基于PLC控制的脈沖除塵系統(tǒng)的升級設(shè)計

張后盾

(深圳市凱盛科技工程有限公司，蚌埠 233010)

國內(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)，輸出脈沖信號控制氣動閥或電磁閥，進而控制壓縮空氣對濾袋進行噴吹清灰。為了滿足環(huán)保項目中對脈沖閥自控的使用要求和成本要求，該文設(shè)計了一種基于西門子PLC控制的脈沖除塵控制系統(tǒng)。設(shè)計主要采用西門子200 smart和矩陣式結(jié)構(gòu)來替代傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)形式簡單、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)量由幾個到幾百個不等，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。當系統(tǒng)中電磁閥數(shù)量較少時采用的是單閥控制，在實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間向噴吹管內(nèi)噴入壓縮空氣，常規(guī)的控制系統(tǒng)無法滿足瞬時開閉的要求，該文中采用的西門子PLC可以解決這個問題。

2 電氣原理設(shè)計

2.1 技術(shù)要求

對于脈沖除塵系統(tǒng)的要求主要是根據(jù)以往除塵器的設(shè)計經(jīng)驗，并結(jié)合項目中實際遇到的問題設(shè)計。該設(shè)計需要滿足以下幾個方面的要求：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)有輸出點的工作指示，可快速判斷輸出點的狀態(tài)；設(shè)有上位機通訊點，能夠在上位機控制；相對傳統(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 西門子 S7-200 smart控制器

SIMATIC S7-200 SMART 是西門子公司經(jīng)過大量市場調(diào)研，為中國客戶量身定制的一款，高性價比小型 PLC 產(chǎn)品。S7-200 smart 可編程邏輯控制器提供不同類型、I/O 點數(shù)豐富的 CPU 模塊，單體 I/O 點數(shù)最高可達 60 點，可滿足大部分小型自動化設(shè)備的控制需求。另外，CPU 模塊配備標準型和經(jīng)濟型供用戶選擇，對于不同的應(yīng)用需求，產(chǎn)品配置更加靈活，最大限度的控制成本。新穎的信號板設(shè)計可擴展通信端口、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，信號板擴展能更加貼合用戶的實際配置，提升產(chǎn)品的利用率，同時降低用戶的擴展成本。CPU 標配的以太網(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，主處理器；

EM QT16 2個，開關(guān)量輸出模塊；

EM AM03 1個，模擬量輸入輸出模塊。

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

EM QT16 為開關(guān)量輸出信號，信號類型為固態(tài)-MOSFET(源型)，優(yōu)勢在于無機械壽命，可以長期穩(wěn)定的為脈沖閥提供脈沖輸出信號。EM AM03 為模擬量輸入輸出模塊，通過接收遠程給出的0～20 mA信號來控制脈沖寬度和脈沖閥間隔時間。

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間通過遠程模擬量外部給定的方式調(diào)節(jié)，降低操作難度的同時也節(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就地控制箱，在控制箱內(nèi)設(shè)計了矩陣式結(jié)構(gòu)。例如在該項目中，除塵器有8個倉室，每個倉室有24個脈沖電磁閥，共計192個脈沖電磁閥。若按傳統(tǒng)的方式設(shè)計，每個脈沖電磁閥對應(yīng)一個PLC輸出點，則此脈沖除塵系統(tǒng)需要PLC輸出點位192個，將使整個控制系統(tǒng)線路復(fù)雜，造價昂貴。

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

工作原理是將192個脈沖電磁閥正極和負極分開控制，當需要啟動對應(yīng)的脈沖電磁閥時，只需要給對應(yīng)的正極和負極接通信號即可，將原先192個開關(guān)量輸出點位降低至28個開關(guān)量輸出點位，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 的一個實例連接至一個 S7-200 SMART CPU，它能流暢運行在 Windows 7 或 Windows 10操作系統(tǒng)上，支持 LAD(梯形圖)、STL(語句表)、FBD(功能塊圖)編程語言，部分語言之間可以自由轉(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，更多的人性化設(shè)計使編程更容易上手，項目開發(fā)更加高效。

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

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

3.1 控制要求

當倉室啟動信號輸入時，根據(jù)預(yù)設(shè)的脈沖寬度、脈沖間隔，依次啟動對應(yīng)倉室的脈沖電磁閥，脈沖電磁閥運行時間為預(yù)設(shè)脈沖寬度，當一個脈沖閥運行結(jié)束以后，經(jīng)過預(yù)設(shè)脈沖閥間隔時間后，啟動下一個脈沖閥，直到整個倉室的所有脈沖閥都噴吹結(jié)束。

3.2 程序簡介

3.2.1 脈沖寬度和脈沖間隔時間的設(shè)定

由于西門子200PLC的模擬量信號只支持0～20 mA信號輸入輸出，而常用的模擬量信號為4～20 mA信號，所以需要對輸入的模擬量信號進行轉(zhuǎn)換處理。

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

脈沖間隔時間也是同理，制作一個1 s的脈沖計數(shù)，將計數(shù)值與預(yù)設(shè)脈沖間隔時間VW2進行比較，當計數(shù)值大于預(yù)設(shè)脈沖間隔時間后，執(zhí)行下一步，可以通過模擬量輸入調(diào)節(jié)脈沖間隔時間，范圍是0～50 s。

另外考慮到信號丟失的問題，在程序中添加了程序段，當兩個模擬量信號預(yù)設(shè)值小于等于零時，將輸出一個故障信號。

3.2.2 倉室和脈沖電磁閥的選擇

該項目有8個倉室，每個倉室有24個脈沖電磁閥。在硬件上采用8×2×12的矩陣式分布，將每個倉室的24個脈沖電磁閥又分為兩組，每組12個脈沖電磁閥。

當某個倉室啟動以后，在程序上將需要啟動的脈沖電磁閥序號輸入到對應(yīng)變量VW8中，當VW8≤12時，將啟動倉室的第一組負極輸出，當VW8≥13時，啟動倉室的第二組負極輸出。另外在程序中添加程序段，當VW8等于1或者13時，將啟動1#脈沖電磁閥正極輸出，依次類推當VW等于12或者24時，將啟動12#脈沖電磁閥正極輸出。

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

3.2.3 倉室程序的遠程啟停

該項目有8個倉室，共設(shè)計了8個啟動信號和8個反饋信號，分別對應(yīng)1～8倉室啟動信號和1～4倉室運行反饋，第一列運行反饋，第二列運行反饋，PLC運行和PLC故障信號。

當某倉室啟動信號到達以后，將執(zhí)行對應(yīng)倉室的動作，同時輸出對應(yīng)倉室運行信號，當程序執(zhí)行完成后取消倉室運行反饋同時等待。直到啟動信號消失，程序?qū)⒉辉賵?zhí)行動作。通過運行反饋信號的有無來通知遠程信號，脈沖電磁閥程控是否執(zhí)行完成。

3.2.4 倉室脈沖電磁閥順控啟停

倉室脈沖電磁閥順控主要流程為當啟動信號到達后，啟動1#脈沖電磁閥一個脈沖時間后關(guān)閉，等待一個間隔時間后啟動2#脈沖電磁閥，依次循環(huán)直到最后一個脈沖電磁閥啟動結(jié)束后，程序完成。在程序中通過中間變量VB11來記錄程序的狀態(tài)，然后分兩個部分分開執(zhí)行。第一部分是根據(jù)變量VB11執(zhí)行選擇倉室，當VB11≤11時，執(zhí)行第一組輸出，當VB11≥12時，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，對應(yīng)的是第一組1#脈沖電磁閥，當VB11等于23時，對應(yīng)第二組12#脈沖電磁閥。通過一一對應(yīng)的方式，將整個順控執(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)過各種測試，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。在實際測試中，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)過升級改造后完全可以達到多數(shù)項目的不同需求。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)簡單、成本較低的優(yōu)點，具有很好的推廣價值。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，市場效應(yīng)也很大，能給生產(chǎn)廠商和項目設(shè)計施工帶來生產(chǎn)效率的提高和施工成本的降低。