基于PLC控制的脉冲除尘系统的升级设计

2020-06-22张后盾

建材世界 2020年3期

张后盾

(深圳市凯盛科技工程有限公司，蚌埠 233010)

国内外环保行业中，常用的脱硫除尘技术主要是袋式除尘器，该系统是用于袋式除尘器脉冲除尘系统的主控设备。根据设定参数，输出脉冲信号控制气动阀或电磁阀，进而控制压缩空气对滤袋进行喷吹清灰。为了满足环保项目中对脉冲阀自控的使用要求和成本要求，该文设计了一种基于西门子PLC控制的脉冲除尘控制系统。设计主要采用西门子200 smart和矩阵式结构来替代传统的控制系统，结构形式简单、操作方便且成本较低。

1 脉冲除尘控制的现状

在袋式除尘器中，根据不同的除尘器面积，除尘系统中脉冲阀的数量由几个到几百个不等，由此使用的控制方式也有区别。

脉冲除尘系统的控制主要分为硬件部分和软件部分。当系统中电磁阀数量较少时采用的是单阀控制，在实际使用中随着脉冲阀数量的增加，而使用的施工材料也以倍数的方式增加；该文中采用的矩阵式控制方式，大大降低了材料的使用。在软件方面，由于脉冲电磁阀需要以极短的时间向喷吹管内喷入压缩空气，常规的控制系统无法满足瞬时开闭的要求，该文中采用的西门子PLC可以解决这个问题。

2 电气原理设计

2.1 技术要求

对于脉冲除尘系统的要求主要是根据以往除尘器的设计经验，并结合项目中实际遇到的问题设计。该设计需要满足以下几个方面的要求：该设备需能够连续、稳定的工作；可根据除尘器清灰要求，调整脉冲宽度、脉冲间隔和周期间隔；输出位置设有输出点的工作指示，可快速判断输出点的状态；设有上位机通讯点，能够在上位机控制；相对传统的脉冲阀控制，应具有较低的成本。

2.2 电气结构

2.2.1 西门子 S7-200 smart控制器

SIMATIC S7-200 SMART 是西门子公司经过大量市场调研，为中国客户量身定制的一款，高性价比小型 PLC 产品。S7-200 smart 可编程逻辑控制器提供不同类型、I/O 点数丰富的 CPU 模块，单体 I/O 点数最高可达 60 点，可满足大部分小型自动化设备的控制需求。另外，CPU 模块配备标准型和经济型供用户选择，对于不同的应用需求，产品配置更加灵活，最大限度的控制成本。新颖的信号板设计可扩展通信端口、数字量通道、模拟量通道。在不额外占用电控柜空间的前提下，信号板扩展能更加贴合用户的实际配置，提升产品的利用率，同时降低用户的扩展成本。CPU 标配的以太网接口，支持 PROFINET、TCP、UDP、Modbus TCP 等多种工业以太网通信协议。

具体配置：CPU SR 200 1个，主处理器；

EM QT16 2个，开关量输出模块；

EM AM03 1个，模拟量输入输出模块。

S7-200 SMART SR/ST CPU 模块本体集成 1 个 PROFINET 接口和 1 个 RS485接口，通过扩展 CM01 信号板或者 EM DP01 模块，其通信端口数量最多可增至 4 个，可满足小型自动化设备与触摸屏、变频器、伺服驱动器及第三方设备通信的需求。

EM QT16 为开关量输出信号，信号类型为固态-MOSFET(源型)，优势在于无机械寿命，可以长期稳定的为脉冲阀提供脉冲输出信号。EM AM03 为模拟量输入输出模块，通过接收远程给出的0～20 mA信号来控制脉冲宽度和脉冲阀间隔时间。

相较于传统的脉冲阀控制系统，该系统去掉了触摸屏，将脉冲宽度和脉冲间隔时间通过远程模拟量外部给定的方式调节，降低操作难度的同时也节省了成本。

2.2.2 脉冲除尘控制箱

脉冲除尘控制箱是一个就地控制箱，在控制箱内设计了矩阵式结构。例如在该项目中，除尘器有8个仓室，每个仓室有24个脉冲电磁阀，共计192个脉冲电磁阀。若按传统的方式设计，每个脉冲电磁阀对应一个PLC输出点，则此脉冲除尘系统需要PLC输出点位192个，将使整个控制系统线路复杂，造价昂贵。

根据脉冲除尘系统的工作特点，这192个脉冲电磁阀每次只会有一个工作，将它们按照仓室分组，其中每个仓室再分两组，这样每个仓室的每一组只有12个脉冲电磁阀，即可按照8×2×12的矩阵控制电路设计，部分原理如图1所示。

工作原理是将192个脉冲电磁阀正极和负极分开控制，当需要启动对应的脉冲电磁阀时，只需要给对应的正极和负极接通信号即可，将原先192个开关量输出点位降低至28个开关量输出点位，极大程度上节约了成本。

3 程序控制策略

该系统采用的软件是STEP 7-Micro/WIN SMART，它是 S7-200 SMART 控制器的组态、编程和操作软件。一次可将 STEP 7-Micro/WIN SMART 的一个实例连接至一个 S7-200 SMART CPU，它能流畅运行在 Windows 7 或 Windows 10操作系统上，支持 LAD(梯形图)、STL(语句表)、FBD(功能块图)编程语言，部分语言之间可以自由转换，安装文件小于200 MB。在沿用STEP 7-Micro/WIN优秀编程理念的同时，更多的人性化设计使编程更容易上手，项目开发更加高效。

STEP 7-Micro/WIN SMART 用户界面提供多个窗口，可用来排列、编程和监控。每个窗口均可按您所选择的方式停放或浮动以及排列在屏幕上。您可单独显示每个窗口，也可合并多个窗口以从单独选项卡访问各窗口。

STEP 7-Micro/WIN SMART软件具有全新的菜单设计、全移动式窗口设计、变量定义与注释、新颖的向导设置、状态监控、便利的指令库等特点，能够更好的实现控制需求。

3.1 控制要求

当仓室启动信号输入时，根据预设的脉冲宽度、脉冲间隔，依次启动对应仓室的脉冲电磁阀，脉冲电磁阀运行时间为预设脉冲宽度，当一个脉冲阀运行结束以后，经过预设脉冲阀间隔时间后，启动下一个脉冲阀，直到整个仓室的所有脉冲阀都喷吹结束。

3.2 程序简介

3.2.1 脉冲宽度和脉冲间隔时间的设定

由于西门子200PLC的模拟量信号只支持0～20 mA信号输入输出，而常用的模拟量信号为4～20 mA信号，所以需要对输入的模拟量信号进行转换处理。

针对脉冲宽度制作了一个单位为10 ms的脉冲计数程序段，当计数值小于预设脉冲宽度VW0时，接通脉冲电磁阀输出，当计数值大于预设值时，复位计数器并执行下一步。这里可以通过模拟量控制输出最小10 ms脉冲，最大1 000 ms脉冲，满足设计要求。部分程序如图2所示。

脉冲间隔时间也是同理，制作一个1 s的脉冲计数，将计数值与预设脉冲间隔时间VW2进行比较，当计数值大于预设脉冲间隔时间后，执行下一步，可以通过模拟量输入调节脉冲间隔时间，范围是0～50 s。

另外考虑到信号丢失的问题，在程序中添加了程序段，当两个模拟量信号预设值小于等于零时，将输出一个故障信号。

3.2.2 仓室和脉冲电磁阀的选择

该项目有8个仓室，每个仓室有24个脉冲电磁阀。在硬件上采用8×2×12的矩阵式分布，将每个仓室的24个脉冲电磁阀又分为两组，每组12个脉冲电磁阀。

当某个仓室启动以后，在程序上将需要启动的脉冲电磁阀序号输入到对应变量VW8中，当VW8≤12时，将启动仓室的第一组负极输出，当VW8≥13时，启动仓室的第二组负极输出。另外在程序中添加程序段，当VW8等于1或者13时，将启动1#脉冲电磁阀正极输出，依次类推当VW等于12或者24时，将启动12#脉冲电磁阀正极输出。

通过上面的矩阵控制方式，可以有效的降低PLC模块的点位需求进而节省成本。

3.2.3 仓室程序的远程启停

该项目有8个仓室，共设计了8个启动信号和8个反馈信号，分别对应1～8仓室启动信号和1～4仓室运行反馈，第一列运行反馈，第二列运行反馈，PLC运行和PLC故障信号。

当某仓室启动信号到达以后，将执行对应仓室的动作，同时输出对应仓室运行信号，当程序执行完成后取消仓室运行反馈同时等待。直到启动信号消失，程序将不再执行动作。通过运行反馈信号的有无来通知远程信号，脉冲电磁阀程控是否执行完成。

3.2.4 仓室脉冲电磁阀顺控启停

仓室脉冲电磁阀顺控主要流程为当启动信号到达后，启动1#脉冲电磁阀一个脉冲时间后关闭，等待一个间隔时间后启动2#脉冲电磁阀，依次循环直到最后一个脉冲电磁阀启动结束后，程序完成。在程序中通过中间变量VB11来记录程序的状态，然后分两个部分分开执行。第一部分是根据变量VB11执行选择仓室，当VB11≤11时，执行第一组输出，当VB11≥12时，执行第二组输出。第二部分是根据VB11的不同状态执行不同的脉冲阀，其中VB11等于0，对应的是第一组1#脉冲电磁阀，当VB11等于23时，对应第二组12#脉冲电磁阀。通过一一对应的方式，将整个顺控执行完成后，等待新的指令输入。部分程序如图3所示。

3.2.5 系统调试

经过各种测试，新系统的硬件和软件配合完美，能够实现脉冲除尘系统的控制要求。在实际测试中，脉冲电磁阀的脉冲宽度可以精确以10 ms为单位的自由调节。调节范围和精度相较于传统控制方式有较大提高，经过升级改造后完全可以达到多数项目的不同需求。另外需要注意的是，CPU SR200的内存空间只有12 kB，并且不能扩容。