基于S7-1200 PLC 的電除塵低壓控制系統設計

孔艷艷

（閩江師范高等專科學校， 福建 福州 350108）

0 引言

隨著科技的發展和社會進步， 人們日益意識到環境保護的重要性， 電除塵器作為一種高效除塵裝置廣泛應用于含塵氣體的處理[1-2]。 目前市場上靜電除塵器的低壓控制系統多是采用繼電器、接觸器和單片機為控制核心。由于單片機在工作環境惡劣時， 易受到干擾而出現程序跑飛、死機等現象。 因此，本電除塵控制系統設計時采用西門子S7-1200PLC 為控制核心，通過觸摸屏（HMI）進行人機交互，提高運行的可靠性。

1 電除塵器的基本原理

電除塵器是一種煙氣凈化設備， 主要由高壓電源裝置、低壓控制系統、陽極板、陰極線、振打裝置和清灰裝置等組成[3]。 它的工作原理是：高壓電源裝置在陽極板和陰極線間施加負高壓直流電，陰陽極之間將產生高壓電場，陰極線附近產生電暈放電，形成大量的正離子、負離子和電子。 煙氣中灰塵塵粒通過高壓靜電場時，與正負離子和電子發生碰撞而荷電，帶上電子和離子的塵粒在電場力的作用下向異性電極運動并積附在異性電極上，當粉塵達到一定厚度時，通過振打將灰塵落入收集灰斗中，使通過電除塵器的煙氣得到凈化，達到保護大氣，保護環境的目的。

2 電除塵低壓控制系統結構

如圖1 所示， 溫度傳感器采集各控制裝置現場的溫度信號， 輸入到模擬模塊6ES7231， 進行A/D 轉換，經PLC 處理，并結合電除塵工藝流程，控制電機、加熱器、報警器等控制信號輸出到相應的外部設備， 實現陰陽極振打、保溫箱電加熱、溫度檢測、倉振和卸灰控制、故障報警等。 同時，PLC 和組態軟件實現對靜電除塵控制系統的實時監控，可以在HMI 上啟動現場設備，設定和修改設備運行參數，具有安全登錄，實時數據采集，現場監控，歷史數據保存等功能。

圖1 控制系統框圖

3 電除塵低壓控制系統設計

3.1 I/O 口分配

電除塵低壓控制系統主要包括四個陽極振打電機、八個灰斗加熱控制器、八個倉振電機、八個卸灰電機等部件。 根據控制要求， 選擇西門子S7-1200 PLC 作為控制器，并包含離散輸入模塊、離散輸出模塊和模擬量輸入模塊。 PLC 的部分I/O 口資源分配如表1 所示。

表1 部分PLC 的I/O 口資源分配表

3.2 電加熱控制系統

電加熱控制系統的控制對象包括保溫箱電加熱器和灰斗電加熱器。控制系統的主回路采用交流接觸器控制，輔助回路采用中間繼電器、 開關和PLC 控制交流接觸器動作，實現電加熱的手動/自動控制。 手動控制模式時，轉換開關控制各路電加熱系統。 自動控制模式時， 根據Ptl00 鉑電阻溫度傳感器檢測的溫度，經PLC 處理，當溫度低于下限時，啟動電加熱器加熱；溫度高于上限時，停止電加熱器加熱，實現電加熱器恒溫控制。

3.2.1 電加熱溫度轉換原理及編程方法

在模擬量輸入模塊外接溫度傳感器， 傳感器將測得的數據轉換為0～10V 的連續電壓信號輸入給PLC， 經過PLC 內部的A/D 轉換成0～27648 的數字量， 存儲在指定的寄存器中。 再根據A/D 轉換的數字量與對應的溫度值成線性關系，換算出各點的溫度，包含：進出口溫度、電加熱各處的加熱溫度，其通用公式是：

式中：Ti—各點的溫度；Ii—換算對象， 模擬量模塊采集上來的值；Tmax—溫度最大值；Tmin—溫度最小值；Imax—換算對象的最大值27648；Imin—換算對象的最小值0；

在編程方法上， 西門子S7-1200 采用轉換指令（CONVERT）和數學函數中的計算指令（CALCULATE）實現。 其中，轉換指令（CONVERT）將模擬量模塊采集的數據Ii（0～27648 ），從整數類型（int）轉化為實數類型（Real）。 數學運算（CALCULATE）是將轉化后的實數，按照模擬量的轉換公式，進行數學計算。

3.2.2 保溫箱電加熱控制

為了避免爬電等現象，降低設備故障率，保溫箱必須恒溫控制在110～130℃之間， 再根據各點的實時溫度，采用比較指令， 實現加熱器的恒溫控制， 即： 當溫度低于110℃時啟動保溫箱加熱器， 當溫度高于130℃時停止加熱，循環往復。 同時，觸摸屏可手動/自動控制和實時監控。 保溫箱電加熱模塊PLC 程序，如圖2 所示。

圖2 保溫箱電加熱塊程序

3.2.3 灰斗電加熱控制

該低壓控制系統共有八路灰斗電加熱器， 溫度控制在90～110℃之間， 編程方法與保溫箱低壓控制系統的實現相似，根據各點的實時溫度，采用比較指令實現。即：溫度傳感器檢測實際溫度， 經過A/D 轉換后送至PLC，由PLC 實現恒溫控制。 同時， 觸摸屏可手動/自動控制和實時監控。

3.3 陰陽級振打控制系統

當極板上粉塵不易清除時， 容易誤認為是振打次數太少或振打加速度太小[4]。實際上，除了振打，粉塵沉積厚度也是一個重要因素，把粉塵沉積一定厚度再打，用很小的振打力，粉塵會成片狀下落，這樣，不僅保證粉塵清除干凈，更能降低振打機構噪音，防止擊碎粉塵出現二次飛揚。 所以，振打控制系統的設計重點就是：通過改變電除塵陰陽極板振打時間和方式，優化振打周期。

3.3.1 陽級振打

一般而言，一電場的收塵率占煙塵總量的80%，二電場的收率占煙塵總量的20%以下。所以，各電場沉積在陽極板上的煙塵厚度達到需要振打的時間就差別非常大，為避免二次飛揚，1#～4# 陽極板在順序循環振打時，每個周期按1#-1#-2#-1#-2#-3#-1#-2#-3#-4# 的方式， 依次啟停，加大一電場陽極板的振打次數。 圖3 所示是2# 陽極振打程序。

圖3 2# 陽極振打程序

3.3.2 陰極振打

陰極振打為頂部式振打，用電機作驅動，當線圈通電時，線圈周圍產生磁場，抬升振打棒，當線圈斷電時，磁場消失，振打棒在重力作用下下落，撞擊振打桿，由振打桿將振打力傳遞到電除塵器內部，從而振掉積灰。由于振打裝置在除塵器頂部，并隔離于煙塵之外，具有不占電場內部空間、運行安全可靠、后期維護方便等優點。

此外， 倉振控制和卸灰控制的編程方法與振打控制相似，用計時器、計數器和比較指令等實現，均有手動、自動兩種控制方式，根據實地操作需要，除了遠程監控，還對電機等電動設備設計現場就地控制方式。

3.4 故障報警

故障報警程序是PLC 控制程序中非常重要的組成部分。當電除塵低壓控制系統運行過程中，實時檢測設備運行的異常，并將其輸出警示，以提示操作人員。

本電除塵低壓控制系統主要是控制各種電機啟停和電加熱，因此，報警類型有兩種：電機控制故障報警和熱故障報警。

電機控制報警常見的就是跳閘，如圖4 所示，采用電機輸出Q 與輸入運行狀態的比較實現，當某處電機跳閘，延時3S 后，聲光報警，觸摸屏上對應的故障燈點亮，故障排除后，報警系統復位。

圖4 部分陽極振打報警程序

熱故障報警常見的是跳閘和熱電阻斷路。 跳閘報警編程實現方法與電機報警相似。 熱電阻斷路報警是根據PT100 的工作原理實現的， 當出現熱電阻絲斷或連接導線虛接、折斷、都會造成測量儀表測量值無窮大。 所以利用熱電阻感溫其阻值改變，用顯示儀表測量電阻的變化，從而達到測溫的目的。PLC 編程時采用比較指令實現。判斷故障是否排除，采用比較指令，故障排除后，用MOVE指令恢復報警系統。

4 觸摸屏控制界面

電除塵的低壓控制界面，主要包括：主界面、電加熱控制界面、進出口溫度檢測界面、倉振電機控制界面、卸灰電機控制界面、報警界面、操作說明界面等。

如圖5 所示，系統啟動后，進入主界面， 包含溫度檢測、控制區域和其他三大模塊。 如圖6 所示是振打控制界面，振打控制分為手動/自動兩種， 調試階段手動控制整個工藝，正常工作后， 再次觸發“手動”按鈕，按鈕變為“自動”，切換為自動控制模式。 振打電機工作時， 按鈕顯示綠色， 電機處于停止狀態時，按鈕是紅色，從而實現手動/自動控制和實時監控。

圖5 電除塵控制系統主界面

圖6 振打控制界面

5 結束語

本文利用西門子S7-1200PLC 和觸摸屏等實現了對電除塵器的陰陽極振打、保溫箱加熱、灰斗加熱等功能的自動控制。 實際應用表明，控制系統運行穩定可靠，除塵系統運行良好，對粉塵大于3mg/m3的除塵效率達到99%以上，符合環保要求，達到了實際應用的目的。