基于PLC的烟气净化系统的排烟风门开度控制
基于ＰＬＣ的烟气净化系统的排烟风门开度控制
Ａｉｒｄａｍｐｅｒｏｐｅｎｉｎｇｄｅｇｒｅｅｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｆｏｒ
ｅｊｅｃｔｉｎｇｓｍｏｋｅ
ｏｎ
ｉｎｔｈｅｇａｓ
ｃｌｅａｎｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｂａｓｅ
ＰＬＣ
周天沛
ＺＨＯＵＴｉａｎ－ｐｅｉ
（徐州工业职业技术学院电气工程系，徐州２２１１４０）
摘要：针对电解铝厂烟气净化系统的排烟风门开度控制中存在的非线性，时变及难以建立精确的数
学模型等问题。本文以ＡＢ公司的ＳＬＣ５００系列ＰＬＣ为核心，采用模糊控制算法，来对排烟风机的风门开度调节进行控制。整个控制系统结构分为三层：监控管理层、控制层、现场设备层，每一层由若干硬件设备和软件组成，分别完成一定的控制与检测功能。结果证明取得了很好的控制效果。
关键词：ＰＬｃ；烟气净化；模糊控制；风门开度中图分类号：ＴＰ２７３．４
文献标识码：Ａ
文童编号：１００９—０１３４（２０１ｏ）０２—０１
７２—０３
０引言
在电解铝生产过程中，电解槽会产生大量的氟化物、硫化物、粉尘等污染物，对环境造成很大的污染。为减少环境污染，并有效收集烟气中的粉尘，提高烟气的氟净化率和粉尘净化率，电解铝厂会进行烟气净化，一般采用氧化铝吸附干法净化技术处理，然后通过布袋除尘器进行气固分离，通过排烟风机产生的吸力，使管道中产生负压，将净化后的烟气吸出通过烟囱排入大气【ｌＩ。目前排烟风机的风门开度调节主要通过手轮在现场进行人工手动调节，现场调节非常困难，费时费力。无法实现集控室远程调节和现场电动调节；无法根据生产状况，实现引风量的及时、连续控制。为解决这个问题，本文提出以ＡＢ公司的ＳＬＣ５００系列ＰＬＣ为核心，采用模糊控制算法，来对排烟风机的风门开度调节进行控制，取得了不错的效果。
２．１控制系统网络结构设计
１．烟囱２．阀门３．排烟风机４．布袋过滤器５、７、９、１０、１４、１６、１７、１９风动溜槽６．密封箱８．分料箱１１．罗茨风机１２．含氟氧化铝仓１３．新鲜氧化铝仓１５、１８．冲板流量计
图１电解烟气净化系统流程图
秦
２控制系统设计
１烟气净化系统工艺流程简介
南屯电解铝厂电解输送车间共设置两套烟气净化系统，分别为南北两系。每套净化系统的排烟量为９９７２１０立方米／小时。净化后的电解烟气分别由６０米高烟囱排出。电解烟气净化系统流程简图如图１所示。
根据烟气净化控制系统的功能要求，整个控制系统结构分为三层：监控管理层、控制层、现场设备层。监控管理层由操作员监控计算机（即工业计算
机）、打印机和ＵＰＳ电源等构成；控制层由ＰＬＣ构
成，该ＰＬＣ系统分为南北两个独立的网络，分别控制南北两套烟气净化系统，ＰＬＣ采用美国ＡＢ公司
收稿日期：２００９．１２．２４
ｔｌＦ者简介：周天沛（１９７７一），男，江苏徐州人，讲师，硕士研究生，主要从事智能控制与应用、故障诊断、模糊信息处
理等方面研究。１１７２］
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万方数据
的ＳＬＣ５００系列ＰＬＣ。南北两个ＰＬＣ系统通过ＤＨ＋网进行通信。现场设备层由执行机构和测量元件组成【２１。电解烟气净化控制系统结构图如图２所示。
图２电解烟气净化控制系统结构图
２．２ＰＬＣ的选型
该项目为改造项目，因原有的控制系统采用美国ＡＢ公司的ＳＬＣ５００系列ＰＬＣ，为与原系统保持一
表１烟气净化控制系统ＦＯ分配表
序号
点位类氆说明ＰＬＣ地址
ｌ模拟量输入
南系１＃排烟风机入【ｊ风门开度显示Ｎ７：４４２模拟蘑输入
南系２＃排烟风机入口风门开度显示
Ｎ７：４５３模拟廿输入
南系３＃｛ｆｔｔ划｝礼机入门风门开度显示
Ｎ７：４６４模拟鲢输入
南系４≠｝排Ｊ朋风机入ｕ风门开度漫示Ｎ７：４７５模拟量输入南系１＃捧烟风机电机定予温度Ｎ７：５０６模拟茸输入
南系２＃排烟风机电机定ｒ温度Ｎ７：５３７模拟｛｜｝输入南系３村＃煳风机电机定子温度Ｎ７：５６８模拟量输入
南系４＃排煳风机电机定子温度Ｎ７：５９９模拟餐输入
南系ｌ＃排烟风机电机前轴承温度Ｎ７：５ｌｌＯ模拟草输入南系２＃排烟风机电机前轴承温度Ｎ７：５４Ｉｌ模拟廿输入
南系３＃排烟风机电机酌轴承温度Ｎ７：５７１２模拟量输入
南系钟排煳风机电机前轴承温度Ｎ７：６０１３模拟茸输入
南系ｌ＃排烟风机电机后轴承温度Ｎ７：５２１４模拟畦输入
南系ｌ＃十＃烟风机电机后轴承温度Ｎ７：５５１５模拟量输入
南系３＃排烟风机电机后轴承温度Ｎ７：５８１６模拟最输入南系甜排烟风机电机后轴承温度Ｎ７：６ｌ１７模拟昔输入南系Ｉ＃排烟风机左轴承温度Ｎ７：３４１８模拟爷输入南系２＃排烟风机左轴承温度Ｎ７：３６１９模拟量输入南系３＃排烟风机寿轴承温度Ｎ７：３８２０模拟鼍输入南系硝排烟风机走轴承温度
Ｎ７：４０２１模拟龌输入南系ｌ＃｛｛｝烟风机ｌ，轴承温度
Ｎ７：３５２２模拟｝寸输入南系２＃排烟风机ｚｉ轴承温度Ｎ７：３７２３模拟墨输入南系３＃排煳风机右轴承温度Ｎ７：３９２４模拟量输入南系４ｆｆ排煳风机右轴承温度
Ｎ７：４ｌ２５模拟鼙输入南系ｌ＃排烟总管粉尘含量
Ｎ７：３０２６模拟艟输入
南系２＃挪煳总管粉尘含琏
Ｎ７：３ｌ２７模拟铲输入
南系３＃排烟总管粉尘含最
Ｎ７：４２２８横托ｌ窜输入南系４＃于ｊ｝炯总管粉尘含量Ｎ７：４３２９模拟晕输入南系Ａ栋ｒ房烟７（总锻‘压力Ｎ７：２４３０模拟量输入南系Ｂ栋，房烟２ｔ总管压力Ｎ７：２５３１模拟每输入南系Ｉ丘缩窀气总管胜力
Ｎ７：２９３２模拟龟输入
甬糸Ａ栎Ｊ所俐气思’醇温腰
Ｎ７：３２３３模拟舒输入南系Ｂ栋厂房烟气总管温度Ｎ７：３３３４模拟｝ｄ输出
南系ｌ＃捌烟风机入Ｌ】风Ｉ’］开度改定
Ｆ８：１０ｌ３５模拟嗣输出
南系２＃８ｔ｝＿娴风机入ｕ风门开度殴定Ｆ８：１０２３６模拟劈输ｍ南系３＃排烟风机入口风ｆＪ开度设定Ｆ８：１０３３７
模拟鲢输出
南系４＃排烟风机入口风ｆＪ开度设定
Ｆ８：１０４
万方数据
致，所以选用ＳＬＣ５００１０４。其具有结构紧凑，性能可靠，适用于恶劣工业环境，且语言丰富、编程简单，支持ＤＨ＋工业总线，传输速率高，距离远，易于组网。以南系烟气净化系统为例，其ＦＯ点位统计如表ｌ所示。
根据表１的点位，南系烟气净化系统的ＳＬＣ具体配置为：电源模块（１７４６．Ｐ２）２块，ＣＰＵ模块（１７４７一Ｌ５５１）１块，ＲＩＯ适配器（１７４６一ＡＳＢ）Ｉ块，模拟量输入模块在该系统中，执行机构的作用是用来控制排烟风门的开度，通过比较国内外的各类产品性价比，
考虑选择采用ＰＳＱ角行程电动执行机构ＰＳＱ７０１一
ＰＯＴ—ＰＳＡＰ４。该型号为调节动作模式，其转矩为７００Ｎ・Ｍ，动作时间为４３秒。适合于９０。旋转阀门
和风门的开关与调节控制。
伺服放大器的作用将控制执行机构的４～２０ｍＡ电流信号，与执行机构当前位置信号进行比较，并根据偏差情况，控制电动执行机构开或关动作，使执行机构位置与输入信号平衡，其有内置和外配两种方式。本方案考虑选取机内内置方式选配伺服放大器。对于ＰＳＱ角行程电动执行机构，选用所配套的ＰＳＡＰ４Ｂ型电子比例式伺服电路。
在该系统中，负压传感器的作用是用于测量管道负压。本方案采用美国罗斯蒙特公司的负压传感器１１５１ＧＰ３Ｅ２２Ｍ１。其采用４～２０ｍＡ标准电流信号输出，量程一４０００Ｐａ
０
Ｐａ。具有精度高，信号易于
获取等特点，广泛应用于工业场合气体压力测量。
排烟风机电机的轴承和定子温度测量采用温度传感器。还有可靠性好，热响应时间短等优点。特别是用在电机的轴承测温。安装特别简单，直接显示出轴承的实际工作温度。
３模糊控制算法的设计
排烟风门开度在电解铝厂的烟气净化系统中起着很关键的作用。开度过小，则引风量小，不能保的烟气捕集效率，引风机引风量需要保证距风机
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【仃３】
０７４＆Ｎ１８）５块，模拟量输出模块（１７４６一Ｎ０４Ｉ）１块。
２．３执行机构和测量元件的选择
ＰＴｌｏｏ铂热电阻元件，是一种精确，灵敏，稳定的３．１排烟风门开度控制
证一定的负压，造成相当数量的烟气泄漏到厂房空气中；开度过大，则引风量大，浪费能源，加重除尘器的负担，排出的烟气含尘量高。为了保证较高
最远的槽也能正常抽烟。烟气管道负压必须稳定在一６５０Ｐａ．５５０Ｐａ，既可以保证较高的烟气捕集效率，又可以实现风机节能运行。此外，风机电流的大小、温度的高低，对风门开度的控制产生一定的影响。比如：引风量过大时，风机电流不能超过一定的上限；电机温度较高时，应当适当调大风门。风门开度控制框图如图３所示。
最远槽处负压
图３风门开度控制框图
３．２模糊控制器的设计
在烟气净化中，管道负压值是决定烟气净化效果好坏的重要指标。在设计模糊控制器时，以管道负压偏差及管道负压偏差的变化ｅ。率作为输入变量，以风门的开度ｕ为输出变量。系统采用双输入单输出模糊控制器，
本系统中烟气管道负压基本稳定在【一６５０Ｐａ，一５５０Ｐａｌ之间，设偏差ｅ的基本论域为【一５０Ｐａ，５０Ｐａ】，其模糊量Ｅ的模糊论域为【一ｌＯＰａ，１０Ｐａ】，则模糊量化因子ｋ＝Ｏ．２。设烟气管道的负压误差变化率ｅ．的基本论域为【一１０Ｐａ，１０Ｐａ】，其模糊量的模糊论域为【－
１０Ｐａ，１０Ｐａ】，则模糊量砟化因子七，，＝ｌ。设排烟风门
开度Ｕ的基本论域为【一９０。，９０。】，其模糊量的模糊
论域为［一１０。，一１０。】，则比例因子足，，＝９。Ｅ、砟及ｕ
的模糊集取７个并表示为；ＮＢ（负大），ＮＭ（负中），ＮＳ（负小），ＺＯ（零），ＰＳ（正小），ＰＭ（正中），ＰＢ（正大）。隶属度函数取为三角形分布，量化值经模糊语言变量隶属度函数得到模糊量。３．３模糊控制规则的建立
确定控制规则的原则是必须保证控制器的输出能够使系统输出响应的动静特性达到最佳１４】，根据系统的工作特点，建立相应的模糊控制规则，如表２所示。
１１７４１
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表２模糊控制规则表
Ｅ
Ｅｃ
ＮＢＮＭＮＳＺ０ＰＳＰＭ
ＰＢＮＢ
Ｚ０Ｚ０
ＮＳＮＭＮＭＮＢＮＢＮＭ
ＺＯ
Ｚ０
ＮＳＮＭ
ＮＭＮＢＮＢＮＳＰＭ
ＰＭ
Ｚ０
ＮＳＮＳ
ＮＢＮＢＺ０ＰＢＰＢＰＳ
Ｚ０
ＮＳＮＢ
ＮＢ
ＰＳ
ＰＢＰＢＰＳ
ＰＳＰＳ
ＮＭ
ＮＭ
ＰＭ
ＰＢＰＢＰＭＰＭＰＭＺ０Ｚ０ＰＢ
ＰＢ
ＰＢ
ＰＭ
ＰＭ
ＰＭ
Ｚ０
Ｚ０
３．４应用
笔者将该模糊控制算法应用于南屯电解铝厂输送车间烟气净化系统改造项目的风门开度控制中。传感器采用美国罗斯蒙特负压传感器，用于测量管道负压，采用角行程电动执行机构控制排烟风门的开度。首先将模糊化过程的各个参数存入ＰＬＣ保持寄存器中，然后利用Ａ／Ｄ模块将输入量采集到ＰＬＣ的数据寄存器，经过限幅化处理后，根据它们所对
应的输入模糊论中的相应元素，查模糊控制量表求出模糊输出量，再乘以输出量化因子即可得实际输出量，由Ｄ／Ａ模块输出对阀门开度进行控制ｆ５Ｊ。
４结束语
本文以某铝厂对排烟风门开度控制为研究背景，设计出了控制排烟风门开度的ＰＬＣ控制系统，并用于实际控制中，该项目自从２００７年３月投入运行以来，气固比稳定在３５－５５９／ｍ３范围内，烟气管道负压基本稳定在一６５０－一５５０Ｐａ之间，管道负压变化范围比改造前减小３０％左右，由于风门开度随负压变动，这使得电机不用频繁启动，经测算电机轴功率降低１０％，一年可减少损耗约为４５０（ＫＷ）Ｘ１０％×２４（ｄ、时）×３６５（天Ｘ８（台）Ｘ０．５（元／度）＝１５７６８００元，其排烟含尘量基本小于１００ｍｇ／ｍ３，排出氟化物含量基本小于６ｍｇ／ｍ３，达到环保的要求。结果表明该控制系统具有良好的控制效果。参考文献：
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