基于PLC控制的脈沖除塵系統(tǒng)的升級(jí)設(shè)計(jì)

張后盾

(深圳市凱盛科技工程有限公司，蚌埠 233010)

國(guó)內(nèi)外環(huán)保行業(yè)中，常用的脫硫除塵技術(shù)主要是袋式除塵器，該系統(tǒng)是用于袋式除塵器脈沖除塵系統(tǒng)的主控設(shè)備。根據(jù)設(shè)定參數(shù)，輸出脈沖信號(hào)控制氣動(dòng)閥或電磁閥，進(jìn)而控制壓縮空氣對(duì)濾袋進(jìn)行噴吹清灰。為了滿足環(huán)保項(xiàng)目中對(duì)脈沖閥自控的使用要求和成本要求，該文設(shè)計(jì)了一種基于西門(mén)子PLC控制的脈沖除塵控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)主要采用西門(mén)子200 smart和矩陣式結(jié)構(gòu)來(lái)替代傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、操作方便且成本較低。

1 脈沖除塵控制的現(xiàn)狀

在袋式除塵器中，根據(jù)不同的除塵器面積，除塵系統(tǒng)中脈沖閥的數(shù)量由幾個(gè)到幾百個(gè)不等，由此使用的控制方式也有區(qū)別。

脈沖除塵系統(tǒng)的控制主要分為硬件部分和軟件部分。當(dāng)系統(tǒng)中電磁閥數(shù)量較少時(shí)采用的是單閥控制，在實(shí)際使用中隨著脈沖閥數(shù)量的增加，而使用的施工材料也以倍數(shù)的方式增加；該文中采用的矩陣式控制方式，大大降低了材料的使用。在軟件方面，由于脈沖電磁閥需要以極短的時(shí)間向噴吹管內(nèi)噴入壓縮空氣，常規(guī)的控制系統(tǒng)無(wú)法滿足瞬時(shí)開(kāi)閉的要求，該文中采用的西門(mén)子PLC可以解決這個(gè)問(wèn)題。

2 電氣原理設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)要求

對(duì)于脈沖除塵系統(tǒng)的要求主要是根據(jù)以往除塵器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合項(xiàng)目中實(shí)際遇到的問(wèn)題設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)需要滿足以下幾個(gè)方面的要求：該設(shè)備需能夠連續(xù)、穩(wěn)定的工作；可根據(jù)除塵器清灰要求，調(diào)整脈沖寬度、脈沖間隔和周期間隔；輸出位置設(shè)有輸出點(diǎn)的工作指示，可快速判斷輸出點(diǎn)的狀態(tài)；設(shè)有上位機(jī)通訊點(diǎn)，能夠在上位機(jī)控制；相對(duì)傳統(tǒng)的脈沖閥控制，應(yīng)具有較低的成本。

2.2 電氣結(jié)構(gòu)

2.2.1 西門(mén)子 S7-200 smart控制器

SIMATIC S7-200 SMART 是西門(mén)子公司經(jīng)過(guò)大量市場(chǎng)調(diào)研，為中國(guó)客戶量身定制的一款，高性價(jià)比小型 PLC 產(chǎn)品。S7-200 smart 可編程邏輯控制器提供不同類型、I/O 點(diǎn)數(shù)豐富的 CPU 模塊，單體 I/O 點(diǎn)數(shù)最高可達(dá) 60 點(diǎn)，可滿足大部分小型自動(dòng)化設(shè)備的控制需求。另外，CPU 模塊配備標(biāo)準(zhǔn)型和經(jīng)濟(jì)型供用戶選擇，對(duì)于不同的應(yīng)用需求，產(chǎn)品配置更加靈活，最大限度的控制成本。新穎的信號(hào)板設(shè)計(jì)可擴(kuò)展通信端口、數(shù)字量通道、模擬量通道。在不額外占用電控柜空間的前提下，信號(hào)板擴(kuò)展能更加貼合用戶的實(shí)際配置，提升產(chǎn)品的利用率，同時(shí)降低用戶的擴(kuò)展成本。CPU 標(biāo)配的以太網(wǎng)接口，支持 PROFINET、TCP、UDP、Modbus TCP 等多種工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議。

具體配置：CPU SR 200 1個(gè)，主處理器；

EM QT16 2個(gè)，開(kāi)關(guān)量輸出模塊；

EM AM03 1個(gè)，模擬量輸入輸出模塊。

S7-200 SMART SR/ST CPU 模塊本體集成 1 個(gè) PROFINET 接口和 1 個(gè) RS485接口，通過(guò)擴(kuò)展 CM01 信號(hào)板或者 EM DP01 模塊，其通信端口數(shù)量最多可增至 4 個(gè)，可滿足小型自動(dòng)化設(shè)備與觸摸屏、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器及第三方設(shè)備通信的需求。

EM QT16 為開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)，信號(hào)類型為固態(tài)-MOSFET(源型)，優(yōu)勢(shì)在于無(wú)機(jī)械壽命，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定的為脈沖閥提供脈沖輸出信號(hào)。EM AM03 為模擬量輸入輸出模塊，通過(guò)接收遠(yuǎn)程給出的0～20 mA信號(hào)來(lái)控制脈沖寬度和脈沖閥間隔時(shí)間。

相較于傳統(tǒng)的脈沖閥控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)去掉了觸摸屏，將脈沖寬度和脈沖間隔時(shí)間通過(guò)遠(yuǎn)程模擬量外部給定的方式調(diào)節(jié)，降低操作難度的同時(shí)也節(jié)省了成本。

2.2.2 脈沖除塵控制箱

脈沖除塵控制箱是一個(gè)就地控制箱，在控制箱內(nèi)設(shè)計(jì)了矩陣式結(jié)構(gòu)。例如在該項(xiàng)目中，除塵器有8個(gè)倉(cāng)室，每個(gè)倉(cāng)室有24個(gè)脈沖電磁閥，共計(jì)192個(gè)脈沖電磁閥。若按傳統(tǒng)的方式設(shè)計(jì)，每個(gè)脈沖電磁閥對(duì)應(yīng)一個(gè)PLC輸出點(diǎn)，則此脈沖除塵系統(tǒng)需要PLC輸出點(diǎn)位192個(gè)，將使整個(gè)控制系統(tǒng)線路復(fù)雜，造價(jià)昂貴。

根據(jù)脈沖除塵系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，這192個(gè)脈沖電磁閥每次只會(huì)有一個(gè)工作，將它們按照倉(cāng)室分組，其中每個(gè)倉(cāng)室再分兩組，這樣每個(gè)倉(cāng)室的每一組只有12個(gè)脈沖電磁閥，即可按照8×2×12的矩陣控制電路設(shè)計(jì)，部分原理如圖1所示。

工作原理是將192個(gè)脈沖電磁閥正極和負(fù)極分開(kāi)控制，當(dāng)需要啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的脈沖電磁閥時(shí)，只需要給對(duì)應(yīng)的正極和負(fù)極接通信號(hào)即可，將原先192個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)位降低至28個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)位，極大程度上節(jié)約了成本。

3 程序控制策略

該系統(tǒng)采用的軟件是STEP 7-Micro/WIN SMART，它是 S7-200 SMART 控制器的組態(tài)、編程和操作軟件。一次可將 STEP 7-Micro/WIN SMART 的一個(gè)實(shí)例連接至一個(gè) S7-200 SMART CPU，它能流暢運(yùn)行在 Windows 7 或 Windows 10操作系統(tǒng)上，支持 LAD(梯形圖)、STL(語(yǔ)句表)、FBD(功能塊圖)編程語(yǔ)言，部分語(yǔ)言之間可以自由轉(zhuǎn)換，安裝文件小于200 MB。在沿用STEP 7-Micro/WIN優(yōu)秀編程理念的同時(shí)，更多的人性化設(shè)計(jì)使編程更容易上手，項(xiàng)目開(kāi)發(fā)更加高效。

STEP 7-Micro/WIN SMART 用戶界面提供多個(gè)窗口，可用來(lái)排列、編程和監(jiān)控。每個(gè)窗口均可按您所選擇的方式停放或浮動(dòng)以及排列在屏幕上。您可單獨(dú)顯示每個(gè)窗口，也可合并多個(gè)窗口以從單獨(dú)選項(xiàng)卡訪問(wèn)各窗口。

STEP 7-Micro/WIN SMART軟件具有全新的菜單設(shè)計(jì)、全移動(dòng)式窗口設(shè)計(jì)、變量定義與注釋、新穎的向?qū)гO(shè)置、狀態(tài)監(jiān)控、便利的指令庫(kù)等特點(diǎn)，能夠更好的實(shí)現(xiàn)控制需求。

3.1 控制要求

當(dāng)倉(cāng)室啟動(dòng)信號(hào)輸入時(shí)，根據(jù)預(yù)設(shè)的脈沖寬度、脈沖間隔，依次啟動(dòng)對(duì)應(yīng)倉(cāng)室的脈沖電磁閥，脈沖電磁閥運(yùn)行時(shí)間為預(yù)設(shè)脈沖寬度，當(dāng)一個(gè)脈沖閥運(yùn)行結(jié)束以后，經(jīng)過(guò)預(yù)設(shè)脈沖閥間隔時(shí)間后，啟動(dòng)下一個(gè)脈沖閥，直到整個(gè)倉(cāng)室的所有脈沖閥都噴吹結(jié)束。

3.2 程序簡(jiǎn)介

3.2.1 脈沖寬度和脈沖間隔時(shí)間的設(shè)定

由于西門(mén)子200PLC的模擬量信號(hào)只支持0～20 mA信號(hào)輸入輸出，而常用的模擬量信號(hào)為4～20 mA信號(hào)，所以需要對(duì)輸入的模擬量信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。

針對(duì)脈沖寬度制作了一個(gè)單位為10 ms的脈沖計(jì)數(shù)程序段，當(dāng)計(jì)數(shù)值小于預(yù)設(shè)脈沖寬度VW0時(shí)，接通脈沖電磁閥輸出，當(dāng)計(jì)數(shù)值大于預(yù)設(shè)值時(shí)，復(fù)位計(jì)數(shù)器并執(zhí)行下一步。這里可以通過(guò)模擬量控制輸出最小10 ms脈沖，最大1 000 ms脈沖，滿足設(shè)計(jì)要求。部分程序如圖2所示。

脈沖間隔時(shí)間也是同理，制作一個(gè)1 s的脈沖計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)值與預(yù)設(shè)脈沖間隔時(shí)間VW2進(jìn)行比較，當(dāng)計(jì)數(shù)值大于預(yù)設(shè)脈沖間隔時(shí)間后，執(zhí)行下一步，可以通過(guò)模擬量輸入調(diào)節(jié)脈沖間隔時(shí)間，范圍是0～50 s。

另外考慮到信號(hào)丟失的問(wèn)題，在程序中添加了程序段，當(dāng)兩個(gè)模擬量信號(hào)預(yù)設(shè)值小于等于零時(shí)，將輸出一個(gè)故障信號(hào)。

3.2.2 倉(cāng)室和脈沖電磁閥的選擇

該項(xiàng)目有8個(gè)倉(cāng)室，每個(gè)倉(cāng)室有24個(gè)脈沖電磁閥。在硬件上采用8×2×12的矩陣式分布，將每個(gè)倉(cāng)室的24個(gè)脈沖電磁閥又分為兩組，每組12個(gè)脈沖電磁閥。

當(dāng)某個(gè)倉(cāng)室啟動(dòng)以后，在程序上將需要啟動(dòng)的脈沖電磁閥序號(hào)輸入到對(duì)應(yīng)變量VW8中，當(dāng)VW8≤12時(shí)，將啟動(dòng)倉(cāng)室的第一組負(fù)極輸出，當(dāng)VW8≥13時(shí)，啟動(dòng)倉(cāng)室的第二組負(fù)極輸出。另外在程序中添加程序段，當(dāng)VW8等于1或者13時(shí)，將啟動(dòng)1#脈沖電磁閥正極輸出，依次類推當(dāng)VW等于12或者24時(shí)，將啟動(dòng)12#脈沖電磁閥正極輸出。

通過(guò)上面的矩陣控制方式，可以有效的降低PLC模塊的點(diǎn)位需求進(jìn)而節(jié)省成本。

3.2.3 倉(cāng)室程序的遠(yuǎn)程啟停

該項(xiàng)目有8個(gè)倉(cāng)室，共設(shè)計(jì)了8個(gè)啟動(dòng)信號(hào)和8個(gè)反饋信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)1～8倉(cāng)室啟動(dòng)信號(hào)和1～4倉(cāng)室運(yùn)行反饋，第一列運(yùn)行反饋，第二列運(yùn)行反饋，PLC運(yùn)行和PLC故障信號(hào)。

當(dāng)某倉(cāng)室啟動(dòng)信號(hào)到達(dá)以后，將執(zhí)行對(duì)應(yīng)倉(cāng)室的動(dòng)作，同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)倉(cāng)室運(yùn)行信號(hào)，當(dāng)程序執(zhí)行完成后取消倉(cāng)室運(yùn)行反饋同時(shí)等待。直到啟動(dòng)信號(hào)消失，程序?qū)⒉辉賵?zhí)行動(dòng)作。通過(guò)運(yùn)行反饋信號(hào)的有無(wú)來(lái)通知遠(yuǎn)程信號(hào)，脈沖電磁閥程控是否執(zhí)行完成。

3.2.4 倉(cāng)室脈沖電磁閥順控啟停

倉(cāng)室脈沖電磁閥順控主要流程為當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)到達(dá)后，啟動(dòng)1#脈沖電磁閥一個(gè)脈沖時(shí)間后關(guān)閉，等待一個(gè)間隔時(shí)間后啟動(dòng)2#脈沖電磁閥，依次循環(huán)直到最后一個(gè)脈沖電磁閥啟動(dòng)結(jié)束后，程序完成。在程序中通過(guò)中間變量VB11來(lái)記錄程序的狀態(tài)，然后分兩個(gè)部分分開(kāi)執(zhí)行。第一部分是根據(jù)變量VB11執(zhí)行選擇倉(cāng)室，當(dāng)VB11≤11時(shí)，執(zhí)行第一組輸出，當(dāng)VB11≥12時(shí)，執(zhí)行第二組輸出。第二部分是根據(jù)VB11的不同狀態(tài)執(zhí)行不同的脈沖閥，其中VB11等于0，對(duì)應(yīng)的是第一組1#脈沖電磁閥，當(dāng)VB11等于23時(shí)，對(duì)應(yīng)第二組12#脈沖電磁閥。通過(guò)一一對(duì)應(yīng)的方式，將整個(gè)順控執(zhí)行完成后，等待新的指令輸入。部分程序如圖3所示。

3.2.5 系統(tǒng)調(diào)試

經(jīng)過(guò)各種測(cè)試，新系統(tǒng)的硬件和軟件配合完美，能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖除塵系統(tǒng)的控制要求。在實(shí)際測(cè)試中，脈沖電磁閥的脈沖寬度可以精確以10 ms為單位的自由調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)范圍和精度相較于傳統(tǒng)控制方式有較大提高，經(jīng)過(guò)升級(jí)改造后完全可以達(dá)到多數(shù)項(xiàng)目的不同需求。另外需要注意的是，CPU SR200的內(nèi)存空間只有12 kB，并且不能擴(kuò)容。

4 結(jié) 論

該文使用的PLC控制系統(tǒng)和矩陣式結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)的控制方式，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的推廣價(jià)值。基于PLC控制的脈沖除塵系統(tǒng)在環(huán)保行業(yè)中有很大的應(yīng)用空間，市場(chǎng)效應(yīng)也很大，能給生產(chǎn)廠商和項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工帶來(lái)生產(chǎn)效率的提高和施工成本的降低。