基于PLC和触摸屏的高压静电除尘控制系统方案

以单片机为核心的高压静电除尘控制器具有成本低廉，功能强大的特点，但人机交互性较差，系统维护困难，工业现场干扰较明显，除尘效率、操作维护与运营成本不能兼顾。本文针对这一问题构建了以PLC为核心的控制器，其模块化的结构易于扩展和更换，系统可靠性高，控制器与上位机之间联网通信简单，同时没有降低烟尘的排放标准。

　　1 静电除尘控制系统的原理

　　高压供电控制系统原理框图如图1所示，采集电路采集到的一次电压、电流，二次电压、电流，浊度等模拟量信号通过PLC模拟量输入模块送入 CPU；变压器油温、油位，偏励磁等开关量信号通过PLC的数字量输入信号处理回路进入CPU。PLC以扫描方式依次读入所有输入状态和数据，根据数据处理的结果产生两路触发脉冲，送往主回路的两个反并联可控硅的控制极以触发可控硅，通过调整可控硅的导通角，控制升压变压器的一次侧输入电压，从而控制输入电场的电压。一方面要根据工况变化，自动调节除尘器的电压，使集电极和收尘极之间的电场强度尽量大，电离子尽量多，越逼近击穿电压，控制水平越高；另一方面，又要考虑不能让除尘器极板间电压过高，避免使除尘器处于击穿状态，以防损坏本体及电气设备，节约不必要损耗的电能，但又要在介质恢复时能够迅速恢复正常供电。

　　
图1 高压供电控制系统原理框图

　　2 控制系统的设计与实现

　　2.1 硬件设计

　　高压静电除尘控制系统的硬件结构框图如图2所示，它主要由PLC及其外围电路、触摸屏、和上位机组成。

　　
图2 控制系统的硬件结构框图

　　2.1.1 PLC的选型

　　PLC因具有逻辑简单直观，电气性能良好，功能组合便捷，可靠性高，维护方便并且可以直接对数字量和模拟量进行控制和驱动等优点在工业控制领域广泛应用，本系统以PLC为控制核心，选用西门子公司的新一代模块化小型PLC S7—1200、S7—1200 PLC主要由CPU模块、信号板、信号模块、通信模块和编程软件组成，各种模块安装在标准导轨上，微处理器选用CPU 1214C，数字量输入点数14点，输出点数10点，模拟量输入点数2点，最多可以扩展8个信号模块，S7-1200的最大特点在于配置了以太网接口 RJ45，本系统共有8路模拟量输入，12路数字量输入，2路模拟量输出，19路数字量输出PLC硬件组态如图3所示。

　　
图3 PLC硬件组成

2.1.2 人机界面的选型

　　触摸屏、PLC和PC通过CSM1277以太网交换机连接在一起，完成人机交互并进行实时状态显示和控制，如图4所示。

　　
图4 触摸屏、PLC和PC的连接

　　2.1.3 偏励磁检测电路

　　变压器产生偏励磁时，原边或副边上的交流电压正半周和负半周的幅度不相等，这会产生非常大的浪涌电流，时间稍长就可能导致变压器的烧毁，静电除尘器中的高压供电变压器功率较大，其负载会随着不同的工况而变化，在控制系统中必须对变压器偏励磁进行检测，一旦发现偏励磁现象，控制器便启动保护程序，跳闸停机。

　　
图5 偏励磁检测电路

　　如图5所示，偏励磁检测电路的输入是由一次电压经过小变压器降压而得到，最后端为两个D触发器，当初始化以后，两个D触发器的输出均为低电平，如果输出触发时钟信号有效，则D触发器发生翻转，D触发器的输出变为高电平24V，检测电路前端是两个电压比较器，一个比较器为正输入，另一个比较器为负输入，当偏励磁现象发生时，输入的电压信号正半周和负半周的幅度不相等，只会有一个比较器的输出发生偏转，经过反相器后，同样只有一个发生翻转，即只有一个D触发器的触发信号有效，这样，当PLC只检测到一个触发信号时就判断变压器发生了偏励磁，自动进行跳闸停机工作。

　　2.1.4 过零检测电路

　　过零检测就是输入的工频交流信号每经过一次零点，输出就发出一次脉冲，这个输出的信号就作为PLC的一个外部中断信号，每10 ms触发一次，每个导通角的导通时间都是从零电压开始计算的，导通角的时间不一样，导通的角度就不一样，的正弦波，经过电阻分压后，由零电压比较电路消去正弦波的负半波，电压比较器将正弦波变为方波，在交流电每次过零点时都会输出脉冲，其正负过零点产生两个下降沿，通过PLC的中断组织块，产生中断，执行对应的中断OB。

　　
图6 过零检测电路

　　2.1.5 火花检测电路

　　火花检测的目的在于火花控制，提高除尘效率和保护除尘器本体，火花检测的原理如图7所示：二次电流采样值通过比较器与设定的火花值进行比较，经过RS触发器后的值送至PLC处理，当检测到火花放电时，处理器就会执行火花处理程序，以较高的速度减小到当前电压的80％，然后再以较低的速率上升至接近火花电压，如此往复循环，最终达到提高除尘效率的目的。

　　
图7 火花检测电路