高校工程实训中心通风除尘监控系统设计

2018-05-23章盼梅朱万浩

机械工程师 2018年5期

章盼梅，朱万浩

（1.深圳市朗飞实验室建设有限公司，广东深圳518055；2.深圳科信智能技术有限公司，广东深圳518040）

0 引言

目前，普遍高校的金工实训中心作为大学生金属工艺学教学、学习的场所，主要是以提高大学生动手能力为培养目的，让大学生了解掌握基本的车削、钳工、焊接、铸造等工艺。而部分工艺因其加工特点，将不可避免地产生污染源。当学生或老师在进行实际操作时，有毒废气及粉尘将对实验室人员的身体产生毒害作用[1]。作者通过调研广东若干所高校的实验室，发现普遍采用合理的除尘排风系统来解决环境污染问题。笔者根据广东某高校通风除尘系统的建设项目，对存在问题进行分析，提出见解，并采用合理的设计方法，总结出金工实训中心通风除尘系统的设计思路，对工业通风系统设计具有参考意义[2]。

1 车间现状及污染源的产生

该高校金工实训中心提供15个工种开展教学及科研活动，如：车、铣、铸造、焊接、线切割、电火花、快速成型等。其中产生有毒气体及粉尘的环节主要有以下3种[3]。

1）焊接。该校焊接培训车间位于金工实训中心的3楼，面积约150 m2，电焊工位8个，单侧靠窗排列。每个焊位大约1.5 m2，周围用隔板隔开，形成独立的单元。学生在焊接练习时，主要产生锰的氧化物、铁的氧化物等粉尘污染。

2）电火花。电火花培训车间位于金工实训中心的2楼，面积约80 m2，共有两台电火花机。学生在电火花的实训中，不仅绝缘的材料会反应生成气体，而且反应的材料也会产生部分粉尘。

3）铸造。铸造培训车间位于金工实训中心的1楼，面积约120 m2，有1台中频炉，2个熔炉。炉在反应中容易产生大量的粉尘和气体，工件浇铸时产生大量的预热和有害气体，影响学生的身体健康[4]。

2 通风除尘系统方案设计

在各工种实际操作时，污染源的工位相对固定，但各工种楼层不同。如果采用全面通风的设计方案，虽然通风量较好，但消耗的能量比较多。因此选择采取局部机械排风和分区集中排风方式[5]。即在污染物产生的地方直接利用吸气罩将它们收集起来，经通风装置处理后排放到户外。通过这种措施能有效地防治有害污染物排放到室外，风量要求小且结构简单灵活，设计费用少，通风效率高。分区集中排风是将整个培训车间根据污染源工位安排，即焊接8个工位，电火花2个工位，铸造2个工位，分布在3个楼层。每个工位的烟气量经局部排烟再集中到总烟道后，在总烟道出口处采用大功率轴流风机强制吸出。大功率轴流风机安装在车间外顶楼（即4楼）处，其目的是在保证排烟流量的基础上，降低车间内部噪声[6]。

局部通风除尘系统如图1所示。

2.1 抽风罩设计

局部抽风罩设计应考虑下列原则：1）力求造价低，结构简单，便于检修及维护；2）充分了解生产工艺情况，应在不影响工艺、正常操作的前提下，选用合理的安装方位和选用合适的排气设备，安装的排气设备应原理污染源，同时应降低外界气体的影响；3）严格按照国家标准和相关规范计算系统参数;4）抽风罩的强度必须足够，以防止变形。

图1 局部通风除尘系统示意图

目前我国局部通风排气普遍采用上吸式排气和侧吸式排气两种。因焊接、铸造和电火花工种操作人员均在工作台一侧工作，且学生和老师的教学工作量大，没有时间去移动罩口。因此，各工种工位抽风罩选用固定上吸式。上部吸气罩的工作原理是依据罩口的往复运动，使污染物附近的空气产生一定的流动，进而把污染物吸入罩内。考虑到3个工种的工艺流程和操作方式不同，根据实际情况，既要有效捕捉烟尘，又不影响操作人员的操作及安全。焊接工位抽风罩设计成浅围挡，铸造工位抽风罩设计成只留操作口的密闭式活动围挡。电火花工位烟气集中，工作范围小，抽风罩选择开放式。

其中，抽风罩抽风量计算公式为

式中：V0为通风罩口平均风速，m/s；A为罩口面积，m2。

2.2 风管设计

通风除尘系统的风管断面形状，按国家标准可分为圆形和矩形两种规格，相对于矩形风管而言，圆形风管具有在通风时阻力小、容易制造且构成的力学性能稳定等优点，因此本方案中的焊接、铸造、电火花车间均采用圆形风管。风管的设计严格按照国家标准、行业标准以及招标人要求进行设计，管道的铺设符合相关规范，不得阻碍消防通道及学生的正常操作。管道的安装位于楼层的最上层，方便其它设备装置的安装。

管段断面直径按下两式联立计算：

式中：L为管段中风量，m3/s；V为管段中最小风速，m/s；F为

管段端面面积，m2；D为管段端面直径，m。

2.3 净化设备选择

除尘器选用考虑因素：满足排放标准规定的排放浓度；颗粒物的性质和粒径分布；气体类污染的种类、性质和浓度；颗粒状污染物的浓度值和分布范围。

针对金工实训中心焊接、铸造、电火花产生烟尘的具体情况，烟尘粒径为1 μm左右，对净化装置要求较高。袋式除尘装置具有除尘效率高、构造简单、稳定可靠、价格低廉且维护方便的特点，通常除尘效率达90%以上。综上考虑，本方案采用袋式除尘装置[9]。

2.4 轴流风机选择

根据计算确定各管道直径后，再根据总烟道风管直径及长度，计算排风量。根据厂家设备的参数资料，结合本方案的具体情况，选用四台功率7.5 kW、风量为5712/10562 m3/h、风压为2554/1673 Pa的风机，安装在车间顶部的烟道端口，进出风口采用圆形管道相连接，从而减少弯形和圆形连接对风力的阻碍作用，降低了噪声，减少了能耗[10]。

2.5 监控系统构成

1）上位机监控系统。北京亚控公司开发的组态王软件是一套国内先进的自动化监控软件，它能解决工业生产、智能楼宇、智能家居等很多行业监控问题。它具有功能强大、稳定性高、安全性好、通用性强等优点，能够适应各种不同的生产运行环境；提供清晰的2D/3D画面显示，使生产过程等更加可视化，方便技术人员了解生产流程并操控设备；能够精确地监控生产设备，优化生产设备的运行达到资源的优化配置，减少原料、人力等资源的消耗，提高生产效率；画面更新速度快，实时性能好，能够快速响应更新数据[11]。工程技术人员设计在监控室放置HIS（Human interface system，人机界面）和服务器，现场的PLC控制器接收下位机传送过来的信号，经过处理后传送到上位机监控软件中。HIS具有图表显示、报警、报表等功能，能够把现场的各项参数清晰地显示到监控电脑界面上。综合考虑本工程的情况，本工程对国产软件组态王软件进行二次开发，设计监控系统[12]。

2）下位机控制器。本工程遵循安全可靠、先进适用的设计原则，要求完全满足高校实验室通风系统控制要求，同时对PLC产品的选择本着技术先进、质量可靠、安全稳定、完全开放的原则，使操作人员在选型、设计、施工、运行、维护、升级等各个阶段进行全过程的成本控制。AB（Allen-Bradley，罗克韦尔公司）1769ControlLogix具有强大的功能，将逻辑运算、积分运算、PID调节技术集成于一体，对现场的各种情况能够快速计算，适用于各种复杂的监控环境[13]。它采用集中操作、分散控制的思想，各个PLC控制子站相互独立，互不干扰。优点在于：如果有一个PLC子站出现故障，其它PLC子站能够正常工作；在PLC里面各个模块也同样是相对独立的。AB PLC采用框架背插方式，模拟量、数字量等模块插在背板上，支持热插拔和方便模块的增减。同时，ControlLogix采用Logix多功能控制引擎和面向对象技术的控制编程软件，用户开发、阅读和修改程序非常方便。它帮助越来越多在工业应用中的设备生产商建立安全稳定、方便操作的高性能控制平台，因此本方案采用AB 1769 PLC。

AB PLC配套使用RSLogix 5000程序编写软件，PLC通过工业以太网和上位机交换数据。中央控制室的上位机与下位机设备分工合作，完成对站内设备和仪表进行监控，实现工厂自动化的智能管理。

AB PLC的编程软件采用国际通用标准的编程，可在线诊断、模拟仿真等功能，拥有多种编程语言（如顺序模块图、功能模块图、梯形图等），可单独或同时存在一个编程工作表中，带有自诊断功能；同时支持Modbus、以太网等多种通讯方式，具有开放性和扩展性，使系统容易升级和进一步开发。RSLogix 5000具备完善功能，具有比例-微分-积分运算、中断程序、多种数据类型运算、程序功能块、故障自动分析功能等，能完全满足本工程的实际控制需要[14]。

PLC软件控制系统的特点：PLC控制软件按软件工程的标准模式开发，采用梯形图语言编写，按结构化编程，I/O点、功能模块、子程序等具有简明、达意的文字说明和注解。函数、功能模块、子程序的入口参数、出口参数等定义明确规范且有简明达意的说明。软件确保能可靠、稳定地运行，并具备良好的容错性、易用性、可扩充性、可读性和可维护性等，适合应用于工业控制领域。输入模拟量进行抗干扰处理后才能被系统采用，所有数据均会进行标准化处理。PLC程序根据每个模拟量数值自动判断该模拟量值是否处于正常范围，如果处于异常范围，中控室会发出报警信号。PLC程序有严格的出错处理和时间监视功能，防止各种错误导致系统崩溃，防止死循环的出现。在运行期间，所有可能需要调整的工艺参数都进行参数化，并在人机界面上能给出操作提示进行设置和修改。工程中重要的设备具有上位机控制、现场触摸屏控制和设备现场控制三种控制方式。设计中充分考虑运行中维护的方便，三种控制方式能够实现平滑的过渡。程序严格按照相关标准、规范进行设计，具有安全互缩的功能；开发本着以人为本、安全第一的原则，充分保护生产和维修人员的安全，软件中具有防误操作安全锁[15]。