治霾降尘设备的智能化

GXF360 2017-05-26

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治霾降尘设备的智能化

王铭朋，马红奎

（山东华力机电有限公司研发事业部，山东汶上 272500）

摘要：根据自动控制理论，分析研究了工业型治霾降尘设备（喷雾机）的工作原理，指出实现治霾降尘设备的自动化、智能化、网络化具有广阔的发展前景，为实现设备的自动化控制提供了解决方案。

关键词：治霾降尘；喷雾机；变频调速；PLC控制；人机界面

近几年来，随着煤炭行业和高粉尘工业的不断发展，雾霾天气日益加重，国家对治理雾霾日益重视，治霾降尘设备（工业级喷雾机）应运而生。随着科学技术的迅猛发展，通讯技术、传感器技术、电子技术的广泛应用，使自动控制理论在治霾降尘设备中的应用得到了有力的支持，能大大改善该工程设备的可靠性、稳定性以及实用性。

1 喷雾机的工作原理

其工作原理是采用高压水泵供水，经过雾化装置将水产生颗粒较大的水雾；然后由风机产生高速气流将水雾送出去，再利用伯努利原理，将颗粒较大的水雾通过高速的气流，进一步撕裂成更细小更轻的水雾，并输送出去。

由于水雾颗粒小，能与飘起的粉尘、扬尘等尘埃，迅速接触，形成一种潮湿状体并凝聚在一起，达到一定的重量后沉降下来，达到降尘除霾的目的。

2 智能化控制前景

由于工业级喷雾机属于国内的新型产品，且市场需求量大，使喷雾机研发周期较短，大部分生产企业仅局限于对喷雾机喷射距离、噪声处理、雾化效果等为主要研发方向，从而导致目前市场上正在大批量使用的喷雾机仅能使用遥控器或操作按钮箱进行启动/停止和上下左右简单操作，功能比较单一；风机射程及喷雾水量不可调，所谓的精量喷雾受到了使用场所很大的影响；简易的控制系统虽然制造成本较低，但无法适应各种工作环境且无法进行后期的升级改造，使其的广泛性受到了很大的制约。

随着市场经济的迅速发展，人们生活质量的提高，对工作环境有了很高的要求，而喷雾机的使用场所均为高污染、高粉尘，操作者现场操作难免会受到环境的影响。这就要求我们充分利用科学技术的力量，实现对喷雾机的定量定时喷雾、远程监控，不需要操作者现场控制，仅需要操作者在监控室进行实时监控，根据环境粉尘浓度进行自动喷洒作业，从而达到精量喷雾，大幅度节约人力、物力、财力，使喷雾机真正做到环保。

3 喷雾机的智能化控制

针对目前喷雾机存在的诸多不足之处，根据现代工业控制理论，采用可编程控制器（PLC）、人机界面、变频器等控制元件，经过整体规划设计，满足风机、水泵、旋转电机、上下液压电机等执行元件的动作要求，实现其智能化控制，提供了一种网络化、智能化、人性化、更大限度的节能降耗抑尘降霾风送式喷雾机的解决方案，见图1。

图1

3.1 变频调速

异步电动机的转速表达式为：

式中：

n——转速；

f0——频率；

P——电动机极对数；

s——转差率。

由异步电动机的转速表达式可知，当保持极对数P不变，电动机转速随频率的变化而变化，因此通过连续的改变电源频率，就可以连续平滑的调节电动机的转速，实现变频调速。该种调速方式具有调速范围广（0～600Hz）、平稳启动（减少电机启动瞬间的大电流对电网的冲击）、自动转矩提升等特点。

喷雾机主要负载类型为风机和水泵，传统的调速方法是机械的调节阀门或出入口挡板即给风量和给水量，造成大量的能源消耗，而采用变频调速来控制流量的大小则有效的避免这种浪费。可选用市面上质优价廉的普通型U/f控制变频器或专用的风机、水泵类变频器。风机和水泵采用变频器进行变频启动、无级调速，实现风机、水泵的转速可调节，从而控制喷雾机的射程及喷水量，达到了节约用电、节约用水、节能减排的目的，增加了经济效益。

3.2 可编程逻辑控制器

可编程逻辑控制器（programmable logic controller）是将传统的继电器控制技术、微型计算机技术和通讯技术相融合，专为工业控制而设计的专用控制器，是计算机化的高科技产品。其采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

PLC作为喷雾机的控制核心元件，通过PLC对风机、水泵、上下液压电机、旋转电机等四大执行元件进行集中控制，满足复杂的逻辑控制要求，可进行远程通讯，适应各种工作环境以及满足后期的升级改造。

其具有以下鲜明的特点：

（1）强大的逻辑运算控制能力。通过风量传感器、流量传感器采集的数据进行分析，自动控制变频器运行转速，调节喷雾风量及水量，以达到最优效果；配套编码器读取左右电机旋转圈数，结合齿轮变速比精确换算出喷雾机旋转角度，实现定点喷雾；通过逻辑编程，可实现喷雾机的自动复位（便于运输）、自动泄水（便于冬季保养）等各项功能。

（2）硬件配套齐全，适应性强。PLC产品已经标准化、系列化、模块化，根据喷雾机实际使用情况及各项功能要求，可选配各种硬件装置（电源模块、I/O模块、通讯模块、模拟量输入/输出模块），以提高经济性及可扩展性。

（3）可靠性高，抗干扰能力强。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，接线大为减少，降低故障率，同时使控制柜更加的紧凑，便于安装。

PLC具有很强的抗干扰能力，可用于各种工业场所，适应范围广。

（4）维修简单方便。喷雾机通过PLC进行控制，使整个电气控制系统简单化，器件大大简化，极大地降低的由于接线而产生的故障率。而且PLC具有完善的自诊断功能，当发生故障时，PLC可自行判断并反馈故障信息，以便与更快的排出故障恢复工作。

3.3 人机界面

人机界面（Human Machine Interaction，简称HMI）是系统和用户之间进行交互和信息交换的媒介，它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。人机界面通过串口或网络通讯与可编程序控制器（PLC）、变频器、多功能变送器、仪表等工业控制设备进行连接，利用组态界面进行显示和操作，方便用户全面系统的监控喷雾机各种运行状态，实现人与机器信息交互。

人机界面在喷雾机上的应用能达到以下功能：

（1）画面显示功能。通过与PLC、变频器、多功能变送器等控制元件远程通讯，可实时显示电压、电流、频率、功率、功率因数、电能、转速、频率、流量、风压、运行时间、可编程控制器I/O状态等及各项保护报警，方便客户实时监测喷雾机运行状态。

（2）画面操作功能。操作者可以通过人机界面上的操作键实现喷雾机的启动/停止运行、左右旋转、上下摆动；可设定风机、水泵的运行转速，从而调节风量和水量的大小；还可设定自动模式下的运行时间等以满足各种工况需求。

（3）数据采样功能。可以设定采样周期，记录指定的数据寄存器的当前值，通过设定采样的条件，将收集到的数据以清单或图表的形式显示或打印这些数值，做好事件记录。

（4）扩展功能。随着网络技术的迅速发展，互联网+的时代到来，云服务系统在各个行业得到了广泛的应用。可扩展加装云服务系统，客户可下载手机APP，实现网络化，随时随地对喷雾机进行监控；

（5）其他功能。具有设定时间开关、数据传送、打印输出、动作模式设定、权限设定等多项功能。