（测试计量技术及仪器专业论文）布袋除尘控制系统设计.pdf

摘要 布袋除尘器作为一种高效除尘设备，目前已广泛应于各工业部门。随 着现代生产工艺的要求，适宜地设计整个除尘系统的自动化控制也变得更 加重要，本文就布袋除尘系统中的自动化控制技术，对在项目实践中的开 发进行较全面的论述。主要内容包括： 1 、本系统结合了先进的d c s 和工业p l c 控制技术。把整个控制系 统分为管理级、监控级和控制级，以p l c 为核心控制器件。 2 、系统中通信采用r s - 4 8 5 总线和p l c 的自由口方式，设计了通信 协议。上位机采用串行通信的思想，p l c 采用自由口通信方式。 3 系统中的监控程序分为i p c 监控和p l c 监控。i p c 的监控程序采 用了多线程的设计思想。p l c 的监控模块包括通信模块、手动模块和自动 模块。 4 、论文还较为详细的阐述了硬件和软件方面的抗干扰措旖，针对p l c 提出了抗千扰的方法。 5 、提出了振动周期控制采用模糊控制的技术路线，设计了参数因子在 线自整定的模糊控制器。 关键字：布袋除尘器d c s 模糊控制可编程控制器v c + + a b s t r a c t n e b a gp r e c i p i t a t o r , 鹊ak i n do fh i g h - e f f i c i e n td u s ta i l a y e r s ，a tp r e s e n t ，h a s b e e nu s e di n m a n yi n d u s 仃i a ld e p a r t m e n t s w 仙r e q u e s to fm o d e mp r o d u c t i o n t e c h n o l o g y , i ti sf u r t h e rm o r ei m p o r t a n tt od e s i g nt h ea u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y o ft h ew h o l ed u s tr e m o v a l s y s t e mp r o p e r l y t i l i sp a p e rg i v e s t h eo v e r a l l a r g u m e n t a t i o nt ot h ed e v e l o p m e n td u r i n gt h ep r o j e e tp r a c t i c ea b o u tt h ea u t o m a t i c c o n t r o lt e c h n o l o g yi nt h ed u s tr e m o v a ls y s t e m m a i nc o n t e n ti n c l u d e s ： l 、n i ss y s t e mh a sc o m b i n e da d v a n c e dd c sa n dp l cc o n t r o lt e c h n o l o g y t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e di n t om a n a g e m e n tg r a d e m o n i t o ra n dc o n t r o l g r a d e ，c o n t r o lg r a d e ，b yr e g a r d i n gp l c a st h ec o r ec o n t r o ld e v i c e 。 2 、1 1 1 ec o m m u n i c a t i o no ft h es y s t e ma d o p t sr s 一4 8 5b u sa n df r e e d o m p o r to f p l c ，a n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l si nt h es y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d t h em a s t e r m a c h i n e a d o p t s s e r i a lc o m m u n i c a t i o np l c a d o p t s t h e w a y o ff r e e p o r t c o m m u n i c a t i o n 3 、t h ec o n t r o l p r o c e d u r ei nt h es y s t e mh a si n c l n d e dt h ei p cc o n t r o l1 1 1 0 d u l ea n d p l cc o n t r o lm o d u l e t h ec o n t r o lp r o c e d u r eo fi p ch a sa d o p t e d 也em u l t i t h r e a d w a y 。n l e c o n t r o lm o d u l eo f p l ci n c l u d e sc o m m u n i c a t i o n m o d u l e m a n u a lm o d u l e a n da u t o m a t i cm o d u l e 4 、t h e p a p e r h a sa l s od i s c u s s e d d e t a i l e d l yt h ea n t i - j a m m i n gm e t h o di nt h es i d e o f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，e s p e c i a l l yt h ea n t i - j a m m i n gm e t h o d a b o u tp l ch a sb e e n p u tf o r w a r d 5 、t h et e c h n i c a lr o u t e o f u s i n gf u z z yc o n t r o lf o rc o n t r o lo f v i b r a t i o nc y c l ei sp u t f o r w a r d ，a n daf u z z yc o n t r o l l e rw h o s ep a r a m e t e r sc a nb e o p t i m i z e do nl i n e i s d e s i g n e d k e y w o r d s ：b a gp r e c i p i t a t o r d c s f u z z y c o n t r o lp l cv c + + 第一章绪论 布袋除尘器作为一种高效除尘设备，目前己广泛应于各工业部门。 近年来，随着国民经济的发展以及愈来愈严格的环境保护要求，布袋 除尘器在产量上有了相当大的增长，品种也日渐增多。一般情况下， 在设计工作中要求合理地选定布袋除尘器的基本参数，正确地进行除 尘系统设计。随着现代生产工艺的要求，适宜地设计整个除尘系统的 自动化控制也变得更加重要，不仅对于控制污染、保护环境有重要作 用，而且对于提高设备处理含尘气体的能力，降低人工劳动作业，增 加系统的可靠性，也具有重要的经济意义。本文就布袋除尘系统中的 自动化控制技术，对在项目实践中的开发进行较全面的论述。 1 1 选题背景嘲蜘 本论文的选题是基于新型微孔膜过滤材料及其袋式除尘器的研究 这一科学研究项目。该项目是辽宁省电力有限公司科技部下达的科学 研究项目。该项目旨在研制出新型微孔膜过滤材料，并开发出耐高温、 除尘效率高、疏水性强、可靠、自动化程度较高的新型袋式除尘系统。 本论文是其中的一部分，侧重于除尘系统的自动化控制技术，并在实 际除尘应用中能可靠稳定的运行。 新型微孔膜过滤袋式除尘器是以研制出的微孔膜过滤材料为过滤 介质，烟尘中的粉尘粒子在通过过滤膜时，依靠截留、惯性和扩散等 除尘的机理，被过滤膜收集，达到除尘的目的。该设备采用电磁脉冲 反吹清灰系统，对袋式除尘器的过滤元件进行清灰，清灰和灰斗出灰 采用自动控制技术，以p l c 为核心处理器，包括温度和压力采集器， 利用模糊控制技术，实现除尘系统的高效和稳定运行。该设备可以在 大气污染控制、气力输送、固体材料粉碎、分级机产品收集等方面得 到广泛应用。布袋除尘器所涉及到的行业包括电力行业、建材行业、 原材料加工行业以及冶金、化工等行业。 本论文所论述的控制网络是应用在布袋除尘系统之中的。布袋除 尘器的基本工作原理：一个较大功率的风机工作于吸尘管道的一端， 该管道和布袋除尘器是相连的。在另外一端，除尘气体被吸入管道中， 在除尘器中被除尘布袋过滤。粉尘等微小颗粒不能透过布袋而被吸附 查塑鋈彗堡蛰鎏。垒耋耋坠，。，。一 图1 - 1 布袋除尘流程 到除尘过滤介质上。除尘装置中的通风能力被减弱，管道中的压 力将会减少，同时电磁阀按照一定的周期开启，发生振动使布袋上的 粉尘落到下面。这样，设备的通风能力又得到恢复，烟气在管道的入 口继续被吸到管道中。图1 1 所示为除尘的流程框图。 控制系统是按照如上所述的原理进行设计的。布袋除尘器在控制 系统的作用下，工作于手动和自动两种模式下。在手动方式下，电磁 阀的反吹和出料的时间和时机是由有经验的工人来手动完成的。在自 动模式下，通过程序的智能算法来控制系统的运行。控制系统的详细 情况在后面叙述。 布袋除尘器的设计和运行中涉及到两个主要的问题：首先是过滤 风速的选取问题，过滤风速的选取，对保证除尘效果，对于本系统， 风速是根据整个锅炉的排气量、粉尘含量和气体中的各种成分来决定 的；另外一个关键问题是布袋除尘器中的风压即阻力问题，也关系到 除尘的效果和布袋的使用寿命，因为它牵涉到电磁阀的反吹次数。如 果除尘器的阻力变化幅度较大，则会使除尘效果很不稳定，不可能长 期稳定的运行。因此必须选择一种可靠的控制方法，使动态阻力的变 化相对稳定，这对本控制系统提出了较高的要求。 1 2 论文的总体思想 在对布袋除尘系统的工作原理和现场情况的分析基础上，本论文 对布袋除尘控制系统进行了较为详细的论述。其中的每一个重要设计 都是基于除尘系统来考虑的，都是为了解决除尘系统的控制问题。在 设计中并尽量保证可靠和稳定，并本着实用的原则，从成本和性能两 方面进行了较多的考虑。整个论文的设计思想从以下几个方面来考虑： 采用人工和自动相结合，以自动为主，人工监控为辅。 在分析除尘器阻力的动态变化情况和除尘器的现场运行情况基 础之上，通过对相似控制过程的控制方法分析，选择设计了实时参数 可调的模糊控制器。控制规则是根据除尘阻力分析和经验来制定的。 控制系统的时间因子根据从现场采集到的压力数值，制定的模糊规则 来设定的。 控制系统按照集散控制( d c s ) 的原则可分为：管理层、监控层 和控制层。这种体系可较好的解决布袋除尘器运行的控制，具有可靠 和易于扩展等特点。管理层位于最上层可进行实时监控和日常管理之 用，具有良好的用户界面、数据库管理和监控通信的功能。监控层的 p l c 通过自由口和上层进行r s 4 8 5 通信，进行信息交换，同时还负责 模糊控制算法的实现，进行参数调整。最下层的控制层直接和各种控 制器连接，来完成布袋除尘器的低层控制工作，包括风机、出料电机、 空气压缩机和电磁阀的反吹振动。整个系统的硬件部分还包括温度传 感器和压力传感器的模块，该模块采用比较经典的方法设计。 系统的软件部分包括通信部分和监控部分。上层通信部分是根 据设计的协议，采用v c + + 的通信模块来完成，比较可靠。下层通信采 用p l c 的自由口通信方式。系统的监控程序利用了多线程的思想。 本论文还对控制系统中抗干扰技术从硬件和软件进行了论述， 这是在吸取了较多控制系统抗干扰技术的基础上而设计的。 控制系统基本单元框图如图1 2 所示。图1 - 2 表示了整个控制系统 图1 - 2 基本控制单元框图 模块，其中管理层上位机是由i p c 担任，模糊控制核心处理器是由p l c 组成，下位控制层处理器也是由s i e m e n sp l c 组成。 系统的工作过程如下：下位机从传感器采集到的信号经过适当的 处理，通过自由口通信方式与模糊控制核心处理器进行信息交换，模 糊控制器根据相应的规则，调整参数，把信息反馈到下层控制处理器， 从而完成新的控制任务。显示模块是为了现场的工作人员可以进行现 场参数调节和监视系统运行情况。最上层管理机可以对整个网络进行 监控，进行总体的数据分析等。报警模块是为了在出现异常情况时( 如 温度报警) ，进行提示。 1 3 论文的整体概述 随着生产工艺的提高，对除尘系统自动化的要求也不断加强。本 论文结合实际项目，把较为先进的控制技术应用到除尘过程中，开拓 了一个新的应用领域，节省了人工劳动，提高了系统的运行效率。 论文分五部分对布袋除尘控制器的研制进行了详细的论述： 第一章绪论：介绍了论文的选题背景，说明了控制系统的总体设 计思路。 第二章硬件部分设计：对整个控制系统中的硬件部分进行了详细 的说明。其中详细说明了整个系统的控制结构和模数转换电路设计等， 突出了本论文的核心。 第三章数据通信和监控：对整个系统中的软件设计思想进行了详 细的阐述，其中包括通信软件和监控软件以及抗干扰的软件设计，提 出了多线程监控软件的设计思想。本章给出了较多详细的设计流程。 第四章智能控制算法设计：分析了除尘器中阻力的动态变化，提 出了模糊控制的算法，并简要介绍了其基本设计原理，设计了本论文 的模糊控制规则库。 第五章总结和展望：总结了本论文的重点和不足部分，并结合当 今在现场控制领域中较为热门和先进的技术，进行了展望。 4 盔鎏耋三查茎至耋耋耋。，。尘三j 毛耋誊翟警警彗二。；。， 第二章硬件部分设计 本章叙述了控制系统的网络组织结构和硬件模块的控制器、显示 器、压力和温度测量模块以及a d 模块的设计。同时还讨论了系统硬 件抗干扰设计的思想。本部分所- a 述e j 内容是整个控制系统的实现基 础，在设计中重点保证了可靠的运行。本部分也是本论文重点论述的 部分。 2 1 分散控制( i ) c s ) 网络 2 1 1d c s 概述【4 】【5 】【6 】 美国h o n e y w e l l 公司于1 9 7 5 年成功地推出世界上第一套分散控制系 统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 。近年来，随着计算机技术、通 信技术、控制技术、大规模集成电路、图形显示技术、人工智能技术 以及其他高新技术的发展，分散控制系统已经逐渐成为工业生产过程 控制、管理和决策的核心。 分散控制系统是生产过程监视、控制技术发展和计算机与网络技术 应用的产物。5 0 年代末期，计算机开始进入过程控制领域，数字控制 技术取得了长足的进步。此后，微处理机技术和数字通信技术的飞速 发展，导致了1 9 7 5 年分散控制技术的诞生。 最近几年，在分散控制系统日臻成熟的基础上，以新的控制和管理 理论为基础的运行和优化软件，在生产过程中逐渐推广使用，使分散 控制系统逐渐变成一个集安全经济运行，控制和管理的综合网络。 图2 1 所示为一个分散控制系统的典型结构，系统中的所有设备分 别处于四个不同的层次，自下而上分别是：现场级、控制级、监控级 和管理级。对应着这四层机构，分别由四层计算机网络即现场网络 f n e t ( f i e l dn e t w o r k ) 、控制网络c n e t ( c o n t r o ln e t w o r k ) 、监控网络s n e t ( s u p e r v i s i o nn c t w o r k ) 和管理网络m n e t ( m a n a g e m e mn e t w o r k ) 把相应 的设备连接在一起。 现场级：现场级设备一般位于被控生产过程的附近。典型的现场级设备 是各类传感器、变送器和执行器。 控制级：控制级主要由过程控制站和数据采集站构成。 监控级：监控级中运行员操作站是运行员与分散控制系统相互交换信 盔耋堡三查兰耋圭耋耋，。，。董主耋堇筌蝥箜耋二。，。d ，。一 墨皇昔鼍! 曼曼篁葛皇富暑曼曼! 毫篁l 墨詈鼍皇鼍皇皇皇皇筹皇墨置暑暑墨曩墨! 鼍鼍詈田墨_ 墨暑 图2 - 1 分散控制系统的舆型结构 息的人机接口设备。 管理级：管理级所包含的内容比较广泛，一般来说是一个工厂级管理 计算机，也可能是由若干个机组的管理计算机。 2 1 2 本论文控制系统结构 虽然作为4 c 产物的分散控制技术具有控制分散、危险分散、管理 集中及易于扩展，且控制算法丰富、功能全面的特点，然而多数分散 控制系统规模和投资都较大，限制了在中小型企业中的推广。本项目 所开发的3 级混合控制系统( h c s ) ，以较低的成本获得了分散控制系统 的性能。在除尘控制系统中，现场运行效果良好。本控制系统由微机 和可编程序控制器( p l c ) 组成。在系统中由微机( 主机) 实行集中管 理，由p l c ( 作为从机) 实时对除尘系统的工作过程进行分散控制。 可编程序控制器( p l c ) 和分散控制系统是目前工业控制领域最广 泛使用的两种控制技术，它们各自具有明显的优势和劣势。p l c 在高 速顺序控制领域占主导地位，而d c s 在复杂的过程控制中占主要地位： 6 p l c 体积小、价格低，但在通讯功能和管理能力方面不如d c s ，d c s 虽然通讯和管理能力较强，但体积大，价格较高。在这种情况下，集 d c s 和p l c 于一体的混合式控制系统即能完美的实现顺序和逻辑控 制，又能很好的完成过程控制，同时，还具有管理功能，体积小，价 格低，可靠性高。目前一些自控设备生产厂商已经有产品问世，r o c k w e l l 公司新近推出的a l l e n b r a d l e y ( a - b ) 品n 牌p r o c e s s l o g i x 过程控制系统便 是一例。 一、p l c 与d c s 的比较 考虑p l c 和d c s 各自的性能，划分为十个等级，它们的对比可以 列于表中。 表2 - 1p l c 和d c s 的比较 比较项耳p l c 控制d c s 控制 高速顺序控制 1 06 复杂过程控制 61 0 硬件可靠性 98 联网和通讯功能 48 管理能力 39 系统诊断和报警 38 二、控制系统结构图2 - 2 所示为除尘控制系统的原理框图。 本项目所开发的控制监控系统运行于矿厂和火电厂的除尘装置 中，不仅克服了传统控制系统的不足之处，降低了工人的劳动强度， 节省了人力，还能对除尘系统的运行状态进行监控，可以进行温度和 压力值进行分析，生成运行周期，并能对除尘系统中的故障进行报警， 定位错误点，打印报表等，从而完成对整个除尘过程的全面控制管理， 较大的提高了除尘系统的运行效率和可靠性。而且这种结构易于扩展， 可移植性较好，具有较高的性能价格比，适合中小型企业的除尘控制。 三、各部分功能描述 本系统可分为管理级、监控级和控制级三部分。其中管理计算机( 工 业控制机) 处于顶层，可作为进行实时监控和日常管理之用。在系统 运行时，可由专门值班人员操作，监控整个除尘设备的运行。管理计 算机能够对控制系统做出快速的反应，能对大量的数据进行处理和存 储，能够长期保存数据，具有优良方便的人机接口，以及丰富的数据 库管理软件。管理计算机实现的功能可以总结如下： 1 ) 用户界面：以图形的形式实时地表示出现场环境中的压力、 温度等的变化。 2 ) 数据库管理：完成布袋除尘设备中的环境压力及各设备运行 时间参数的查询、修改及打印，以及遇到报警情况的现实等。 3 ) 监控通信：和下层p l c 通信( 通过r s 一2 3 2 ，r s - - 4 8 5 转换器1 ， 取得各种数据并进行分析、设置等。 上层管理系统和监控级的可编程控制器件是通过n 1 网络连接起 来，n 1 网络是r s 4 8 5 网络。微机具有r s 2 3 2 c 接口，s i e m e n sp l c 具有r s 4 8 5 接口的自由口通讯能力，采用r s 4 8 5 可以进行上位机和 下位监控机之间的通信。r s 一4 8 5 串口采用“平衡差动式”数据传输，传 输线上是电位差信号，不构成电荷积累，抗干扰能力强，适用于高速 率、远距离传输，可达1 2 0 0 m 。关于r s 4 8 5 通讯的详细情况在第三章 中阐述。 监控级中的操作员工作站是hcs 与用户进行信息交换的设备 其主要功能是为运行操作人员提供人机界面，使操作人员及时全面地 了解系统运行情况，并对生产过程进行调节和控制。由于本系统的监 控程序不是很复杂，考虑到性价比，我们选用p l c 和显示屏t d 2 0 0 作 为操作员监控设各( 有关p l c 和t d 2 0 0 的详细情况在本章第二节中阐 述) 。p l c 作为操作员核心处理器，一方面同低层c p u 通信，它们之 间采用s i e m e n sp l c 2 1 5 的自由口通信方式，组成令牌网络；另一方 8 面根据得到的数据量，通过相应的算法设计，修改算法参数、系统运 行参数和分析数据。系统运行参数主要包括：电磁阀振动长周期和短 周期，出料长周期和短周期，运行时间和次数的统计等；同时，还负 责与管理级的计算机的数据通信。t d 2 0 0 用作操作员查看运行情况、 设置运行参数、控制下层系统的运行等。 控制级是整个除尘系统的低层设备，是整个除尘系统的真正执行 机构。它包括控制级核心c p up l c 2 1 5 、a d 模块e m 2 3 l 、压力传感 器、温度传感器、手动控制模块、继电器控制模块和相应的执行电器 ( 主要是电机和电磁阀) 。p l c 2 1 5 一方面与上层处理器通信，把采集 到的信号发给上层处理器并得到运行参数；另一方面判断是否有手动 信号，从而通过输出端口，驱动继电器模块。手动模块时间上是由欧 姆龙的触摸按键和相应的指示灯组成的，主要用来在调试或者紧急情 况下直接控制执行电器。继电器控制模块是由5 v 继电器组成的控制装 置，完成由p l c 输出的弱点控制风机、空压机、出料机等设备的强电。 电磁阀的振动周期参数是由上层系统提供的，也可由手动来执行。本 层控制设备包括手动和自动两种模式。控制层可由多套设备组成。 2 2 硬件部分设计 本系统的硬件主要包括：s i e m e n sp l c 2 1 5 、t d 2 0 0 、a d 模块 ( e m 2 3 1 ) 、压力传感器m p x 2 1 0 0 、温度传感器电路，以及 r s - 2 3 2 r s 4 8 5 转换模块( 在第三章中说明) 。 2 2 1 核心处理器p l c ”。 系统下位机选用在工业现场应用广泛的可编程控制器。可编程控 制器简称p c ( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 或p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ) ，是以微处理器为核心的工业通用自动控制装置。它不仅可 以代替继电器控制装置和非接触式半导体逻辑元件控制装置，使硬件 “软化”，提高工作可靠性和系统的柔性，还具有运算、计数、定时、 调节、通信、联网等许多功能。配备有可靠的输入、输出接口，可直 接用于控制对象及外围设备，使用极为方便，即使在生产现场的恶劣 环境中应用，仍能保证可靠运行。p l c 的硬件系统由中央处理单元、 存储器、输入输出电路等组成，软件系统由系统程序和用户程序组成。 9 其工作过程可分为三个阶段：输入采样( 处理) 、程序执行和输出刷 新( 处理) ，如图2 3 所示： p l c 采用循环扫描的工作方式。在输入采样阶段，p l c 以扫描方 式顺序读入所有输入端的通断状态，并将此状态存入输入映象寄存器。 在程序执行阶段，p l c 按先左后右、先上后下顺序，逐条执行程序指 寄存输寄存输 输 输 j 会 入 l 莩 端 l 囊 子 l 输 输 出l 出 l 输 + 映 i 锁 i 出 象 存 i 端 寄 l 存 j 电子 路 j 器 ii o k 瑾出避_ 型毯玛山监出旦监+ i iili 图2 3p l c 工作原理 令，从输入映象寄存器和输出映象寄存器读出有关元件的通断状态， 根据用户程序进行逻辑、算术运算，再将结果存入输出映象寄存器中。 在输出刷新阶段，p l c 将输出映象寄存器的通断状态转存到输出锁存 器，向外输出控制信号，去驱动用户输出设备。 上面三个阶段的工作过程称为一个扫描周期，然后p l c 又重新执 行上述过程，周而复始地进行。扫描周期一般为几m s 到几十m s 。 本系统选用了西门子公司生产的$ 7 0 2 1 5p l c 。该设备具有以下较 优越的特性【2 2 j ： 一、在硬件上，具有8 k 字节程序存储器( 集成e e p r o m ) ：2 5 6 个计数器，2 5 6 个定时器，三种定时精度供选择。四个高速中断输入， 可利用输入信号的正、负沿中断。1 4 点数字输入，可扩展到6 2 个输入： 1 0 点数字输出，可扩展到5 8 个。模拟输入可支持1 2 路，模拟输出可 支持3 路，模拟输入输出都需要通过扩展模块来获得，s 7 2 1 5 支持7 个扩展模块。逻辑运算执行时间为0 8 s 。2 个r s 4 8 5 通讯接口，可 选择p p i 方式，通讯速率可达9 6 k b i t s ；具有中断能力的用户可编程接 口方式，用于同其它设备进行串口数据交换，通讯速率可在 0 3 3 8 4 k b i t s 之间。一个p r o f i b u s - d p 接口，通讯速率可达1 2 m b i f f s 。 1 0 s 7 2 1 5p l c 的这些硬件特性可以很好完成系统的设计任务。 二、在软件方面，该公司提供了专用于s i m a t i cs 7 2 0 0 系列p l c 用 户程序的编程软件s t e p 7m i c r o d o s 。该软件提供了极丰富的指令集， 可完成常用的如数制转换、表处理、数据传输、定时器计数器处理、 子程序调用等功能。多种通信方式供选择：p p i 方式，自由口方式，d p 方式，通信的实现方法简单。具有三种编程方式：功能块图( f u n c t i o n b l o c k d i a g r a m f b d ) ，梯形图( l a d d e rd i a g r a m l d ) ，结构文本 ( s t r u c t u r e dt e x t - s t ) 。 2 ，2 2t d 2 0 0 文本显示器 t d 2 0 0 文本显示器是专门为s 7 2 0 0 系列p l c 开发的操作员界面， 具有广泛的应用场合，是s 7 2 0 0 控制系统人机界面最经济的一种选择。 与s 7 _ 2 0 0 c p u 的通讯： t d 2 0 0 通过p p i 接口及随机提供的t d c p u 电缆与s 7 2 0 0c p u 进行通讯，可根据需要作如下几种配置： l 、一个t d 2 0 0 与一个s 7 2 0 0 c p u 的连接 2 、个t d 2 0 0 对多个s 7 - 2 0 0c p u 的连接 3 、多个t d 2 0 0 与一个s 7 2 0 0c p u 的连接 4 、多个t d 2 0 0 与多个s 7 2 0 0c p u 在同一个p p i + 网络中 无论何种情况t d 2 0 0 均作为主站进行工作；t d 2 0 0 本机的默认地 址为1 ，与之通讯的c p u 的默认地址为2 ；可通过系统菜单设定t d 2 0 0 的本机站地址及选择所需通讯的c p u 的站地址。 2 2 3a d 转换 数字控制系统对外界模拟量识别的最好办法就是a d 转换。从理 论上讲a d 转换是不可能连续的，上次转换与本次转换之间总是存在 一个微小的时间片。在这个微小的时间片内测量系统对外界模拟量的 变化是不可知的，即所谓检测盲区。但从实际测控角度看，测量系统 对外界信号变化的连续性和间断性是一个相对概念。如果在盲区时间 片内，外界信号变化的大小在测控要求的精度内，那么我们就认为这 样的a d 转换在这样特定的应用环境下是连续的。 在一般的测控系统中，a i ) 转换连续性的计算如下； 工艺要求的动态精度c = m ； 有效a d 转换速度v = n 次，秒； 控制系统动作间隔t = t 秒。 只要当1 ( v t ) c 时，我们就认为它是连续的。在本设计中电磁 阀动作间隔为5 s 左右，除尘系统的控制精度在2 0 ，则要求v 1 ( c t ) = 1 次，秒。在计算机测控中的a d 转换后的数据必须进行适当的处 理后方认为是有效采样数据，决不可将每次a d 转换都认为是一次有 效的数据采样。通常最简单的数字滤波也要a d 转换6 次，去掉最大、 最小值后取平均值。这就要求实际的a d 转换通道需要具有的转换速 度为v ，= 6 v 。本设计所选择的数字滤波算法要用到1 0 个数，所以 v l = 1 0 1 次秒= 1 0 次，秒。 如果一个测控系统的盲区时间片内外界变化等于系统所要求的精 度范围，那么这个测控系统的精度是无法保证的。通常至少要4 倍的 保守系数。则要求实用的a d 转换速度应为v 2 = 4 1 0 次，秒= 4 0 次秒。 这就要求在设计中a d 转换器件特性指标中的转换速度要大于4 0 次 秒。也就是要求a d 模块的转换时间要小于2 5 m s 。 本设计选用的a d 模块是s i e m e n s 公司生产的e m 2 3 1 模拟量 扩展模块。具有3 路差分输入；在输入范围是0 5 v 时，输入阻抗为 1 0 m q ：允许最大输入电压是3 0 v ：模数转换时间是2 5us ；分辨率是 1 2 位+ 符号位；使用最大误差为1 2 。 2 2 4 测量放大器原理分析西1 测量放大器是信息检测与数据采集系统中常用的前置放大器，它 具有高输入阻抗、高c m r r 、闭环增益调整方便、低失调低漂移、平 衡差动输入、输出电阻小等特点。因此，在数据采集和信号检测系统 中得到了广泛的应用。测量放大器的基本结构如图2 4 ( a ) 所示。一 般由三运放组合而成。采用三运放测量放大器的主要问题是如何降低 输入失调电压和漂移。通过对测量放大器工作原理的分析，设计了本 论文的传感器电路。 一、测量放大器的闭环增益与c m r r 对图2 - 4 电路，一般选r l = r i ，r ：= r ：，r ，= r i ，这样利 用叠加原理和理想放大器的特性可以得到： 1 2 尘墼圣堑些型圣。圣窑些尘些耋二。，。一 v 。= 鲁( 1 + 鲁城：叱) ( 2 1 ) 差模增益为： 铲丽v o2 鲁静 协z ， a s o = 0 ( 因为2 = k 。，z o = 0 ) c m r r ( 共模抑制比) ： c m r r 2 知a ，o = 。o v 0 ( c ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 图2 - 4 测量放大器的基本结构 其中( a ) ：测量放大器的基本结构 ( b ) ：并联差值比例放大输入级 ( c ) ：差动放大输出级 从( 2 2 ) 式可以看出，r 。，r ：，r ，选定后，只需改变靠的值，就 可以方便的调整整个放大器的闭环增益。 1 3 大连理工大学硕士论文第二章硬件部分设计 二、测量放大器的失调与漂移 测量放大器的失调和漂移，主要决定于差值比例放大电路，为实 现低失调和低漂移，一般选用同一型号且性能参数十分接近的芯片配 对，构成并联差值比例放大电路，使放大器a 和a ，的电路参数在工作 时能相互补偿。 三、测量放大器的闭环输入阻抗( z 。) 互一2 即丽珂雨陬丢研晤硼 由运放简化设计定则可知，z ，只，“，所以， 瓢- v , t 砒( - 一糕卜，由于( 1 r 0 + 捌阻 这样，并联差值比例放大器的闭环输入阻抗z 。一o o 。这种结构决定了 测量放大器具有很高的闭环输入阻抗。 四、测量放大器的闭环输出阻抗( z ，。，) z 。= 月。0 + a r 2 ：+ r ，) ) ( 2 6 ) 综上所述，测量放大器是具有测量仪器特性的差动放大电路，它克 服了普通差动放大电路的一些缺点，使其性能大大提高。随着集成电 路技术的发展，一个元件内含有两个、三个甚至四个独立运放的芯片 已经得到普遍应用，例如a d 5 2 1 、a d 5 2 2 、l f 3 5 3 、l m 3 2 4 等。 2 2 5 压力传感器电路设计“砌 、m p x 2 1 0 0 简介 压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的器件，即在硅基 片上用扩散工艺制成4 个等值电阻的应变元件构成的惠斯登电桥。采 用恒压源供电方式的工作原理图如图2 - 5 所示。设4 个桥臂电阻起始 值均为r ，在有压力作用时，桥臂电阻的变化量均为r 。当压力传感 1 4 器受到压力作用时，一对桥臂的电阻值变大，而另一对桥臂的电阻值 变小，电桥失去平衡，有一个与压力成正比例的电压输出。 r 图2 5 采用恒压源供电方式的工作原理图 m p x 2100 是一种带温度补偿的压阻式压力传感器，工作电压加 在脚1 和脚3 之间，满量程差动电压由脚2 、脚4 输出。由于传感器 硅片上集成有温度补偿网络，经激光微调，传感器的零位输出、满量程 输出、线性度、温度补偿等都达到了较好的性能指标。其主要参数如 表2 2 所列。 压力范围压力过载典型工作最大工作满量程电压 ( k p a )( k p a ) 电压( v )电压( v )( m v ) 0 1 0 04 0 0 1 01 64 0 0 1 零压输出温度误差带线性度全量程温度 ( m v ) ( o c ) ( f s )影响( f s ) l 0 5 10 8 5o 1 o 2 5o 5 1 表2 - 2m p x 2 1 0 0 性能指标 二、m p x 2 1 0 0 电路设计 压力传感器模块由m p x 2 1 0 0 和测量放大器组成。电路如图2 - 6 所示。 仪器放大器用来将传感器输出的o 4 0 m v ( o l00k p a ) 差动信 号进行放大。它由4 个高性能运放构成，其中，i c l 、i c z 接成同相输入 阻态，以获得仪器放大器所需的高输入电阻：i c 3 是单位增益的差动放 大器，以获得较高的c m r r i c 一及r p 2 所在分压电路构成调零电路， 使电路中输出读数在不加电压时为00 。电位器r p l 可对所加压力( 10 0 k p a ) 进行满量程校准，并用来调节仪器放大器的增益。 1 0 0 k 图2 - 6 压力测量电路图 2 2 6 、温度传感器电路设计 在本系统中，首先要通过感温元件把除尘器中的环境温度信号转 换为a d 模块可以接收的电信号。 一、感温器件的选择 感温元件种类很多，并且不同的原件在测温原理、测温范围和精 度上有较大的区别。铂电阻和热电偶是最经常应用的两种类型的感温 器件。用热电偶作为感温元件时要注意两方面问题。 1 ) 为了便热电偶产生的热电动势与被被测温度之间成单值函数关 系，需要热电偶的自由端保持恒定( 最好为0n 。) 。一般是用补偿导线 将热电偶的冷端延伸出来，远离工作端，使“稳定，同时用廉价金属代 替贵金属。在使用补偿导线时，必须使热电偶和补偿导线的两个连接 点保持相同温度，且热电偶和补偿导线在规定范围内( 0 1 0 0 。c ) 热电 性质必须相等。 2 ) 从热电偶测温公式中可以看到，热电偶产生的热电势，对某一 种热电偶来说只与工作端温度和自由端温度有关，即 e 口( f ，t o ) = e 5 ( f ) 一e 8 ( t o ) 1 6 ( 2 - 7 ) 根据国际实用温标t - 6 8 规定，可知热电偶产生的热电势 e 。s ( t ，o ) = p b ( t ) - e 日( 0 ) ( 2 8 ) 在实际测量中，如果“0 。c ，则由分度表查得的值产生的误差为 e 。b ( f ，0 ) = e j 口( f ，t o ) + 易8 ( f o ，o ) ( 2 9 ) 由于热电偶的”温度热电势”关系是非线性的，所以对热电偶冷端进行 修正时，可根据( 2 9 ) 式规定的热电势相加，然后由总电势查出相应 的温度。对于要求不是很高的情况，可以用以下补偿公式进行修正： f = 1 + 的o ( 2 1 0 ) 式中t 为热电偶工作端实际温度，t 。是由测量得到的热电势查分度表所 得温度，“为冷端温度，k 为修正系数，k 型热电偶的修正系数是i 。 本控制系统选用k 型热电偶为温度传感器，用铂电阻测环境温度， 并作为热电偶冷端温度补偿，由公式( 2 1 0 ) 来进行热电偶冷端温度补 偿。 二、电路设计 图2 ，7 是温度信号和放大电路。电路中c d 4 0 5 2 芯片是二组四选一 模拟开关。表2 3 是芯片输入输出和控制端a 、b 所具有的逻辑关系。 表2 3 baxy 0 ox o y 0 o1x 1y 1 10x 2y 2 l1x 3y 3 x o 、y o 连接热电偶的输出信号，x 1 、y 1 连接电桥输出的差压 信号，x 2 、y 2 接地，是校零通道，可消除放大电路的漂移电压，因 为直流放大电路存在着零点漂移和温度漂移。电路的共模放大倍数 为g c = ( r 配很7 ) r 4 ( r 8 ，r 9 ) r 5 ，适当选择电阻阻值可使g c = 0 ， 消除了共模干扰。差模放大倍数为g = ( r 9 瓜5 ) + ( 1 + ( r 1 + r 3 ) r 2 ) ， 其大小由温度测量精度要求来决定。在放大电路的输出端加一偏置 电压，可以改变放大电路的信号输出范围，从而使模数转换芯片的 1 7 量程得到充分利用。 c i ) 4 0 5 2 爱= 譬 x y a r p 2 6 b l p 2 7 图2 7 温度测量和放大电路 2 3 监控系统抗干扰设计【1 1 1 1 2 】【1 3 】 u 目前大多数矿厂和火电厂厂区内的供电线路网络、工艺过程所需 的各种大功率电机、变频器等设备都极易对控制系统的信号传输产生 干扰，影响系统的正常运行。因此，必须针对工厂所采用的工艺、电 气设备的特点对可能影响控制系统工作的干扰源进行认真分析，在设 计和安装调试过程中采用相应的抗干扰措施，以确保系统运行的稳定 性和可靠性。 2 3 1 主要干扰源分析 在一般工业工厂中，对控制系统产生的干扰主要有3 种形式：空间 电磁场干扰、电源上叠加的瞬态脉冲干扰和接地网络中的地电流共阻 抗耦合干扰。 空间电磁场干扰 空间存在的较强的电磁场，通过干扰源( 例如：大电流导线) 同信 1 8 大连理工大学硕士论文第二章硬佧部分设计 号线之间的分布参数耦合到信号线上产生干扰电压。干扰电压的生 成，可分为静电耦合和电磁耦合2 种方式。 电源噪声干扰 大功率设备启动停止时，会在5 0 hz 的电源电压上产生一个高达 上千伏的尖脉冲，在电网中形成强电流干扰。空间存在电磁波、辐射 等干扰源也在电源电压本身产生干扰电压。此外，大功率的变频器工 作时，其ig b t 输出的脉冲式电流有很宽的干扰频谱，可能对电源 产生较严重的污染。 共阻抗耦合干扰 控制系统信号通道的共阻抗耦合干扰主要是共地电阻耦合的干 扰。由予厂区范围较大，接地网络中的各接地点之间不可避免地存在 一个电阻值a 在由于各种原因引起供电回路较大的地电流的情况下， 如果信号电路取样电流流过公共的一部分地电阻，就在回路中产生干 扰电压信号。 2 3 2 主要抗干扰措施 一、合理布设电缆 要有效减小电磁干扰，必须减少信号线同干扰源之间的分布电容和 电感。根据电磁学原理，2 条平行导线间的电容和电感可分别表示为 c ：黑 ( 2 。1 1 ) 1 n r 们 一 。 肘：掣【l n i 2 l 卅 ( 2 - 1 2 ) 2 石日。 、 式中l 平行导线长度，m ： a 导线半径，i t i ： h 两平行导线的中心距、i t i ： e 两导线之间的介质的电容率，f m ； p0 真空磁导率h m 。 由( 2 - 1 1 ) 、( 2 - 1 2 ) 式可知，减小信号线同强电流导线之间的分布电容和 电感的共同办法是减少导线平行布设的长度和增大它们之间的间距。 二、屏蔽抗干扰 屏蔽的抗干扰作用有两方面：屏蔽干扰源，阻断静电场电力线和高 频磁力线向外辐射；保护信号线，使空间电磁场不能作用于信号线并 产生感应干扰电压控制系统的信号线按其抗干扰要求选取不同类型 的电缆。中央控制室到各plc 站之间的通讯电缆是整个控制系统的 “中枢神经”，电缆长度约为5 00 m 。为防止长线传输中容易出现的信 号延时、畸变、衰减、终端反射等现象，选用同轴电缆连接，并单独穿 金属管敷设，最大程度地隔离了干扰。同时为补偿信号衰减，增大信噪 比，在同轴电缆中段设置重发器，确保通讯稳定可靠。 现场p l c 站之间的通讯由于距离较短，为降低造价，选用屏蔽双 绞线，单独穿金属管敷设，具有双重屏蔽的效果，完全可满足系统的抗 干扰要求。 三、减小电源干扰和漏电流干扰 为减少电源干扰对控制系统的影响，采取了以下几个措施：f 1 ) 各 p l c 柜和中央控制室用专线电缆供电，并且在低压配电系统中最靠近 电源变压器进线点引出，避免同大功率设备电源通过同一段母线( 2 ) 大 功率变频器安装点靠近被控设备，远离p l c 站；( 3 ) p l c 柜和中央控制 室监控计算机通过u p s 供电，利用u p s 的稳压隔离功能减少电源干扰。 四、特殊的抗干扰措施 1 ) 系统正确良好的接地。采用公共接地点s g p 是较大控制系统中 常用的方法。因为所有的传输