（控制理论与控制工程专业论文）电除尘控制系统设计与节能算法研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 静电除尘器在减少工业粉尘的排放量、降低大气环境污染、保护生态环境和 人体健康等方面发挥着重要作用。研究和设计静电除尘器供电参数的优化控制对 提高静电除尘器的除尘效率具有重要意义。 本文介绍了电除尘节能控制系统的构成及其功能，提出了基于d s p ，a r m 的 双处理器架构的下位机方案和上位机监控软件设计方案。借助现代网络互联技 术，使得各个电场的控制器通过以太网与上位机监控软件进行数据交互。双处理 的应用增加了系统的实时性，加快了运算能力，同时，以太网技术使得原本孤立 的处理器连接在网络上，为单电场和多电场优化提供了良好的平台。 软件设计上，详细地论述了d s p 电除尘控制软件设计的程序框架和步骤。具 体包括可靠性设计，火花检测及其抑制，通信协议设计，故障和报警，电流控制 算法设计，i o 的功能设计等。 在理论研究的基础上，提出了高效除尘和节能控制策略，包括单电场和多电 场的控制策略。在没有反电晕出现的情况下，可以采用最佳火花率控制，会取得 较高的除尘效率。但当出现反电晕情况下，则需要把二次电流降低到v i 曲线拐 点处，并通过进化算法选择合适的充电比，达到节能的效果。多电场优化是把多 电场作为一个系统考虑。振打功能优化是协调各个电场的振打时序，振打周期， 并采用降功率振打技术来优化。在除尘器除尘能力盈余的情况下，引入浊度闭 环，调整各电场之间的功率分配，达到节能的目的。把这些策略整合到d s p 控制 器中，使得电除尘器能够根据工况变化，实时的调整供电参数，使除尘器运行在 最佳状态。 工程实践表明，本文提出的节能控制策略能够适应高比电阻粉尘和低流速工 况，在保证烟气排放符合规定标准的前提下，达到经济运行和节能降耗的目的。 关键字：节能控制系统，d s p ，浊度闭环反馈，振打优化，反电晕优化 电除尘节能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r sa c ta l li m p o r t a n tr o l ei nd e c r e a s i n gt h ed u s tp o u r e di n t ot h e a i r ，p r o t e c te n v i r o n m e n ta n dh u m a nh e a l t h i ti sv e r yi m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gt h e e f f i c i e n c yo ft h ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r st oo p t i m i z et h ec o n t r o lp a r a m e t e rs u c ha s c h a r g er a t i oa n ds e c o n dc u r r e n tl i m i t a t i o n i nt h i sp a p e r , d u s t ，t h ec o m p o s i t i o no fe n e r g y - s a v i n gc o n t r o ls y s t e ma n di t sf u n c t i o n s ， b a s e do nt h ep r o p o s e dd s p , a r md u a l - p r o c e s s o ra r c h i t e c t u r et ot h en e x tc r e w m o n i t o r i n gp r o g r a m m ea n dp cs o t w a r ed e s i g n w i t hm o d e mn e t w o r k i n g t e c h n o l o g y , m a k i n ga l lt h ee l e c t r i cf i e l dt h r o u g ht h ee t h e m e tc o n t r o l l e ra n dt h eh o s t c o m p u t e rm o n i t o r i n gs o f t w a r ef o rd a t ae x c h a n g e d u a l p r o c e s s i n ga p p l i c a t i o nt o i n c r e a s et h es y s t e m sr e a l t i m e ，s p e e du pt h ec o m p u t i n gp o w e ra tt h es a m et i m e ， e t h e m e tt e c h n o l o g ya l l o w st h ep r o c e s s o rw a so r i g i n a l l yi s o l a t e dc o n n e c t e dt ot h e n e t w o r k ，f o rs i n g l e a n dm u l t i f i e l do p t i m i z a t i o no ft h ee l e c t r i cf i e l dp r o v i d e dag o o d p l a t f o r m s o f t w a r ed e s i g n , d e t a i l e dd i s c u s s i o no ft h ed s pe s pc o n t r o ls o f t w a r ed e s i g n p r o c e s sf r a m e w o r ka n dt h es t e p s i n c l u d i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h es p e c i f i cd e s i g n ， s p a r k sa n di t ss u p p r e s s i o n ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o ld e s i g n ，f a u l ta n da l a r m ，t h e c u r r e n tc o n t r o la l g o r i t h md e s i g n ，i of u n c t i o n a ld e s i g n i nt h e o r yo nt h eb a s i so fp r o p o s e de n e r g y s a v i n ga n de f f i c i e n td u s tc o n t r o ls t r a t e g y , i n c l u d i n gs i n g l e - a n dm u l t i - e l e c t r i cf i e l dc o n t r o ls t r a t e g y i nt h ea b s e n c eo fa n t i c o r o n a t h ec i r c u m s t a n c e s ，t h eu s eo fb e s ts p a r kr a t ec o n t r o l ，w i l lh a v eah i g h e rc o l l e c t i o n e f f i c i e n c y b u tw h e na n t i c o r o n ac i r c u m s t a n c e s ，s h o u l db er e q u i r e dt or e d u c et h e c u r r e n ts e c o n d a r yv ic u r v ei n f l e c t i o np o i n t , a n dt h r o u g he v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m st o c h o o s es u i t a b l et h a nt h ec h a r g e ，r e a c h i n ge n e r g y - s a v i n ge f f e c t m o r ea n dm o r e e l e c t r i cf i e l di st oo p t i m i z et h ee l e c t r i cf i e l da sas y s t e mt oc o n s i d e r r a p p i n go p t i m i z e t h ef u n c t i o ni st oc o o r d i n a t et h ev a r i o u se l e c t r i cv i b r a t i o nt i m i n g ，v i b r a t i o nc y c l e ，a n d ad r o p - p o w e rt e c h n o l o g yt oo p t i m i z et h ef i g h t p r e c i p i t a t o rd u s ti nt h ec a p a c i t y s u r p l u s ，t h ei n t r o d u c t i o no fc l o s e d l o o pt u r b i d i t y , a d j u s t i n gt h ed i s t r i b u t i o no fp o w e r 电除尘节能控制系统设计i i 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t b e t w e e nt h ee l e c t r i cf i e l dt oe n e r g y s a v i n gp u r p o s e s t h e s es t r a t e g i e si n t e g r a t e di n t o t h ed s pc o n t r o l l e r , m a k i n ge s pa c c o r d i n gt o c h a n g e si nw o r k i n gc o n d i t i o n s ， r e a l - t i m ea d j u s t m e n to ft h ep o w e r s u p p l yp a r a m e t e r s ，t h ep r e c i p i t a t o ro p e r a t i o ni nt h e b e s tc o n d i t i o n e n g i n e e r i n gp r a c t i c ei n d i c a t e st h ee n e r g ys a v i n gs t r a t e g i e st h i sd i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e sc a na d a p th i g hr e s i s t a n td u s ta n dl o ws p e e dd u s t i tc a nf u l f i l lt h ep u r p o s e o fe n e r g yc o n s e r v a t i o nb u ta l s og u a r a n t e et h ee f f i c i e n c yo fd u s tc o l l e c t i o n k e yw o r d ：e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r se n e r g ys a v i n gs y s t e m , d s p , r a p p i n g o p t i m i z a t i o n ，b a c kc o r o n af a u l to p t i m i z a t i o na n dt u r b i d i t yf e e d b a c ko p t i m i z a t i o n 电除尘节能控制系统设计 i i i 浙江大学碗上学位论史 1 。1 概述 第1 章绪论 在人类的生产活动中，随着生产规模的扩大，环境污染如水污染、空气污染、 废物污染、化学污染、嗓音污染、热污染等日趋严重。粉尘是造成空气污染的主 要污染物之一。据统计全世界每年向大气中排放人为污染物的总重量估计为6 亿多吨，其中粉尘约占1 6 。煤炭加工、采矿、电力、冶金、炼油、化工、造纸 等工业都是粉尘的排放源。工业粉尘的大量排放，不仅会危及人体健康，在某些 情况下还会造成大量贵重材科的流失。 为了减少工业生产中粉尘的排放量，保护大气环境，人们采用各种除尘装置 来控制污染源排放的颗粒物对大气的污染。根据除尘机理不同，除尘器分为利用 颗粒自身的重力除尘的各种沉降室、各类旋风除尘器；利用水来除尘的各种湿式 除尘器；利用各种过滤材料来除尘的过滤式除尘器，其中用得最多的是利用高压 静电场力来除尘的各种高压静电除尘器。 当前，我国的经济建设高速发展，人民的生活水平不断提高，社会对环境保 护的要求也越来越高，作为控制固定污染源中颗粒物对大气污染的主要设备 除尘设备面临巨大的发展机遇。 利用电力将粉尘从气流中分离出来的设备称为电除尘器，又称静电除尘器。 实际上，用“静电”作为这种除尘器的名称并不确切，因为在电除尘器中尘粒所 带电荷和气体离子产生的小电流都不是真正的“静电”。但由于一般趋向于把所 有高电压小电流的现象都包括在静电的范围内，所以有不少人把这种除尘器称为 静电除尘器。 电除尘器的主要优点五口下【1 l ： ( 1 滁尘效率高，对小至0 1i tm 的粉尘仍有较高的效率。 ( 2 ) 可以处理大风量。随着工业的发展，应用于生产的大型设备日益增多， 所要求处理的烟气量也大为增加。如5 0 0 t 平炉的烟气量近5 x1 0 5 m 3 h 以上，6 1 0 5 k w 汽轮发电机所配锅炉的烟气量在3 0 1 0 5 m 以上，如果采用袋式除尘 器，需要3 万多条滤袋( 按袋径1 2 0t u n a 、高2 o m 、过滤风速2 5 m r a i n 计算) ，而 电除尘节能控制系统设计 浙 学域i 学位论女 用电除尘器，选用断面为2 4 0 m 2 的4 台就完全能够满足要求。 ( 3 ) 阻力低( 仅1 5 0 3 0 0 p a ) ，耗电少，运行费用低。 ( 4 ) 能处理高温烟气。一般情况下电除尘器可在3 5 0 4 0 0 x 2 下工作。目静为 满足高温高压下煤气进入透平发电及其他一些工业的需要，高温高压电除尘器工 作温度可达1 2 0 0 k ( i 作压力1 l 1 0 5 p a ) 。 ( 5 ) 电除尘器的操作控制的自动化程度高。 图1 1 电除尘器本体 电除尘器的缺点如f 。 ( 1 ) 次投资高，钢材消耗量较大。 ( 2 ) 电除尘器通常要求较高的制造安装精度，否则不能保证其正常高效运行。 ( 3 ) 电除尘器由于电场风速较低而占地面积较大。 ( 4 ) 电除尘器对所处理的粉尘比电阻有一定的要求，通常认为城适直的范围 是1 0 4 5 1 0 ”o c m 。在此范围以外，采用电除尘器就要有相应的措施，才能 保证必需的除尘性能”i 。 1 2 电除尘原理 电除尘器是利用直流高压电源产生的强电场使气体电离，产生电晕放电，进 而使悬浮尘粒荷电，并在电场力的作用下，将悬浮尘粒从气体中分离出来并加以 捕集的除尘装置 电除尘器有许多类型和结构，但它们都是由机械本体和供电电源两大部分组 成t 都是按照同样的基本原理设计的。与直流高压电源输出端相连的金属线叫电 晕檄( 也称阴极或放电极) ，接地的金属极板叫集尘极( 也称阳极或收尘极) 。电 晕极置于极板的中心，在两个曲率半径相差较大的电晕极和集尘极之间施加足够 电昧尘节能挣制系统投汁 浙江大学硕上学位论文 绪论 高的直流电压，两极之间便产生极不均匀的强电场，电晕极附近的电场强度最高， 使电晕极周围的气体电离，产生电晕放电。电压越高，电晕放电越强烈。在电晕 区气体电离产生大量自由电子和正离子，在电晕区外( 低场强区) 由于自由电子 动能的降低，不足以使气体发生碰撞电离而附着在气体分子上形成大量负离子。 当含尘气体从除尘器下部进气管引入电场后，电晕区的正离子和电晕区外的负离 子与尘粒碰撞并附着其上，实现了尘粒的荷电。荷电尘粒在电场力的作用下向电 极性相反的电极运动，并沉积在电极表面，当电极表面的粉尘沉积到一定厚度时， 通过机械振打等手段将电极上的粉尘捕集下来，从下部灰斗排出，而净化后的 气体从除尘器上部出气管排出，从而达到净化含尘气体的目的。 电除尘器的工作原理 卜电晕线；2 一电子：3 一离子 4 一粉尘颗粒：5 一阳极板 图1 2 电除尘器工作原理 综上所述，静电除尘器的除尘过程可概括为以下四个阶段；气体的电离； 粉尘的荷电；荷电粉尘的沉集；清灰。为了充分发挥静电除尘器的除尘作 用，提高其性能，扩大应用范围，必须对电晕的形成方式、气溶胶粒子的荷电过 程、荷电粒子在静电场中的运动以及粉尘在集尘极上的沉积规律等基本理论作深 入的研裂引。 1 3 电除尘器应用 静电除尘器在实际应用中通常有以下几种应用方式。 ( 1 ) 高压静电除尘 高压静电尘是应用静电除尘的原理对分散产尘点进行粉尘控制的一种方法， 电除尘节能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文绪论 可以用于皮带转运点、破碎机、振动筛等产尘点。 高压静电不但应用于局间地点，也可把电晕线架设在车间内。对电晕线施加 足够的负高压，在电晕线与“地之间形成强大的静电场。附近的物体如物料、 砂、砖、木板、结构物等均起着集尘极的作用。在静电场作用下，带电尘粒将直 接返回尘源，实现粉尘的就地抑制。采用静电除尘，可以不设排风系统，节省能 源，消除了风机噪声。在寒冷地区冬季不需对车间进行补风，有利于节能。 ( 2 ) 静电强化的除尘器 即将静电除尘机理的应用其它类型的除尘器，形成复合机理的除尘器，如静 电袋式除尘器、静电湿式除尘器、静电旋风除尘器、静电颗粒层除尘器等，其中 有的已经在生产中应用。 1 ) 静电袋式除尘器 利用静电强化袋式除尘器，可降低除尘器阻力、增大处理风量、提高除尘效 率。 目前采用的形式有以下几种： 器外预荷电的袋式除尘器。在粉尘进入袋式除尘器之前用预荷器使粉尘荷 电。预荷电器可以采用不同的形式，例如在入口管道中心设高压放电极。 预荷电脉冲除尘器。在脉冲袋式除尘器每条滤袋的下部串接一短管荷电 器，其中心为放电极，气流通过短管时尘粒荷电，再进入到滤袋内。滤袋清灰时， 压缩空气喷入袋内，以清除滤袋上的积灰，并吹扫短管荷电器的放电极和收尘表 面。 表面电场的袋式除尘器。它是利用每条滤袋中的骨架竖条间隔作正、负极， 这样沿滤袋表面形成电场。气流通过滤袋时，在电场力和过滤双重机理作用下， 使细小粉尘捕集。 2 ) 静电强化的湿式除尘器 用静电强化湿式除尘器，主要有三种方式： 尘粒与水滴均荷电，但极性不同。在两者之间产生静电力，加强水滴与尘 粒的接触，使粉尘加湿，凝聚成更大的颗粒，便于捕集。 尘粒荷电，水滴为中性。当荷电尘粒接近水滴时，使后者产生镜象感应电 荷。在两者间产生吸引力( 镜象力) ，使尘粒与水滴接触。 电除尘节能控制系统设计 4 浙江大学硕士学位论文绪论 水滴荷电，尘粒为中性。当两者接近时同样会产生镜象感应电荷，在镜象 力作用下，使尘粒加湿、凝聚。 静电强化的湿式除尘器的结构形式很多，主要是在传统的除尘器中加以应 用，例如在通常的喷淋塔中，可以在入口加电晕荷电器，使尘粒荷电，有的则在 喷嘴上通过感应效应，使水滴荷电。 3 ) 静电强化的旋风除尘器 利用静电强化的旋风除尘器通常在旋风除尘器中心设置放电极，利用筒体的 外壁和排出管的管壁作为集尘极。在静电力的作用下，可以使尘粒获得较大的向 外的径向速度，有利于尘粒的捕集。试验研究表明，静电旋风除尘器的除尘效率 较不设静电的有较大提高。在静电旋风除尘器中，有一个最佳的进口速度，使静 电力和离心力的作用得到最佳组合。 1 4 电除尘技术发展 我国电除尘器发展是从上个世纪七十年代初期开始的。虽然我国电除尘器的 应用起步较晚，但随着我国经济建设的快速发展，工业设备的大型化和我国以煤 为主要燃料的能源结构，为我国电除尘器的发展提供了更为广阔的应用前景。应 用领域重点也正由原来的冶金工业和有色金属工业逐步向电力工业和建材工业 转换。到目前为止，我国电除尘器的主要用户为电力工业( 约占6 5 7 0 ) 、建 材工业( 约占1 6 1 8 ) 。随着国民经济的高速发展，综合国力的提高，环保投 入的增加以及对环境质量要求的日益严格，我国电除尘器的应用将进一步扩大。 1 9 7 2 年以前的探索时期，主要特征是仿造和试用。电晕极为细圆，技术水平 较低。我国最早使用的一台电除尘器，是解放前1 9 3 6 年安装在本溪工农兵水泥 厂，其断面积为3 6 平方米。1 9 5 4 年仿造了第一台电除尘器，1 9 6 5 年对电除尘技 术开始进行科学研究，直到1 9 7 0 年，我国投入运行的电除尘器总台数约2 0 0 台， 主要用于有色金属冶炼中贵金属的回收，及建材行业有用物料的回收。1 9 7 2 年 以后的发展时期，主要特征是研制、引进、吸收、提高，电除尘技术水平迅速发 展。这个时期内，7 0 年代初期和中期，完成了3 一- 6 0 平方米九种规格的s h w b 电除尘系列化设计，首次形成了通用电除尘器系列产品。7 0 年代末至8 0 年代初， 通过对系列化产品使用几年的实践总结，并对当时引进r u t h m u b l e 公司的1 7 3 平 电除尘节能控制系统设计 5 浙江火学硕上学位论文 绪论 方米和e l c x 公司8 1 9 平方米电除尘器进行消化吸收，结合自己近1 0 年的研究成 果，各工业部门先后开展了新型电除尘样机的研制和新的电除尘器系列化设计， 如冶金工业部先后研制的成功用于武钢的6 0 平方米，大冶有色金属公司的4 0 平方米的电除尘器样机。建材行业完成c d w y 和c d w h 两类电除尘器系列设 计。8 0 年代中期以来，为了满足日益严格的环境质量要求，国家科委将“高效 除尘技术的研究”列入“七五 攻关项目，开展了宽间距电除尘器、脉冲供电电 源、烟气调质和板线配置的研究等。我国还先后引进瑞典f l a k t 公司、德国l u r g i 公司、美国g e 公司等世界知名公司的先进电除尘技术，对促进我国电除尘技术 水平的提高也发挥了重要作用。 近十年来，我国加强了对除尘技术的研发，其主要的研发重点有： ( 1 ) 移动电极式电除尘器，考察引进合作和小型样机实验都在紧张进行之中； ( 2 ) 电袋复合型高效除尘器，工业样机已完成现场安装； ( 3 ) 具有专利技术的双区双复式新型除尘样机已经投用； ( 4 ) 我国自行研制并在国际上获奖的透镜式电除尘器，研发者拟申报8 6 3 计划，以 求尽快形成商用产品； ( 5 ) 对电除尘供电具有革命性创新的新型高频开关电源装置，有的单位已完成定 型，有的单位已生产出4 0 0 m a 、6 0 0 m a 的实验样机，但应用效果尚待验证； ( 6 ) 节能型电除尘器系统的开发是广泛关注的热点。开发电除尘远程智能适配控 制，按d c s 系统采用软连接方式实现对电除尘系统的监控，以公共信息网为传 媒，远程对电除尘系统进行监控和专家系统诊断服务。 ( 7 ) 电一袋式除尘器。充分发挥了电除尘器和袋式除尘器各自的优势。具有： 除尘效率高，对微细粉尘分级除尘效率高；除尘效率不受粉尘特性及风量影响， 效率稳定，适应性强；压降小，滤袋寿命长等特点。 1 5 课题研究的意义 十一五期间，国家明确提出要建设环保型社会。电除尘器在除尘方面发挥着 巨大的作用，并广泛应用于煤炭加工、采矿、电力、冶金、炼油、化工、造纸等 行业。然而，电除尘器是一个十分耗电的装置。 以处理8 0 0 0 m 3 h 的烟气量为例，每个电场收尘面积约2 5 0 0 3 0 0 0 平方米，每 电除尘节能控制系统设计6 浙江大学硕士学位论文 绪论 个电场的高压供电设备的额定输出电压为7 2 k v ，额定输出电流为1 0 0 0 、1 5 0 0 n f f t ， 所以平均输出额定功率为e p 在运行时二次电压约为5 0 6 5 k v ，二次电流一般为 6 0 0 1 0 0 0 m h ，现取二次额定电压的8 0 ，h p 7 2k v 8 0 = 5 7 6 k v ，二次额定电流 的7 0 ，即1 2 5 0m a x 7 0 = 8 7 5 m a ，则运行时的平均功率5 0 4 k w 。八台高压供电 设备共计消耗电5 0 4k w 8 = 4 0 3 k w 。以0 5 元一度电计算，一个月就要耗费1 5 万元的电费。如果能节能5 0 ，经济效益十分乐观。因此如何充分挖掘电除尘器 的能量管理和控制潜力，把计算机技术、现代控制技术应用于电除尘器，以改善 设备的利用状况，提高电除尘器的运行、维护、管理水平，是摆在我们面前的一 个重要的课题。 目前绝大多数运行的电除尘器都是通过运行人员根据机组运行情况手动运 行的。这种手动运行方式的弊端是很明显的，如果电除尘器运行电压控制太低的 话，就有可能导致烟气排放浓度达到排放标准，而如果电除尘器一直满功率运行 的话，烟气排放虽然达标，但却造成电除尘器电耗增加，增大机组的运行成本。 再则，这种手动运行方式不能适应燃烧煤种的煤质变化，因此无论从环保角度还 是从节约成本的角度考虑，都需要对其进行自动控制。 1 6 本文所做的工作 本文的主要工作是采用嵌入式技术实现电除尘系统d s p 控制器的设计，并在 控制器中采用节能的控制策略。具体包括： 1 构架d s p 软件框架，编写应用程序 2 设计通讯协议，编写通讯程序。 3 根据电场特性简化的供电模型设计电流控制算法。 4 根据功能说明，编写y o 的应用程序。 5 开发节能控制算法，包括振打时序优化，浊度闭环优化，反电晕节能优化。 电除尘节能控制系统设计 7 浙江大学硕上学位论电除尘节能控制系统总体方案 第2 章电除尘节能控制系统总体方案 2 1 概述 随着人类环境保护意识的增强，电除尘器因其高效率、低能耗而得到越来越 广泛的应用。就其控制方式而言，因具体应用场合不同而形式各异，难以用一种 固定的配置覆盖各种各样的设计。因此，如何提高电除尘器系统的自动化水平及 控制能力，同时使产品的设计、制造更加灵活，工作量减少，是一个很有现实意 义的课题。 计算机技术、电力电子技术、网络通讯技术、自动控制技术等的发展，使得 单台微机控制的电除尘器高、低压设备通过通讯电缆组成工业控制网络，实现集 散控制的设想成为可能。 电除尘器节能控制系统实现了电除尘器工艺过程的自动控制、智能化闭环控 制、网络化通讯和数据库管理，使得电除尘器不仅在设备的技术水平上，而且在 生产运行管理和设备维护上跟上了世界最新的科技发展趋势，享受计算机技术革 命、i n t e m e t 浪潮带来的便利。它采用“分散控制，集中管理”的原则，将分散 在工业现场的电除尘器各电场供电电源、低压配套设备的控制处理连结成一个分 布式网络，对电除尘器实施远方监控，实现遥控和集中管理，大大提高电除尘器 的效率和工作质量，减少操作人员，降低运行维护费用，提高运行管理档次。本 章将从整体上给出一种电除尘器节能控制系统的总体方案。 2 2 电除尘节能系统的主要功能 2 2 1 数据显示，参数设定 主机应从下位机获得电除尘设备的运行参数和状态信息。通过各种点检测装 置获得浊度信号，锅炉信号，温度，压力和其他电除尘器的运行、管理密切相关 的参数。在系统软件的管理下，生成运行报表、运行趋势、报警记录，并能以图 形、表格、曲线、文本等方式进行存储、显示和打印。记录历史运行参数主要包 括高压运行参数、各电场的伏安特性曲线、所有高低压设备的故障报警、所有高 电除尘节能控制系统设计8 浙江大学硕士学位论电除尘节能控制系统总体方案 低压设备的启停、高压投运率、各电场运行功率及总功率、各浊度仪的浊度值、 用户操作、系统投运情况等，以上各种记录均自动完成，可以随时提供用户查询， 追踪设备的运行情况，为维护和检修设备提供依据；伏安曲线保存，可供用户对 不同阶段的电场特性进行比较。以上所有记录的参数均可随时打印输出存档。对 于由本系统运行产生的各种数据，可按时间、各电场等多种方式进行查询浏览， 并存档打印；对于故障的历史记录，可按故障发生的时间、类型、发生的频繁次 数查询，并进行统计，可将选定范围内的记录进行打印；对相关的数据可做出日 报表、月报表、季报表、年报表等；还可对数据进行统计，如设备的投运率、出 现的故障次数、开机和停机时间等，生成显示运行趋势曲线、报警记录并以图 形、表格、曲线、文本等或按用户要求打印输出。主要曲线有：伏安特性曲线， 各电场电流及电压曲线，出口粉尘浓度曲线，各加热点温度曲线，除尘效率曲 线，电压、电流的重复波形与瞬时波形，提供更多的信号量用于专家对故障进行 分析处理等。另外，系统可自动显示记录各设备的运行参数和工作状态并留下历 史档案，这些记录为设备运行状态评价和检修工作提供了很好的帮助。针对不同 要求可以对数据进行实时曲线显示或历史曲线显示，并可用不同的图线类型显 示出来，如二维曲线图、柱状图、三维立体图等。系统还提供数据压缩功能，节 省磁盘空间，改善系统性能【1 9 1 。 2 2 2 专家系统故障诊断 以信号监测量为基础，以知识库为依据，按照一定的推理机制，提供一套诊 断型专家系统。首先建立预报算法对一些重要的运行参数进行在线监测，当监测 值异常时可调用专家系统进行实时诊断，或者当电除尘设备发生故障时，该系 统能及时发出报警，同时调用知识库里的相关内容帮助用户分析故障原因，指 导运行维护人员及时判断和解决故障。并且将故障发生时间、类型、原因及解决 方案存入故障库，供以后查询。利用诊断的结果，及时给运行人员一些必要的提 示和操作指导，这对于防止设备在运行过程中由参数异常变为事故，或者避免事 故进一步扩大是很有必要的。该系统还可以对事故或故障原因进行分析，并给出 解决办法，同时使运行人员从中学习到专家系统的推理过程，用以提高运行人 员的水平和技能。 电除尘节能控制系统设计9 浙江大学硕士学位论电除尘节能控制系统总体方案 电除尘器故障诊断步骤是：通过后台调用电除尘器实时参数，经过一定的推 理机制和调用专家知识库中的理论知识判断电除尘器是否正常工作，如果有异常 现象则会通过故障图标显示出来，此时点击故障界面可以知道具体的故障原因和 处理方法。推理机制和专家知识的调用采用动态链接库，该库采用v c 语言编写， 将推理机理与专家知识相结合，进而形成动态链接库，被该系统调用。 需厩 l 数据|l 取v 日什i 图2 - 1 专家系统故障诊断系统 2 2 3 参数的综合优化功能 系统可自动测试电场动态伏安曲线，自动分析电场内部工况特性，检测反电 晕程度和放电能力，通过分析可选择最佳工作方式和振打程序，实现优化控制。 实现以提高除尘效率为目的的整体参数优化设计出效率优化模型，以浊度仪 传送过来的浊度信号为反馈信号，对高压供电、低压振打优化组合，防止粉尘二 次飞扬1 2 0 l 。 a 电机振打最优化控制为防止二次扬尘，提高除尘效率，减少振打能量损耗， 可以选择振打最优化控制。当选择振打最优化控制程序时，系统根据出口烟 道浊度数值和有关参数自动调整振打周期、时间或强度，振打时序图可由系 统c r t 显示，据此来综合判断振打效果，最后自动调整到最佳的振打控制方式。 b 断电或减少供电功率振打根据工况及粉尘性质当启动振打，可自动关闭或减 小相应的高压供电装置的供电功率，振打过后又恢复正常供电。保证除尘效率 前提下的节能以烟道浊度为反馈信号的闭环控制的能量管理系统可根据电除 电除尘节能控制系统设计1 0 浙江大学硕上学位论电除尘节能控制系统总体方案 尘器出口烟尘排放浓度反馈信号，通过高压控制柜自动调整各t r 设备输出功 率，在保证烟尘排放达标基础上，降低输入电量，节约电耗。系统可通过设定 对话框和能量设定滚动条，较容易地完成能量升降点和幅值的调节与设定。 能量管理功能主要应用于以下2 种工况条件： a 在高比电阻条件下的反电晕工况中收集烟尘，提高除尘效率。利用高压控制 设备先进的反电晕搜索技术能迅速准确地监测到反电晕的发生。当运行在间 隙脉冲供电模式时，则自动计算运行参数、供电占空比。 b 电除尘器有效运行的同时，还有足够富余的收尘能力。在维持达标排放的情 况下，系统通过烟尘浊度检测仪和自动电压控制器的闭环控制，尽可能降低 电量的消耗，从而起到节能的功效。实际运行过程中，可检测和显示出口烟 道的浊度，通过闭环控制，控制各台t r 的工作方式和输出功率，使出口烟道 的浊度保持在设定的上、下限之间。在控制过程中计算机系统定时地取得各 电场的伏安曲线，在需要增加或减少电除尘器供电功率时，首先判断每个电 场的电流和电压在伏安曲线上的相应位置，并根据该运行点的伏安曲线斜率 决定是否对该电场进行功率调整。需增加供电功率时，先从运行点斜率小的 电场开始增加；需减小供电功率时，则先从运行点斜率大的电场开始减小， 从而使电除尘器维持运行在最节省电源功能的最佳状态。总之，当烟气浓度 超过设定值时，由主机改变高压供电装置的运行参数、供电方式及配合方式， 进一步增大电场的电晕电流密度，提高整体除尘效率；当烟气浓度大大低于 排放标准时，主机则逐步试探性地以一种较为节电的供电方式运行设备，如 果有较大的余量，则进一步调低电场控制电压，以达到节能的目的t 2 4 。 2 2 4 其它功能 除上述主要功能之外，系统还提供一些其他常用功能，包括系统启动自检查 功能、通讯和网络功能、操作权限管理功能、设备启停及手动、自动、远动操 作功能、控制参数的设定功能、运行状态显示及工作方式调整功能、缺省值库管 理功能、事件报警功能、帮助功能、统一网络时间功能和系统组态功能等 电除尘节能控制系统设计 浙江大学硕士学位论 电除尘节能控制系统总体方案 2 3 电除尘器节能控制系统构成 电除尘器节能控制系统由1 台工业控制机( 简称工控机) 和一定数量的远程计 算机终端等组成上位机控制系统；由电除尘器高、低压控制设备及烟尘检测仪组 成下位机控制系统。各下位机设备通过扩展的以太网接口实现与上位机联网。工 控机通过以太网络监控各下位机的运行。上位机通过除尘器出口的粉尘浊度检测 仪测量信号，以及下位机提供的电场动态伏安曲线族、实时波形等构成电除尘器 的闭环控制，实现除尘器最优化运行。各下位机设备既可在上位机监控下运行， 又可脱机自动运行，并且所有运行参数可在本地或远方进行设定，最终实现下位 机实时分布控制和上位机集中管理与优化控制。同时，工控机以o p c 方式与电 厂d c s 联网，实现电厂管控一体化。远程计算机终端通过特定客户端软件，与 现场控制机上运行的服务器程序互联，便可实现远程监控和技术支持。 2 3 1 上位机设计 静电除尘器系统示意图 图2 2 电除尘器节能控制系统构成 控制全部电场的中央机控制器系统，包括一台工业控制机、显示器、u p s 电 源、打印机和操作键盘等，是该控制系统的中枢。它接收下位机的信号，除显示、 电除尘节能控制系统设计1 2 浙江大学硕士学位论电除尘节能控制系统总体方案 打印、存储外，还按程序要求监控下位机运行方式和数据。主控机抗干扰能力强， 具有容量大、防尘、防震等功能。 2 3 2 下位机设计 采用多处理器构建高起点、大资源的硬件平台，有效地解决了制约系统性能 提高的两个问题，一是将高低压控制功能合一后，由于单台装置控制对象的增加， 客观上对系统硬件的处理能力有更高的要求。采用多处理器构建高起点、大资源 的硬件平台，有效地解决了制约系统性能提升的硬件瓶颈问题。二是电除尘器电 源从本质上来讲是一个实时控制系统，控制的实时性是系统重要的性能指标。例 如，火花的捕捉和处理对电除尘器电源来讲是非常重要的控制内容，当电厂内产 生火花放电后，电除尘器电源必须能够及时地捕捉到火花的产生并进行处理，降 低火花产生后下一个供电半波的供电电压。如果电除尘器电源设备没有捕捉到火 花的产生或没有及时处理，将有可能在电场内产生拉弧，对本体和电源设备产生 危害。 从提高整个系统的控制实时性和可靠性的角度出发，将除尘器的控制器分解 成高低压设备控制模块和人机交互控制模块两个部分。各部分严格分工，各司其 职，并独立地进行设计。高低压设备控制模块采用t i 公司的d s p 处理器，专门 用于电除尘器高压供电和低压设备的控制，工作的实时性非常强，该模块运行于 高速状态，负责初级电压电流、次级电压电流、温度、放电火花及偏励磁等信号 的采集处理，及相关控制算法的实现，输出的控制信号控制可控硅导通角的大小； 人机交互控制模块采用a r m 处理器，用于处理模式选择、数据存储、网络通讯、 实时时钟等事务，相对来说工作的实时性要求较弱，该模块可工作于较低速度状 态。 电除尘节能控制系统设计 浙江大学硕士学位论 电除尘节能控制系统总体方案 d s p 图2 3 控制器d s p 部分设计方案 人机交互部分，在a r m 7 处理器外围扩展以太网控制芯片，并移植t c p i p 网 络协议栈，构建以太网服务器端。上位机( 工业控制计算机) 通过软件的编写， 运用s o c k e t 模块，构建以太网客户端程序。由此通过以太网这个物理链路使得上 位机和控制器之间建立连接。通过显示器设备将控制器采集到的实时数据、运行 参数及控制器信息传递给用户。用户可以通过键盘、鼠标等输入设备设置参数， 传递指令。 a r m 回 电除尘节能控制系统设计 图2 4 控制器a r m 部分设计方案 1 4 浙江大学硕上学位论电除尘节能系统d s p 软件设计 第3 章电除尘节能系统d s p 软件设计 采用t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列。该数字信号处理器为3 2 位定点d s p 控制 器，是目前控制领域最先进的处理器之一。其频率高达1 5 0 m h z ，大大提高了控 制系统的控制精度和芯片处理能力。芯片基于c c + + 高效3 2 位d s p 内核，并提供 浮点数学函数库，从而可以在定点处理器上方便地实现浮点运算。 处理器集成了1 2 8 k b 的f k h 存储器，4 k b 的引导r o m ，数学运算表以及2 k b 的o t pr o m ，从而大大改善了应用的灵活性。1 2 8 位的密码保护机制有效的保护 了产品的知识产权。优化过的事件管理器包括脉冲宽度调制( p w m ) 产生器、 可编程通用计时器，以及捕捉译码器接口等。1 6 通道高性能1 2 位模数转换器 ( a d c ) ，吞吐量每秒可达1 6 7 m b 的采样，其双采样装置可实现控制环路的同 步采样。芯片外设通过外围总线连接至f j c p u 的内部存储器接口上，具有以下模块： 事件管理模块，模数转换模块，s p i 和s c i 通信接口，通用目的数字量g p i o ，c a n 总线通信模块、多通道缓冲串口等接口【5 1 。 3 - 1 程序框架 主程序采用单任务循环的程序结构。目的是提高系统响应中断的实时性，避 免了操作系统分时的缺点。d s p 上电后，先进行模块的配置，包括a d 采样模 式的选择，系统时钟频率，看门狗等等。接下来是系统上电自检。有 a d ，r a m ，e e p r o m ，通信等。这就提高了可靠性，确保参数的正确。最后就是一 个死循环，主要做一些非实时的处理。有i o 输入输出处理，上位机通信队列处 理，控制参数更新等。 实时操作则需要在中断进行。包括可控硅输出，双口r a m 的读写，采样一 次电压，一次电流，二次电压，二次电流信号。 电除尘节能控制系统设计1 5 浙江大学硕士学位论 电除尘节能系统d s p 软件设计 3 1 主程序流程图 3 2 数据测量与信号处理 电压电流的测量及参数的设置：其中实时测量值包括一次电源端电压有效 值、电流有效值、电流平均值、有功功率、视在功率；二次电源端电压平均值、 电压峰值、电压谷值、电流平均值、电流峰值和电流密度。 图3 2 二次侧的电压峰值，平均值和谷值 一次侧电源输入为3 8 0 v 交流，5 0 h z 工频电压。由两个反极性并联的可控硅 控制触发，即对每个半波进行控制，控制周期缩短为1 0 m s 。兼顾到波形拟合性 电除尘节能控制系统设计 1 6 浙江大学硕士学位论 电除尘节能系统d s p 软件设计 和计算的便利性，选取采样点数为每个半波6 4 个点，即每1 0 m s 采样6 4 个点。 采集数据包括一次侧电压、电流和二次侧电压、电流。统计完每个半波的数据后， 再对1 2 8 个半波( 1 2 8 秒) 的数据进行累加求和。统计后的数据需上传到上位机， 供有关技术人员监控。 效值= 压可 在= 丽 p 暑效= 己效值木i 有效值 图3 3 一次侧电压波形与功率计算 电除尘系统运行于复杂的工况环境，受外界信号干扰严重，需要对测量信号 进行滤波。 本控制器中采用的滤波方法有： 1 一阶滞后滤波澍7 】 取a = 0 1 。本次滤波结果= ( 卜a ) 木本次采样值+ a 木上次滤波结果： 对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频率较高的场合。但相位滞 后，灵敏度低，滞后程度取决于a 值大小。不能消除滤波频率高于采样频率的1 2 的干扰信号。 设计中选取a = 0 5 。 2 加权递推平均滤波法 即不同时刻的数据加以不同的权重。通常是，越接近现时刻的数据，权取得 越大。给予新采样值的权系数越大，则灵敏度越高，但信号平滑度越低。适用于 有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统。但对于纯滞后时间常数较 小，采样周期较长，变化缓慢的信号不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度， 滤波效果差。 在控制系统中，需要对测量值进行加权递推平均滤波法。设计中选取n = 4 ， 保存最近4 个点的值，权重取1 2 ，