鄭國強

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

1 前言

電除塵器是工業(yè)除塵的重要設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于電力、冶金、建材、化工等行業(yè)。在大氣污染控制方面，其具有高效除塵、減少粉塵排放的作用。

以電力行業(yè)的燃煤鍋爐機組為例，每臺鍋爐機組需要配備一至兩臺電除塵器，每臺電除塵器由機械本體和電氣控制兩種設(shè)備組成。其中電氣控制設(shè)備可分為高壓電源和低壓設(shè)備兩部分，前者產(chǎn)生幾十千伏的直流高壓將煙塵吸附在電除塵器本體的極板極線上；后者則通過一定的控制時序?qū)O板極線上的煙塵振打擊落，再由相應(yīng)的卸輸灰機進(jìn)行處理。低壓設(shè)備還包括溫控加熱設(shè)備，目的在于使煙塵不至于結(jié)露，黏在極板極線上無法擊落。隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，這些高、低壓控制設(shè)備已全部采用單片機技術(shù)，實現(xiàn)微機化控制。所以在運行過程中，電除塵器又是一個耗電設(shè)備，一般情況下其耗電量占機組發(fā)電量的0.2%～0.5%。

近年來，隨著環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的趨嚴(yán)、運行能耗指標(biāo)的控制，以及管理技術(shù)水平的要求和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展等，對工廠設(shè)備的集中管理、分散控制、節(jié)能減排等提出了新的要求，電除塵器也不例外。因此應(yīng)開發(fā)設(shè)計一套電除塵節(jié)能控制計算機系統(tǒng)，使之在提高電除塵器設(shè)備的運行管理水平和自動化控制程度、提高除塵效率和降低能耗等多方面發(fā)揮重要作用。

2 系統(tǒng)設(shè)計總體目標(biāo)

通過分析并結(jié)合現(xiàn)場使用、調(diào)試經(jīng)驗，電除塵器節(jié)能控制計算機系統(tǒng)：1）要能夠?qū)崿F(xiàn)對電除塵高低壓設(shè)備等的數(shù)據(jù)采集及參數(shù)設(shè)定，對所有設(shè)備進(jìn)行集中管理；2）要能夠?qū)r變化的自動跟蹤、自動適應(yīng)，實現(xiàn)電除塵的高效節(jié)能運行；3）需要高的運行穩(wěn)定性和靈活的信息共享性。因此系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)就是要有良好的系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)、電除塵節(jié)能運行控制功能、冗余控制功能、接口控制功能等，從而實現(xiàn)電除塵設(shè)備對集中管理、分散控制、節(jié)能減排運行的要求。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行和高性能，系統(tǒng)選用工業(yè)控制計算機作為上位機，同時選配相應(yīng)的具有最新功能的智能通訊卡、網(wǎng)絡(luò)前端機等采集設(shè)備，它們與高低壓設(shè)備等下位機構(gòu)成了一套完整的IPC系統(tǒng)硬件組合，使系統(tǒng)具有不凡的數(shù)據(jù)采樣能力和處理能力。

系統(tǒng)采用雙機冗余熱備功能進(jìn)行設(shè)計，從而達(dá)到提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的目的，同時提供單機的應(yīng)用方案。系統(tǒng)單機硬件結(jié)構(gòu)示意見圖1，雙機硬件結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖1 系統(tǒng)單機硬件結(jié)構(gòu)示意

圖2 系統(tǒng)雙機硬件結(jié)構(gòu)示意

4 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)上位機通過智能通訊卡、網(wǎng)絡(luò)前端機等采集各高、低壓控制設(shè)備的運行工況數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的模擬量值和開關(guān)量信號，以各種動畫、圖形、表格、曲線、文本等形式在畫面上顯示；在需要時將人工設(shè)定的有關(guān)參數(shù)送往下位機或根據(jù)反饋信號實施自動控制，以獲得更好的控制效果。因此軟件設(shè)計需要完成系統(tǒng)初始化、人機交互接口、顯示畫面、數(shù)據(jù)采集通訊、數(shù)據(jù)庫管理、網(wǎng)絡(luò)接口等眾多功能。通過分析，整個軟件采用客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)體系如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)體系圖

軟件結(jié)構(gòu)主要分為三層：

第一層是設(shè)備通訊，主要是負(fù)責(zé)與高低壓等下位機設(shè)備的通訊及數(shù)據(jù)采集管理。

第二層主要是數(shù)據(jù)管理部分、與外部的數(shù)據(jù)連接接口、數(shù)據(jù)的封裝與分解。

第三層主要是用戶界面，用于顯示和設(shè)定參數(shù)。

軟件的主要功能有：

（1）高壓設(shè)備的運行方式、電流極限、通訊狀態(tài)、啟動/停止操作等參數(shù)的設(shè)定和控制；

（2）電磁振打設(shè)備的導(dǎo)通角、振打周期等參數(shù)的設(shè)定；振打/卸灰設(shè)備的強制請求狀態(tài)、工作時間、停止時間、起始時間和大周期等參數(shù)的設(shè)定；電加熱設(shè)備設(shè)定狀態(tài)、上限溫度、下限溫度等參數(shù)的設(shè)定；

（3）基于工況診斷分析的節(jié)能運行控制功能；

（4）振打優(yōu)化、復(fù)合式功率控制振打功能；

（5）數(shù)據(jù)管理功能；

（6）缺省參數(shù)庫系統(tǒng)功能 ；

（7）用戶管理系統(tǒng)；

（8）多種網(wǎng)絡(luò)接口功能，如Modbus協(xié)議接口和OPC接口；

（9）雙機冗余功能；

（10）參數(shù)分析診斷功能。

5 節(jié)能控制功能

近年來的研究及實踐表明：在滿足排放要求的前提下，電除塵器具有很大的節(jié)電潛力，經(jīng)濟效益明顯。由于電除塵工況是經(jīng)常變化的，煤種、負(fù)荷也是經(jīng)常變化的，因此單純的一種除塵方式運行，無法保證電除塵器長期高效運行。

通過眾多在運行的電除塵器檔案數(shù)據(jù)和大量現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，分析電除塵器的電場動態(tài)伏安曲線族（平均值曲線、峰值曲線、谷值曲線）與工況特性變化的關(guān)系規(guī)律，建立有關(guān)工況特性分析診斷模型，并通過量化指標(biāo)來反映電場工況，來識別電場反電暈發(fā)生與否、程度嚴(yán)重與否。同時以現(xiàn)場工況分析為基礎(chǔ)，自動獲取鍋爐負(fù)荷、煤種、濁度、煙氣溫度等各種遠(yuǎn)程傳感信號，并以這些信號為反饋，開發(fā)實現(xiàn)節(jié)能控制功能軟件，使新系統(tǒng)能隨時響應(yīng)機組負(fù)荷、煤種、煙氣濁度、煙氣溫度和其它重要工況參數(shù)的變化，按照一定的算法生成最佳參數(shù)，并將最佳參數(shù)輸入電除塵器，自動對遠(yuǎn)程電除塵器的運行進(jìn)行修正、調(diào)整和控制，達(dá)到提效最優(yōu)化和節(jié)能最大化的目標(biāo)。

6 雙機冗余功能

由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣（如存在電磁輻射、粉塵、電源波動等），系統(tǒng)有時會受到干擾而發(fā)生停機現(xiàn)象，給現(xiàn)場管理和控制造成影響。因此，系統(tǒng)上位機有必要采取雙主機冗余備份組成容錯系統(tǒng)，消除系統(tǒng)存在的單點失效問題，減少系統(tǒng)的停機時間，最大限度增強系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

所謂雙機冗余備份，就是采用兩套配置完全一致的工控機對電除塵設(shè)備進(jìn)行管理和控制，其中一臺稱為主機，另一臺稱為備機。正常情況時，主機一邊與各下位機進(jìn)行通訊，采集高低壓設(shè)備的運行數(shù)據(jù)和工況參數(shù)，一邊與備機之間建立TCP連接，并通過此TCP連接將新的數(shù)據(jù)傳輸給備機，實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)同步。備機則定時檢測主機的工作狀態(tài)，主機把自身工作狀態(tài)作為應(yīng)答告訴備機。一旦主機發(fā)生故障，備機自動切換為主機運行，從而提高系統(tǒng)的可靠性。設(shè)計時要充分考慮以下情況：1）主機/備機對下位機的控制互斥，當(dāng)主機取得對數(shù)據(jù)采集端的控制權(quán)時，備機無法對數(shù)據(jù)采集端進(jìn)行相關(guān)控制操作，反之依然；2）主機/備機保持?jǐn)?shù)據(jù)同步，包括實時曲線數(shù)據(jù)、歷史檔案數(shù)據(jù)、VI曲線、波形曲線、下位機配置信息等；3）主機發(fā)生故障時，備機能立刻感知并立即自動切換，無須人工干預(yù)，主機/備機切換的時間以用戶無法感覺到數(shù)據(jù)采集延遲的臨界時間為準(zhǔn)；4）主機/備機的切換后，各下位機的運行參數(shù)和狀態(tài)應(yīng)保持不變，即不因主機/備機的切換影響系統(tǒng)各下位機的正常運行。

7 接口功能

電除塵器是工廠眾多的設(shè)備之一，孤立的系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足企業(yè)管理者或其他部門對信息交流、資源共享的要求。因此必須實現(xiàn)接口功能，增加網(wǎng)絡(luò)互連能力，實現(xiàn)與工廠MIS系統(tǒng)或主機DCS系統(tǒng)或輔機網(wǎng)控系統(tǒng)等的互通互連，實現(xiàn)現(xiàn)場運行信息上傳、必要控制指令下達(dá)的交互功能，提高電除塵器設(shè)備的運行管理水平和自動化控制程度。

接口功能主要設(shè)計了兩種接口方式：1）Modbus接口；2）OPC接口。

Modbus接口采用工業(yè)現(xiàn)場廣泛使用的Modbus通訊協(xié)議，工廠其它系統(tǒng)作為主機方，電除塵系統(tǒng)作為從機方，雙方通過RS485總線在物理上實現(xiàn)連接。一般情況下，工廠其它系統(tǒng)根據(jù)事先定義的數(shù)據(jù)報文發(fā)出查詢命令，電除塵系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)專用的通訊接口程序，接收來自DCS系統(tǒng)的報文命令并進(jìn)行響應(yīng)，根據(jù)命令類別將電除塵器的運行工況參數(shù)返回給DCS系統(tǒng)，從而實現(xiàn)雙方的相互通訊。

OPC接口是為工業(yè)控制設(shè)備和系統(tǒng)與人機界面軟件之間的數(shù)據(jù)信息交換提供標(biāo)準(zhǔn)接口。根據(jù)數(shù)據(jù)訪問接口規(guī)范，在開發(fā)設(shè)計過程中將系統(tǒng)作為服務(wù)器對象，高壓控制單元、低壓控制單元（如加熱器、振打器等）作為組對象，電流、電壓、溫度、振打時間等作為數(shù)據(jù)項對象，然后有機地組織起來，編寫相應(yīng)的接口程序并編譯成動態(tài)鏈接庫，將數(shù)據(jù)標(biāo)簽等接口提供給輔控系統(tǒng)等OPC客戶使用，實現(xiàn)了兩個系統(tǒng)的互連互通、信息交換。

8 應(yīng)用

系統(tǒng)設(shè)計完成后，在許多電廠得到應(yīng)用并取得了良好效果。

（1）系統(tǒng)運行畫面

系統(tǒng)運行畫面豐富，主要畫面見圖4、圖5、圖6。

圖4 運行主畫面

圖5 TR運行表

圖6 電場伏安特性曲線

（2）應(yīng)用實例

廣西某電廠300MW機組電除塵器，應(yīng)用節(jié)能控制計算機系統(tǒng)進(jìn)行改造后，實現(xiàn)了節(jié)能控制功能、雙機冗余備份功能、OPC接口功能，運行一段時間后經(jīng)測試電除塵器除塵效率從99.65%提高到99.70%，運行平均電耗下降了421kW，節(jié)電率達(dá)到了53.1%。

廣東某電廠兩臺600MW機組，電除塵器配置完全一樣，平時機組運行情況也基本一樣，鍋爐負(fù)荷基本一致。其中1#爐利用大修時間實施了節(jié)能控制計算機系統(tǒng)改造，使之與2#爐電除塵器對比具有了節(jié)能控制功能等。通過對除塵變平均電流一個月的觀察與統(tǒng)計，1#爐電除塵器每小時耗電為395.73kW·h，整月耗電為294,423kW·h，2#爐電除塵器每小時耗電為675.7kW·h，整月耗電為502,750kW·h，1#爐電除塵器的節(jié)電率為41.44%，假定每度電的價格按0.529元、年運行時間按10個月計算， 1#爐電除塵器的年節(jié)電量約為208,327kW·h，年節(jié)省電費為110.205萬元，節(jié)能效益十分可觀。同時1#爐電除塵器出口煙塵濃度的平均值為28.48mg/Nm3，比改造前的30mg/Nm3左右還略有下降。

9 結(jié)語

電除塵節(jié)能控制計算機系統(tǒng)的成功應(yīng)用，說明電除塵器在節(jié)能降耗方面大有可為，經(jīng)濟效益相當(dāng)可觀。節(jié)能控制不影響除塵效率，并且改造采取的最優(yōu)控制方式和斷電振打技術(shù)應(yīng)用都進(jìn)一步提高了電除塵器的除塵效率，降低了排放濃度。該節(jié)能控制系統(tǒng)值得大力推廣。

根據(jù)各除塵器應(yīng)用的現(xiàn)場實際情況，未來還要進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)反饋控制策略，使節(jié)能控制系統(tǒng)能更加完善和智能，更好地實現(xiàn)提效節(jié)能或保效節(jié)能。

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