CN104607349A - 一种超声波干雾降尘装置及其多回路串级pid控制方法 - Google Patents

一种超声波干雾降尘装置及其多回路串级pid控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声波干雾降尘装置及其多回路串级PID控制方法，该超声波干雾降尘装置包括干雾质量控制系统，该干雾质量控制系统包括：第一信号采集单元，用于采集雾滴品质参数信息；第二信号采集单元，用于检测进气管中的气压值；第三信号采集单元，用于检测进水管中的水压值；主控制器，用于接收雾滴品质参数信息并与预设值进行比较，根据比较结果决定是否输出给定气压值和给定水压值；气压调节器，用于接收气压值和给定气压值，并将两者进行比较，根据比较结果调节气泵的功率；水压调节器，用于水压值和给定水压值，并将两者进行比较，根据比较结果调节电磁阀的开度。干雾质量控制系统能保证装置能够持续性产生有效干雾，延长设备的寿命。

Description

一种超声波干雾降尘装置及其多回路串级PID控制方法
技术领域
本发明属于环保领域，具体涉及一种超声波干雾降尘装置及其多回路串级PID控制方法。
背景技术
近年来，随着工业生产、生活的不断发展，冶金炼钢电炉和以原煤为燃料的锅炉不断增加，这些炉窖排放的大气污染物，特别是直径在10微米以下的可吸入粉尘颗粒，是造成人们尘肺病等职业病和粉尘污染的主要根源。
传统除尘技术以干式除尘和湿式除尘两大类为主。干式除尘是将被污染的空气吸入除尘设备处理后重新排入大气，这种被动式处理不但损失物料，也易产生二次污染。而湿式除尘则通过对起尘点喷水增加湿度来提高抑尘效果，其对细小粉尘的处理能力低，导致除尘效率不高。
根据现有抑尘技术的发展，微米级干雾降尘通过产生微米级的干雾与物料作用，采用主动式抑尘原理将粉尘直接抑制在物料上，已成为避免作业空间污染和物料损失的最有效、最节约的除尘方向。该类超声波干雾降尘装置一般包括带有进气管和进水管的谐振腔，进气管与气泵相连，进水管上安装有电磁阀，谐振腔还带有喷嘴。工作时，将水压、气压调到最佳值，空气通过装置中的喷嘴部分加速延伸至谐振腔，反射回来后成为最初的冲击波，液体在低压状态下被冲击波切割成微水滴，空气推动微水滴在谐振腔中与谐振腔产生超声波共振，形成所需雾状喷雾(直径＜10微米水雾颗粒)，干雾经喷嘴喷出，达到抑尘效果。
不同的速度水流、气流速度与不同的谐振腔固有频率相配合会产生不同质量的雾滴。为形成所需干雾，水压、气压需调在最佳值，以使冲击波与谐振腔固有频率相耦合。然而超声波共振过程中水和空气对谐振腔不断冲击，易使谐振腔发生冲击磨蚀；若使用了带有颗粒的污水，颗粒会对谐振腔产生进一步损坏；一旦使用了海水或其他带有腐蚀性的水，更会使谐振腔被腐蚀，谐振腔的固有频率会因其腔体磨损而增大偏移。现有干雾装置中水压值、气压值在初始化后即保持不变，然而喷嘴、谐振腔因为上述各种原因极易被磨损，被磨损后的喷嘴、谐振腔与气液压值不再耦合，将无法产生有效的干雾。目前只能依靠频繁更换喷嘴解决其无法持续有效抑尘的难题，这也造成了干雾抑尘系统需实时观察更换、喷嘴维护成本高、水和空气资源利用率低的问题。
发明内容
本发明公开了一种超声波干雾降尘装置，该装置自身带有干雾质量控制系统，保证装置在长时间工作后仍能产生有效的干雾。
一种超声波干雾降尘装置，包括带有进气管和进水管的谐振腔，所述进气管与气泵相连，所述进水管上安装有电磁阀，还包括干雾质量控制系统，该干雾质量控制系统包括：
第一信号采集单元，用于采集雾滴品质参数信息；
第二信号采集单元，用于检测进气管中的气压值；
第三信号采集单元，用于检测进水管中的水压值；
主控制器，用于接收第一信号采集单元输出的雾滴品质参数信息并将该信息与预设值进行比较，根据比较结果决定是否输出给定气压值和给定水压值；
气压调节器，用于接收第二信号采集单元输出的气压值和主控制器输出的给定气压值，并将该气压值与给定气压值进行比较，根据比较结果调节气泵的功率；
水压调节器，用于接收第三信号采集单元输出的水压值和主控制器输出的给定水压值，并将该水压值与给定水压值进行比较，根据比较结果调节电磁阀的开度。
本发明利用第一信号采集单元实时监测雾滴品质，利用第二信号采集单元实时监测进气管中的气压值，利用第三信号采集单元实时监测进水管中的水压值，利用主控制器、气压调节器和水压调节器控制气泵和电磁阀，以保证气压和水压保持在最佳值，保证该装置能够持续性产生有效干雾，延长设备的寿命，避免磨损谐振腔长期维护和频繁更换的麻烦，降低工厂的抑尘设备成本，提高资源利用率。
本发明中，所述谐振腔带有干雾喷嘴，所述第一信号采集单元包括：
通过干雾喷嘴与所述谐振腔相连通的雾滴质量检测通道；
安装在雾滴质量检测通道两侧且相互配合的激光发射器和激光接收器；
用于接收激光接收器的输出信号并对该输出信号进行处理的数据处理模块；
所述数据采集模块与主控制器相连。
利用相互配合的激光发射器和激光接收器对雾滴质量检测通道内的干雾粒子场进行监测，采集雾滴品质参数信息，并经数据处理模块分析处理后传送给主控制器。
作为优选，所述第一信号采集单元包括圆筒状的观察罩，所述激光发射器和激光接收器分别安装在观察罩的两端，观察罩的两相对侧壁上分别设有干雾进口和干雾出口，所述干雾进口与干雾喷嘴相对接。
第一信号采集单元对从干雾喷嘴喷出的干雾雾滴进行质量检测，干雾从干雾进口进入观察罩，观察罩内的空腔即为所述的雾滴质量检测通道；经处于雾滴质量检测通道两侧的激光发射器和激光接收器检测后，干雾又从干雾出口喷出，对所处环境进行降尘处理。
本发明中，所述激光发射器包括沿光路依次设置的激光器和扩束器，所述激光接收器包括沿光路依次设置的接收透镜和光电探测器。
激光器产生单色平行光，单色平行光经扩束器扩展后经过雾滴质量检测通道内的干雾粒子场，单色平行光照射到雾滴上会偏转一定角度θ形成衍射图样，雾滴尺寸越大偏转角度越小。经过雾滴的非衍射光束聚焦在接收透镜和光电探测器轴线上，而经过接收透镜的呈锥形的衍射光束则在光电探测器上形成许多光强不等的光能环；光电探测器上设有绕其中心设置的31付光敏环，每一光敏环对某一尺寸的雾滴最为灵敏。光电探测器寻找各个光敏环中的光能最大值，该光能最大值经数据处理模块分析处理后传送给主控制器，主控制器通过对光能最大值所对应的光能环的衍射角度分析即可得到相应的雾滴尺寸。
作为优选，所述主控制器、气压调节器和水压调节器均为PID控制器。
作为优选，所述干雾质量控制系统还包括分别与主控制器、气压调节器和水压调节器相连的无线通信模块。如此有利于后端监控服务器通过无线传感网络下达配置命令，主控制器、气压调节器和水压调节器可通过读取设备存储器中的备用数据，或通过无线通信模块接收数据命令，设定令气泵和电磁阀有效工作的初始功率和初始电压；同时还能定时上传设备的工作状态数据，这些数据提供用于整个工厂内干雾系统的数据分析以及记录故障信息，便于远程监控和维护。
作为进一步优选，所述无线通信模块为ZIGBEE模块。如此可通过ZIGBEE的无线组网功能实现一个工厂内多个干雾喷嘴与后端监控服务器的互连，可以实时远程整个多个干雾喷嘴的工作情况，对于经多次PID调节后仍无法有效工作的磨损喷嘴及时更换。
本发明还提供了所述超声波干雾降尘装置的多回路串级PID控制方法，包括以下步骤：
(1)设定主控制器的雾滴品质参数预设值Y1和PID参数，设定气压调节器和水压调节器的PID参数；
雾滴品质参数预设值Y1可以直接在主控制器上设定，也可以由主控制器通过无线通信模块从后端监控服务器中读取。
主控制器的PID参数包括气压比例系数Kpg、气压积分系数Kig、气压微分系数Kdg和水压比例系数Kpw、水压积分系数Kiw、水压微分系数Kdw，气压调节器的PID参数包括比例系数Kp2、积分系数Ki2，水压调节器的PID参数包括比例系数Kp3、积分系数Ki3。
三个PID的比例系数中，主控制器的Kpg、Kpw值较大，有利于提高系统抑制一次扰动的能力，积分系数Kig、Kiw用于减少稳态误差，微分系数Kdg、Kdw用于提高系统反应灵敏度；而Kp2、Kp3相对较小，加入Ki2和Ki3便于压力控制系统调节。
在干雾产生过程中，进气管的气压值与进水管的水压值之间的最佳压差为0.1MPa，因此除各PID参数外，还需设定水压值对气压值的依赖系数Ke。
(2)设定气泵的初始功率和电磁阀的初始电压，使气泵和电磁阀工作，产生干雾；
同样地，气泵的初始功率和电磁阀的初始电压可以直接在气压调节器和水压调节器上设定，也可以由气压调节器和水压调节器通过无线通信模块从后端监控服务器中读取。
(3)第一信号采集单元采集雾滴品质参数信息y1，主控制器接收y1并将y1与Y1进行比较：
若y1达到Y1，则等待给定时间后重复步骤(3)；
若y1未达到Y1，则主控制器输出给定气压值和给定水压值；
给定气压值和给定水压值的计算方法为：
先根据式(1)分别计算给定水压值增量和给定气压值增量：
ΔP(k)＝Kp·Δe(k)+Ki·e(k)+Kd·[Δe(k)-Δe(k-1)]    (1)；
其中，e(k)＝|y1(k)-Y1|，k表示当前调节时刻，k-1表示上一调节时刻；
并且，计算给定气压值增量时式中Kp取Kpg，Ki取Kig，Kd取Kdg；计算给定水压值增量时所述Kp取Kpw，Ki取Kiw，Kd取Kdg。
再根据给定水压值增量计算给定气压值Pg：
Pg(k)＝Pg(k-1)+ΔPg(k)    (2)；
最后根据给定水压值增量和给定气压值Pg计算给定水压值Pw：
Pw(k)＝Pw(k-1)+ΔPw(k)+Ky·Pg    (3)
(4)气压调节器读取第二信号采集单元检测到的气压值pg、接收主控制器输出的给定气压值Pg，并将气压值pg与给定气压值Pg进行比较，输出气压值增量eg：
eg(k)＝|pg(k)-Pg|    (4)；
并根据该气压值增量eg计算气泵的功率增量Δd(k)：
Δd(k)＝Kp2·Δeg(k)+Ki2·eg(k)    (5)；
再根据功率增量Δd调节气泵的功率d：
d(k)＝d(k-1)+Δd(k)     (6)；
同时，水压调节器读取第三信号采集单元检测到的水压值pw、接收主控制器输出的给定水压值Pw，并将该水压值pw与给定水压值Pw进行比较，输出水压值增量ew：
ew(k)＝|pw(k)-Pw|    (7)；
并根据该水压值增量ew计算电磁阀的电压增量Δu(k)：
Δu(k)＝Kp3·Δew(k)+Ki3·ew(k)    (8)；
再根据电压增量Δu计算电磁阀的工作电压u，以调节电磁阀的开度：
u(k)＝u(k-1)+Δu(k)      (9)。
(5)重复步骤(3)-(4)。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明利用激光衍射法进行实时监测雾滴，通过PID算法自动控制气泵和阀门以保证气压和水压保持在最佳值，保证该类设备能够持续性产生有效干雾，延长设备的寿命，避免对磨损的干雾喷嘴进行长期维护和频繁更换的麻烦，降低工厂的抑尘设备成本，提高资源利用率，有效弥补了现有超声波干雾降尘设备中的不足；
(2)本发明通过采用多回路串级PID控制模块，以光电检测器获得的光能信号量作为反馈的主控回路和气压液压实时值作为反馈的气压水压副控回路协同合作，实现了整体的自动控制，响应速度快，使系统运行更高效；
(3)本发明中自动控制模块带有ZIGBEE无线传感功能，通过ZIGBEE自组网远程设定干雾喷嘴工作的气压液压初始值，同时对整个工厂内多个喷嘴的工作状态进行远程监控维护，及时有效的观测和更换已损坏的干雾喷嘴，实现整个超声波干雾降尘系统持续高效的运行。
附图说明
图1为本发明一种超声波干雾降尘装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本实施例一种超声波干雾降尘装置，包括谐振腔1，谐振腔1分别带有进气管3、进水管2和干雾喷嘴8。其中，进气管3与气泵4相连，进水管2上安装有电磁阀5。
由图1可见，本实施的超声波干雾降尘装置中设有干雾质量控制系统，该干雾质量控制系统包括：
安装在干雾喷嘴8处的雾滴品质参数信息采集单元；
安装在进气管3上的气压计6，用于检测进气管中的气压值；
安装在进水管2上的水压计7，用于检测进水管中的水压值；
主控制器15，用于接收雾滴品质参数信息采集单元输出的雾滴品质参数信息并将该信息与预设值进行比较，根据比较结果决定是否输出给定气压值和给定水压值；
气压调节器17，用于接收气压计6输出的气压值和主控制器15输出的给定气压值，并将该气压值与给定气压值进行比较，根据比较结果调节气泵4的功率；
水压调节器16，用于接收水压计7输出的水压值和主控制器15输出的给定水压值，并将该水压值给定水压值进行比较，根据比较结果调节电磁阀5的开度；
分别与主控制器15、气压调节器17和水压调节器16相连的ZIGBEE模块18。
由图1可见，该雾滴品质参数信息采集单元包括圆筒状的观察罩9，观察罩9的两相对侧壁上分别设有干雾进口(图中省略)和干雾出口(图中省略)，其中干雾进口与干雾喷嘴8相对接；
观察罩9的两端分别设有透光窗口(图中省略)，且两透光窗口处分别安装有激光发射器和激光接收器。其中，激光发射器包括沿光路依次设置的激光器10和扩束器11，激光接收器包括沿光路依次设置的接收透镜12和光电探测器13，光电探测器13测得的雾滴光能最大值y1经A/D转换器14接收后传送给主控制器15。
本实施例超声波干雾降尘装置的工作过程为：
(1)设定主控制器15的雾滴光能预设值Y1和PID参数，设定气压调节器17和水压调节器16的PID参数，设定水压值对气压值的依赖系数Ke；
雾滴光能预设值Y1可以直接在主控制器15上设定，也可以由主控制器15通过ZIGBEE模块18从后端监控服务器中读取；
主控制器15的PID参数包括气压比例系数Kpg、气压积分系数Kig、气压微分系数Kdg和水压比例系数Kpw、水压积分系数Kiw、水压微分系数Kdw，气压调节器的PID参数包括比例系数Kp2、积分系数Ki2，水压调节器的PID参数包括比例系数Kp3、积分系数Ki3；
(2)设定气泵4的初始功率d(0)和电磁阀5的初始电压u(0)，使气泵4和电磁阀5工作，产生干雾；
同样地，d(0)和u(0)可以直接在气压调节器17和水压调节器16上设定，也可以由气压调节器17和水压调节器16通过ZIGBEE模块18从后端监控服务器中读取；
(3)第一信号采集单元采集雾滴品质参数信息y1：
干雾经干雾喷嘴8从干雾进口进入观察罩9，观察罩9内的空腔即为雾滴质量检测通道；
此时激光器10产生的单色平行光经扩束器11扩展后经过雾滴质量检测通道内的干雾粒子场，单色平行光照射到雾滴上会偏转一定角度θ形成衍射图样，雾滴尺寸越大偏转角度越小；经过雾滴的非衍射光束聚焦在接收透镜12和光电探测器13轴线上，而经过接收透镜12的呈锥形的衍射光束则在光电探测器13上形成许多光强不等的光能环；光电探测器13上设有绕其中心设置的31付光敏环，每一光敏环对某一尺寸的雾滴最为灵敏。光电探测器13寻找各个光敏环中的光能最大值，该光能最大值y1被A/D转换器14接收后传送给主控制器15；
(4)主控制器15接收y1并将y1与Y1进行比较：
若y1达到Y1，则等待给定时间后重复步骤(3)；
若y1未达到Y1，则主控制器15计算并输出给定气压值Pg和给定水压值Pw，给定气压值Pg和给定水压值Pw的计算方法为：
先根据式(1)分别计算给定水压值增量和给定气压值增量：
ΔP(k)＝Kp·Δe(k)+Ki·e(k)+Kd·[Δe(k)-Δe(k-1)]    (1)；
其中，e(k)＝|y1(k)-Y1|，k表示当前调节时刻，k-1表示上一调节时刻；
计算给定气压值增量时式中Kp取Kpg，Ki取Kig，Kd取Kdg；计算给定水压值增量时所述Kp取Kpw，Ki取Kiw，Kd取Kdg。
再根据给定水压值增量计算给定气压值Pg：
Pg(k)＝Pg(k-1)+ΔPg(k)    (2)；
最后根据给定水压值增量和给定气压值Pg计算给定水压值Pw：
Pw(k)＝Pw(k-1)+ΔPw(k)+Ky·Pg(k)   (3)
(5)气压调节器17读取气压计6检测到的气压值pg、接收主控制器15输出的给定气压值Pg，并将气压值pg与给定气压值Pg进行比较，输出气压值增量eg：
eg(k)＝|pg(k)-Pg|    (4)；
并根据该气压值增量eg计算气泵4的功率增量Δd(k)：
Δd(k)＝Kp2·Δeg(k)+Ki2·eg(k)   (5)；
再根据功率增量Δd调节气泵4的功率d：
d(k)＝d(k-1)+Δd(k)     (6)；
同时，水压调节器16读取水压计7检测到的水压值pw、接收主控制器15输出的给定水压值Pw，并将该水压值pw与给定水压值Pw进行比较，输出水压值增量ew：
ew(k)＝|pw(k)-Pw|    (7)；
并根据该水压值增量ew计算电磁阀5的电压增量Δu(k)：
Δu(k)＝Kp3·Δew(k)+Ki3·ew(k)     (8)；
再根据电压增量Δu计算电磁阀5的工作电压u，以调节电磁阀5的开度：
u(k)＝u(k-1)+Δu(k)    (9)。
(5)重复步骤(3)-(4)。

Claims (8)

1.一种超声波干雾降尘装置，包括带有进气管和进水管的谐振腔，所述进气管与气泵相连，所述进水管上安装有电磁阀，其特征在于，还包括干雾质量控制系统，该干雾质量控制系统包括：
第一信号采集单元，用于采集雾滴品质参数信息；
第二信号采集单元，用于检测进气管中的气压值；
第三信号采集单元，用于检测进水管中的水压值；
主控制器，用于接收第一信号采集单元输出的雾滴品质参数信息并将该信息与预设值进行比较，根据比较结果决定是否输出给定气压值和给定水压值；
气压调节器，用于接收第二信号采集单元输出的气压值和主控制器输出的给定气压值，并将该气压值与给定气压值进行比较，根据比较结果调节气泵的功率；
水压调节器，用于接收第三信号采集单元输出的水压值和主控制器输出的给定水压值，并将该水压值与给定水压值进行比较，根据比较结果调节电磁阀的开度。
2.如权利要求1所述的超声波干雾降尘装置，其特征在于，所述谐振腔带有干雾喷嘴，所述第一信号采集单元包括：
通过干雾喷嘴与所述谐振腔相连通的雾滴质量检测通道；
安装在雾滴质量检测通道两侧且相互配合的激光发射器和激光接收器；
用于接收激光接收器的输出信号并对该输出信号进行处理的数据处理模块；
所述数据采集模块与主控制器相连。
3.如权利要求2所述的超声波干雾降尘装置，其特征在于，所述第一信号采集单元包括圆筒状的观察罩，所述激光发射器和激光接收器分别安装在观察罩的两端，观察罩的两相对侧壁上分别设有干雾进口和干雾出口，所述干雾进口与干雾喷嘴相对接。
4.如权利要求2所述的超声波干雾降尘装置，其特征在于，所述激光发射器包括沿光路依次设置的激光器和扩束器，所述激光接收器包括沿光路依次设置的接收透镜和光电探测器。
5.如权利要求1～4任一所述的超声波干雾降尘装置，其特征在于，所述主控制器、气压调节器和水压调节器均为PID控制器。
6.如权利要求5所述的超声波干雾降尘装置，其特征在于，所述干雾质量控制系统还包括分别与主控制器、气压调节器和水压调节器相连的无线通信模块。
7.如权利要求6所述的超声波干雾降尘装置，其特征在于，所述无线通信模块为ZIGBEE模块。
8.如权利要求1～7任一所述超声波干雾降尘装置的多回路串级PID控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设定主控制器的雾滴品质参数预设值Y1和PID参数，设定气压调节器和水压调节器的PID参数；
(2)设定气泵的初始功率和电磁阀的初始电压，使气泵和电磁阀工作，产生干雾；
(3)第一信号采集单元采集雾滴品质参数信息y1，主控制器接收y1并将y1与Y1进行比较：
若y1达到Y1，则等待给定时间后重复步骤(3)；
若y1未达到Y1，则主控制器输出给定气压值和给定水压值；
(4)气压调节器读取第二信号采集单元检测到的气压值、接收主控制器输出的给定气压值，并将气压值与给定气压值进行比较，计算气泵的功率增量，调节气泵的功率；
水压调节器读取第三信号采集单元检测到的水压值、接收主控制器输出的给定水压值，并将水压值与给定水压值进行比较，计算电磁阀的电压增量，调节电磁阀的开度；
(5)重复步骤(3)-(4)。
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