemcanrealizethefunctionsuchasthecontrolofthevibrationprocess,timingoftheelectricfield,thefirealarm,dischargingdeviceandPIDoftheconcentrationthroughPLCtodeterminethedetailedESPPLCcontrolsystem.ThePCconfigurationwithKingviewmonitoringinterfacesoftwaredevelopment,andtheuseofKingviewtomonitorecoaldustelectrostaticprecipitatorthesituationreal-time,withasecurelogin,real-timedataacquisition,sitemonitoring,historicaldatastorageandotherfunctions,andachievedthepurposeofmonitoringforelectrostaticprecipitator.whatgreatlyimprovedtheelectrostaticprecipitatorcontrolsystem’sfunctionalityandoperability.
Keywords:
ElectrostaticPrecipitator;PLC;Kingview
第一章概述
一.1研究背景及意义
我国的能源禀赋特点是缺油、少气、煤炭资源相对丰富且煤炭价格相对低廉。
能源构成主要以煤炭为主,煤炭资源的开发利用带动了我国经济的快速发展,极大地促进了我国经济的快速发展,如今我国已成为世界上仅次于美国第二大经济国家,然而,正当我们享受着经济快速发展所带来的欢乐的同时,我也同样面对着煤炭资源消耗量迅猛增加的难题。
煤炭作为一种不清洁的能源,在很多地方,我们有时很难控制它对环境造成的危害。
比如采煤、煤矿加工以及装卸等过程中,特别是在火电厂燃煤的过程中以及近年来迅速发展的煤化工行业中,不仅会产生大量的烟气和煤尘,而且是火电厂也会排放到大气中大量的颗粒物[1]。
在这些粉尘颗粒中,有很多重金属、金属氧化物以及有毒物质。
这些对人体健康有着极大的危害的污染物严重地影响着人们生活和生产的顺利进行,因此,必须对含煤废气和燃烧烟气进行净化。
除尘目前来说非常重要,2012年2月,国务院同意发布新修订的《环境质量标准》增加了PM2.5监测指标。
2012年9月9日,北京市环保局监测中心表示,新版空气质量发布平台2012年1月1日上线。
2012年10月6日,北京35个PM2.5监测站点试运行数据全部上线发布。
可见国家对粉尘污染的重视[3]。
除尘器的分类有很多种,依照不同的除尘机理,除尘器可以分为静电除尘器、过滤除尘器、湿式除尘器和旋风除尘器。
在这些除尘机理中,静电除尘技术被广泛的应用于研究、冶金、电力、电子、建材和化工等领域的净化烟气过程中。
经典除尘技术之所以如此应用广泛,是因为它除尘效率高、气体处理量大、耗能低、适用范围广及操作维护方便,在我国环保事业中起着重要的作用。
随着计算机技术与自动控制技术的迅猛发展,静电除尘的实际工业项目中引入了电除尘器的相关控制系统,在提高电自动化控制水平、除尘效率及除尘器设备的运行管理水平等方面发挥了极其重要的作用[2]。
同时,随着工业自动化控制水平的发展和提高,电除尘器的管理与控制系统将进一步发展并完善。
PLC即可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC),它采用可编程序的存储器,用来在其内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的指令、和输入/输出控制各种类型的机械或生产过程中,通过数字或模拟。
引用在PLC控制静电除尘系统,可以大大提高除尘效率,在我们的大煤炭加工厂和火电厂推广使用,不仅可以提高电除尘的经济性,而且节省大量的能源,提高企业经济效益。
因此,PLC控制的静电除尘器有很好的研究和学习意义。
而采用PLC控制也有一些缺点,在PLC的不足属于现场控制层,人机交互性比较差的,管理层不能及时了解现场情况;同时,利用PLC控制无法追踪历史数据收集过程[9]。
如果控制系统PLC和组态软件技术结合煤粉电除尘器的发展,PLC控制系统完成数据的采集与处理领域的应用,对主机的开发设计采用监控组态软件的接口,将大大提高煤粉电除尘器控制系统的功能和操作性。
一.2电除尘器的发展及现状
在中国,静电除尘技术的研究和发展的综合系统开始于上世纪60年代。
1980之前,我们在国际电除尘器领域处于仍然非常落后的位置。
中国的国民经济可持续发展的国民经济的持续快速增长改革开放环境的保护变得越来越重要。
在市场经济的利益驱动下,国内许多大、中型环保产业研究和发展的投资继续增加,静电除尘技术静电除尘器上的应用得到了长足的发展。
国家将更加高效静电除尘器技术列入国家“七五”项目。
通过合理的对引进技术的消化,吸收和从上世纪90年代的借鉴,我国电除尘技术基本上赶上了国际先进水平[4]。
在二十一世纪,中国的大力促进科技进步,加强环境科学研究,积极发展环保产业的经济发展作为环保产业的重要政策得到重视。
污染控制要求也在增加,粉尘排放的要求明显提高。
大气污染物排放标准》(GB13223-2003火电厂2004-01-01开始实施新规定的发电厂)排放大气污染物的控制在50mg/m³(标准条件下同)以下的粉尘排放浓度旧标准gb13223-91要求小于150mg/m³。
电除尘器作为控制大气污染的主要设备,并解决环境保护和经济发展和进一步应用技术发展之间的矛盾。
目前,电除尘器已广泛应用在火电、钢铁、有色冶金、化工、建材、机械、电子等行业。
在中国作为世界大国的电除尘器,在国际舞台上不仅在数量上而且在技术水平,已进入国际先进行列。
静电除尘技术从设备到计算机控制和绝缘零件,高、低电压供电的振动装置,电极板线已全部实现了国产化,部分产品出口到30多个国家和地区[5]。
1980以前,中国电除尘器的规模绝大多数都在100平方米以下,而其行业占有色冶金工业、钢铁工业、建材工业、电力工业、化工、轻工等行业。
随着中国经济尤其是电力建设、水泥建材行业的快速发展,在上世纪90年代中期电除尘器行业达到了空前水平,并且电力行业、水泥行业改变为钢铁工业、有色冶金工业。
电除尘器在燃煤发电量占全国总数的75%,648多平方米的设备已经成功运行在1000MW火电厂[14]。
本设计针对火电厂、高炉生产所产生的烟气附带这大量的煤粉进行处理,在当代的环境污染下工业生产除尘是必要的,因此设计了煤粉电除尘器控制系统,本系统首先制定PLC总控制系统方案、外部接线图以及总控制梯形图,通过PLC振动的过程的控制,对风机控制、各电场的时序控制,消防通报PLC控制,PLC卸灰装置的控制,PLC浓度PID等六大部分的研究,确定详细的PLC静电除尘控制系统。
应用软件组态王,实现静电除尘控制系统的监视,且具有安全登陆,实时数据收集,现场的监视,历史数据保存等功能,完成监视目的的达成[3]。
第二章电除尘器的基本理论
二.1电除尘器的基本工作原理
电除尘器的基本工作原理:
在物理学中,互异正负电荷相互吸引,可以利用这个原理除去烟气中的尘粒,这样排入空气中的烟气中的含尘量可以大大降低。
具体让烟气中的固体烟尘颗粒通过特定方法带上相应的的电荷,同时收集灰尘颗粒的集尘板上也通过特定方法带上相异电荷,再让带电烟尘经过集尘板,由于异性电荷相吸引的原理,烟气中固体颗粒便可定向收集,从而清除烟气中的灰尘会被分离而清除。
虽然实际应用中电除尘器的结构和种类可能各不相同,但除尘过程却是基本相同的。
同时,在生产过程中,可收集电除尘器的烟灰,从而提高电除尘器的实际利用效率,再通过特殊的工艺制作成其他产品使用,不仅提高了电除尘器利用率,也获得了更好的经济效率[12]。
对于电除尘器的整体工作原理以及除尘器各个控制系统如图1.1所示。
图1.1电除尘器系统图
二.1.1气体电离
在集尘极与放电极之间加上直流高压电,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,同时产生电晕放电,导致电晕区内空气被电离,从而产生大量带电粒子如正、负离子等。
二.1.2粉尘荷电
粉尘荷电是电除尘器在除尘中的基本过程。
在放电极附近设有电晕区,正离子容易被电晕极表面负离子吸引失去电荷,剩下的部分自由电子和负离子由于电场力以及重力等相关力的作用下向着集尘极方向移动,于是,在放电极和集尘极之间存在着大量负离子和自由电子[6]。
所以含尘气体通过这一空间时,粉尘与负离子和自由电子会发生碰撞,粉尘的内部电荷会在负离子和自由电子接近粉尘颗粒时重新分布,于是这两者之间便产生吸引力,粉尘颗粒表面上就会附着自由电子和负离子使其带电,产生了粉尘荷电。
二.1.3粉尘捕集和沉积
烟尘在电场的作用下带电后,带电烟尘通过引导进入多层阴极板的电除尘器通道,在荷电粉尘自身重力和电场力作用下、介质阻力与惯性力作用下,荷电粉尘就会往集尘极运动。
一段时间之后,荷电粉尘到达集尘极表面,同时也会释放出所带电荷,在集尘极表面沉集,慢慢地形成一层粉尘薄层[9]。
二.1.4振打清灰
在电场力作用下,电除尘器经过一段时间的除尘后,集尘极和电晕极上收集到的粉尘颗粒在一段时间的积累之后,就有一定厚度的粉尘层形成,如果清除的不及时,除尘器的除尘效率便会受到影响,还可能引起二次扬尘。
因此,为了定时对电场集的灰阴阳板进行敲打、震落集灰板上的灰尘,除尘器中通常设有电场振打装置,达到自动振打清灰的目的。
二.2电除尘器的分类
根据处理气体的化学成分、操作工艺要求、温度、烟气含尘浓度等条件的不同,电除尘器的设计类型也不相同。
按照应用条件的不同,电除尘器有相应的分类方式[8]。
湿式电除尘器与干式电除尘器是按照集尘极上清灰形式的不同而区分的,湿式电除尘器的除尘方式是应用适当的方法在收尘极上行成一层水膜或者水喷雾,借用水流的作用使收集的粉尘流进灰斗。
干式电除尘器是在干燥的烟气中除尘,收尘极上收集的灰尘借助动力振打清灰;管式电除尘器与板式电除尘器是按照集尘极形状不同划分的,管式电除尘器是集尘板形状为立体管道形,烟气之下而上通过除尘管道来除尘的。
板式电除尘器是由很多平行板组成,在每两个平板之间安装电晕极进行除尘;立式电除尘器与卧式电除尘器是按照气体的流动方式而不同划分的,立式电除尘器应用在除尘量小,安装空间狭小,除尘效率高。
卧式电除尘器应用含尘气体平流入多电场,占地面积较大,除尘效率低;双区电除尘器与单区电除尘器则是按照粉尘荷电方式的不同及分离区域布置区分的,双区电除尘器电晕极系统和收尘极系统是分开安装的,完成烟尘荷电和粉尘捕集不在同一区域,单区电除尘器电晕极系统和收尘极系统一起安装的,完成烟尘荷电和粉尘捕集在同一区域[19]。
一般情况下,较大规模的工业上应用上,电除尘常常使用线板型电除尘器、干式电除尘器或单区卧式电除尘器,按照宽间距和窄间距的极间距分类使用,也按高温和常温的气体温度分配使用,大部分电除尘器都是使用电晕线负级电晕放电。
二.3电除尘器的结构
电除尘器结构主要包括两大部分组成,两部分为:
一是高压直流供电的机组与低压控制系统;二是电除尘器本体。
主要包括为电晕电极、放电极、收尘极、气流分布板、高压供电设备、灰斗、烟箱、壳体、支座和振打清灰系统以及辅助系统等[3]。
二.3.1电晕电极
电除尘器的电晕电极有很多种类,目前,最常用的电晕极有星形线、直径3mm的圆形线、芒刺线和锯齿线等[14]。
管框绷线式和重锤悬吊式是电晕线的常用固定方式。
电晕线的要求是起晕电压低、电晕电流大、能保证准确的极间距、机械强度较高以及便于清除灰尘等。
二.3.2收尘极
在实际的电除尘器除尘应用中,有很多型式的收尘极,通常为分为管式和板式,板式收尘极可分为箱式收尘电极、平板行板收尘电极与型板式收尘电极三类。
电除尘器除尘效率由收尘极的造价、结构及金属用量影响,所以对它的要求很高。
二.3.3放电极
放电极是电除尘器中重要的组成部分,也称为阴极或电晕极。
它能与收尘极构成电场、产生电晕,从而形成电晕电流。
放电极主要由电极线、支撑套管以及框架吊杆、放电极线框架、放电极电晕线振打装置等装置构成[8]。
二.3.4高压供电装置
捕集所需电晕电流、高压电场和提供粒子荷电是高压供电装置的主要任务。
一般情况下,电晕放电的电流是100~2000mA,高压供电装置的高压峰值输出电压是70~1000kV。
二.3.5气流分布板
电除尘器除尘效率的好坏受到通过除尘器除尘系统的气流分布影响,为了保证气流分布均匀、减少涡流,可设置一个变径管道放在进出口处,同时进口变径管内还需要放置一个气流分布板[15]。
百叶窗式、槽行钢式、多孔板分布格子以及栏杆型等是最常见的气流分布板。
其中多孔板被广泛广泛。
二.3.6烟箱与气流分布装置
电除尘器的烟箱由进气烟箱和出气烟箱两部分构成。
电除尘器的场地和工艺等条决定了进气烟箱的结构。
多数情况下,所采用的进气烟箱有水平进烟气、下部进烟气、上部进烟气、斜向进烟气以及侧部进烟气以等。
下部进烟气和水平进烟气是其中最常用的是两种。
出气烟箱的结构与进气烟箱基本相同,但是出气烟箱的内部没有气体分流装置。
进气烟箱内设置有气流均布装置,这个装置的主要用途是将高速流、小断面的烟气在经过气流分布装置后,变成低速流、大断面的烟气,这样进入电场中的烟气分布就能符合电除尘器要求[16]。
气流分布装置的结构根据进气烟箱进气方式的不同分为很多种。
其中多孔板式、格栅板式、锯齿式和X形孔板常用在于水平式进烟气烟箱中,垂直折板式与垂直偏转板式通常使用在上下进烟气的烟箱中。
二.3.7灰斗和卸输灰系统
电除尘器中,用来存储收集下来的粉尘的灰斗,灰斗也是电除尘器的重要部分之一。
船形灰斗和锥台形灰斗是目前常用的灰斗,锥台形灰斗被广泛采用。
近年来随着半干法和干法烟气脱硫脱氮的快速发展,船形灰斗是得以出现应用,不过,在目前常规电除尘器中应用比较少。
卸输灰系统在电器除尘中的作用是把灰斗内存储的粉尘运输到指定地点。
卸输灰系统的组成包括插板箱、螺旋气化输送机、星形卸灰器等结构[9]。
二.3.8壳体
壳体位于电除尘器中进出口烟箱之间,并且和出口烟箱一起与整个除尘系统相连接。
壳体内部设置了放电极、收尘极和振打清灰等核心部套装置与外界相隔绝,从而形成一个完全封闭的壳体除尘空间。
同时,壳体也是一个承载部套,它内部的放电极、收尘极以及振打清灰装置都位于壳体的顶梁上,壳体底梁上焊上灰斗。
除此之外,一些附加载荷还要需要壳体承担,比如,放电极和收尘极上的积灰,自然环境下的附加载荷高位布置的电源。
所以,壳体能把电除尘器上的载荷传递到钢支架上或水泥基础上。
足够的强度和稳定性是电除尘器壳体的基本要求,并且壳体的需要密封,不能有较大的漏风,否则,电除尘器的安全与稳定运行将难以保障。
电除尘器的壳体包括墙板和框架两个部分。
在有无立柱的框架中墙板作用有所区别,有立柱的框架里,承担工作负压引起的荷载和密闭是墙板的主要作用,此种墙板被称为梁柱构件;在无立柱框架中,和密闭和受力构件是墙板的主要作用,此种墙板称为板壳构件。
框架是电除尘器的主要受力构件,由底梁、顶梁、支撑和立柱构成[19]。
一般来说,如果是有立柱的框架,所有的荷载常常经过立柱传递;但是在有立柱的板壳构件中,板壳传递是载荷则主要通过方式。
第三章可编程控制器概论
随着微处理器、数字通信和计算机技术的飞速发展,自动控制系统的控制方式也随之增加,目前,最常用的控制方式有EDA控制、PLC控制、继电器控制、单片机控制、传统的嵌入式控制和PC控制。
PLC控制的优点有:
功能强大、应用面广、抗干扰能力强、可靠性高、价格低廉、编程安装使用简单、使用寿命长等。
此外,PLC控制方式中的监控程序能够完成对设备故障的检查,以及用户程序的输入、修改和执行等一系列功能。
它的编程语言是梯形图与计算机的汇编语言相比具有简单、易学、直观等优点,因此本设计中采用PLC控制系统控制煤粉电除尘器控制系统[17]。
三.1PLC简介
可编程序逻辑控制器(PLC,ProgrammableLogicController),是一种固态电子装置,主要利用输入/输出装置的回授信号及储存程序,控制机械或程序的操作。
在工厂自动化系统中,PLC因为具备价格便宜、系统稳定及环境适应性佳的特点,一直为自动化业界所采用。
上世纪80年代至90年代中期,是PLC快速发展的时期,年使用率的增长一直保持在35%左右。
在这期间,PLC在处理数字运算功能、模拟量功能、网络功能和人机接口功能都得到大幅度提高。
PLC逐步进入了过程控制领域,并在一些应用上替代了DCS系统。
由于PLC具有较多优势特点,其使用方便、可靠性高、通用性强、适应面广、抗干扰能力强、编程简单等特点[18]。
PLC将在在工业生产自动化控制领域将是无法替代的。
三.2PLC的应用
可编程逻辑控制器的应用,随着PLC功能的不断完善,它的应用范围也越来越广泛。
PLC的应用范围为以下几种领域:
(1)顺序控制
它取代了传统的继电器顺序控制,可用于单机控制,多机群控制,生产线控制等。
(2)运动控制
现已经可提供拖动步进电动机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。
位置控制模块比CNC装置体积小,价格低,速度快,操作更方便。
(3)过程控制
它能控制大量的物理参数,如温度,压力,速度等,PID模块使PLC具有闭环控制功能,即具有PID控制调节能力可用于过程控制。
(4)数据处理
在机械加工中,出现了把支持顺序控制的PLC和计算机数值控制(CNC)设备紧密结合的趋向。
(5)通信和联网
可实现PLC之间,PLC和上级计算机之间的通信功能,多采用光纤通信,多级传递。
三.3西门S7-200
三.3.1S7-200系列的发展概述及构成
S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种超小型PLC,它以紧凑的结构、良好的扩展性、强大的指令功能、低廉的价格,已经成为当代各种小型控制工程的理想控制器。
S7-200PLC包含了一个单独的S7-200CPU和各种可选择的扩展模块,可以十分方便的组成不同规模的控制器。
其控制规模可以从几点到几百点,具有多种功能规模块和人机界面可工选择,很容易组成PLC网络。
同时具有功能齐全的编程和工业控制组态软件,使得在采用S7-22X系列PLC来完成控制系统的设计是更加简单,足多种多样的自动控制的需要。
S7-200PLC的突出特点表现在:
极高的可靠性,非常丰富的指令集,很高的可操作性,丰富的内置集成功能,实时性高,强劲的通讯能力,丰富的模块扩展功能。
S7-200硬件系统的配置方式采用了整体式加积木式,在主机上包含一定数量的I/O端口,并且还可以扩展相应的功能模块[21]。
一个完整的PLC控制系统如图3.1所示。
3.1控制系统示意图
1.基本单元
基本单元又称为CPU模块,有的也称之为本机或主机。
它包括CPU、基本输入输出点、存储器和电源,是PLC的主要组成部分。
它实际就是一个比较完整的控制系统,可以单独完成某些的控制任务。
2.扩展单元
当主机的I/O数量不能满足系统的要求时,用户就可以根据需要扩展相应的I/O模块。
PLC所能连接的扩展模块的数量和实际上所能使用到的I/O点数都是由多种因素来共同决定的。
3.特殊功能模块
当用户需要控制完成一些特殊功能任务时,可与S7-200主机联通,用以完成某些特殊任务而特制的一种控制装置。
4.相关设备
是为了充分和有效的利用S7-200开发系统的硬件与软件资源库而共同开发出来的多种设备,有人机交换的操作界面、编程软件设备和网络通讯设备等。
5.工业软件
工业软件是为了管理和应用这些设备而开发且与之相配套的程序,它主要由标准工具、工程赶紧、运行软件和人机接口等几大类构成。
三.3.2S7-200系列PLC的工作原理及工作过程
PLC有两种基本的工作状态,即运行(RUN)状态与停止(STOP)状态。
在运行状态,PLC通过反映控制要求的用户程序来实现控制功能。
为了使PLC的输出能及时地响应随时可能变化的输入信号,用户和谐不是只执行一次,机时是反复不断地重复执行,直至PLC停机或切换到STO
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