（控制理论与控制工程专业论文）电除尘器智能控制系统设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 在传统应用中，每台电除尘控制器负责控制单个供电分区的电场工作，由于 网络通讯功能有限，各控制器的控制工作相对孤立，相互之闯缺乏必要的协调合 作，各种优化算法也仅限在单个供电分区内进行，因此，整体优化效果并不明显。 随着国家对烟尘排放标准提出更加严格的要求，传统的电除尘器面临着严峻的生 存危机。与此同时，计算机科学和网络通讯技术迅速发展，给电除尘技术带来了 深刻的变革。智能电除尘控制系统( i p c 系统) 正是诞生于这种背景之下。 i p c 系统利用其强大的网络通讯功能，将原本孤立的电除尘控制器按一定的 网络拓扑结构连接在一起，借助网络控制和闭环控制技术在保证除尘效率的前 提下，能够明显降低能耗。本文展开了 p c 系统技术原理的研究，给出了一种可 行的i p c 系统设计方案，并讨论了实际i p c 系统开发的几个重要过程，涉及嵌 入式网络功能和w e b 服务器开发，监控软件设计、闭环控制技术应用和故障诊 断等方面的内容。论文的主要研究工作与成果主要包括了以下几个方面： ( 1 ) 在a r m 处理器上移植u c l i n u x 操作系统，开发以太网通信和嵌入式w e b 服务器功能，使电除尘控制器具有了强大的网络通信功能； ( 2 ) 设计监控软件，对电除尘控制器进行远程监控，集中管理。监控软件具 备完善的组控、报警和网络扩展功能。利用v i 曲线采集和实时数据采样 功能，监控系统能够动态采集电场运行参数，用以对电场特性和算法效 果进行分析。 ( 3 ) 引入闭环控制，对电晕功率进行优化控制，优化电场各供电分区的振打 时序，提高除尘效率，降低能耗。 ( 4 ) 根据专家知识和工程应用经验，开发故障诊断专家系统，对除尘器运行 参数进行在线分析、故障诊断，并能够给出相应故障的指导信息， 关键词：电除尘器，i p c 系统，u c l i n u x ，w e b 服务器，闭环控制，故障诊断专家 系统 电除尘器智能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt r a d i t i o n a la p p l i c a t i o n s , e a c he s pc o n t r o l l e rw a sr e s p o n s i b l ef o rc o n t r o l l i n gt h e p o w e rs u p p l yf o ras i n g l ep o w e rs u p p l yz o n e d u et ot h el i m i t e dc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k , e v e r yc o n t r o l l e rw a sm o s t l yi s o l a t e d ，a n dl a c k e dn e c e s s a r yc o o r d i n a t i o na n d c o o p e r a t i o nw i t ho t h e rc o n t r o l l e r s ，s ot h a tv a r i o u so p t i m i z a t i o na l g o r i t h m sw a sj u s t l i m i t e di nas i n g l es u b - r e g i o n , t h e r e f o r e , t h eo v e r a l lo p t i m i z a t i o nr e s u l t sw a sn o t o b v i o u s a st h es m o k ed i s c h a r g es t a n d a r dd i c t a t e db yt h es t a t eb e c a m em o r ea n d m o 北s t r i c t , t h et r a d i t i o n a le s pf a c e ds e v e r ec r i s i so fs u r v i v a l m e a n w h i l e 。c o m p u t e r s c i e n c ea n dn e t w o 呔c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yd e v e l o p e dr a p i d l y , w h i c hb r o u g h t p r o f o m dc h a n g e st ot h ee s pt e c h n o l o g y t h ei p cs y s t e mw a sb o r ni n t h i s b a c k g r o u n d u s i n gt h ep o w e r f u ln e t w o r kc o m m u n i c a t i o n sf u n c t i o n , i p cs y s t e mc a nc o n n e c t c a e hs i n g l ee s pc o n t r o l l e ri n t oaw h o l en e t w o r kw i t has p e c i f i ct o p o l o g ys t r u c t u r e w i t ht h eh e l po fn e t w o r kc o n t r o la n dc l o s e d - l o o pc o n t r o lt e c h n o l o g y , i p cs y s t e mc a n r e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o no b v i o u s l yw h i l ee n s u r et h ed e d u s f i n ge f f i c i e n c ys t a y i n gi n a na p p r o p r i a t el e v e l t h i sp a p e ra i m e dt os t u d yt h et h ef u n d a m e n t a lt h e o r ya n dk e y t e c h n o l o g yo fi p cs y s t e m ，h a sb r o u g h tf o r w a r daf e a s i b l ei p cs y s t e md e s i g ns c h e m e , a n dd i s c u s s e ds e v e r a lk e yp r o c e s s e sd u r i n ga c t u a li p cs y s t e md e s i g n , i n c l u d i n g d e s i g no f e m b e d d e dn e t w o r kf u n c t i o na n dw e bs t g l v e r , d e s i g no f s u p e r v i s o r ys o r w a r c ， a p p l i c a t i o no fc l o s e - l o o pc o n t r o l ，t r o u b l ed i a g n o s i s ，a n ds oo n t h em a j o rr e s e a r c h w o r ka n dc o n t r i b u t i o u so f t h et h e s i si n c l u d e ： ( 1 ) t r a n s p l a n tu c l i n u xo so nt h e a r mm o t h e rb o a r d ，d e v e l o p oe m b e d d e d c t h e r n c tc o m m u n i c a t i o na n dw e bs e l w c tf u n c t i o n s m a k ee s pc o n t r o l l e rh a v e p o w e r f u le t h e m e tc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n ； ( 2 ) d e s i g nas p e c i f i cs u p e r v i s o r ys y s t e m ，a i m i n gt os u p e r v i s o ra n dm a n a g ee s p c o n t r o l l e r sr e m o t e l y t h i ss y s t e mp o s s e s s e sw e l l - d e v e l o p e dg r o u pc o n l r o l l i n g , t r o u b l es h o o t i n ga n dn e t w o r ke x p a n d i n gf u n c t i o n s e m p l o y i n gv ic u r v e 电除尘器智能控制系统设计 i i c o l l e c t i n ga n dr e a l - t i m ed a t as a m p l i n gf u n c t i o n st oc o l l e c tt h eo p e r a t i o n a l p a r a m e t e r so fe l e c t r i c f i e l dd y n a m i c l y , w h i c hi s u s e dt oa n a l y s ef i e l d c h a r a c t e r i s t i c sa n de n v a l u a t ea l g o r i t h mc o n v e n i e n t l y ； ( 3 ) b r i n gi nc l o s e l o o pc o n t r o lt e c h n o l o g y , o p t i m i z et h ec o r o n ap o w e rc o n t r o l a n dr a p p e r i n gt i m eo f e a c hp o w e rs u p p l y z o n e ，a n dt h e r e b ya c t u a l l ym a x i m i z e t h ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c yo ft h eo v e r a l le s p , m i n i m i z et h ep o w e r c o n s u m p t i o n a s w e l l ( 4 ) b a s e do ne x p e r tk n o w l e d g ea n de n g i n e e r i n ge x p e d e n c e s ，w o r ko u tt h ef a u l t d i a g n o s i se x p e r ts y s t e m ，w h i c hc a na n a l y s et h ee s po p e r a t i o n a lp a r a m e t e r s a n dd i a g n o s eo n l i n e , a n dg i v ei n d i c a t i v ei n f o r m a t i o na c c o r d i n g l y k e y w o r d s ：e s p , i p cs y s t e m ，u c l i n u x , w e b s g l v e r , c l o s e - l o o pc o n t r o l ，f a u l td i a g n o s i s e x p e r ts y s t e m 电除尘器智能控制系统设计 i i i - 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 电除尘概述 1 1 1 电除尘技术历史 第1 章绪论 利用静电除尘设想的形成大约有二百年了，但限于当时技术的落后，不可能 提供稳定可靠的高压电源，所以未能成为现实。进入2 0 世纪初，同步机械整流 器的发明，使静电除尘的设想相继在硫酸烟雾、水泥粉尘、电站锅炉粉尘、冶金 粉尘等方面成为现实，到6 0 年代，电除尘器已遍及各个工业领域。我国的静电 除尘技术的起步较晚，到2 0 世纪8 0 年代，得到了快速的发展，在电除尘器的气 流分布试验、振打清灰性能、粉尘比电阻测试方面的研究，取得了很大的成绩， 并日益接近了国际先进水平 1 】1 2 1 。 i i 2 电除尘原理与特点 电除尘器是在空间放置的一组或几组、间隔一定距离的金属极板上，通以直 流高压电，维持一个足以使气体电离的静电场，气体电离产生的电子、阴离子、 阳离子，吸附在通过电场的尘粒上，荷电后的尘粒在电场作用下，向电极性相反 的电极运动，并在几秒钟内到达而沉积在电极上，使尘粒和气体分离，净化了空 气。而带电的尘粒沉积于电极上，当电极上沉积的尘粒愈来愈多，会改变极问的 距离，必须定时清除粉尘，避免因电气条件的变化造成捕尘效率的下降。 用电除尘的方法分离气体中的悬浮尘粒，主要包括了以下五个复杂而又相互 有关的物理过犁1 l ：气体的电离。悬浮尘粒的荷电。荷电尘粒向电极运动。 荷电尘粒沉积在电极上。振打清灰。 与传统的布袋和湿式除尘器相比，电除尘器具有以下优点【1 】： ( 1 ) 除尘效率高：除尘效率大于9 9 ； ( 2 ) 阻力损失小：气体通过电除尘器的压降一般不低于2 0 毫米水柱，选用引 风机的功率可以很小，可降低风机动力的日常运行费用与降低噪声； 电除尘器智能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 3 ) 处理量大，可处理高温、高压及腐蚀性气体； ( 4 ) 适用范围广：能捕集仅为0 0 1 所粒径的超细尘粒，能处理高温高湿的空 气； ( 5 ) 能处理较大烟气量：单机处理最大可达每小时几十万立方。 同时，电除尘自身也存在着不足：设备庞大，占地面积大；耗用钢材多，一 次性投资高；结构较复杂，制造、安装的精度要求高；对粉尘的比电阻有一定要 求。 1 1 3 电除尘器的分类 静电除尘器按集尘极形式不同，通常分为板式静电除尘器和管式静电除尘 器；按内部荷电区和分离区布置分单区电除尘器( 荷电与分离在同一区内完成) 和 双压电除尘器( 荷电与分离分别在两个区完成) ；按气流流动分卧式电除尘器( 气流 水平运动) 和立式电除尘器( 气流垂直运动) ；按清灰方式分干式电除尘器( 振打清 灰) 和湿式电除尘器( 集尘极上的粉尘靠水流排出) 。 根据电除尘器的结构形式和电压，可分为常规电除尘器和新型电除尘器。常 规电除尘器的基本结构形式为线板式或线管式，极间距为2 0 0 3 0 0 m m ，电压为 5 0 6 0 k v 。而新型电除尘器在结构形式和供电方式方面都有所改变。较具有代表 性的新型电除尘器类型有：新型结构的电除尘器、联合作用的电除尘器和脉冲供 电电除尘器。新型结构的电除尘器的结构形式与常规电除尘器有所不同，如超高 压宽间距电除尘器，其极问距达4 0 0 1 0 0 0 m m ，电压提高到8 0 2 0 0 k v 以上。 联合作用的电除尘器是在同一除尘器中利用电的作用和其它除尘机理联合作用， 以提高除尘器的性能。脉冲供电可提高电压和电晕电流，因而可改善电除尘器的 性能，粉尘穿透率可减少5 0 6 0 。 1 1 4 电除尘器的应用 目前电除尘器已广泛应用于火力发电、冶金、化学和水泥等工业部门的烟气 除尘和物料回收。 静电除尘器在实际应用中通常有以下几种应用方式。 电除尘器智能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 1 ) 高压静电尘源控制 高压静电尘源控制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，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的尘源控制，也可把晕线架设在车间内，应用 静电场对难于密闭的开放性尘源抑止粉尘的飞扬。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。尘源及其附近的物体如物料、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。采用静电进行尘源控制，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( a p i n 饥除尘器) 。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 电除尘器智能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 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。 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 1 5 电除尘的发展 随着污染问题的进一步加剧，环保的要求日益严格，国家已经对烟尘和s 谚的 排放提出更加严格的要求【3 】。自2 0 0 4 年1 月1 日起，通过建设项目环境影响报 告书审批的新建、扩建、改建火电厂建设项目，烟尘最高允许排放质量浓度为 5 0 r a g 矿。此外其它除尘技术，尤其是布袋除尘技术正逐步得到发展，传统的 电除尘技术面临着前所未有的挑战。面对如此情况，惟有不断地进行技术创新， 才能巩固电除尘的传统地位，充分发挥电除尘器的优势。 可喜的是，近年来电除尘行业不断涌现出一批电除尘控制的新技术1 4 】【5 】【6 1 1 7 ： ( 1 ) 脉冲供电技术 电除尘器最早是采用同步机械整流供电，供电质量与水平较低，后来改为硅 整流供电，虽供电质量较高，但粉尘比电阻较高时，易产生反电晕。脉冲供电是 利用晶闸管元件的开关作用和整流二极管的单向导电性，以及电除尘器系统回路 固有电容c ，回路电感l 及回路耗能电阻r ，组成l r c 振荡回路，在整流器低 电除尘器智能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 压端产生脉冲，然后升压整流后形成高压脉冲。脉冲供电指在直流基础上叠加高 压脉冲，脉冲宽度一般小于l 3 0 0 s ，典型脉冲重复频率为3 3 3 3 3 3 h z 。 国内外的理论研究和实践证明，电除尘器采用的脉冲供电电源能提供稳定的 场强，产生足够强而均匀的电晕电流密度，对一定范围内的高比电阻粉尘在电场 中形成的反电晕现象有抑制作用，提高除尘效率，减少功率消耗及振打粉尘的二 次飞扬，减小新设计的电除尘器收尘面积。其不足之处一是需要2 套电源设备， 造价昂贵；二是对元器件的可靠性和安全性有较高要求，且元器件的耐压问题难 以解决。 ( 2 ) 高频电压电源技术b 】 传统电除尘器的供电电源是采用可控硅控制的高压硅整流( t r ) 设备，将工业 交流电转换成高压直流电给电除尘器供电。它的基本工作频率即为电网频率 ( 5 0 h z 或6 0 h z ) ，其产生的峰值电压比平均电压高约2 5 ，容易在电除尘器的电 场中触发电火花，导致电除尘器的运行效率降低。高频高压开关电源是一个与供 电电源线路频率无关的可变脉动电源，为电除尘器提供一个接近于从纯直流方式 到脉动幅度很大的各种电压波形，其恒流特性可以迅速地熄灭火花并快速恢复电 场能量，因而可以针对特定的工况提供最合适的电压波形来提高电除尘器的除尘 效率。采用高频高压开关电源可以大幅度提高电除尘器捕集中、低比电阻粉尘的 效率，很好地消除高比电阻粉尘的反电晕现象。而且相对于常规的可控硅电源其 控制电路，高频高压开关电源的操作更为简单、可靠。 高频高压开关电源对配电系统而言是稳定性高的负载，便于计算机集中监 控，电源转换效率高，质量轻、体积小，箱内用油少，其优点是显而易见的。 ( 3 ) 故障诊断专家系统 近年来，各国研究者基于专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 故障诊断和报警处理 问题进行了大量研究，取得了很多有价值的成果，图1 1 为专家系统结构。电除 尘器领域故障自动诊断专家系统是人工智能的1 个分支，是电除尘器开发研究运 行维护的有力工具1 6 1 。同时，在电除尘生产开发过程中，计算机数据库有助于实 现资源共享：在电除尘运行管理领域的专家系统能充分发挥计算机高效、快捷、 准确的优势，能更好地实现人机结合的故障诊断和节能优化管理。 电除尘器智能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 用户专家 图1 1 专家系统结构图 ( 4 ) 智能电除尘器控制系统 智能电除尘器控制系统( 以下简称i p c 系统) 打破了传统的电除尘器以电场 单元各自独立运行的格局，而把电除尘器当成一个有机整体来管理和控制，实时 协调和管理各单元高、低压设备的协同工作，达到优化电除尘器运行的目的。 在宏观上，新型i p c 系统采用全新的通讯模式、网络拓扑结构、采集电除尘器所 有控制设备的信息，应用全新的统计、分析、诊断等数学方法，构造精确的数字 模型，管理和控制所有相关的设备。在微观上，采用全新的系统控制理论，全面 提高系统工作性能。基于对客户机服务器( c ，s ) 结构体系，跟踪鼹络技术的发 展，i p c 系统已成为包括本地、局域网、远程终端的多用户系统。 1 2 论文课题研究 1 2 1 开发i p c 系统的必要性 计算机科学、网络通讯技术和现代企业管理技术的发展催生了i p c 系统。通 过采用e t h e m e t 、现场总线等网络通讯模式，将原本孤立的电除尘控制器以一定 电除尘器智能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 的网络拓扑结构连接在一起。这是电除尘控制系统发展的一次飞跃，一种必然。 通过通讯网络，来自t r 整流器等高压控制设备的高压控制信号数据，与来自振 打、加热、输灰等低压控制设备的低压控制信号数据以及来自粉尘浊度检测仪的 反馈信号同时汇总于i p c 系统的中央控制器中，依靠中央控制器强大的信号分析 与处理能力，便能实现各种复杂灵活的控制算法，协调各高低压控制设备之间 的动作，达到理想的除尘效果。借助特定的o p c 服务，i p c 系统可以完美地嵌 入企业既有的大型d c s 系统，实现集中管理。p c 系统还可以利用i n t e m e t 无限 扩展的特点，使远程遥控遥测成为一种可能。 国内，最早开始i p c 系统研究的主要有福建龙净环保有限公司，并己取得了 一定的研究成果，其开发成功的i p c 系统创下填补国内多项空白的纪录。i p c 系 统与电除尘控制器之间的数据通讯依据特定的应用层通信协议进行，而该通信协 议通常是由电除尘控制器制造厂商单独制定，因此i p c 系统需要安装特定的通信 协议软件包才能与相应的电除尘控制器配套使用。由于购买一套商用的 p c 系统 价格高昂，此外还需要开发相应的通信协议软件包，不得不慎重考虑软件兼容和 系统匹配等方面的问题，过程并不简单，因此实验室在已成功开发e 3 0 新型电 除尘控制器的基础之上，利用最新技术的发展，针对具体的应用场合，对系统功 能进行相应增减，开发自己的i p c 系统具有现实意义。这也是本论文所要进行的 工作。 1 2 2 论文主要研究内容 本文的研究主题是设计并开发实现一整套i p c 系统。i p c 系统主要由中央控 制器与各微机控制设备通过一定的网络拓扑结构连接组成，宏观上可以分为以中 央控制器为核心的上位控制子系统和以电除尘微控制器为代表的下位控制子系 统。 因此，根据p c 系统结构，本文主要围绕以下三个方面的工作进行展开： ( 1 ) 下位机控制子系统设计【司网 下位机( 电除尘微控制器) 随电气柜安装在工业现场，每一台控制器单独控 制特定电场的运行状态，包括火花抑制、极限控制等高压控制和振打、加热、输 灰等常规低压控制。此外，控制器还需扩展各种通讯功能( 以太网，c a n ，串 电除尘器智能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 口) ，用以将采样到的高压控制信号数据及低压信号数据传输给上位机。控制器 采用d s p + a r m 的双c p u 硬件结构，d s p 负责模拟数字信号采样，控制算法实 现；a r m 负责通讯接口，人机交互，提供系统支持。其中a r m 处理器选用 s a m s u n g 公司a r m 7 系列某型芯片。本论文中将主要介绍a r m 端的系统功能开 发，包括以下三个方面： 在a r m 7 上移植u c l i n u x 操作系统 为了降低开发难度，缩短开发周期，a r m 端的软件设计采用嵌入r t o s + 平 台应用软件开发的方案。在嵌入式应用领域里比较著名的专用r t o s 有v x w o r k s , w i n c e ，p s o s ，n e c u l e u s 和p a l mo s 等，但它们具有一些共同的特点：是专用的 商业化产品，使用它们需要支付高昂的费用；核心源代码都是不公开的，这使得 每个系统上的应用软件与其他系统都无法兼容。 l i n u x 操作系统是一种多任务、稳定可靠、内核可裁减的系统，功能强大， 源码完全公开，使用成本低，是开发嵌入时软硬件产品的优秀软件平台。u c l i n u x 是一款专门针对没有硬件m m u 单元支持的c p u ，设计的著名的嵌入式l i n u x 系统，它几乎继承了l i n u x 所有的优点。正是从使用成本、功能支持等方面进行 综合考虑，本课题选用u c l i n u x 作为应用软件开发的系统平台。 所谓u c l i n u x 移植就是把u c l i n u x 操作系统针对a r m 7 具体的目标平台做必 要改写之后，安装到该a r m 7 平台使其正确的加载运行起来。 为u c l i n u x 编写各类驱动程序 驱动程序( d r i v e r ) 是整个l i n u x 内核的主要组成部分，它们控制着操作系统 和外部设备的交互，是连接操作系统内核与硬件设备之间的桥梁。在用户空间， 所有访问各类硬件设备的请求最终都是通过相应的驱动程序来完成。 在u c l i n u x 下，进行应用程序开发 移植u c l i n u x ，编写驱动程序的最终目的是为了开发适合实际需求的应用程 序。在本课题下，主要需要开发各种网络应用程序，实现与上位机的通讯接口功 能。其中包括基于t c w i p 协议的网络编程，w e bs e r v e r 应用开发，应用层通信 协议实现等。 ( 2 ) 上位机控制子系统设计 上位机是整个智能控制系统的核心，它借助双绞线，通过交换机、集线器等 电除尘器智能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 网络设备与各下位机( 控制器) 互联成一个集散控制系统。它需要接收下位机发 来的各类实时数据，并对数据进行合理的分析处理，并最终将处理的结果反馈给 下位机，同时将反映各控制器运行状态的数据显示在监控界面和远程用户终端 上。上位控制子系统设计包括以下两个方面的工作： 网络编程，用户界面设计 利用w i n d o w s 提供的s o c k e t 编程技术，开发上位机端网络程序，与各下位 机组成c s 结构，实现网络互联。在此基础之上，开发友好的用户监控界面，完 成必要的人机交互工作。这包括：实时报警信息的显示，v i 曲线采集，运行参 数设定等。 数据库维护与管理 上位机适时地将各下位机上传的实际运行参数写入本地网络数据库，以方便 生成工作报表，查询历史数据。在监控的上位机上运行服务器端程序，实现客户 机远程监控功能。在服务器中增加o p c 服务器功能，可根据数据访问接口规范， 将电除尘器智能控制系统作为服务器对象，把高低压控制单元作为组对象，电流、 电压等作为数据项对象，有机地进行组织、编写相应的接口程序并将接口提供给 o p c 客户端即电厂d c s 使用。 ( 3 ) 故障诊断专家系统设计 通过对振打清灰程序与各种烟气不同电场的关系及反电晕、电晕封闭、阴阳 极积灰与1 恨实时波形、动态伏安曲线族的关系，以及各电场耗能与除尘性能的 关系的大量试验研究和数据分析，建立了智能控制系统专家知识库和构建了精确 的数学模型，以最佳除尘效率为目标，将能量管理软件包、振打软件包与工况分 析诊断软件包紧密结合，使电除尘器控制实现了最优动态控制。 1 2 3 论文主要研究成果 首先在分散控制，集中管理的总原则下，论文给出了一种i p c 系统的总体设 计方案：i p c 系统由l 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。 电除尘嚣智能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 紧接着，论文详细讨论了i p c 下位机子系统设计的实现，在a r m 处理器上 成功移植u c l i n u x 操作系统，并完成u c l i n u x 下驱动程序和应用软件的设计，成 功开发嵌入式w e bs e r v e r 功能。设计实现的软件定时器组具有功能强大，输出 时序灵活多变的特点，结合丰富的可编程输入输出口资源，可以实现多种复杂的 时序输出控制。 在上位机子系统中，开发了专用的监控软件，可以完成远程数据监测和控制 参数配置等功能。在i p c 系统中引入闭环控制技术，降低能耗，提高除尘效率。 根据专家知识和工程经验开发的故障诊断专家系统，对除尘器运行参数进行在线 分析、故障诊断，并能够给出相应故障的指导信息，具有很强的实用价值。 根据本论文的设计方案开发成功的i p c 系统，已经在多家电厂投产运行，取 得了显著的经济效益。 1 2 4 论文内容组织 本论文第一章是绪论部分，一开始概述了电除尘技术的历史，电除尘原理、 特点和种类，以及电除尘器在工业领域的应用和电除尘技术最新发展。在此基础 上归纳出了本论文所需工作的必要性，并大致描述了本论文的主要研究内容和所 取得的成果。 第二章中，在分散控制，集中管理的原则下，提出了i p c 系统的总体设计方 案。 第三章，详细介绍了下位机子系统的设计过程，并着重讨论了a r m 处理器 的功能开发。 第四章，介绍了上位机子系统开发的主要工作，包括监控软件设计、闭环控 制技术应用和故障诊断专家系统设计三个部分。 在第五章中，对整个论文的工作做了相应总结，在此基础之上，展望了电除 尘领域几种新技术的应用，指明下一步需要完成的工作。 电除尘罂智能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文 第2 章i p c 系统总体设计 第2 章i p c 系统总体设计 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。 i p c 系统( 智能电除尘器控制系统) 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 m c r n e t 浪潮带来的便利。它采用“分散控制，集中管理”的 原则1 0 1 ，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i p c 系统设计方案。 2 1i p c 系统构成 在图2 1 中，i p c 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 电除尘器智能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文 第2 章1 1 c 系统总体设计 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。 图2 1i p c 系统网络拓扑结构 2 2i p c 系统微机控制设备 电除尘器微机控制设备主要由高压硅整流供电设备和低压控制设备组成，直 接参与单个电场的控制任务。作为一个独立的控制单元，在没有中央控制系统等 其他外部控制器的作用的时候，微机控制设备也能够单独完成单个电场的控制工 作。 2 2 1 电除尘器t r 微机控制设备 电除尘器由若干个除尘单元电场组成，每个电场由一台可控硅控制的高压 供电( 硅整流t r ) 设备组成。传统的t r 控制器是由运算放大器构成的独立系 统，现在大部分已由单片机微机控制代替。自从电除尘器i p c 系统开发以来，这 电除尘器智能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文 第2 章l p c 系统总体设计 种t r 微机控制设备的设计概念与传统的独立系统有了很大区别。当前先进的微 机电压自动控制器普遍采用1 6 位甚至3 2 位m c u 作为控制核心，引入集成电路 设计与数字控制概念，利用其超强的数据处理能力，能设计出功能强大的子系统。 图2 2 是电除尘高压供电控制系统的典型框图【l l 】。 图2 2 电除尘高压供电控制系统框图 静电除尘器由升压变压器产生高压经整流供电( 见图2 2 ) 。s c r l 、2 为两个 反并联的可控硅，控制器通过改变其导通角分别控制交流电的正、负半周。控制 器采集u l 、五、以、厶、温度、放电火花及偏励磁等信号，将其调整后送入c p u 处理，输出的控制信号控制可控硅导通角的大小。 除尘器由多依奇公式【1 2 】玎= 1 一e - a w l o ( a 为集尘极的面积；q 为气体流量；w 为荷电尘粒在电场中向集尘极的驱进速度，正比于运行电压和电晕电流”1 ) 表示 其集尘效率，据此可知提高集尘效率须提高除尘器的运行电压、增大电晕电流。 运行电压升到一定值时，电晕极和集尘极之间产生火花放电或者电弧放电。 后者会损坏电极故不允许出现。为提高集尘效率应尽量使除尘器运行在接近于火 花放电电压。 当出现火花时将一次电压降到一个定值( 火花回压点) ，再从此点上升直至 再次产生火花。除火花控制特性外，供电控制器通常还具备以下功能： ( 1 ) 极限值控制特性，将u 、五、u 和， 控制在设定的极限值内；( 2 ) 软起 动控制特性，起动或放电回升时以设定的上升率增加导通角；( 3 ) 保护功能，短 电除尘嚣智能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文 第2 章，c 系统总体设计 路、断路、偏励磁及油温超限保护等；( 4 ) 参数设置及显示；( 5 ) 通信功能。 2 2 2 电除尘器低压微机控制设备 电除尘器除了t r 供电设备外，还需要一些配套性控制设备，主要控制目标 是振打装置、卸，输灰装置、保温箱加热装置等。目前这些控制设备的种类较多， 有单片机构成的各种自动控制器，s t d 总线或p c 总线控制装置以及p l c 控制 等，是电除尘器不可缺少的重要组成部分。从i p c 系统角度看，这些设备都是微 机性质的分系统，与传统的独立控制设备有着很大的不同，它们所具有的主要特 性有【1 4 】： ( 1 ) 具有独立编程、独立运行的能力，也具有与上位机通讯互联的能力。它们的 运行参数可由本机单独设定，也可以从上位机下载。当然，作为i p c 的一个 分系统，更强调在i p c 系统中服从统一调度 ( 2 ) 通过低压微机控制的开发，使i p c 在微观控制过程中延伸。传统的低压控制 是基于继电器触点的逻辑控制，而目前微机控制的工作程序完全由计算机软 件决定。它的接口设计使其可以测试烟气温度、保温箱温度的实时值以及每 一个电磁振打器的运行电流和振打高度；通过智能化电机驱动保护器，可以 测试每一台驱动电机的运行电流和状态等。这使得系统的微观监控能力得到 进一步加强。 ( 3 ) 在i p c 系统下的低压微机控制设备，可以实现各种装置的互相配合。如各个 电场之间振打的协调，振打与高压供电的协调，卸灰与输灰的协调等。 当前，随着电除尘控制器功能的增强，低压微机控制设备有整合集成到控制 器当中的趋势。 2 2 3 设计方案 在i p c 系统的微机控制设备当中，高压t r 控制设备占据着主导地位，电除 尘器的实际除尘效果很大程度上都取决于高压t r 设备的控制性能。先进的数字 t r 控制设备应该具备下述特征：强大的数据分析处理能力。随着对除尘效率 要求的进一步提高，先进控制技术及各类优化算法逐渐广泛应用到除尘控制设备 当中，控制器的运算密度空前提高。由于电除尘器普遍采用工业交流电源供电， 电除尘器智能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文 第2 章i p c 系统总体设计 具有明显的周期特性，因此电除尘控制器的控制算法必须要在一个控制周期( 交 流电半波周期1 0 m s ) 之内完成。为此控制器的核心处理器- 微型控制芯片的综 合性能不可避免地便受到了更多地重视；高速高精度的a d 采样功能。控制 器所需的各类参考信号( 一次电压、电流，二次电压、电流等) 都是a d 采样 得来，想要提高的控制器的控制精度和实时性，必须保证a d 采样的快速性和 精确性；丰富的i o 资源。系统的集成化，外设的简单化是当前电除尘控制器 的主要发展趋势。在完成主要控制算法的同时，越来越多的扩展功能模块被集成 到控制器当中来，如先前由外部专门控制设备负责的低压控制功能( 振打、输灰、 加热等) 改为由t r 控制器完成。扩展功能的增多，势必需要更多i 0 资源支持； 强大的通讯功能。工业现场，单台火炉的电除尘器往往在空间上被划分为多级 电场，烟气依次通过各级电场，分级除尘后再从烟囱排出。应用表明，控制各级 电场的控制器通过合理地协调配合，在保证除尘效果的同时，能够极大地减小能 耗。为此，在各控制器之间就必须有一定通信机制来保证控制器间的合理协调与 配合。另外，i p c 系统的应用，还要求控制器能够有效地接入到电除尘器控制网 络，实现分散控制、集中管理。 图2 3e 3 0 电除尘控制器功能结构图 借鉴现有电除尘控制器的设计思想，吸收微控制器的最新发展技术，我们采 用了d s p + a r m 双核结构的电除尘控制器的设计方案。d s p 利用其强大的数据 电除尘器智能控制系统设计 浙江大学硕士学位论文第2 章h 系统总体设计 处理能力，专门用于实时数据采样和具体控制算法实现；当今a r m 处理器在嵌 入式领域具有广泛应用，a r m + r t o s 的组合模式，可以方便地设计实现各类功 能。在我们设计的控制器当中，a r m 主要用于通讯支持、人机交互、系统管理 等功能的实现。该控制器兼具了高压t r 控制功能和低压设备控制功能。图2 - 3 是该控制器的功能结构示意图。 e 3 0 电除尘控制器主要具有以下特点： 单一a c c 2 4 v 供电。 控制器采用2 颗3 2 位处理器，具有很强的信号处理和控制能力。 采用以太网通讯网络传输数据。具有很高的数据通讯速度，可更加实时 快捷的传送各种实时数据和控制命令。 提供了2 4 路数字信号输入( 6 路可编程) ，1 1 路数字输出( 8 路可编程) ，8 路模拟量输入( 4 路可编程) ，输入输出可以构成闭合回路，大大提高了系 统的集成度，减少外围辅助设备。 多达1 6 组的软件定时器，通过可设置的