Fieldline現場總線在袋式除塵器清灰控制系統中的應用

金樹軍+王振清

摘 要： 簡要介紹工業企業煙氣排放控制的重要性及除塵器的作用，詳細描述袋式除塵器清灰系統工藝流程，分析現有清灰控制方式的劣勢，有針對性地提出了基于Fieldline現場總線的清灰控制系統解決方案。

關鍵詞： Fieldline現場總線； 袋式除塵器； 清灰控制； PLC

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0127?03

Application of Fieldline field bus in ash removal control

system of bag filter type dust collector

JIN Shu?jun1， WANG Zhen?qing2

（1. Dalian Branch of Shenyang Academy， Coal Science Research Institute， Dalian 116013， China；

2. Shenyang Star Technology Co.， Ltd.， Shenyang 110004， China）

Abstract： The importance of the flue gas emission control and dust remover in the industrial enterprises is briefly introduced in this paper. The technological process of soot cleaning system in bag filter type dust collector is described in detail. The disadvantage of the existing soot cleaning control mode is analyzed. The scheme of the ash removal control system based on Fieldline field bus is put forward to solve the environment problem.

Keywords： Fieldline field bus； bag filter type dust collector； ash removal control； PLC

0 引 言

隨著我國粗放發展方式經濟的持續發展，霧霾天氣也在日益加重。為了改善生態環境，實現綠色發展，國家對工礦企業的粉塵、煙氣排放要求日益提高。目前，作為控制粉塵排放的主要設備，即低壓脈沖袋式除塵器以其處理風量大、清灰效果好、除塵效率高、占地面積小、運行可靠、維護方便等優點在鋼鐵、建材、電力、化工、煤炭、冶金等行業得到廣泛應用。而低壓脈沖袋式除塵器的清灰控制是確保除塵器穩定工作的必要條件。本文針對傳統的袋式除塵器控制方式的不足，提出一種基于Fieldline現場總線技術的新型清灰控制系統。

1 清灰系統工藝

袋式除塵器一般由多個倉室并聯組成，每個室由1個離線閥及10個左右的脈沖閥組成。當袋式除塵器的進出口差壓達到清灰上限時（一般為1 500 Pa），清灰系統自動將第一個倉室的離線閥關閉。離線閥關閉后，第一個脈沖閥開始噴吹，噴吹的脈沖寬度為100 ms。之后間隔一定時間（可通過系統設置一般5～10 s）第二個脈沖閥開始噴吹，以此類推。當一個倉室的所有脈沖閥都噴吹結束后，離線閥打開，這個室的濾袋經過清灰后又重新投入過濾狀態。接著第二個倉室重復第一個倉室的離線閥與脈沖閥的動作，其他室的離線閥與脈沖閥依次動作。

在清灰過程中，當除塵器進出口差壓達到清灰下限時（一般為1 200 Pa），清灰系統會記錄下最后動作的脈沖閥序號，并停止清灰系統，待除塵器的進出口差壓再次達到清灰上限時，系統重新開始清灰工作，動作的脈沖閥從上次最后動作的脈沖閥開始。這樣能確保除塵器在正常工作的差壓范圍內，每條濾袋的噴吹次數基本一致，延長了濾袋的使用壽命。

此外，清灰系統還應具有手動噴吹及定時循環噴吹的功能。

2 目前清灰控制方式分析

按硬件的組成分類，袋式除塵器的清灰控制方式有兩種，一種是脈沖控制儀控制方式，一種是PLC控制方式。

脈沖控制儀是基于單片機開發的一種控制器。由于其產品定型后不易擴展，與不同類型控制系統通信不易實現等缺點，因此只在小型袋式除塵器中有所應用。

在中大型袋式除塵器的清灰控制系統中主要采用PLC實現控制。每個離線閥及脈沖閥對應一個PLC模塊的數字量輸出點。一般中大型的袋式除塵器脈沖閥和離線閥的數量較多，因此，所需的PLC模塊數量也較多。配置有PLC模塊的控制柜通常被布置在除塵器的站房內，與位于除塵器頂部的脈沖閥、提升閥距離較遠，因此，在PLC控制柜與現場脈沖閥之間需要大量的電纜及大尺寸的橋架。即便采用矩陣形式進行設計也只是單純地減少PLC的數量輸出模塊，電纜的數量及電氣施工的工作量并沒有相應減少，而且采用矩陣形式所需的繼電器及二極管很多，給整個系統帶來了新的潛在故障點。

結合上文對脈沖控制儀控制方式和PLC控制方式存在的缺點的分析，筆者提出了基于Fieldline現場總線控制方式的清灰控制系統。該系統在實際應用中有效彌補了這兩種控制方式的缺點，從效果和效率等方面得到明顯提高。下面就此控制方式進行分析、設計。

3 Fieldline現場總線控制方式

3.1 硬件組成

整個除塵器的控制系統選用西門子的S7?300系列產品，其中清灰部分的控制系統采用Fieldline現場總線I/O模塊。

位于控制室內的PLC控制柜中的處理器模塊采用具有DP接口的CPU315 PN/DP模塊，除塵器頂部采用Fieldline現場總線I/O模塊。以雙列10個倉室的除塵器為例，每個倉室的測點如表1所示。

表1 倉室的測點

[序號＼&測點名稱＼&數字量

輸入＼&數字量

輸出＼&備注＼&1＼&脈沖閥控制＼&＼&10～14＼&一般除塵器每個室的

脈沖閥數量為10～14個＼&2＼&離線閥控制＼&＼&1～2＼&單電控電磁閥為1個點，

雙電控電磁閥為2個點＼&3＼&離線閥開、

關到位信號＼&2＼&＼&＼&]

根據以上測點情況，可以做出兩種配置。每列第一個倉室需要配置一個PROFIBUS?DP總線耦合模塊，兩個8點的數字量輸出模塊（見表2）；其余各倉室配置一個8點數字量輸入模塊和兩個8點數字量輸出模塊即可（見表3）。

表2 Fieldline現場總線配置1

[序號＼&名稱＼&型號及規格＼&數量＼&1＼&安裝板＼&FLM MP7＼&1＼&2＼&總線耦合模塊＼&FLM BK PB M12 DI8 M12＼&1＼&3＼&數字量輸出模塊＼&FLM DO8 M12＼&2＼&4＼&預制總線電纜＼&SAC?2P?MSB/2，0?910 SCO＼&1＼&5＼&預制供電電纜＼&SAC?5P?MS/2，0?186/FS SCO＼&1＼&6＼&預制總線電纜＼&SAC?5P?MS/0，13?186/FS SCO＼&2＼&7＼&預制供電電纜＼&SAC?5P?MSB/0，13?PUR/FSB SCO SH＼&2＼&8＼&M12連接器＼&SACC?M12MSB?5SC SH＼&20＼&]

表3 Fieldline現場總線配置2

[序號＼&名稱＼&型號及規格＼&數量＼&1＼&安裝板＼&FLM MP7＼&1＼&2＼&數字量輸入模塊＼&FLM DI8 M12＼&1＼&3＼&數字量輸出模塊＼&FLM DO8 M12＼&2＼&4＼&預制總線電纜＼&SAC?2P?MSB/2，0?910 SCO＼&1＼&5＼&預制供電電纜＼&SAC?5P?MS/2，0?186/FS SCO＼&1＼&6＼&預制總線電纜＼&SAC?5P?MS/0，13?186/FS SCO＼&2＼&7＼&預制供電電纜＼&SAC?5P?MSB/0，13?PUR/FSB SCO SH＼&2＼&8＼&M12連接器＼&SACC?M12MSB?5SC SH＼&20＼&]

從以上配置可見，從位于控制室的西門子S7?300系統引出的PROFIBUS?DP總線與Fieldline現場總線耦合模塊相連接，其他的Fieldline現場總線I/O模塊彼此之間通過Fieldline總線相連接。由于Fieldline模塊的防護等級達到IP67，適合在環境惡劣的現場使用，可直接固定在除塵器頂部每個倉室的汽包附近，如果所在現場的極端最低溫度小于-25 ℃，那么可以將模塊放置在保溫箱內。Fieldline現場總線IO模塊與現場接線全部采用預制電纜，模塊的一端為M12插頭式連接器，另一端直接與脈沖閥或離線閥的電磁閥相連接，具體連接如圖1所示。由于袋式除塵器的清灰工藝要求每次只能有一個脈沖閥噴吹，一個離線閥動作，整個清灰系統的總耗電量很小，大約50 W，因此從控制室的S7?300控制柜到除塵器頂部的分布式I/O只需要提供一條KVV450/750 V 2×1.5的電源電纜及一條PROFIBUS?DP電纜即可，而傳統的控制電纜以此除塵器為例，需要10條KVV450/750 V 30×1.5的電纜。

3.2 組態配置及軟件

由于Fieldline現場總線模塊不在西門子PLC編程軟件STEP7的硬件配置中，因此無法直接進行連接，需要在菲尼克斯官網上找到Fieldline現場總線模塊的GSD文件，將GSD文件導入到STEP7的硬件配置里，如圖2所示。載入GSD文件后可通過STEP7實現對Fieldline現場總線I/O模塊的直接控制。

圖1 系統連接圖

圖2 GSD文件導入方法

程序設計方面，根據袋式除塵器清灰系統工藝流程，采用STEP7的梯形圖語言，先用一個延時接通定時器，做一個100 ms的脈沖信號。當清灰系統啟動時對這個脈沖信號進行計算。通過比較指令將脈沖閥動作的時序時間與計算時間進行比較，如果相等那么給對應的脈沖一個輸出信號使其噴吹。其梯形圖分別如圖3～圖5所示。

圖3 100 ms脈沖時間

4 結 論

綜上所述，采用Fieldline現場總線模塊進行除塵器的清灰系統控制，可以大量節省電纜、橋架及相應的安裝輔材，其便捷的M12連接器插頭設計，可大大減少電氣施工人員的工作量，降低施工難度。在除塵器的施工中除塵器頂部安裝是最復雜的環節，如采用此種方式配置，可預先將帶有模塊的安裝板與汽包固定在一起，并與在汽包上的淹沒式脈沖閥提前接好線，這樣可大大簡化除塵器頂部的電氣施工，避免為搶工期在除塵器頂部進行交叉作業帶來的不便。本文所述基于Fieldline現場總線的清灰控制系統已經在現場得到成功應用，讀者可根據自身需要，直接選擇，進行設計即可。

圖4 脈沖閥噴吹時序計數

圖5 1#脈沖閥輸出

參考文獻

[1] 劉美俊.西門子PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2] 張殿印，王純.脈沖袋式除塵器手冊[M].北京：化學工業出版社，2011.

[3] 吳作明，杜明星.STEP7軟件應用技術基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[4] 張浩.InterBus現場總線與工業以太網技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

[5] 柴婷婷，李卓偉.西門子PLC在鋁擠壓機控制中的應用[J].現代電子技術，2012，35（5）：189?191.

[6] 余丹，于建順.STEP7模擬調試及實現與WinCC連接的仿真[J].現代電子技術，2010，33（14）：81?83.

位于控制室內的PLC控制柜中的處理器模塊采用具有DP接口的CPU315 PN/DP模塊，除塵器頂部采用Fieldline現場總線I/O模塊。以雙列10個倉室的除塵器為例，每個倉室的測點如表1所示。

表1 倉室的測點

[序號＼&測點名稱＼&數字量

輸入＼&數字量

輸出＼&備注＼&1＼&脈沖閥控制＼&＼&10～14＼&一般除塵器每個室的

脈沖閥數量為10～14個＼&2＼&離線閥控制＼&＼&1～2＼&單電控電磁閥為1個點，

雙電控電磁閥為2個點＼&3＼&離線閥開、

關到位信號＼&2＼&＼&＼&]

根據以上測點情況，可以做出兩種配置。每列第一個倉室需要配置一個PROFIBUS?DP總線耦合模塊，兩個8點的數字量輸出模塊（見表2）；其余各倉室配置一個8點數字量輸入模塊和兩個8點數字量輸出模塊即可（見表3）。

表2 Fieldline現場總線配置1

[序號＼&名稱＼&型號及規格＼&數量＼&1＼&安裝板＼&FLM MP7＼&1＼&2＼&總線耦合模塊＼&FLM BK PB M12 DI8 M12＼&1＼&3＼&數字量輸出模塊＼&FLM DO8 M12＼&2＼&4＼&預制總線電纜＼&SAC?2P?MSB/2，0?910 SCO＼&1＼&5＼&預制供電電纜＼&SAC?5P?MS/2，0?186/FS SCO＼&1＼&6＼&預制總線電纜＼&SAC?5P?MS/0，13?186/FS SCO＼&2＼&7＼&預制供電電纜＼&SAC?5P?MSB/0，13?PUR/FSB SCO SH＼&2＼&8＼&M12連接器＼&SACC?M12MSB?5SC SH＼&20＼&]

表3 Fieldline現場總線配置2

[序號＼&名稱＼&型號及規格＼&數量＼&1＼&安裝板＼&FLM MP7＼&1＼&2＼&數字量輸入模塊＼&FLM DI8 M12＼&1＼&3＼&數字量輸出模塊＼&FLM DO8 M12＼&2＼&4＼&預制總線電纜＼&SAC?2P?MSB/2，0?910 SCO＼&1＼&5＼&預制供電電纜＼&SAC?5P?MS/2，0?186/FS SCO＼&1＼&6＼&預制總線電纜＼&SAC?5P?MS/0，13?186/FS SCO＼&2＼&7＼&預制供電電纜＼&SAC?5P?MSB/0，13?PUR/FSB SCO SH＼&2＼&8＼&M12連接器＼&SACC?M12MSB?5SC SH＼&20＼&]

從以上配置可見，從位于控制室的西門子S7?300系統引出的PROFIBUS?DP總線與Fieldline現場總線耦合模塊相連接，其他的Fieldline現場總線I/O模塊彼此之間通過Fieldline總線相連接。由于Fieldline模塊的防護等級達到IP67，適合在環境惡劣的現場使用，可直接固定在除塵器頂部每個倉室的汽包附近，如果所在現場的極端最低溫度小于-25 ℃，那么可以將模塊放置在保溫箱內。Fieldline現場總線IO模塊與現場接線全部采用預制電纜，模塊的一端為M12插頭式連接器，另一端直接與脈沖閥或離線閥的電磁閥相連接，具體連接如圖1所示。由于袋式除塵器的清灰工藝要求每次只能有一個脈沖閥噴吹，一個離線閥動作，整個清灰系統的總耗電量很小，大約50 W，因此從控制室的S7?300控制柜到除塵器頂部的分布式I/O只需要提供一條KVV450/750 V 2×1.5的電源電纜及一條PROFIBUS?DP電纜即可，而傳統的控制電纜以此除塵器為例，需要10條KVV450/750 V 30×1.5的電纜。

3.2 組態配置及軟件

由于Fieldline現場總線模塊不在西門子PLC編程軟件STEP7的硬件配置中，因此無法直接進行連接，需要在菲尼克斯官網上找到Fieldline現場總線模塊的GSD文件，將GSD文件導入到STEP7的硬件配置里，如圖2所示。載入GSD文件后可通過STEP7實現對Fieldline現場總線I/O模塊的直接控制。

圖1 系統連接圖

圖2 GSD文件導入方法

程序設計方面，根據袋式除塵器清灰系統工藝流程，采用STEP7的梯形圖語言，先用一個延時接通定時器，做一個100 ms的脈沖信號。當清灰系統啟動時對這個脈沖信號進行計算。通過比較指令將脈沖閥動作的時序時間與計算時間進行比較，如果相等那么給對應的脈沖一個輸出信號使其噴吹。其梯形圖分別如圖3～圖5所示。

圖3 100 ms脈沖時間

4 結 論

綜上所述，采用Fieldline現場總線模塊進行除塵器的清灰系統控制，可以大量節省電纜、橋架及相應的安裝輔材，其便捷的M12連接器插頭設計，可大大減少電氣施工人員的工作量，降低施工難度。在除塵器的施工中除塵器頂部安裝是最復雜的環節，如采用此種方式配置，可預先將帶有模塊的安裝板與汽包固定在一起，并與在汽包上的淹沒式脈沖閥提前接好線，這樣可大大簡化除塵器頂部的電氣施工，避免為搶工期在除塵器頂部進行交叉作業帶來的不便。本文所述基于Fieldline現場總線的清灰控制系統已經在現場得到成功應用，讀者可根據自身需要，直接選擇，進行設計即可。

圖4 脈沖閥噴吹時序計數

圖5 1#脈沖閥輸出

參考文獻

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[6] 余丹，于建順.STEP7模擬調試及實現與WinCC連接的仿真[J].現代電子技術，2010，33（14）：81?83.

位于控制室內的PLC控制柜中的處理器模塊采用具有DP接口的CPU315 PN/DP模塊，除塵器頂部采用Fieldline現場總線I/O模塊。以雙列10個倉室的除塵器為例，每個倉室的測點如表1所示。

表1 倉室的測點

[序號＼&測點名稱＼&數字量

輸入＼&數字量

輸出＼&備注＼&1＼&脈沖閥控制＼&＼&10～14＼&一般除塵器每個室的

脈沖閥數量為10～14個＼&2＼&離線閥控制＼&＼&1～2＼&單電控電磁閥為1個點，

雙電控電磁閥為2個點＼&3＼&離線閥開、

關到位信號＼&2＼&＼&＼&]

根據以上測點情況，可以做出兩種配置。每列第一個倉室需要配置一個PROFIBUS?DP總線耦合模塊，兩個8點的數字量輸出模塊（見表2）；其余各倉室配置一個8點數字量輸入模塊和兩個8點數字量輸出模塊即可（見表3）。

表2 Fieldline現場總線配置1

[序號＼&名稱＼&型號及規格＼&數量＼&1＼&安裝板＼&FLM MP7＼&1＼&2＼&總線耦合模塊＼&FLM BK PB M12 DI8 M12＼&1＼&3＼&數字量輸出模塊＼&FLM DO8 M12＼&2＼&4＼&預制總線電纜＼&SAC?2P?MSB/2，0?910 SCO＼&1＼&5＼&預制供電電纜＼&SAC?5P?MS/2，0?186/FS SCO＼&1＼&6＼&預制總線電纜＼&SAC?5P?MS/0，13?186/FS SCO＼&2＼&7＼&預制供電電纜＼&SAC?5P?MSB/0，13?PUR/FSB SCO SH＼&2＼&8＼&M12連接器＼&SACC?M12MSB?5SC SH＼&20＼&]

表3 Fieldline現場總線配置2

[序號＼&名稱＼&型號及規格＼&數量＼&1＼&安裝板＼&FLM MP7＼&1＼&2＼&數字量輸入模塊＼&FLM DI8 M12＼&1＼&3＼&數字量輸出模塊＼&FLM DO8 M12＼&2＼&4＼&預制總線電纜＼&SAC?2P?MSB/2，0?910 SCO＼&1＼&5＼&預制供電電纜＼&SAC?5P?MS/2，0?186/FS SCO＼&1＼&6＼&預制總線電纜＼&SAC?5P?MS/0，13?186/FS SCO＼&2＼&7＼&預制供電電纜＼&SAC?5P?MSB/0，13?PUR/FSB SCO SH＼&2＼&8＼&M12連接器＼&SACC?M12MSB?5SC SH＼&20＼&]

從以上配置可見，從位于控制室的西門子S7?300系統引出的PROFIBUS?DP總線與Fieldline現場總線耦合模塊相連接，其他的Fieldline現場總線I/O模塊彼此之間通過Fieldline總線相連接。由于Fieldline模塊的防護等級達到IP67，適合在環境惡劣的現場使用，可直接固定在除塵器頂部每個倉室的汽包附近，如果所在現場的極端最低溫度小于-25 ℃，那么可以將模塊放置在保溫箱內。Fieldline現場總線IO模塊與現場接線全部采用預制電纜，模塊的一端為M12插頭式連接器，另一端直接與脈沖閥或離線閥的電磁閥相連接，具體連接如圖1所示。由于袋式除塵器的清灰工藝要求每次只能有一個脈沖閥噴吹，一個離線閥動作，整個清灰系統的總耗電量很小，大約50 W，因此從控制室的S7?300控制柜到除塵器頂部的分布式I/O只需要提供一條KVV450/750 V 2×1.5的電源電纜及一條PROFIBUS?DP電纜即可，而傳統的控制電纜以此除塵器為例，需要10條KVV450/750 V 30×1.5的電纜。

3.2 組態配置及軟件

由于Fieldline現場總線模塊不在西門子PLC編程軟件STEP7的硬件配置中，因此無法直接進行連接，需要在菲尼克斯官網上找到Fieldline現場總線模塊的GSD文件，將GSD文件導入到STEP7的硬件配置里，如圖2所示。載入GSD文件后可通過STEP7實現對Fieldline現場總線I/O模塊的直接控制。

圖1 系統連接圖

圖2 GSD文件導入方法

程序設計方面，根據袋式除塵器清灰系統工藝流程，采用STEP7的梯形圖語言，先用一個延時接通定時器，做一個100 ms的脈沖信號。當清灰系統啟動時對這個脈沖信號進行計算。通過比較指令將脈沖閥動作的時序時間與計算時間進行比較，如果相等那么給對應的脈沖一個輸出信號使其噴吹。其梯形圖分別如圖3～圖5所示。

圖3 100 ms脈沖時間

4 結 論

綜上所述，采用Fieldline現場總線模塊進行除塵器的清灰系統控制，可以大量節省電纜、橋架及相應的安裝輔材，其便捷的M12連接器插頭設計，可大大減少電氣施工人員的工作量，降低施工難度。在除塵器的施工中除塵器頂部安裝是最復雜的環節，如采用此種方式配置，可預先將帶有模塊的安裝板與汽包固定在一起，并與在汽包上的淹沒式脈沖閥提前接好線，這樣可大大簡化除塵器頂部的電氣施工，避免為搶工期在除塵器頂部進行交叉作業帶來的不便。本文所述基于Fieldline現場總線的清灰控制系統已經在現場得到成功應用，讀者可根據自身需要，直接選擇，進行設計即可。

圖4 脈沖閥噴吹時序計數

圖5 1#脈沖閥輸出

參考文獻

[1] 劉美俊.西門子PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2011.

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[6] 余丹，于建順.STEP7模擬調試及實現與WinCC連接的仿真[J].現代電子技術，2010，33（14）：81?83.