（检测技术与自动化装置专业论文）高压静电除尘控制器研究与研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 结合高压静电除尘供电技术的特点，研制了具有二折线火花跟踪算法的高压静电除 尘控制器，针对高压静电除尘器火花控制方式下的两个难点：火花检测和火花跟踪，提 出了解决办法。 通过研究除尘器电场火花现象，完整的总结出了判断火花的三个条件，实现了电场 火花的精确检测；采用二折线火花跟踪算法，将可控硅的导通角作为直接控制量，同时 将电场的火花频率作为控制因数，解决了除尘电压的火花跟踪问题。 高压静电除尘器具有7 路模拟量输入，2 路模拟量输出，1 2 路开关量输入和1 6 路 开关量输出。模拟量输入采集的信号有升压变压器一次电流、一次电压、二次电流、二 次电压等，采用1 2 位逐次比较式a d 转换器m a x l 8 7 ，兼顾采样速率和转换精度；中 央处理单元采用以8 位嵌入式处理器r a b b i t 2 0 0 0 为基础的r c m 2 2 5 0 模块，外扩1 2 8 k s r a m 和2 5 6 kf l a s hr o m ，内部资源丰富，提高了控制器的整体性能；模拟量输出采 用内带基准源的l o 位瞧压输出数模转换器m a x s 0 4 ，实现了标准4 2 0 m a 电流信号输 出；控制器通过控制算法在相应开关量点上输出可控硅的触发脉冲。 高压静电除尘控制器还同时具有一个1 0 b a s e t 以太网接口和三个异步串行通信接 口，其中三个异步串行口可任意选择采用r s 4 8 5 标准或是r s 2 3 2 标准，可支持不同通 信格式、不同通信速率和不同通信协议。 实验测试表明高压静电除尘控制器的火花率整定范围达n t0 2 0 0 次分钟。 关键词：高压静电除尘：火花；嵌入式处理器；以太网 高压静电除尘控制器研究与研制 d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f h i g hv o l t a g e e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t i o nc o n t r o l l e r b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fi x 融v o l t a g ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t i n gp o w e rs u p p l y ，a p r e c i p i t a t i o nc o n t r o l l e ru s i n g ”t w o - s t a g e c o n t r o l ”a l g o r i t h mi sd e s i g n e d w h i c h r e s o l v e st h et w o m a i n p r o b l e m s i ns c i n t i l l a t i o nc o n t r o l ：s c i n t i l l a t i o nd e t e c ta n ds c i n t i l l a t i o nt r a c k i n g s t u d y i n gt h es c i n t i l l a t i o np h e n o m e n o n ，t h r e ec r i t e r i o n si ne s t i m a t i n gs c i n t i l l a t i o na t ep u t f o r w a l d , w h i c hr e a l i z e st h ea c c u r a t ed e t e c t i o no f s c i n t i l l a t i o n at w o s t a g ec o n t r o la l g o r i t h mi s a d o p t e d ，i nw h i c ht h es c r sc o n d u c t i n ga n g l e i st h ed i r e c tc o n t r o l o u t p u t ，s c i n t i l l a t i o n 丘e q u e n c yi st h ei n p u tv a r i a b l e t h i sa l g o r i t h mr e s o l v e st h ep r o b l e mo ft r a c k i n gs e i n t l l a t i o n e f f e c t i v e l y 尉s l l i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t i o nc o n t r o l l e rh a s7c h a n n e l so fa n a l o gi n p u t 2 c h a n n e l so f a n a l o go u t p u t ，1 2c u g i 协li n p u t sa n d1 6d i g i t a lo u t p u t s t h ea n a l o gi n p u ti n c l u d e s p r i m a r yc u r r e n t ，s e c o n d a r yc u r r e n t ，p r i m a r yv o l t a g e ，s e c o n d a r yv o l t a g e ，e t c c o n t r o l l e ru s e s m a x l 8 7a st h ea dc o n v e r t e r , w h i c he n s u r et h es a m p l i n gs p e e da n dt h ec o n v e r s i o n p r e c i s i o n i nt h es a m et i m e 乃# p r o c e s s o ru n i ti sr c m 2 2 5 0m o d u l e r a b i t2 0 0 0p r o c e s s o r , a1 2 8 k s r a ma n da2 5 6 kf l a s hr o ma r ei n t e g r a t e di nr c m 2 2 5 0 ，w h i c h i r n p r o v e s t h ep e r f o r m a n c eo f p r i e i p i t a t i o nc o n t r o l l e r m a x 5 0 4i su s e d t op r o d u c et h e4 2 0 m ac u r r e n to u t p u t b a s e do nt h e a l g o r i t h m ，t h em o d u l eo u t p u t st r i g g e rp u l s et os c r n i s h i g hv o l t a g ee l e c l x o s t a t i cp r e c i p i t a t i o nc o n t r o l l e rh a s a1 0 1 3 a s e - te t h e m e tm o d u l ea n d 3a s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e s ；b o t hr s 4 8 5a n dr s 2 3 2a l ei n t e g r a t e di nt h e a s y n c h r o n o u s s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l e s e x p e r i m e n t a lr e s d ti n d i c a t e st h a tt h ee l e c t r o s c i n t i l l a t i o nr a t ec a l lb ec o n t r o l l e df r o m0t o 2 0 0 p e r m i n u t e k e yw o r d s ：h i g hv o l t a g e e l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t i o n ；s c i n t i l l a t i o n ：e m b e d d e d p r o c e s s o r ；e t h e r n e t 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致调 的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：组日期：堕：i ：! 兰 大连理工大学硕士学位论文 1 1 高压静电除尘 随着现代工业的发展，大气污染越来越严重，在烟囱林立的工业城市，每天都要排 放大量的烟气，这些烟气携带的粉尘危害极大，能扩散到很远，严重影响生态环境和人 类的身体健康，成为四大污染源之，世界各国纷纷制定法令或标准，限制工业排放烟 气中的粉尘浓度，我国也于2 0 0 0 年4 月2 9 日通过了中华人民共和国大气污染防治法， 因此除尘技术对于钢铁、冶金、化工、制造、电力等工业生产具有及其重要的意义i l j 。 常见的工业除尘方法有旋风除尘法，主要是通过离心力的作用，把气体与粉尘进行固气 分离，从而达到除尘的目的；布袋除尘法和水膜除尘法，主要是利用过滤的原理，将粉 尘和空气进行分离；沉降除尘法和湿式除尘法，主要是通过改变粉尘的表面张力，增强 粉尘与水之间的亲和能力，以达到湿润粉尘表面，增加粉尘重量的目的，有利于除尘效 果；高压静电除尘法是利用直流高压电离空气，使粉尘荷电，在电场作用下，集尘极吸 附荷了电的粉尘粒子，以达到除尘目的。高压静电除尘法以除尘效率高、处理粉尘的颗 粒度范围宽、压力损失小、运行稳定可靠性高、投产后维护管理方便等一系列优点成为 工业生产中应用日益广泛的一种先进除尘方法p 7 1 。 高压静电除尘的原理是，在空间放置组或几组间隔一定距离的金属极板，通以直 流高压，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，荷了电后的尘粒在电场作用下，向极性相反的电极运动，并 在几秒钟内到达而沉积在电极上，以达到尘粒和气体分离的目的。静电除尘器包括本体 结构和供电电源装置两部分，其中供电水平的高低直接影响其运行效果，要想达到好的 除尘效果，除了有良好的本体结构外，还需要一个良好的供电电源相匹配1 8 】【9 】。 国际上，常规电除尘器的高压供电控制技术是采用工频2 2 0 伏或3 8 0 伏通过铁心变 压器把电压升高至几万伏，再经过整流器变成脉动直流。由于这种电源内阻很小，属于 硬特性电源，即输出电压不随负载加重而跌落。关于整流波形对除尘效果的影响问题， 美匡l 学者怀特先生曾介绍：“科特雷尔曾试验过，从不滤波整流机组取得的脉动直流电 压和给整流器输出加上滤波电容器而取得的稳定直流电压，证明了脉动电压比较优越。 这主要是因为稳定直流电压的火花特性不好，而脉动电压具有明显的波峰和波谷，电压 的峰值可以提高除尘效率，波谷则有利于抑制火花放电和电弧的连续发生，这个结果己 经为长期的实践所证实。因此在单区电除尘中，通常都使用未滤波的电压”。在这一观 高压静电除尘控制器研究与研制 点的基础上，进一步提出了电除尘的“最佳火花率”的概念。霍尔进一步论述了这个问 慰”。扪，他根据现场测定的结果，指出当除尘器的输入功率上升到开始发生火花的某 点以上，一直到最大点为止，除尘效率都是提高的，此后，随着再增加输入功率和火花 率的进一步增加，除尘效率则下降。这表明早先认为要在火花始发点以下或正好在火花 始发点运行的观念并不能使电除尘达到最好的性能。正确的办法应当是火花始发点以上 还要增加输入功率，直到最佳除尘效率的火花率为止，所以后来的电除尘器设立火花自 动抑制系统，把电除尘器的电源高压调整在“最佳火花率”的工作状态i 。 从微观的瞬态观点来看，高压静电除尘是琴g 用高压电晕放电特性，实际上是电晕极 也叫放电极，与集尘极之问的气体发生局部击穿，这样在两极之间存在了大量的电离 子，使粉尘荷电，荷了电的粉尘在电场力的作用下趋向集尘极，起到了除尘作用。当电 源电压一旦达到火花放电时，两极之间全部击穿，这时候电离子由极跃驰到另一极， 不能在两极间的空间存在蓿电离子，粉尘就荷不上电，此时，尽管消耗了巨大的电能， 但对除尘并不起作用【1 5 j 【1 6 l 。 近几年来，国内外已经发展到了脉冲高压静电除尘器，它的思路是把高压电源的基 波电压控制在全击穿电压以下，然后再在这个基波电压基础上叠加幅值很大的脉冲电 压，远远超过起始的全击穿电压，但是脉冲宽度很窄，两极问还没有来得及打通，脉冲 就已经结束了，如图1 1 所示，这些电离子能停留在两极之间，使粉尘荷电提高除尘效 果，这样的电除尘器效果很好，尤其是对高比电阻粉尘的捕集，但是这种高压静电除尘 器造价十分昂贵，约为常规电除尘器的1 0 倍左右，难于推广旧。 v v f ot2 tt 图1 1 脉冲电源波形 f 培1 1p u l s e e l e c t r i c a ls o u r c ew a v e f o r m 通过总结对比国内外高压静电除尘器的供电技术及其实现，考虑到除尘效率，一方 面要提高除尘电压，使集电极和集尘极之间的电场强度尽量大，电离子尽量多；而另一 2 大连理工大学硕士学位论文 方面又要考虑不能让除尘器长时间处于打火( 甚至电弧放电) 状态。这一对矛盾就是高 压静电除尘供电技术控制方法中最为关键的难尉1 9 】。这一难点如果得不到解决，静电除 尘也就得不到进一步的发展。寻找一个控制效果好、除尘效率高并且成本较低的控制器 正是高压静电除尘器进一步发展的主要方向。 1 2 以太网 以太网是i e e e8 0 2 3 所支持的局域网标准f 2 0 1 ，按照国际标准化组织开放系统互连 参考模型( i s o o s i ) 的7 层结构，以太网标准只定义了数据链路层和物理层，作为一个完 整的通信系统。它需要高层协议支持。在制定t c p i p 高层通信协议。并把以太网作为 其数据链路层和物理层协议之后，以太网便和t c p p 紧密地捆绑在一起。通常将以太 网和t c p i p 协议一起称作以太网技术2 1 脚。 与现场总线相比，以太网因其协议简单、完全开放、稳定性和可靠性好而获得全球 的技术支持。以太网具有以下优点吲田1 ： ( 1 ) 应用广泛 。1 以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术，受到广泛的技术支持。几乎所有的 崤程语言都支持e t h e m e t 的应用开发，如j a v a 、v i s u a lc 十+ 、v i s u a lb a s i c 等。这些编程 辖言由于广泛使用，并受到软件开发商的高度重视，具有很好的发展前景。因此，如果 镰用以太网作为现场总线，可以保证多种开发工具、开发环境供选择。 ( 2 ) 成本低廉 由于以太网应用最为广泛，因此受到硬件开发与生产厂商的高度重视和广泛支持， 有多种硬件产品供用户选择，而且硬件价格也相对低廉。目前以太网网卡的价格只有 p r o f i b u s 、f f 等现场总线的十分之一甚至百分之一，而且随着集成电路技术的发展，其 价格还会进一步下降。 ( 3 ) 通信速率高 目前以太网的通信速率为i o m ，1 0 0 m 的快速以太网也开始广泛使用，1 0 0 0 m 以太 i 网j 支术也已经成熟，1 0 g 以太网正在研究。其速率比目前的现场总线快很多，因此以太 网可以满足对带宽有更高要求的需要。 ( 4 ) 软硬件资源丰富 3 高压静电除尘控制器研究与研制 由于以太网已应用多年，人们对以太网技术的设计、应用等方面有很多的经验，对 其技术也十分熟悉。大量的软件资源和设计经验可以显著降低系统的整体成本，并大大 加快系统的开发和推广速度。 ( 5 ) 可持续发展潜力大 由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术投入。并 且，在这信息瞬息万变的时代，企业的生存与发展将很大程度上依赖于一个快速而有效 的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅速，也更加成熟，由此可以保证 以太网技术不断地持续向前发展。 ( 6 ) 资源共享能力强 利用e t h c m c t 作现场总线，很容易将i o 数据连接到信息系统中，数据很容易以实 时方式与信息系统上层资源、应用软件和数据库共享。 ( 7 ) 易于与i n t c m c t 连接，能实现办公自动化网络与工业控制网络的信息无缝集成。 因此，如果工业控制网络采用以太网，就可以避免其发展游离于计算机网络技术的 发展主流之外，从而使工业控制网络与信息踺络技术互相促进，共同发展。并保证技术 上的可持续发展，在技术升级方面无需单独的研究投入。 由于以太网具有应用广泛、价格低廉、通信速率高、软硬件产品丰富、应用支持技 术成熟等优点。目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源管理层、过程监控层得 到了广泛的应用，并已经延伸到了现场设备层。 应用于工业控制领域的以太网技术叫做工业以太网，它在技术上与商用以太网( 即 8 0 2 3 标准) 兼容，但又必须满足工业控制网络通信的需求。一般来讲，工业控制网络 应该满足以下要求网口6 ： ( 1 ) 具有较好的响应实时性 工业控制网络不仅要求传输速度快，而且在工业自动化控制中还要求响应快，即响 应实时性好，一般为毫秒到o 1 秒级； ( 2 ) 容错性要求 在网络局部链路出现故障的情况下，能在很短的时间内重新建立新的网络链路： f 3 ) 力求简洁 减小软硬件开销，从而降低设备成本，同时也可以提高系统的健壮性： ( 4 ) 开放性好 即工业控制网络尽量不要采用专用网络。 4 大连理工大学硕士学位论文 根据所处的层次不同，工业控制网络又可分为过程监控层网络和现场设备层网络， 其中过程监控层网络主要用于过程监控、优化、调度等方面信息的传输。其特点是信息 传输具有一定的周期性和实时性，数据吞吐量较大，要求网络具有较大的带宽眇3 0 1 。 1 3 本文的主要工作 本文在综合比较国内外高压静电除尘控制方法的基础上，实现了= 折线火花跟踪控 制方法，基本解决了高压静电除尘器本体电场火花状态下的供电技术难点，针对火花检 测，完整的提出了三个判断火花的条件，实现了火花的精确检测；采用可控硅的控制导 通角作为直接控制量，同时将电场的火花频率作为控制因数，使得工程人员能够根据具 体现场工况条件，通过调试找到“最佳火花率”，使除尘电压在火花发生后的恢复问题 得到了解决。 本文完成了高压静电除尘控制器整个硬件电路和底层软件的设计。在硬件设计方 面，采用了z - - w o r l d 公司的r c m 2 2 5 0 处理模块作为中央处理器，以r a b b i t 2 0 0 0 嵌入 式8 位微处理器为基础，外扩1 2 8 ks r a m 和2 5 6 kf l a s hr o m 。采用了1 2 位逐次比较 式a d 转换器m a x l 8 7 ，兼顾采样速率和转换精度；模拟量输出采用内带基准源的1 0 位电压输出数模转换器m a x 5 0 4 ，实现了标准4 2 0 m a 电流信号输出。控制器还同时 具有一个1 0 b a s e - t 以太网接口和三个异步串行通信接口，其中以太网通信采用u d p 协 议，异步串行口可任意选择采用r s 4 8 5 或是r s 2 3 2 标准。 高压静电除尘控制器要求很高的实时性，本控制器软件设计时将a d 转换、现场 状态检测、控制算法实现和控制脉冲的发送都放在t o m s 同步信号的外部中断服务程序 中进行。这样既保证了控制的实时性又能及时的在每个1 0 m s 同步信号到来时检测出本 体打火装置是否有短路和开路等致命故障。软件采用模块化设计，加强了程序的可扩展 性，还采用软件看门狗、对重要参数重复检查、对外部事件进行超时判断、对错误及时 处理等方法提高控制器的抗干扰能力。 5 高压静电除尘控制器研究与研制 2 二折线火花跟踪控制算法 由高压静电除尘器的工作原理可知，除了良好的本体结构外，除尘效率的高低还和 除尘器的供电电源的质量有羞密切关系，它受到静电除尘器自身工作电压的影响，因此 要保证除尘效率就必须保证除尘电压。除尘器经常运行在电场火花状态下，此时除尘电 压的高低直接取决于火花跟踪曲线的控割算法。本章详细说明控4 器实现的= 折线火花 跟踪控制算法。 2 1 火花检测 想要得弱火花状态下良好翰控秘效果，首先必须精确检铡火花的发生，散到既不漏 检也不误检。连续的漏检极易引起电场电弧发电，使得除尘效率降低，并且损坏供电设 备；连续的误检将产生假闪现象，造成除尘电压降低。因此火花的精确检测是实现二 折线控制算法的基础。 从微观角度分析电场火花，可以发现火花发生时，升压变压器二次电流迅速升高， 同时二次电压迅速下降。这是由于放电极与集尘极之间的气体发生全部击穿，这时候电 离子由一极跃驰到另一极，两极问不再存在游离电离子，粉尘也就无法吸附电荷，此时 尽管消耗了巨大的电能，但对除尘并不起任何作用【3 2 l 。 基于以上分析，火花检测的基本条件就是火花发生后升压变压器二次电流的升高和 二次电压的降低，然而对于不同的工况条件和除尘器运行状态，二次电流火花值和二次 电压火花值并不相同，为了提高控制器的适用范围，在软件设计时将这两个值作为系统 参数，可以根据具体情况人为设定。在烟尘成分和电场状态复杂、干抗严重的情况下， 二次电流的火花值可以设高一点，二次电压的火花值也应该相应提高：同理，当烟尘成 分和电场状态相对简单、干扰较少时，可以将火花设定值减小一些，以保证火花检测的 灵敏度和准确度。 上述两个条件还不够充分，应该注意到只有当除尘电压大于粉尘介质击穿电压时才 有可能发生火花，所以补充的一个条件是，火花发生前的升压变压器二次电压大于粉尘 击穿电压，实验证明，这是排除大多数火花误检的重要条件。在不同的工况条件下粉尘 介质击穿电压也不尽相同，因此，在控制器软件设计时也将粉尘介质击穿电压设定值设 为系统参数，可以根据具体情况人为设定。 - 6 一 火连理工人学硕士学位论文 判断火花是否发生时，以上三个条件必须同时满足，缺一不可，只有这样才能做到 电场火花的精确检测。而将这三个设定值都设为系统参数，可以由工程技术人员根据现 场具体工况灵活方便的进行修改，极大的提高了控制器的适应性。 2 2 火花跟踪和火花频率 粉尘介质产生火花击穿后，其绝缘强度有一定的恢复过程，恢复时间与原火花强度 及电场风速有关，此恢复过程以除尘电压与时间的函数描述则称为“介质恢复曲线”， 火花产生后，可控硅马上进行降压保护，此后除尘电压的恢复过程应力求尽可能的逼近 “介质恢复曲线”，以避免过早的引发第二次火花，同时又得到最大除尘效率，此电压 恢复过程即称为“火花跟踪曲线” 3 3 】，如图2 1 ： 图2 1 火花跟踪益线示意图 f i g 2 1s c i n t i l l a t i o nt r a c k i n gd i a g r a m 高压静电除尘控制器在实现精确检测电场火花状态的基础上，采用二折线火花跟踪 曲线来逼近“介质恢复曲线”，如图2 2 。 图2 2 二折线跟踪曲线示意图 f i g 2 2t w o - s t a g e s c i n t i l l a t i o n - t r a c k i n g d i a g r a m 一7 高压静电除尘控制器研究与研制 除尘器一旦发生火花，迅速关断可控硅一个周波，除尘电压迅速下降，除尘器的本 体电场不再处于打火状态，然后分为二段计算可控硅导通角恢复除尘电压，快速升压段 使除尘电压迅速恢复到火花时的8 5 ，慢速升压段继续提高除尘电压，直到发生下一次 打火。 火花频率是指一分钟里电场火花发生的次数，研究表明，当输入静电除尘器的功率 上升到开始发生电场火花，并且火花频率达到某一点时，除尘电压都是提高的，此后， 随着继续增加输入功率和火花率的进一步增加，除尘电压则要下降。也就是浇，对于除 尘电压，火花频率有一个理想值。称为“最佳火花率”凹，对于不同的工况条件，“最 佳火花率”是不相同的。 2 3 二折线火花跟踪控制算法 高压静电除尘控制器是通过改变可控硅的导通角实现对除尘电压进行调压控制的， 因此二折线火花跟踪控制算法采用可控硅导通角作为直接控制量，使得算法简单，控制 效果直观。同时考虑到“最佳火花率”在不同运行状态和工况条件下的不一致性，算法 也将电场火花频率作为一个变量，直接参与到导通角控制量的计算中。 二折线火花跟踪曲线里，快速升压段和慢速升压段时的分界点是升压变压器二次电 压恢复到火花发生时的8 5 ，可控硅输出电压有效值的计算公式如下1 3 5 ： 一 艘刈：拦l ( 肋：s i n 卅d ( c o t ) 式中，u 埔散为可控硅触发后二次电压有效值，u ：为二次电压触发前二次电压全电 压波形的有效值，p 为可控硅触发角。整理后得到： 散也j _ 去s i n 卢+ 鲁 将u 2 有娃恢复火花时的8 5 时，设此时的导通角为卢x ，代入上式，得到： u 2 有娃x 3 5 ：u 2 1 f _ 圭s i n ( f l x ) + f l x x 两式相除，并且两边平方得到： 0 7 2 2 5 ：s i n ( p x x ) - 2 f i x x 8 大连理工大学硕士学位论文 相对于2 卢，s i n 很小，工程上可以将其忽略，同理，忽略s i n ( f i x 五) ，即可得 到x - - - 7 2 2 5 ，也就是说，当可控硅导通角恢复到火花发生时的7 2 2 5 时，二次电压 也恢复到火花时的8 5 。 对于快速升压段，由于不用担心发生火花，因此采用分三步设定导通角的办法来迅 速升压，只需要记录下来火花发生时可控硅导通角的大小声。即可，快速升压的第一 步恢复到卢 花的3 0 ，第二步恢复到氏花的6 0 ，第三步恢复到声火花的7 2 2 5 ，此 时对应的除尘电压也恢复到了火花时的8 5 ，该算法简单有效、实时性高，直接得到的 就是可控硅导通角口的控制量避免了每个周波都要计算二次电压的有效值，减少了 c p u 的数据处理量。 下面来看慢速升压段的可控硅导通角的计算方法，在慢速升压段里，为了防止在这 个过程中电场再次发生火花，除尘电压应该是逐渐升高，也就是说可控硅导通角口应该 慢慢的增大，最后达到上次火花发生时的导通角风。 这个过程很容易让人联想到正弦函数y = a s i n x 中0 9 0 。的波形，此时，引入另一 个关键参数火花频率n ，即每分钟电场火花次数为n 次。将每一个周波应该送出的 导通角的大小与0 9 0 。时j 下弦函数的波形做一个映射，映射关系如图2 ，2 所示： n 图2 2 可控硅导通角的正弦函数映射图 f 嘧2 2s c r sc o n d u c t i n ga n g l em a p p i n gd i a g r a m 步数s 图中的s 为步数，是相对于l o m s 同步信号来说的，每分钟有6 0 0 0 个1 0 m s 同步信 号产生，每个同步信号都要发出导通角控伟4 脉冲给可控硅，所以可以认为慢速升压段导 通角的恢复过程是每1 0 m s - - 步进行的，并且，每两个火花之阳j 的步数为等。 9 踟7 一 良 高压静电除尘控制器研究与研制 那么，导通角卢。和步数s 之间的函数关系如下： 风= 段拶n ( 斋9 0 。) _ 火n ( 淼9 0 。) 式中，s 为步数，风为步数s 时对应的可控硅导通角。 进入慢速升压段后，第一个1 0 m s 同步信号到来，认为是第一步，应该发出的导通 角届= 歌花s i n ( 丽l x n 9 0 。) ，第二个l o m s 同步信号时，认为是第二步，应该发出的导 通角岛= 火花s i n ( 而2 x n 9 。) ，以次类推。当第6 0 0 0 个l o m s 同步信号到来时，可控 硅导通角正好恢复到了p 火花。可见，上述公式直接得到了可控硅导通角，其升压曲线 符合电场的实际需要，并且易于用计算机程序实现，具有可行性。 采用二折线火花跟踪算法的高压静电除尘器总是在寻求现有工况条件下的最高除尘 电压，同时，火花频率作为可变参数引入控制算法，为工程人员寻求“最佳火花率”奠 定了基础。 2 4 小结 本章从电场火花检测、火花跟踪和二折线火花跟踪控带4 算法三个方面详细介绍了高 压静电除尘控制器的控制算法设计。在介绍电场火花的检测时，详细说明了精确检测火 花所需要的三个条件：火花跟踪曲线选择了二折线火花跟踪曲线，来近似粉尘介质恢复 曲线；在介绍二折线火花跟踪控制算法时，将可控硅的导通角作为直接控制量，同时将 电场的火花频率作为控制因数参与到导通角控制量的计算中，使得控制器适用性强，控 制效果好、操作简单方便。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 3 高压静电除尘控制器的硬件设计 高压静电除尘控制器以z w o r l d 公司的r c m 2 2 5 0 处理模块为核心，本奄将详细说 明其硬件电路及其驱动程序设计。 3 1r c m 2 2 5 0 处理模块 r c m 2 2 5 0 处理模块以r a b b i t 2 0 0 0 嵌入式8 位微处理器为基础，外扩1 2 8 ks 黜州 和2 5 6 kf l a s hr o m ，采用r t l 8 0 1 9 作为以太网协议芯片口“。r a b b i t 2 0 0 0 处理器运行速 度较快，外接晶振频率为l1 0 5 9 2 m h z ，内部使用倍频技术，处理器和外设工作频率均 达到2 2 11 8 4 m h z 。与普通8 位处理器比较，r a b b i t 2 0 0 0 内部指令运行所需时钟周期更 少。r c m 2 2 5 0 处理模块内嵌掉电检测电路，可以使处理器在上电或电源不稳时被可靠 复位，其工作电压范围是4 7 5 5 2 5 v 。r a b b i t 2 0 0 0 处理器内部资源丰富、功能强大， 具有以下特点【3 7 】【3 8 】： ( 1 ) 具有5 个8 位并行口a 、b 、c 、d 、e ，其中e 口可编程工作在特殊选通输入 输出方式。 ( 2 ) 具有4 个串行通信口，可与并行口c 或d 复用；串行口可在多种操作模式下实 现异步工作。其中两个串行口还可工作在同步方式，实现与串行i o 设备的接 口。 ( 3 ) 两组定时器，计数器a 和b ，a 组包括a 1 、a 4 、a 5 、a 6 、a 7 五个可自动重装 载的8 位定时器，其中a 4 、a 5 、a 6 、a 7 既可用作定时，又可分别为4 个串行 通信口提供波特率发生器；b 组包括b l 、b 2 两个1 0 位比较定时器。在处理器 内部还嵌入一个看门狗定时器，专用作看门狗定时，看门狗与掉电检测电路一 起，保证强干扰环境下，内部程序的可靠运行。 ( 4 ) 两个外部中断i n t 0 和i n t l ，可编程为上升沿触发、下降沿触发或者上升沿和 下降沿均触发。 ( 5 ) 具有4 个中断优先绂0 、1 、2 、3 ，优先级顺序从小到大。 ( 6 ) 具有标准的l o 针编程端口，p c 机通过编程电缆与目标系统直接连接，即可进 行程序下载和在线调试，无需仿真器。 ( 7 ) 内置电池供电的时间日期时钟部件，使用外置3 2 7 6 8 k h z 晶振，系统可轻松获 得当前时钟。 高压静电除尘控制器研究与研制 3 2 硬件电路总体设计 高压静电除尘控制器的硬件结构框图如图3 1 所示【3 9 l 【4 0 1 。 d i 模拟量 光 刮竺! 叫 采集保 - 4 模数h 光 电 耀 护电路 1 l 转换r j u i 一 r 叫 隔 以及模剐峭x 1 8 7 电离 仁牺 拟开关 中央处理器 r a b b i t2 0 0 0 隔 j 网桃器酬以太网口 i y ) v 1 光 刮数模转换l a o 离j j 电 觚、m 可扩展电 = ： 1 隔 年阐d o 离 图3 1 高压静电除尘控制器硬件结构框图 f i g 3 1t h e s t r u c t u r eo f h i g hv o l t a g e e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t i o nc o n t r o l l e r 高压静电除尘控制器具有7 路模拟量输入，2 路模拟量输出，1 2 路开关量输入，1 6 路开关量输出。其中模拟开关c d 4 , 0 5 1 分别切换一次电流、一次电压、二次电流、二次 电压等模拟量输入，由r c m 2 2 5 0 控制选中各个通道。经l m 3 2 4 放大电路送入1 2 位逐 次比较式a d 转换器m a x l 9 7 t 4 ”，转换后的数字量经过光电隔离送入中央处理器。完 成数据采集后，c p u 通过控制算法，计算出要送给可控硅的导通角控制量，再由两路开 关量输出至两个单阿可控硅的控带4 极，从而完成整个控带4 过程，输出电路也有光电隔离 进行保护。控制器还可以将模拟量输出经光电隔离和旌密特触发器整形后分别串行发送 给2 片l o 位d a 转换器m a x 5 0 4 4 2 j ，m a x 5 0 4 将其转换为模拟电压，再经电流串连负 反馈电路变换为4 2 0 m a 标准电流信号进行输出。控制器具有三个异步串行通信口， 每个通信口均可支持r s 2 3 2 或r s 4 8 5 标准，并且与中央处理器之问都进行了光电隔 离。r c m 2 2 5 0 模块还集成了以太网接口芯片r t l 8 0 1 9 a s ，要完成以太网通信，还需要 额外配置隔离变压器h r 6 1 h 4 0 l 以增加驱动能力t 4 引，为了接插可靠，选取工业上常用 的d b 9 插座作为以太网通信的物理接口。 1 2 火连理工大学硕士学位论文 3 3 模拟量输入和同步信号采集电路 高压静电除尘控制器具有7 路模拟量输入测量通道，可以接入7 路电流或电压模拟 信号，模拟开关c d 4 0 5 1 负责通道切换，分别选中各个通道，采集现场升压变压器的一 次电流、一次电压、二次电流、二次电压等模拟量。以一次电流为例，如图3 2 所示。 图3 2 次电流输入电路 f i g 3 2a n a l o gi n p u t 1 1c i r c u i t 升压变压器的一次电流是5 0 h z 工频交流信号，先经过整流桥z l 2 进行全波整流， r 1 4 、r 1 5 为一次电流的取样电阻，一次侧采样的电流较大，因此取样电阻很小，并且 电阻功率选择的是1 w ，r 1 6 、c 3 4 、r 1 7 、c 3 5 组成二阶无源滤波路，参数为1 0 k 和 0 叭uf ，频率在1 0 0 k h z 以上将都被滤掉，l m 3 2 4 的放大倍数由r 1 8 和r 1 9 决定， r 1 8 取1 0 k ，r 1 9 取1 k ，所以放大倍数为1 0 倍，二极管d 9 起保护作用。 高压静电除尘控制器是通过改变可控硅的导通角来进行调压控制的。在导通角的计 算过程中，同步信号的作用十分关键，本控制器设计的同步信号采集电路，采用直接从 工频交流电源产生同步信号的方法，简单实用，无需额外开销，电路图如图3 3 所示： 1 3 高压静电除尘控制器研究与研制 + 5 图3 3 同步信号采集电路 f i g 3 3s y n c h r o n a ls i g n a lc i r c u i t 出于抗干扰考虑，为了过滤零点的毛刺，不用过零点产生同步信号，而是采用过压 点。图中r 7 为8 5 k 、r 8 为4 k ，电源电压v c c 为5 v ，这样利用运放l m 3 2 4 的两个输 入端“虚短”，过压点选择的电压是圪! ! l ：1 6 v 。 月7 + 矗8 由于1 0 m s 同步信号直接影响控制导通角的计算，因次有必要做进一步的分析，根 据正弦交流电有效值和瞬时值的关系，在运放两个输入端有下式成立： 惫2 q r 2 u 有a s i n 叫 代入：= 2 矿后，整理得到： 吃丽e 8 = 血育洲可2 f , t 1 8 。) 此时t 就是过压点的同步信号产生的时刻，单位为微秒，将上式整理得到关于t 的 函数可以表达如下： f2 丽 0 6 一去， 扛丽m 8 m 百茏。意) 有上式可见影响同步信号的物理量有工频频率，交流电压有效值u 有效，数字部分 电源电压吃和分压电阻r ，、r 。的阻值。它们的典型值是：，= 5 0 h z ， u 打拙= 8 v ， 1 4 大连理j r 大学硕士学位论文 ，= 5 v ，r ，= 8 5 k ，r b = 4 k 。求t 对上述物理量的偏导，可以得到它们分别对同步 信号的影响，计算结果如下： 导卅m s ：丧一，：瓦a t 乩嘲；盖“扔枷一；壶乩s s 枷。 可见，r ，和民对同步信号的影响完全可以忽略不计，而对同步信号影响最大的是 工频频率，当a f = 5 h z 时，i = + 4 5 1 6 us ，又因为1 0 m s 周期里时间t 和导通角卢 的关系可是表示为： f口 1 0 1 0 3 1 8 0 。 因此，工频频率误差达到5 h z 时，可控硅导通角的误差将达到o 8 度。 同理，交流电压有效值u 育艘和数字部分电源电压比对同步信号的影响也将造成可 控硅导通角的误差，这些因素，在软件设计时都加以了充分考虑，留出了一定的余量。 3 4a i ) 转换设计 3 4 11 2 位a d 转换器m a x l 8 7 的设计 高压静电除尘控制器对于a d 转换器的精度要求不需要太高，以升压变压器的二 次电压即除尘电压为例，一般都是好几万伏，经过互感器采样和输入电路进入控制器 后，本身就不是十分精确。但是控制器对于a d 转换的速度却有着很高的要求，因为 所有的模拟量输入都是1 0 m s 的周期波形，想要得到精确的火花检测和二折线控制效 果，就应该尽可能的多取采样点，在1 0 m s 里能完成尽量多的模拟量数据采集任务。 综合上述分析，本控制器选用的是1 2 位逐次逼近式a d 转换器m a x l 8 7 ，该转换 器采用单5v 工作电源，可以转换o 5v 模拟输入电压。片内带有快速采样保持电 路，不需要外接电容，采样时间1 5 陋。每次转换时间仅需8 5 鹏。无需外按时钟， a d c 工作时序由内时钟实现定时控制。m a x l 8 7 有内部参考电压，也可由外部提供参 考电压。该转换器具有s p i 接口，利用三条串行接口线，可高速串行输出转换后的数 据，速率为7 5k b p s 。m a x l 8 7 的电路设计如图3 4 所示。 1 5 高压静l b 除尘控制器研究与研制 q 1 0 0 u 吲1 6b c 4 9 些 4 7 u 1 6 v r r 4 91 0 0 + 5 u 1 1 v d d，s h d n a i nc s r e fs c l k g n dd o u t 队x 18 7 图3 4a d 转换器m a x l 8 7 电路设计 f i g 3 4a d c m a x l 8 7c i r c u i t s c s s c l k s o u t 图中，c 4 9 为4 7 l a f 电容，这是使用内部4 0 9 6 v 参考电压方式。电路中c 7 7 、 c 7 8 为电源退耦电容。为保证采样精度，将m a x l 8 7 与r c m 2 2 5 0 分开供电。使用内部 参考电压时，在电源启动后，经过2 0 m s 后参考引脚的4 7uf 电容充电完成，首先， 置c s 为低电平，此时m a x l 8 7 的转换过程开始，在c s 的下降沿t h 进入它的保持状 态，并且a d c 转换过程开始，8 5 9 s 后，d o u t 输出为高电平作为转换完成标志。此 时可在s c l k 端输入一串脉冲将a d c 的转换结果从d o u t 端移出。需要注意的是，在 c s 置为低电平启动a d 转换后，检测到d o u t 有效( 或者延时8 5 雌以上) ，彳能发 s c l k 移位脉冲读取数据，s c l k 至少要有1 3 个，发完脉冲后应将其置为高电平。正是 基于这种s p i 接口的设计方式，m a x l 8 7 无需增加额外硬件开销，节省了口线，经过 光耦6 n 1 3 7 隔离保护后，直接与中央处理器相连。 m a x l 8 7 的数据输出格式是倒序的，因此接收到数据后，必须进行数据变换，时序 图如图3 5 所示： 1 6 - 大连理工大学硕士学位论文 。l 卜一卜j l 刚r l c ( 一，l r l 肿u l n 川且m 川一 p o l i “r 广斟碰砸理固鳅班砸硒 广 咐e 眦u i 勰黔一盈+ c 。懈w w w + i 器誉一皿e 加鸸+ i 墅掣蚌卜 w 麟 _ 卜 n 删h c 眦t 眦 秭4 o 时+ i + 吣+ 砭x 。2 跚s = 3 z 嶂 l - p - 一i o t & ，1 2 2 s p s + i + 邮- i p l 等