基于PLC控制的脈沖除塵系統的升級設計

張后盾

(深圳市凱盛科技工程有限公司，蚌埠 233010)

國內外環保行業中，常用的脫硫除塵技術主要是袋式除塵器，該系統是用于袋式除塵器脈沖除塵系統的主控設備。根據設定參數，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。為了滿足環保項目中對脈沖閥自控的使用要求和成本要求，該文設計了一種基于西門子PLC控制的脈沖除塵控制系統。設計主要采用西門子200 smart和矩陣式結構來替代傳統的控制系統，結構形式簡單、操作方便且成本較低。

1 脈沖除塵控制的現狀

在袋式除塵器中，根據不同的除塵器面積，除塵系統中脈沖閥的數量由幾個到幾百個不等，由此使用的控制方式也有區別。

脈沖除塵系統的控制主要分為硬件部分和軟件部分。當系統中電磁閥數量較少時采用的是單閥控制，在實際使用中隨著脈沖閥數量的增加，而使用的施工材料也以倍數的方式增加；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噴入壓縮空氣，常規的控制系統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 電氣原理設計

2.1 技術要求

對于脈沖除塵系統的要求主要是根據以往除塵器的設計經驗，并結合項目中實際遇到的問題設計。該設計需要滿足以下幾個方面的要求：該設備需能夠連續、穩定的工作；可根據除塵器清灰要求，調整脈沖寬度、脈沖間隔和周期間隔；輸出位置設有輸出點的工作指示，可快速判斷輸出點的狀態；設有上位機通訊點，能夠在上位機控制；相對傳統的脈沖閥控制，應具有較低的成本。

2.2 電氣結構

2.2.1 西門子 S7-200 smart控制器

SIMATIC S7-200 SMART 是西門子公司經過大量市場調研，為中國客戶量身定制的一款，高性價比小型 PLC 產品。S7-200 smart 可編程邏輯控制器提供不同類型、I/O 點數豐富的 CPU 模塊，單體 I/O 點數最高可達 60 點，可滿足大部分小型自動化設備的控制需求。另外，CPU 模塊配備標準型和經濟型供用戶選擇，對于不同的應用需求，產品配置更加靈活，最大限度的控制成本。新穎的信號板設計可擴展通信端口、數字量通道、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，提升產品的利用率，同時降低用戶的擴展成本。CPU 標配的以太網接口，支持 PROFINET、TCP、UDP、Modbus TCP 等多種工業以太網通信協議。

具體配置：CPU SR 200 1個，主處理器；

EM QT16 2個，開關量輸出模塊；

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，其通信端口數量最多可增至 4 個，可滿足小型自動化設備與觸摸屏、變頻器、伺服驅動器及第三方設備通信的需求。

EM QT16 為開關量輸出信號，信號類型為固態-MOSFET(源型)，優勢在于無機械壽命，可以長期穩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。

相較于傳統的脈沖閥控制系統，該系統去掉了觸摸屏，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節，降低操作難度的同時也節省了成本。

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，在控制箱內設計了矩陣式結構。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。若按傳統的方式設計，每個脈沖電磁閥對應一個PLC輸出點，則此脈沖除塵系統需要PLC輸出點位192個，將使整個控制系統線路復雜，造價昂貴。

根據脈沖除塵系統的工作特點，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，當需要啟動對應的脈沖電磁閥時，只需要給對應的正極和負極接通信號即可，將原先192個開關量輸出點位降低至28個開關量輸出點位，極大程度上節約了成本。

3 程序控制策略

該系統采用的軟件是STEP 7-Micro/WIN SMART，它是 S7-200 SMART 控制器的組態、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換，安裝文件小于200 MB。在沿用STEP 7-Micro/WIN優秀編程理念的同時，更多的人性化設計使編程更容易上手，項目開發更加高效。

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計、全移動式窗口設計、變量定義與注釋、新穎的向導設置、狀態監控、便利的指令庫等特點，能夠更好的實現控制需求。

3.1 控制要求

當倉室啟動信號輸入時，根據預設的脈沖寬度、脈沖間隔，依次啟動對應倉室的脈沖電磁閥，脈沖電磁閥運行時間為預設脈沖寬度，當一個脈沖閥運行結束以后，經過預設脈沖閥間隔時間后，啟動下一個脈沖閥，直到整個倉室的所有脈沖閥都噴吹結束。

3.2 程序簡介

3.2.1 脈沖寬度和脈沖間隔時間的設定

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換處理。

針對脈沖寬度制作了一個單位為10 ms的脈沖計數程序段，當計數值小于預設脈沖寬度VW0時，接通脈沖電磁閥輸出，當計數值大于預設值時，復位計數器并執行下一步。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，將計數值與預設脈沖間隔時間VW2進行比較，當計數值大于預設脈沖間隔時間后，執行下一步，可以通過模擬量輸入調節脈沖間隔時間，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設值小于等于零時，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，共設計了8個啟動信號和8個反饋信號，分別對應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，將執行對應倉室的動作，同時輸出對應倉室運行信號，當程序執行完成后取消倉室運行反饋同時等待。直到啟動信號消失，程序將不再執行動作。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閉，等待一個間隔時間后啟動2#脈沖電磁閥，依次循環直到最后一個脈沖電磁閥啟動結束后，程序完成。在程序中通過中間變量VB11來記錄程序的狀態，然后分兩個部分分開執行。第一部分是根據變量VB11執行選擇倉室，當VB11≤11時，執行第一組輸出，當VB11≥12時，執行第二組輸出。第二部分是根據VB11的不同狀態執行不同的脈沖閥，其中VB11等于0，對應的是第一組1#脈沖電磁閥，當VB11等于23時，對應第二組12#脈沖電磁閥。通過一一對應的方式，將整個順控執行完成后，等待新的指令輸入。部分程序如圖3所示。

3.2.5 系統調試

經過各種測試，新系統的硬件和軟件配合完美，能夠實現脈沖除塵系統的控制要求。在實際測試中，脈沖電磁閥的脈沖寬度可以精確以10 ms為單位的自由調節。調節范圍和精度相較于傳統控制方式有較大提高，經過升級改造后完全可以達到多數項目的不同需求。另外需要注意的是，CPU SR200的內存空間只有12 kB，并且不能擴容。

4 結 論

該文使用的PLC控制系統和矩陣式結構代替了傳統的控制方式，其具有結構簡單、成本較低的優點，具有很好的推廣價值。基于PLC控制的脈沖除塵系統在環保行業中有很大的應用空間，市場效應也很大，能給生產廠商和項目設計施工帶來生產效率的提高和施工成本的降低。