基于复合PID控制的高压喷雾除尘系统的研究

孙威振，李 楠，吕雪飞，甘树坤*

(1.吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林 132022；2.吉林嘉德蓝天环境技术有限公司，吉林 吉林 132011)

随着我国社会的发展与进步，环境污染和身体健康问题越来越受人们的重视.目前城市群体的快速发展，建筑工地和建材制造地点成为主要的城市粉尘制造地，但是城市中绿色制备稀少、建筑物众多且车流、人流量大，很难阻止粉尘扩散.粉尘的扩散不仅会导致空气污染，还会严重危害场地施工人员和城市居民的身体健康.研究出一种高效的降尘除尘设备俨然已经成为迫在眉睫的事情.

1 喷雾除尘机理

喷雾除尘原理是使用雾滴的液态特性和空气中的尘霾发生凝结的过程.雾滴消除空气中固体粉尘的操作是结合了惯性碰撞、截留、扩散、重力效应，静电效应等多种机理的综合作用下完成的除尘步骤[1].在喷雾除尘的过程中这些机理现象不是同一时间内发生的，是利用机理本身的作用在不同的条件下根据空气中粉尘颗粒的特性实行的针对性处理方式，通过这几类处理方式大大提高了喷雾除尘的工作效率.

1.1 惯性碰撞

由于粉尘颗粒的大小是存在差异的，惯性碰撞针对的是稍大的颗粒，它在空气中分布时会根据空气中气流变化拥有势能，大部分的尘霾通过运动会与空气中的小液滴发生碰撞，凝结在一起，达到除尘效果.惯性碰撞的除尘效率公式如下[2]：

(1)

Stk为颗粒 Stokes 数；a、b为与雷诺数相关的参数.

1.2 截留

截留是指尘霾运动时，当接近到一定范围时，尘霾就会被液滴捕获.影响截留作用的因素是尘霾颗粒的直径.

截留参数(Kr)公式如下[2]：

(2)

dp为尘霾直径，m；dc为雾滴直径，m.朗兹截留效率公式[2]：

(3)

1.3 布朗扩散

空气中细小微粒会凭借空气动能的作用围绕着雾滴表面运动，最终和雾滴凝结，此类现象称为布朗扩散.普费弗得出布朗扩散的沉降效率公式如下[2]：

(4)

(5)

Pe为皮克莱数；Vm为气流表观速度，m/s；dc为雾滴直径，m；D为尘霾扩散系数，m2/s.

1.4 重力效应

本次研究对象建筑工地和建材制造地，现场会存在稍大的颗粒飘浮在空中，因此要考虑到重力作用对喷雾除尘的影响，参考Ranz和Wong提出的重力沉降捕尘效率公式如下所示[2]：

(6)

KG为沉降参数；Up为粉尘颗粒的沉降速度，m/s.

1.5 静电效应

因为研究地点的原因，可以得到空气中存在的尘霾可能会带有电荷.当粉尘存在静电时，可以给喷雾施加相反电荷，让两者互相吸引，达到高效的降尘效率.静电效应除尘效率表达式如下所示[2]：

(7)

εp为尘霾的传电常数，C/(V*m)；Qw为一个单位雾滴携带的电荷量；C为Cunningham修正系数.

1.6 喷雾系统的总体除尘效率

喷雾除尘系统的降尘效率是各个机理综合作用的结果，所以当计算喷雾除尘的总体效率时，应当把各个机理效率都计算进去.假设除尘机理是相互独立的，计算公式如下所示[2]：

η0=[1-(1-η1)(1-η2)(1-η3)(1-η4)(1-η5)]*100%,

(8)

η0为雾滴的除尘效率；η1为雾滴的惯性碰撞效率；η2为雾滴的截留捕尘效率；η3为雾滴的布朗扩散捕尘效率；η4为雾滴的重力效应捕尘效率；η5为雾滴的静电效应捕尘效率.

2 喷雾除尘控制系统的组成

本研究采用高压喷雾除尘的技术，目的是将细水雾的直径大小达到最小值.通过上文公式数据分析发现，雾滴的大小将会直接影响除尘效果，通过计算得知，雾滴直径越小除尘效果越明显[3].关于喷雾除尘控制系统总体分为三大模块，包括现场硬件配置、下位机编程实现系统运行、上位机实现画面远程监控和操作.总体结构框图如图1所示.

图1 总体模块框图

2.1 现场硬件配置

喷雾降温系统中现场除尘器件是执行装置.对于硬件装置需要配备储水箱、补水泵、过滤器、粉尘密度检测传感器、耐高压喷头、高压水泵、电磁调节阀、液位传感器、压力传感器等.储水箱是为了确保喷雾装置拥有稳定的供应源，设计中增加的有液位传感器，当液位降低到设定范围后通过PLC控制调节阀对水箱进行补水.过滤器主要是为了避免杂质进入堵塞喷嘴，降低喷雾效率.高压水泵主要是起到加压的作用，一方面是为了给管道加压，让喷出的水雾更细微化，降低雾滴直径；另一方面是为了给喷出的雾滴一个动能，避免聚集在一起，不能够大范围地覆盖除尘面积[4-5].粉尘密度传感器属于喷雾降温系统中的环境监测部分，通过实时检测空气中粉尘含量来对喷雾流量大小进行控制.

2.2 下位机PLC系统

PLC应用于喷雾除尘系统实现了自动化控制.研究将选用西门子1200系列PLC，此类型属于小型可编程逻辑控制器，占地空间小、操作简单、可满足功能多，是PLC200的升级版，功能介于传统的中型和小型PLC之间[6].喷雾系统中下位机主要功能是通过传感器将收集到的数据进行数模转换反馈给PLC，然后再通过PID调节电磁阀开度来控制现场设备运行[7].因为PLC1200模块分布明了，所以通过各个模块作用进行编写程序来实现对现场硬件设备的控制.程序编写会涉及以下几个模块：主程序控制、手自动转换、数模转换、PID控制、故障程序终止.主程序控制是主要控制硬件系统的通电运行；数模转换模块需要调用指令对输入值进行数模转换，对输出值进行数模转换，执行这一操作的主要原因是下位机读取的是模拟量，当设定值时数字量又比较直观；PID控制模块是针对被控对象达到理想值设立的模块，目的是为了达到预想效果；故障程序终止模块的作用是为了减少安全事故和资金浪费，最大程度上减少事故发生.程序编写选用梯形图语言，优点是简单易懂.

2.3 上位机组态搭建

为实现喷雾降温系统的智能化，搭建上位机组态画面，选用WinCC软件进行搭建[8].当上位机与下位机建立通讯以后，可以实现远程操控，也可以在组态画面上对现场情况进行监控.上位机会设计以下几个界面，包含水箱水位报警画面，当水箱液位较低时，会发出补水警告并且伴随报警灯闪烁；喷雾流量调节画面，对喷雾流量的调节主要是对调节阀的控制，调节阀开度是通过PID控制，流量调节画面包含PID参数调整，得到最优控制方案；手自动切换和报错停止画面，手自动调节是对系统的控制包括手动开环控制和自动闭环控制，当系统出错时，为了避免对元器件的损坏，在上位机上设置强制停止按钮，可以远程结束系统的运行.

3 控制方案

3.1 传递函数

根据系统设计可知被控对象为空气中粉尘的浓度，经过红外传感器检测粉尘浓度大小，进而控制电磁调节阀的开度，实现喷雾除尘系统的最优化控制.综合参考文献得出传递函数为[9-10]：

(9)

3.2 控制方式选型

在工业控制过程中，许多被控制对象具有纯滞后的性质.史密斯纯滞后补偿模型与PID并联搭建史密斯预估器可以明显减少控制滞后的缺陷[11].由于粉尘浓度变化受影响因素较多，且除尘结果呈现滞后性、时变性、非线性等不稳定特性.Smith预估控制可以有效解决滞后问题，但是系统表现出非线性和时变性的特点，普通PID并不能有效解决非线性和时变性问题.当给普通PID加入模糊规则，使其模糊化加强PID鲁棒性效果，加强PID随着控制系统中控制因素变化实时调整控制策略.故喷雾除尘系统将选用Smith-模糊复合PID，其控制结构如图2所示.

图2 Smith-模糊控制框图

3.3 控制方案设计

Smith-模糊PID控制主要是由两部分组成，包括模糊PID的搭建和Smith预估补偿器.在Matlab软件上搭建复合PID模型，如图3所示.

图3 Smith-模糊PID控制器

图3中FuzzyPID是模糊PID部分，模糊PID主要通过给普通PID加入模糊规则使其模糊化，确保Kp、Ki、Kd数值根据控制对象的变化及时调整，可以对喷雾除尘系统的非线性和时变性做出及时调整.模糊PID模块结构如图4所示.

图4 模糊PID模块

针对高压喷雾除尘系统选用了普通PID、Smith预估控制器和Smith-模糊PID 3种方法进行试验研究.针对这3种方式的控制效果在Matlab中进行了模型搭建与仿真.模型搭建如图5～8所示.

图5 普通PID与Smith预估器模型

图6 普通PID与Smith预估器仿真结果

图8 Smith预估器和复合PID仿真结果

图7为普通Smith预估器和复合PID的控制程序图，图8为控制程序的仿真结果.图中实线代表复合PID，虚线代表Smith预估器.

图5为普通PID和Smith预估器的控制程序图.图6为控制程序的仿真结果，图中上部代表普通PID，下部代表Smith预估器.通过仿真可以明显地发现加装预估器后可以有效地解决控制系统的时滞性问题.

根据在Simulink中的仿真结果显示，复合PID对于控制喷雾除尘系统的效果更好、时滞性短、反应迅速.综合比较后，高压喷雾除尘系统选用Smith-模糊PID控制方式.

4 总体结构设计

对喷雾除尘系统进行了简单的结构设计，简图中实现了该系统的主要功能：除尘.具体设计需要现场考察，根据情况增加所需模块，通过软硬件结合的方式让喷雾除尘控制系统达到最佳效果[12-13].喷雾除尘系统的设计简图如图9所示.

图9 喷雾除尘系统的设计简图

该喷雾除尘系统中包含调节阀、高压水泵、蓄水箱、传感器、喷头、上位机和下位机，实现了装置的自动化运行.模块中涉及软件和硬件的连接，选用以太网通讯的方式对软硬件建立连接.简图中只是简单介绍了硬件设备名称，具体选用还会考虑到型号以及参数.

5 功能实现

5.1 模拟仿真结果

根据喷雾除尘系统的设计简图搭建模拟仿真平台.使用博图软件对PLC1200下位机进行程序编写，使用博图对上位机画面进行组态搭建.运用S7-PLCSIM软件进行编译仿真，进行手动输入设定值和测量值，通过监视对程序进行观察，仿真验证各个程序模块的准确性.通过简单处理分析，得到PLC运行系统的正确性，确保了程序的可实施性.通过以太网通信接口建立PLC与软件的连接，确保系统程序能够写入到PLC1200中.

5.2 带载试车

5.3 高压喷雾除尘优势

研究选用的是高压喷雾除尘，通过高压作用降低喷头喷出的细水雾颗粒直径，扩大水雾分布面积，提高水雾覆盖率.另外喷雾除尘选用水分子和尘霾的作用机理来进行除尘，水分子和粉尘凝结最终通过重力作用返回到地面.喷雾作用会增加地面潮湿度，地面粉尘不会因为其他因素的影响再次进入空气中污染空气，既净化了生产过程中粉尘污染，也减少了地面粉尘的污染，并且喷雾采用的主要物质是水，水无论被蒸发反馈回空气中，还是直接渗透到地下都不会对环境造成污染.使用喷雾方法除尘效果明显、除尘速度快，考虑到施工地点会有工人作业，选用Smith-模糊PID闭环控制系统，针对除尘作用反应迅速，不仅可以大幅度减小误差，快速除尘还减少粉尘对施工人员身体健康的影响.

6 结 论

研究是围绕喷雾除尘系统展开的，首先通过分析除尘机理对空气中粉尘颗粒的影响计算出喷雾的除尘效率，然后根据除尘要求搭建除尘系统平台.重点研究了控制方法对除尘系统的影响，经过综合比较Smith预估PID、普通PID、模糊PID、Smith-模糊PID，发现复合PID的控制效果最好.不仅能够快速地反馈给PLC控制器，还能有效减少外界因素的干扰.最后根据实验条件搭建了喷雾除尘系统模型，实现了水雾的降尘效果.设计的除尘自动控制系统通过带载运行反映出了它的操作智能化、运行稳定、实验数据契合实际，对相关系统的设计具有较好的应用和参考价值.