基于PLC的静电除尘控制系统设计超究极.docx
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基于PLC的静电除尘控制系统设计超究极
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毕业设计（论文）
基于PLC的静电除尘控制系统设计
DESIGNOFCONTROLSYSTEMFORELECTROSTATICPERECIPITATORBASEDONPLC
学生学号
学生姓名
学院名称
专业名称
指导教师
2013年
6月
10日
摘要
高压静电除尘器是一种具有成熟的技术、简单的结构、维护的费用较低的工业净化烟气的设备，长久以来广泛应用于大气污染治理行业中。
静电除尘振打控制系统本身具有时序控制的特点，恰好能够较好的发挥出PLC的优势。
所以，电除尘振打PLC控制系统被广泛应用于工业电除尘中。
本文较为详细的概述了可编程控制器PLC在静电除尘器中的应用，设计将以静电除尘器电极振打清灰PLC控制系统的设计作为核心部分，以PLC为核心设计了系统结构图、梯形图、I/O口接线图以及就地操作箱原理图，在电极振打除尘的同时又添加了一些比较的实用的功能，而且简化了电路的结构，使之变得更为灵活且方便控制。
关键词PLC；静电除尘；控制系统
Abstract
Highvoltageelectrostaticprecipitatorisapurificationequipmentforindustrialfluegas.Ithasbeenwidelyusedintheairpollutioncontrolindustrybecauseofmaturetechnology,simplestructureandlowmaintenancecost.ESPrappingcontrolsystemhasthecharacteristicoftimingcontrol,itcangivefullplaytotheadvantagesofPLC.ESPrappingPLCcontrolsystemhasbeenwidelyappliedinindustrialelectrostaticprecipitator.
ThispapersummarizestheapplicationofprogrammablecontrollerofPLCinelectrostaticprecipitator.AcontrolsystemisdesignedwithPLC.Thesystemstructurediagram,ladderdiagram,I/Odiagramandlocaloperationboxdiagramaredesigned.
Atthesametime,somemorepracticalfunctionareadded,andthecircuitstructureissimplifiedtomakethecontrolbecomemoreflexibleandconvenient.
KeywordsPLCelectrostaticprecipitatorcontrolsystem
1绪论
1.1课题研究的背景及意义
1.1.1静电除尘的背景
随着人民的社会生活水平和环保意识的逐步提高，环境问题已成为全球关注的焦点。
在过去的十年里，各个国家日益严格的环保法规，排放标准的要求已经变得更加成熟，促进全球环保产业的蓬勃发展。
静电除尘器（ElectrostaticPrecipitator，简称ESP）是大气除尘的主要设备之一，ESP具有空气污染控制方便，效率高，阻力低，能耗低，能处理高温烟气，运行成本低，管理便利等优点，被广泛应用于电气，建设材料，冶炼，有色金属，化工等工业领域[1]。
1.1.2静电除尘的意义
中国是世界上最严重的空气污染国家其中之一，因为我们的国家是基于煤炭为主要能源的国家，烟煤污染在我国情况很严重，特别是火电厂的环境污染问题尤其严重，所以，在我国ESP更加受到社会人们的更多关注。
如果你想让ESP保持稳定运行而且使其使用寿命更长，那么ESP的设计、制造、安装、调试、运行管理和维护这些环节都必须做到合理且没有差错。
其中一个或者多个环节的欠缺，势必会对电除尘器的性能产生影响，所以，往往在实际使用中的电除尘器只是少数处在良好状态，大多数都存在着或多或少的问题[2]。
1.2静电除尘研究现状
在很早的公元前，希腊人就已经知道通过摩擦琥珀就能够产生静电吸引的效果，平方反比定律被人们尊为静电学的科学基础，这都是库伦的功劳，这也就是ESP理论的源头。
1745年，富兰克林开始研究尖端放电，他似乎是第一个研究的最尖端的放电，且是第一个用电除尘器成功回收了一直很难出去的硫酸雾。
后来在他的学生的协助下，富兰克林又取得了新的进展，为在冶金，水泥等行业广泛的使用电除尘技术奠定了基础。
电除尘技术从20世纪20年代开始在其他行业得到广泛的应用。
电除尘的工业在我国应用始于20世纪30年代，在20世纪70年代，80年代初开始，国内开始引进消化吸收国际先进技术和经验，并进行自主研发，获得了快速发展。
目前，中国已经成为了世界上最大的制造和工程应用除尘器国家，其中电除尘是在我国环保行业得到人们的青睐而且应用最为显著，我国已然成为了电除尘器应用的主要国家之一[4-6]。
1.3课题研究的主要内容
本文研究的主要内容是基于PLC的静电除尘控制系统设计，包括系统主电路的设计、PLC的I/O口分配、元器件选型与振打制度的选取等内容。
本文将以静电除尘器电极振打清灰PLC控制系统的设计作为核心部分，以PLC为核心设计了系统结构图、梯形图、I/O口接线图以及就地操作箱原理图，在电极振打除尘的同时又添加了一些比较的实用的功能，而且简化了电路的结构，使之变得更为灵活且方便控制，只要通过改变输入PLC的梯形图，就可将每台电机振打的时间进行设置。
2PLC的原理和电除尘清灰原理
2.1PLC的原理
2.1.1PLC的原理
可编程控制器的英文名称是ProgrammableController，早期简称PC，后来为了与个人计算机区分，在行业中多称之为ProgrammableLogicController，即可编程逻辑控制器，简称PLC，而这种称呼又与可编程控制器的起源及自身的特点有关。
PLC是一种专门的计算机工业控制,理论上,结合了计算机技术和继电器-接触器控制电路,具有很强的能力与工业控制对象的接口。
由于PLC实质上仍是一种适合工业控制微机，所以它的基本组成和结构的特征一般PC:
核心的中央处理器单元（CPU）的管理下,运行系统程序。
接口的PLC和控制对象是由专用I/O组件,通常还需要配以特殊的电源和其他特殊功能模块[7-8]。
PLC用户程序由多个指令组成，指令在存储器中按照步序号顺序排列。
在没有跳转指令情况下，CPU从所述第一指令开始，一个接一个顺序地执行用户程序，直到结束。
2.2静电除尘振打清灰原理
2.2.1静电除尘器的结构
图2-1静电除尘器立体结构图
在工业电除尘器中，被广泛采用的是卧式的板式电除尘器。
它是由本体和供电源两部分组成。
静电除尘器在通常情况下电场是分为六个区域的，那就是三个收尘区域与三个荷电区域，而且荷电区域始终在相应的收尘区域之前。
在第一荷电电场和第二荷电电场因为烟尘的浓度比较高而且粉尘相对较粗，阴极采用的是RS密芒刺线。
这样，RS密芒刺线与脉冲供电相结合，能够出现很好的荷电效果。
2.2.2静电除尘工作原理
静电除尘器是利用直流高压电产生的强电场使气体电离，继而会有电晕放电。
烟气到达电除尘器，粉尘经过电场就会发生荷电，荷电粉尘因在电场力的作用下会向极板和极线上运动而且会吸附在极板和极线上，通过振打的方式来将粉尘分离出来，从而达到了除尘的目的。
2.2.3气体电离和电晕放电
因为有辐射摩擦等因素的存在，所以在空气中会存在着少量的自由离子，仅仅凭着这些少量的自由离子是不能够使空气中含有的粉尘发生电离的。
因此，要想通过静电来达到除尘效果就必须要具备以下两个条件:
（1）电场必须能够达到使粉尘产生荷电；
（2）要有能够使粉尘分离的电场。
通常的静电除尘器都有荷电电场跟电离电场。
在电场作用下，自由离子会向两极移动，电压越高、电场强度也就越高，同时离子的运动速度就越快。
因为离子在快速运动着所以能够在两极之间形成电流。
开始时，空气中的自由离子少，电流较少。
电压升高到一定数值后，放电极周围的离子获取了高能量、高速度，这些离子会去与中性原子进行撞击，被撞击的中性原子则分解为正离子和负离子，我们称之为空气电离。
空气在发生电离之后，由于连带反应，在两极之间运动的离子数将会不断增加，具体变现是两极间的电晕电流骤增，因而空气自然而然成为了导体。
放电极附近的空气全都发生电离以后，在放电极周围会看见一圈淡蓝色光环，我们将此光环叫做电晕。
因而，这放电的导线被叫做电晕极[9-10]。
在距离电晕极比较远的方位，电场强度越小，离子运动的速度也越小，因此那边的空气未发生电离。
假如更进一步提高电压，空气电离范畴会慢慢扩展，最后，极间的空气全部发生电离，我们将此叫做电场击穿。
电场击穿的时候，会出现火花放电以及电路短路，电除尘器则会停止工作。
为了确保电除尘器能够正常运行，电晕范围则不该过大，通常应局限在电晕极的附近。
如果电场里的各个点的电场强度是不一样的，那么称此电场叫做不均匀电场。
同理，电场里的各个点的电场强度都是一样的电场称做均匀电场。
比如，两块平板所组成的电场就是均匀电场，在均匀电场中，只要某一处的空气发生电离，极间空气就会部电离，电除尘器就会发生击穿。
因而电除尘器中必须要设置有非均匀电场[2]。
2.2.4尘粒的荷电
在电晕线附近的几毫米处便是电除尘器的电晕区，电晕区之外的地方叫做为电晕外区。
电晕区里的空气发生电离后，正离子会快速的向负极运动，唯有负离子方可进到电晕外区，向阳极运动。
含尘空气在通过电除尘器之时，因为电晕区的范围很小，只会有极少的尘粒在电晕区能够通过，获得正电荷，聚集于电晕极上。
多数尘粒能过通过电晕外区，拥有负电荷，最后聚集于阳极板上，这就是我们将阳极板称作集尘极的原由。
图2-2尘粒移动示意图
尘粒荷电作为电除尘过程中的第一步。
在电除尘器中存在着两种不一样的荷电机理。
一种为电场荷电。
另一种为离子发生扩散现象而导致的尘粒荷电，称作扩散荷电。
在工业电除尘器中，一般将电场荷电作为主。
3PLC硬件设计
3.1PLC的选择
PLC控制系统的结构包括PLC和输入、输出设备。
完成系统的设计主要是指PLC的选型和程序设计。
PLC选型的基本规则是：
所选择的PLC必须要达到系统控制所需求的标准。
通常我们会从以下几个方面等方面进行综合考虑：
（1）系统的功能
（2）PLC的硬件结构
（3）PLC的存储容量
（4）通信联网功能
3.1.1PLC静电除尘基本原理
在有静电场的空间，在电场力的作用下空气中的自由离子与电子会发生定向的移动，含粉尘的气体在通过较强的静电场时，空气电离从而使尘粒荷电，并且在电场力的作用下使尘粒下沉并骤积在收尘板上。
将尘粒从含尘气体中分离出来的分离力直接作用在尘粒上，因此分离粒子所需要的能量较小的，且气体在本体中运动所受阻力也较小，故电除尘器在运行时的能量消耗是比较低的。
较强的静电力对亚微米级的粒子也能够产生显著的驱动，除尘效果比较明显[11-12]。
3.1.2PLC的选择确定
在自动振打工作方式下，前面以说的6台电动机均由PLC输出控制，每台电动机的故障信号指示灯由PLC输出控制，任意一台电动机电路发生过载、缺相等故障时，由PLC控制报警器发出报警声，所以一共需要13个输出控制点。
因为本设计要有1个系统启动按钮和1个系统停止按钮，并且设有报警系统当然就必须要有1个报警解除按钮，6台电机的故障信号均要输入PLC，因此输入点一共有9个。
同时考虑到留有适当的余量，于是本文选取西门子的小型整体式S7-200系列的S7-CPU224（14点输入/10点输出）的PLC作为本文的主控芯片。
扩展模块选取的是EM223（4点DC24V输入/4点继电器输出），最左侧放的是主机单元（CPU224模块），扩展模块EM223用扁平电缆与主机单元相连。
3.1.3高压供电控制系统原理框图
高压供电控制系统原理框图如图3-1所示。
图3-1高压供电控制系统原理框图
由图3-1可见，采集电路所采集到的一次电压、一次电流，二次电压、二次电流，浊度等模拟量信号会通过PLC模拟量输入模块送进CPU；变压器油温、油位，偏励磁等开关量信号通过PLC的数字量输入信号处理回路送入CPU。
PLC通过扫描将有序的读入所有数据与输入状态，依据数据处理后产生的结果来发出两路触发脉冲，送往主回路的两个可控硅的控制极从而触发可控硅，通过调整可控硅的导通角来控制升压变压器的一次侧输入电压，从而控制输送到电场的电场的电压。
同时，一方面要根据工作情况的改变，自动的调节除尘器的电压，使收尘极和集电极之间的电场强度达到较大，电离子数尽可能的多，越是逼近击穿电压，控制水平就会越高。
另一方面，又要考虑不能使除尘器出现极板间电压过分高的情况，避免使除尘器处于击穿状态，从而达到能够防止电气设备和本体受到损坏，并且能够节约不必要的能耗的目的。
3.1.4元器件的选择与型号
元器件的选型是根据电路的负载类型及容量来决定的。
（1）考虑所选电动机的技术参数要求，根据总电流20.19A，按额定总电流的3倍容量选择隔离开关QS的型号。
选择为HK8-380/220。
（2）按额定电流的1.5倍选取熔断器FU的型号为RC1A-380/220；
（3）断路器QF1-QF6所控制电机的最大额定电流为5.16A，于是选择额定电流为6A的断路器，其型号为DZ47-63/2C6A。
（4）交流接触器KM1-KM6均选用CJ20-100；
（5）根据电动机的额定电流，热继电器FR选用JQX-13F-AC220。
具体的元器件型号见图表3-1。
表3-1元器件与型号
元件名称
符号
型号规格
数量
功能
隔离开关
QS
HK8-380/220
1
用于对电路的接通与断开
熔断器
FU
RC1A-380/220
3
对电路和设备的短路与过载保护
电流表
PA
220V-3/6A
3
测量与监控电路中的电流
电压表
PV
380/220V
3
测量与监控电路中的电压
电流互感器
TA
LQG-0.5
3
对电流的测量
断路器
QF1-QF6
DZ47-63/2C6A
1
用于电路的过载、短路或欠压保护、不频繁通断操作电路
接触器
KM1-KM6
CJ20-100
6
用于远程频繁控制，对电机启动、停止进行切换
热继电器
FR
JQX-13F-AC220
6
用于对电路的控制和保护
三相异步电动机
M
3~
Y2-801-4，Y2-100L-4
6
电路主负载，用于电极振打
3.2系统主电路图设计
3.2.1主电路图设计
电除尘振打PLC控制系统的主电路就是各台振打电动机的驱动保护电路。
必要的保护措施，比如过载、短路保护，因此在电路中加入了短路器、熔断器、热继电器。
电除尘器阴极和阳极振打控制系统主电路图如图3-2所示。
由图3-2可见，为了测量电机所消耗的电量在电路中还运用了电流互感器，一次侧为网侧电流；二次侧连接电度表，即串联电流表，并联电压表。
当断路器QF1~QF6和隔离开关QS都处于闭合状态时，交流接触器KM1~KM6分别对电机M1~M6进行就地或远程控制，如果KM1线圈得电，KM1主触头闭合，M1电机得电。
FR1-FR6对各电动机起过流、断相、过载保护作用，保证电路的正常工作。
图3-2电除尘器阴极与阳极振打控制系统主电路图
3.2.2振打电动机的选型
本控制系统的主要负载是振打电动机，而电动机的型号及功率是根据电除尘振动机构的要求来选取的。
在选用电动机之前，要熟悉一些常用电动机的性能。
在图3-2中,
（1）M1、M3、M5为阳极振打电动机，选用的是三相异步电动机Y2-100L-4，它的额定功率是2.2KW、额定转速是1430r/min、额定电流是5.16A、效率是80%、功率因数是0.81、堵转电流是额定电流的7.0倍；
（2）M2、M4、M6为阴极振打打电动机，选用三相异步电动机Y2-801-4，其额定功率为0.55KW、额定转速为1390r/min、额定电流为1.57A，效率为71%、功率因数为0.75、堵转电流是的5.2倍[6]。
3.2.3就地操作箱设计
电除尘器阴阳极振打控制除了用PLC实现自动控制外，有时还需要人工在现场操作振打机构，以满足设备调试或者人工振打清灰的需要，为此在工作现场设置了就地操作箱。
图3-3所示是第一电场阳极振打控制的完整电路，包含了单台电动机的主回路和控制回路。
图3-3就地操作箱（近控/远控）
由图3-3可见，其中，控制回路中QF11、SL1分别为单极断路器和钥匙开关，小型断路器QF11的型号为DZ47-63/1C6A，钥匙开关SL1型号为LA39-02Y/a，这两个开关串行连接，必须同时开启才能使控制回路得电。
阳极振打操作箱安装在振打工作现场，操作箱上的选择开关SA1是一个三位转换开关，具体型号为LW6-3/B，可以在“就地”、“停止”、“远控”3个位置中选择。
（1）如果SA1选择“就地”位置，交流接触器KM1线圈得电，主回路闭合，电动机得电开始工作。
如果电动机M1在运行过程中处理电路故障，则QF1或者FR1动作，主回路马上断开，FR1的常闭触点断开，控制回路也就断开，交流接触器的线圈失电，主回路断开后，电动机马上停止工作，保护电动机M1免受损坏。
（2）如果SA1选择“远控”位置，交流接触器KM1的线圈得电与否是由PLC控制的，PLC控制柜通常安装在远离振打现场的控制室中。
在这情况下，PLC按照一定的时序关系对振打电机进行运行/停止控制，实现了整个电除尘器振打清灰的自动控制。
当回路中出现短路、缺相、过载等故障时，QF1或者FR1同样能起保护作用。
（3）如果SA1选择“停止”位置，则控制回路不能闭合，振打电机将一直处于停止状态。
3.3I/O分配和PLC接口电路设计
3.3.1I/O分配
用SB1作为电极振打的启动按钮，SB2为停止按钮，为电铃发出报警声而停止的按钮为SB3，电机任一电机发生故障，如短路和过载时，能对电机起到保护作用的热继电器FR动合触点运用到其中，分别为FR1-6，电铃HA为声-报警器；指示灯HL1-6为光-报警器，继电器K1-6分别驱动6个电机，具体I/O端口分配如表3-2所示。
表3-2输入输出分配表
输入信号
输出信号
名称
代号
输入点标号
名称
代号
输出点标号
电极振打启动按钮
SB1
I0.0
电铃
HA
Q0.0
FR1常闭触点
QF1
I0.1
继电器线圈1
K1
Q0.1
FR2常闭触点
QF2
I0.2
继电器线圈2
K2
Q0.2
FR3常闭触点
QF3
I0.3
继电器线圈3
K3
Q0.3
FR4常闭触点
QF4
I0.4
继电器线圈4
K4
Q0.4
FR5常闭触点
QF5
I0.5
继电器线圈5
K5
Q0.5
FR6常闭触点
QF6
I0.6
继电器线圈6
K6
Q0.6
电极振打停止按钮
SB2
I0.7
指示灯1
HL1
Q0.7
电铃停止按钮
SB3
I1.0
指示灯2-6
HL2-6
Q1.0-Q1.1/Q2.0-Q2.2
3.3.2I/OPLC接口电路设计
根据控制要求，设计PLC接口电路如图3-4所示。
其中，“L1”、“N”为PLC的电源输入端，分别接AC220V电源的火线和零线；
“L+”、“M”为PLC的内置DC24V输出端；
“1L”、“2L”、“3L”为主机单元输出点的公共端，和AC220V电源的火线相连；
“1M”、“2M”为主机单元输入点的公共端，和内置DC24V电压的负极相连。
“Q0.1”“Q0.3”“Q0.5”控制继电器的触点，分别用于与一、二、三电场的阳极振打控制箱相连；
“Q0.2”、“Q0.4”、“Q0.6”控制继电器的触点，分别用于与一、二、三电场的阴极振打控制箱相连；
“I0.0”用于接收系统启动按钮SB1的指令，
“I0.7”用于接收系统停止按钮SB2的指令，
“I1.0”用于接收系统报警按钮SB3的指令；
“I0.1-I0.6”用于接收6台振打电动机的故障信号；
“Q0.7”、“Q1.0”、“Q1.1”、“Q2.0-Q2.2”为6台电动机的故障指示灯控制端；
“Q0.0”为系统报警输出端，当PLC接收到任意一台电动机的故障信号输入时，电铃HA发出报警声，同时与故障对应的指示灯亮。
图3-4PLC接线图-----I/O硬件接口图
4系统软件设计
4.1软件设计流程图
绘制软件设计流程图是为了方便在做软件设计这部分时能够有条理不慌乱的进行，而且能够有计划，有目标的进行软件设计。
流程图见图4-1所示。
图4-1软件设计流程图
4.2振打电动机的控制要求
4.2.1振打控制作用分析
众所周知，电除尘器通过施加在电晕极和收尘极之间的高电压作用，使经过其间的烟气粉尘荷电并向收尘极板运动且黏附在收尘极上，达到将粉尘从烟气中分离出来的目的。
为了保证电除尘器稳定、高效、可靠的运行，就要对收尘极板定期进行振打，使收尘极板上附着的粉尘层落入下部的灰斗中，并通过输灰机构输送出去。
除收尘极外，由于一部分正电荷粉尘向电晕极迁移，并黏附在极线上，从而影响电晕线的放电性能，进而影响除尘效果，因此，也必须对电晕极系统进行振打，以保持其良好的放电特性。
要想能够高效的振打除尘就必须要求振打机构在振打时对阳板极和阴极线有一定的振打加速度并且对不同粉尘的振打周期要合理选取。
对于阳极，在粉尘集聚到适当厚度的情况下，利用振打冲击力和一定厚度粉尘所产生的重力作用，使粉尘大片大片的掉落下来。
如果振打的周期太长，粉尘聚集便会变得过厚，使阳极与阴极之间典雅降低，抑制随后的粉尘捕集，而且对高比电阻粉尘容易产生反电晕，影响电除尘器的除尘效率；如果振打的周期太短，振打过于频繁，不仅缩短振打机构的使用寿命，而且容易产生二次扬尘，同样不利于高效除尘。
对于阴极，它的积灰速度相对于阳极来说是较慢的，积灰量也是比较少，而且阴极振打清灰效果比阳极差，阴极振打时产生的二次扬尘也不像阳极振打那么严重[7]。
因此，同一电场阴极振打时间比阳极要长，一天之内的振打次数比阳极要少些。
在多电场的除尘器中，前电场粉尘颗粒较粗，电极捕获的粉尘量多，安排的振打次数也较多，越到后面的电场，粉尘颗粒越细，电极捕获难度也较大，收集量较少，因而振打的次数相应减少[13-15]。
4.2.2振打制度的选取原则
为保证已捕集到阳极板和阴极板线上的粉尘得到有效清除，电除尘器各电场阴阳极的振打周期和振打时间不能随意设定，应有一定的合理安排，即选取合理的振打制度。
其选取原则归纳如下。
（1）同一电场中，阴阳极振打不能同时进行，应交错振打。
（2）前后级电场阴极（或阳极）应交错振打。
（3）前级电场振打周期短，后级电场振打周期长。
（4）若不能满足前后级交错阴阳极交错振打，则至少应满足同一通道交错振打。
（5）设置有双侧振打的机构，前后侧不能同时振打。
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