基于PLC的烟气净化系统的排烟风门开度控制

周天沛

（徐州工业职业技术学院 电气工程系，徐州 221140）

0 引言

在电解铝生产过程中，电解槽会产生大量的氟化物、硫化物、粉尘等污染物，对环境造成很大的污染。为减少环境污染，并有效收集烟气中的粉尘，提高烟气的氟净化率和粉尘净化率，电解铝厂会进行烟气净化，一般采用氧化铝吸附干法净化技术处理，然后通过布袋除尘器进行气固分离，通过排烟风机产生的吸力，使管道中产生负压，将净化后的烟气吸出通过烟囱排入大气[1]。目前排烟风机的风门开度调节主要通过手轮在现场进行人工手动调节，现场调节非常困难，费时费力。无法实现集控室远程调节和现场电动调节；无法根据生产状况，实现引风量的及时、连续控制。为解决这个问题，本文提出以AB公司的SLC500系列PLC为核心，采用模糊控制算法，来对排烟风机的风门开度调节进行控制，取得了不错的效果。

1 烟气净化系统工艺流程简介

南屯电解铝厂电解输送车间共设置两套烟气净化系统，分别为南北两系。每套净化系统的排烟量为997210立方米/小时。净化后的电解烟气分别由60米高烟囱排出。电解烟气净化系统流程简图如图1所示。

图1 电解烟气净化系统流程图

2 控制系统设计

2.1 控制系统网络结构设计

根据烟气净化控制系统的功能要求，整个控制系统结构分为三层：监控管理层、控制层、现场设备层。监控管理层由操作员监控计算机(即工业计算机)、打印机和UPS电源等构成；控制层由PLC构成，该PLC系统分为南北两个独立的网络，分别控制南北两套烟气净化系统，PLC采用美国AB公司的SLC500系列PLC。南北两个PLC系统通过DH+网进行通信。现场设备层由执行机构和测量元件组成[2]。电解烟气净化控制系统结构图如图2所示。

图2 电解烟气净化控制系统结构图

2.2 PLC的选型

该项目为改造项目，因原有的控制系统采用美国AB公司的SLC500 系列PLC，为与原系统保持一致，所以选用SLC500/04。其具有结构紧凑，性能可靠，适用于恶劣工业环境，且语言丰富、编程简单，支持DH+工业总线，传输速率高，距离远，易于组网。以南系烟气净化系统为例，其I/O点位统计如表1所示。

表1 烟气净化控制系统I/O分配表

根据表1的点位，南系烟气净化系统的SLC具体配置为: 电源模块(1746-P2)2块，CPU模块(1747-L551)1块，RIO适配器(1746-ASB)1块，模拟量输入模块(1746-NI8)5块，模拟量输出模块(1746-NO4I)1块。

2.3 执行机构和测量元件的选择

在该系统中，执行机构的作用是用来控制排烟风门的开度，通过比较国内外的各类产品性价比，考虑选择采用PSQ角行程电动执行机构PSQ701-POT-PSAP4。该型号为调节动作模式，其转矩为700N.M，动作时间为43秒。适合于90°旋转阀门和风门的开关与调节控制。

伺服放大器的作用将控制执行机构的4～20mA电流信号，与执行机构当前位置信号进行比较，并根据偏差情况，控制电动执行机构开或关动作，使执行机构位置与输入信号平衡，其有内置和外配两种方式。本方案考虑选取机内内置方式选配伺服放大器。对于PSQ角行程电动执行机构，选用所配套的PSAP4B型电子比例式伺服电路。

在该系统中，负压传感器的作用是用于测量管道负压。本方案采用美国罗斯蒙特公司的负压传感器1151GP3E22M1。其采用4～20mA标准电流信号输出，量程-4000Pa～0 Pa。具有精度高，信号易于获取等特点，广泛应用于工业场合气体压力测量。

排烟风机电机的轴承和定子温度测量采用PT100铂热电阻元件，是一种精确，灵敏，稳定的温度传感器。还有可靠性好，热响应时间短等优点。特别是用在电机的轴承测温。安装特别简单，直接显示出轴承的实际工作温度。

3 模糊控制算法的设计

3.1 排烟风门开度控制

排烟风门开度在电解铝厂的烟气净化系统中起着很关键的作用。开度过小，则引风量小，不能保证一定的负压，造成相当数量的烟气泄漏到厂房空气中；开度过大，则引风量大，浪费能源，加重除尘器的负担，排出的烟气含尘量高。为了保证较高的烟气捕集效率，引风机引风量需要保证距风机最远的槽也能正常抽烟。烟气管道负压必须稳定在-650Pa～-550Pa，既可以保证较高的烟气捕集效率，又可以实现风机节能运行。此外，风机电流的大小、温度的高低，对风门开度的控制产生一定的影响。比如：引风量过大时，风机电流不能超过一定的上限；电机温度较高时，应当适当调大风门。风门开度控制框图如图3所示。

图3 风门开度控制框图

3.2 模糊控制器的设计

在烟气净化中，管道负压值是决定烟气净化效果好坏的重要指标。在设计模糊控制器时，以管道负压偏差及管道负压偏差的变化ec率作为输入变量，以风门的开度u为输出变量。系统采用双输入单输出模糊控制器，

本系统中烟气管道负压基本稳定在[-650Pa,-550Pa]之间，设偏差e的基本论域为[-50Pa,50Pa]，其模糊量E的模糊论域为[-10Pa,10Pa]，则模糊量化因子ke=0.2。设烟气管道的负压误差变化率ec的基本论域为[-10Pa,10Pa]，其模糊量的模糊论域为[-10Pa,10Pa]，则模糊量EC化因子kec=1。设排烟风门开度u的基本论域为[-90°,90°]，其模糊量的模糊论域为[-10°,-10°]，则比例因子ku=9。E、EC及U的模糊集取7个并表示为；NB(负大)，NM (负中)，NS(负小)，Z0(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)。隶属度函数取为三角形分布，量化值经模糊语言变量隶属度函数得到模糊量。

3.3 模糊控制规则的建立

确定控制规则的原则是必须保证控制器的输出能够使系统输出响应的动静特性达到最佳[4]，根据系统的工作特点，建立相应的模糊控制规则，如表2所示。

表2 模糊控制规则表

3.4 应用

笔者将该模糊控制算法应用于南屯电解铝厂输送车间烟气净化系统改造项目的风门开度控制中。传感器采用美国罗斯蒙特负压传感器，用于测量管道负压，采用角行程电动执行机构控制排烟风门的开度。首先将模糊化过程的各个参数存入PLC保持寄存器中，然后利用A/D模块将输入量采集到PLC的数据寄存器，经过限幅化处理后，根据它们所对应的输入模糊论中的相应元素，查模糊控制量表求出模糊输出量，再乘以输出量化因子即可得实际输出量 ，由D/A模块输出对阀门开度进行控制[5]。

4 结束语

本文以某铝厂对排烟风门开度控制为研究背景，设计出了控制排烟风门开度的PLC控制系统，并用于实际控制中，该项目自从2007年3月投入运行以来，气固比稳定在35～ 55g/m3范围内，烟气管道负压基本稳定在-650～-550 Pa之间，管道负压变化范围比改造前减小30%左右，由于风门开度随负压变动，这使得电机不用频繁启动，经测算电机轴功率降低10%，一年可减少损耗约为450(KW)×10%×24(小时)×365(天×8(台)×0.5(元/度)=1576800元，其排烟含尘量基本小于100mg/m3，排出氟化物含量基本小于6 mg/m3，达到环保的要求。结果表明该控制系统具有良好的控制效果。

[1] 张宏杰,电解铝烟气净化系统中引风机的设计与应用[J].通用机械,2006(10):67-71.

[2] 黄衡,曹静华.电解铝烟气净化的自动控制系统[J].上海有色金属,2008,29(4):176-179.

[3] ALLEN-BRADLEY 模块用户手册[Z].2005

[4] 靳兆荣,徐敏杰,魏学良,等.基于模糊决策的自动节水喷灌控制器的设计[J].排灌机械,2004,22(5):26-28.

[5] 肖爱武,廖平,罗智勇,等.模糊控制在矿井风机风量控制中的应用[J].湖南工业大学学报, 2008,22(1):85-87.