孫威振，李 楠，呂雪飛，甘樹坤*

(1.吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.吉林嘉德藍(lán)天環(huán)境技術(shù)有限公司，吉林 吉林 132011)

隨著我國社會的發(fā)展與進(jìn)步，環(huán)境污染和身體健康問題越來越受人們的重視.目前城市群體的快速發(fā)展，建筑工地和建材制造地點(diǎn)成為主要的城市粉塵制造地，但是城市中綠色制備稀少、建筑物眾多且車流、人流量大，很難阻止粉塵擴(kuò)散.粉塵的擴(kuò)散不僅會導(dǎo)致空氣污染，還會嚴(yán)重危害場地施工人員和城市居民的身體健康.研究出一種高效的降塵除塵設(shè)備儼然已經(jīng)成為迫在眉睫的事情.

1 噴霧除塵機(jī)理

噴霧除塵原理是使用霧滴的液態(tài)特性和空氣中的塵霾發(fā)生凝結(jié)的過程.霧滴消除空氣中固體粉塵的操作是結(jié)合了慣性碰撞、截留、擴(kuò)散、重力效應(yīng)，靜電效應(yīng)等多種機(jī)理的綜合作用下完成的除塵步驟[1].在噴霧除塵的過程中這些機(jī)理現(xiàn)象不是同一時間內(nèi)發(fā)生的，是利用機(jī)理本身的作用在不同的條件下根據(jù)空氣中粉塵顆粒的特性實(shí)行的針對性處理方式，通過這幾類處理方式大大提高了噴霧除塵的工作效率.

1.1 慣性碰撞

由于粉塵顆粒的大小是存在差異的，慣性碰撞針對的是稍大的顆粒，它在空氣中分布時會根據(jù)空氣中氣流變化擁有勢能，大部分的塵霾通過運(yùn)動會與空氣中的小液滴發(fā)生碰撞，凝結(jié)在一起，達(dá)到除塵效果.慣性碰撞的除塵效率公式如下[2]：

(1)

Stk為顆粒 Stokes 數(shù)；a、b為與雷諾數(shù)相關(guān)的參數(shù).

1.2 截留

截留是指塵霾運(yùn)動時，當(dāng)接近到一定范圍時，塵霾就會被液滴捕獲.影響截留作用的因素是塵霾顆粒的直徑.

截留參數(shù)(Kr)公式如下[2]：

(2)

dp為塵霾直徑，m；dc為霧滴直徑，m.朗茲截留效率公式[2]：

(3)

1.3 布朗擴(kuò)散

空氣中細(xì)小微粒會憑借空氣動能的作用圍繞著霧滴表面運(yùn)動，最終和霧滴凝結(jié)，此類現(xiàn)象稱為布朗擴(kuò)散.普費(fèi)弗得出布朗擴(kuò)散的沉降效率公式如下[2]：

(4)

(5)

Pe為皮克萊數(shù)；Vm為氣流表觀速度，m/s；dc為霧滴直徑，m；D為塵霾擴(kuò)散系數(shù)，m2/s.

1.4 重力效應(yīng)

本次研究對象建筑工地和建材制造地，現(xiàn)場會存在稍大的顆粒飄浮在空中，因此要考慮到重力作用對噴霧除塵的影響，參考Ranz和Wong提出的重力沉降捕塵效率公式如下所示[2]：

(6)

KG為沉降參數(shù)；Up為粉塵顆粒的沉降速度，m/s.

1.5 靜電效應(yīng)

因?yàn)檠芯康攸c(diǎn)的原因，可以得到空氣中存在的塵霾可能會帶有電荷.當(dāng)粉塵存在靜電時，可以給噴霧施加相反電荷，讓兩者互相吸引，達(dá)到高效的降塵效率.靜電效應(yīng)除塵效率表達(dá)式如下所示[2]：

(7)

εp為塵霾的傳電常數(shù)，C/(V*m)；Qw為一個單位霧滴攜帶的電荷量；C為Cunningham修正系數(shù).

1.6 噴霧系統(tǒng)的總體除塵效率

噴霧除塵系統(tǒng)的降塵效率是各個機(jī)理綜合作用的結(jié)果，所以當(dāng)計(jì)算噴霧除塵的總體效率時，應(yīng)當(dāng)把各個機(jī)理效率都計(jì)算進(jìn)去.假設(shè)除塵機(jī)理是相互獨(dú)立的，計(jì)算公式如下所示[2]：

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

(8)

η0為霧滴的除塵效率；η1為霧滴的慣性碰撞效率；η2為霧滴的截留捕塵效率；η3為霧滴的布朗擴(kuò)散捕塵效率；η4為霧滴的重力效應(yīng)捕塵效率；η5為霧滴的靜電效應(yīng)捕塵效率.

2 噴霧除塵控制系統(tǒng)的組成

本研究采用高壓噴霧除塵的技術(shù)，目的是將細(xì)水霧的直徑大小達(dá)到最小值.通過上文公式數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，霧滴的大小將會直接影響除塵效果，通過計(jì)算得知，霧滴直徑越小除塵效果越明顯[3].關(guān)于噴霧除塵控制系統(tǒng)總體分為三大模塊，包括現(xiàn)場硬件配置、下位機(jī)編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行、上位機(jī)實(shí)現(xiàn)畫面遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作.總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 總體模塊框圖

2.1 現(xiàn)場硬件配置

噴霧降溫系統(tǒng)中現(xiàn)場除塵器件是執(zhí)行裝置.對于硬件裝置需要配備儲水箱、補(bǔ)水泵、過濾器、粉塵密度檢測傳感器、耐高壓噴頭、高壓水泵、電磁調(diào)節(jié)閥、液位傳感器、壓力傳感器等.儲水箱是為了確保噴霧裝置擁有穩(wěn)定的供應(yīng)源，設(shè)計(jì)中增加的有液位傳感器，當(dāng)液位降低到設(shè)定范圍后通過PLC控制調(diào)節(jié)閥對水箱進(jìn)行補(bǔ)水.過濾器主要是為了避免雜質(zhì)進(jìn)入堵塞噴嘴，降低噴霧效率.高壓水泵主要是起到加壓的作用，一方面是為了給管道加壓，讓噴出的水霧更細(xì)微化，降低霧滴直徑；另一方面是為了給噴出的霧滴一個動能，避免聚集在一起，不能夠大范圍地覆蓋除塵面積[4-5].粉塵密度傳感器屬于噴霧降溫系統(tǒng)中的環(huán)境監(jiān)測部分，通過實(shí)時檢測空氣中粉塵含量來對噴霧流量大小進(jìn)行控制.

2.2 下位機(jī)PLC系統(tǒng)

PLC應(yīng)用于噴霧除塵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動化控制.研究將選用西門子1200系列PLC，此類型屬于小型可編程邏輯控制器，占地空間小、操作簡單、可滿足功能多，是PLC200的升級版，功能介于傳統(tǒng)的中型和小型PLC之間[6].噴霧系統(tǒng)中下位機(jī)主要功能是通過傳感器將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換反饋給PLC，然后再通過PID調(diào)節(jié)電磁閥開度來控制現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行[7].因?yàn)镻LC1200模塊分布明了，所以通過各個模塊作用進(jìn)行編寫程序來實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場硬件設(shè)備的控制.程序編寫會涉及以下幾個模塊：主程序控制、手自動轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換、PID控制、故障程序終止.主程序控制是主要控制硬件系統(tǒng)的通電運(yùn)行；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊需要調(diào)用指令對輸入值進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，對輸出值進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，執(zhí)行這一操作的主要原因是下位機(jī)讀取的是模擬量，當(dāng)設(shè)定值時數(shù)字量又比較直觀；PID控制模塊是針對被控對象達(dá)到理想值設(shè)立的模塊，目的是為了達(dá)到預(yù)想效果；故障程序終止模塊的作用是為了減少安全事故和資金浪費(fèi)，最大程度上減少事故發(fā)生.程序編寫選用梯形圖語言，優(yōu)點(diǎn)是簡單易懂.

2.3 上位機(jī)組態(tài)搭建

為實(shí)現(xiàn)噴霧降溫系統(tǒng)的智能化，搭建上位機(jī)組態(tài)畫面，選用WinCC軟件進(jìn)行搭建[8].當(dāng)上位機(jī)與下位機(jī)建立通訊以后，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，也可以在組態(tài)畫面上對現(xiàn)場情況進(jìn)行監(jiān)控.上位機(jī)會設(shè)計(jì)以下幾個界面，包含水箱水位報(bào)警畫面，當(dāng)水箱液位較低時，會發(fā)出補(bǔ)水警告并且伴隨報(bào)警燈閃爍；噴霧流量調(diào)節(jié)畫面，對噴霧流量的調(diào)節(jié)主要是對調(diào)節(jié)閥的控制，調(diào)節(jié)閥開度是通過PID控制，流量調(diào)節(jié)畫面包含PID參數(shù)調(diào)整，得到最優(yōu)控制方案；手自動切換和報(bào)錯停止畫面，手自動調(diào)節(jié)是對系統(tǒng)的控制包括手動開環(huán)控制和自動閉環(huán)控制，當(dāng)系統(tǒng)出錯時，為了避免對元器件的損壞，在上位機(jī)上設(shè)置強(qiáng)制停止按鈕，可以遠(yuǎn)程結(jié)束系統(tǒng)的運(yùn)行.

3 控制方案

3.1 傳遞函數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可知被控對象為空氣中粉塵的濃度，經(jīng)過紅外傳感器檢測粉塵濃度大小，進(jìn)而控制電磁調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)現(xiàn)噴霧除塵系統(tǒng)的最優(yōu)化控制.綜合參考文獻(xiàn)得出傳遞函數(shù)為[9-10]：

(9)

3.2 控制方式選型

在工業(yè)控制過程中，許多被控制對象具有純滯后的性質(zhì).史密斯純滯后補(bǔ)償模型與PID并聯(lián)搭建史密斯預(yù)估器可以明顯減少控制滯后的缺陷[11].由于粉塵濃度變化受影響因素較多，且除塵結(jié)果呈現(xiàn)滯后性、時變性、非線性等不穩(wěn)定特性.Smith預(yù)估控制可以有效解決滯后問題，但是系統(tǒng)表現(xiàn)出非線性和時變性的特點(diǎn)，普通PID并不能有效解決非線性和時變性問題.當(dāng)給普通PID加入模糊規(guī)則，使其模糊化加強(qiáng)PID魯棒性效果，加強(qiáng)PID隨著控制系統(tǒng)中控制因素變化實(shí)時調(diào)整控制策略.故噴霧除塵系統(tǒng)將選用Smith-模糊復(fù)合PID，其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 Smith-模糊控制框圖

3.3 控制方案設(shè)計(jì)

Smith-模糊PID控制主要是由兩部分組成，包括模糊PID的搭建和Smith預(yù)估補(bǔ)償器.在Matlab軟件上搭建復(fù)合PID模型，如圖3所示.

圖3 Smith-模糊PID控制器

圖3中FuzzyPID是模糊PID部分，模糊PID主要通過給普通PID加入模糊規(guī)則使其模糊化，確保Kp、Ki、Kd數(shù)值根據(jù)控制對象的變化及時調(diào)整，可以對噴霧除塵系統(tǒng)的非線性和時變性做出及時調(diào)整.模糊PID模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 模糊PID模塊

針對高壓噴霧除塵系統(tǒng)選用了普通PID、Smith預(yù)估控制器和Smith-模糊PID 3種方法進(jìn)行試驗(yàn)研究.針對這3種方式的控制效果在Matlab中進(jìn)行了模型搭建與仿真.模型搭建如圖5～8所示.

圖5 普通PID與Smith預(yù)估器模型

圖6 普通PID與Smith預(yù)估器仿真結(jié)果

圖8 Smith預(yù)估器和復(fù)合PID仿真結(jié)果

圖7為普通Smith預(yù)估器和復(fù)合PID的控制程序圖，圖8為控制程序的仿真結(jié)果.圖中實(shí)線代表復(fù)合PID，虛線代表Smith預(yù)估器.

圖5為普通PID和Smith預(yù)估器的控制程序圖.圖6為控制程序的仿真結(jié)果，圖中上部代表普通PID，下部代表Smith預(yù)估器.通過仿真可以明顯地發(fā)現(xiàn)加裝預(yù)估器后可以有效地解決控制系統(tǒng)的時滯性問題.

根據(jù)在Simulink中的仿真結(jié)果顯示，復(fù)合PID對于控制噴霧除塵系統(tǒng)的效果更好、時滯性短、反應(yīng)迅速.綜合比較后，高壓噴霧除塵系統(tǒng)選用Smith-模糊PID控制方式.

4 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對噴霧除塵系統(tǒng)進(jìn)行了簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡圖中實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的主要功能：除塵.具體設(shè)計(jì)需要現(xiàn)場考察，根據(jù)情況增加所需模塊，通過軟硬件結(jié)合的方式讓噴霧除塵控制系統(tǒng)達(dá)到最佳效果[12-13].噴霧除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡圖如圖9所示.

圖9 噴霧除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡圖

該噴霧除塵系統(tǒng)中包含調(diào)節(jié)閥、高壓水泵、蓄水箱、傳感器、噴頭、上位機(jī)和下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)了裝置的自動化運(yùn)行.模塊中涉及軟件和硬件的連接，選用以太網(wǎng)通訊的方式對軟硬件建立連接.簡圖中只是簡單介紹了硬件設(shè)備名稱，具體選用還會考慮到型號以及參數(shù).

5 功能實(shí)現(xiàn)

5.1 模擬仿真結(jié)果

根據(jù)噴霧除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡圖搭建模擬仿真平臺.使用博圖軟件對PLC1200下位機(jī)進(jìn)行程序編寫，使用博圖對上位機(jī)畫面進(jìn)行組態(tài)搭建.運(yùn)用S7-PLCSIM軟件進(jìn)行編譯仿真，進(jìn)行手動輸入設(shè)定值和測量值，通過監(jiān)視對程序進(jìn)行觀察，仿真驗(yàn)證各個程序模塊的準(zhǔn)確性.通過簡單處理分析，得到PLC運(yùn)行系統(tǒng)的正確性，確保了程序的可實(shí)施性.通過以太網(wǎng)通信接口建立PLC與軟件的連接，確保系統(tǒng)程序能夠?qū)懭氲絇LC1200中.

5.2 帶載試車

5.3 高壓噴霧除塵優(yōu)勢

研究選用的是高壓噴霧除塵，通過高壓作用降低噴頭噴出的細(xì)水霧顆粒直徑，擴(kuò)大水霧分布面積，提高水霧覆蓋率.另外噴霧除塵選用水分子和塵霾的作用機(jī)理來進(jìn)行除塵，水分子和粉塵凝結(jié)最終通過重力作用返回到地面.噴霧作用會增加地面潮濕度，地面粉塵不會因?yàn)槠渌蛩氐挠绊懺俅芜M(jìn)入空氣中污染空氣，既凈化了生產(chǎn)過程中粉塵污染，也減少了地面粉塵的污染，并且噴霧采用的主要物質(zhì)是水，水無論被蒸發(fā)反饋回空氣中，還是直接滲透到地下都不會對環(huán)境造成污染.使用噴霧方法除塵效果明顯、除塵速度快，考慮到施工地點(diǎn)會有工人作業(yè)，選用Smith-模糊PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，針對除塵作用反應(yīng)迅速，不僅可以大幅度減小誤差，快速除塵還減少粉塵對施工人員身體健康的影響.

6 結(jié) 論

研究是圍繞噴霧除塵系統(tǒng)展開的，首先通過分析除塵機(jī)理對空氣中粉塵顆粒的影響計(jì)算出噴霧的除塵效率，然后根據(jù)除塵要求搭建除塵系統(tǒng)平臺.重點(diǎn)研究了控制方法對除塵系統(tǒng)的影響，經(jīng)過綜合比較Smith預(yù)估PID、普通PID、模糊PID、Smith-模糊PID，發(fā)現(xiàn)復(fù)合PID的控制效果最好.不僅能夠快速地反饋給PLC控制器，還能有效減少外界因素的干擾.最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件搭建了噴霧除塵系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了水霧的降塵效果.設(shè)計(jì)的除塵自動控制系統(tǒng)通過帶載運(yùn)行反映出了它的操作智能化、運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)契合實(shí)際，對相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有較好的應(yīng)用和參考價(jià)值.