基于PLC控制的脉冲除尘系统的升级设计

张后盾

(深圳市凯盛科技工程有限公司，蚌埠 233010)

国内外环保行业中，常用的脱硫除尘技术主要是袋式除尘器，该系统是用于袋式除尘器脉冲除尘系统的主控设备。根据设定参数，输出脉冲信号控制气动阀或电磁阀，进而控制压缩空气对滤袋进行喷吹清灰。为了满足环保项目中对脉冲阀自控的使用要求和成本要求，该文设计了一种基于西门子PLC控制的脉冲除尘控制系统。设计主要采用西门子200 smart和矩阵式结构来替代传统的控制系统，结构形式简单、操作方便且成本较低。

1 脉冲除尘控制的现状

在袋式除尘器中，根据不同的除尘器面积，除尘系统中脉冲阀的数量由几个到几百个不等，由此使用的控制方式也有区别。

脉冲除尘系统的控制主要分为硬件部分和软件部分。当系统中电磁阀数量较少时采用的是单阀控制，在实际使用中随着脉冲阀数量的增加，而使用的施工材料也以倍数的方式增加；该文中采用的矩阵式控制方式，大大降低了材料的使用。在软件方面，由于脉冲电磁阀需要以极短的时间向喷吹管内喷入压缩空气，常规的控制系统无法满足瞬时开闭的要求，该文中采用的西门子PLC可以解决这个问题。

2 电气原理设计

2.1 技术要求

对于脉冲除尘系统的要求主要是根据以往除尘器的设计经验，并结合项目中实际遇到的问题设计。该设计需要满足以下几个方面的要求：该设备需能够连续、稳定的工作；可根据除尘器清灰要求，调整脉冲宽度、脉冲间隔和周期间隔；输出位置设有输出点的工作指示，可快速判断输出点的状态；设有上位机通讯点，能够在上位机控制；相对传统的脉冲阀控制，应具有较低的成本。

2.2 电气结构

2.2.1 西门子 S7-200 smart控制器

SIMATIC S7-200 SMART 是西门子公司经过大量市场调研，为中国客户量身定制的一款，高性价比小型 PLC 产品。S7-200 smart 可编程逻辑控制器提供不同类型、I/O 点数丰富的 CPU 模块，单体 I/O 点数最高可达 60 点，可满足大部分小型自动化设备的控制需求。另外，CPU 模块配备标准型和经济型供用户选择，对于不同的应用需求，产品配置更加灵活，最大限度的控制成本。新颖的信号板设计可扩展通信端口、数字量通道、模拟量通道。在不额外占用电控柜空间的前提下，信号板扩展能更加贴合用户的实际配置，提升产品的利用率，同时降低用户的扩展成本。CPU 标配的以太网接口，支持 PROFINET、TCP、UDP、Modbus TCP 等多种工业以太网通信协议。

具体配置：CPU SR 200 1个，主处理器；

EM QT16 2个，开关量输出模块；

EM AM03 1个，模拟量输入输出模块。

S7-200 SMART SR/ST CPU 模块本体集成 1 个 PROFINET 接口和 1 个 RS485接口，通过扩展 CM01 信号板或者 EM DP01 模块，其通信端口数量最多可增至 4 个，可满足小型自动化设备与触摸屏、变频器、伺服驱动器及第三方设备通信的需求。

EM QT16 为开关量输出信号，信号类型为固态-MOSFET(源型)，优势在于无机械寿命，可以长期稳定的为脉冲阀提供脉冲输出信号。EM AM03 为模拟量输入输出模块，通过接收远程给出的0～20 mA信号来控制脉冲宽度和脉冲阀间隔时间。

相较于传统的脉冲阀控制系统，该系统去掉了触摸屏，将脉冲宽度和脉冲间隔时间通过远程模拟量外部给定的方式调节，降低操作难度的同时也节省了成本。

2.2.2 脉冲除尘控制箱

脉冲除尘控制箱是一个就地控制箱，在控制箱内设计了矩阵式结构。例如在该项目中，除尘器有8个仓室，每个仓室有24个脉冲电磁阀，共计192个脉冲电磁阀。若按传统的方式设计，每个脉冲电磁阀对应一个PLC输出点，则此脉冲除尘系统需要PLC输出点位192个，将使整个控制系统线路复杂，造价昂贵。

根据脉冲除尘系统的工作特点，这192个脉冲电磁阀每次只会有一个工作，将它们按照仓室分组，其中每个仓室再分两组，这样每个仓室的每一组只有12个脉冲电磁阀，即可按照8×2×12的矩阵控制电路设计，部分原理如图1所示。

工作原理是将192个脉冲电磁阀正极和负极分开控制，当需要启动对应的脉冲电磁阀时，只需要给对应的正极和负极接通信号即可，将原先192个开关量输出点位降低至28个开关量输出点位，极大程度上节约了成本。

3 程序控制策略

该系统采用的软件是STEP 7-Micro/WIN SMART，它是 S7-200 SMART 控制器的组态、编程和操作软件。一次可将 STEP 7-Micro/WIN SMART 的一个实例连接至一个 S7-200 SMART CPU，它能流畅运行在 Windows 7 或 Windows 10操作系统上，支持 LAD(梯形图)、STL(语句表)、FBD(功能块图)编程语言，部分语言之间可以自由转换，安装文件小于200 MB。在沿用STEP 7-Micro/WIN优秀编程理念的同时，更多的人性化设计使编程更容易上手，项目开发更加高效。

STEP 7-Micro/WIN SMART 用户界面提供多个窗口，可用来排列、编程和监控。每个窗口均可按您所选择的方式停放或浮动以及排列在屏幕上。您可单独显示每个窗口，也可合并多个窗口以从单独选项卡访问各窗口。

STEP 7-Micro/WIN SMART软件具有全新的菜单设计、全移动式窗口设计、变量定义与注释、新颖的向导设置、状态监控、便利的指令库等特点，能够更好的实现控制需求。

3.1 控制要求

当仓室启动信号输入时，根据预设的脉冲宽度、脉冲间隔，依次启动对应仓室的脉冲电磁阀，脉冲电磁阀运行时间为预设脉冲宽度，当一个脉冲阀运行结束以后，经过预设脉冲阀间隔时间后，启动下一个脉冲阀，直到整个仓室的所有脉冲阀都喷吹结束。

3.2 程序简介

3.2.1 脉冲宽度和脉冲间隔时间的设定

由于西门子200PLC的模拟量信号只支持0～20 mA信号输入输出，而常用的模拟量信号为4～20 mA信号，所以需要对输入的模拟量信号进行转换处理。

针对脉冲宽度制作了一个单位为10 ms的脉冲计数程序段，当计数值小于预设脉冲宽度VW0时，接通脉冲电磁阀输出，当计数值大于预设值时，复位计数器并执行下一步。这里可以通过模拟量控制输出最小10 ms脉冲，最大1 000 ms脉冲，满足设计要求。部分程序如图2所示。

脉冲间隔时间也是同理，制作一个1 s的脉冲计数，将计数值与预设脉冲间隔时间VW2进行比较，当计数值大于预设脉冲间隔时间后，执行下一步，可以通过模拟量输入调节脉冲间隔时间，范围是0～50 s。

另外考虑到信号丢失的问题，在程序中添加了程序段，当两个模拟量信号预设值小于等于零时，将输出一个故障信号。

3.2.2 仓室和脉冲电磁阀的选择

该项目有8个仓室，每个仓室有24个脉冲电磁阀。在硬件上采用8×2×12的矩阵式分布，将每个仓室的24个脉冲电磁阀又分为两组，每组12个脉冲电磁阀。

当某个仓室启动以后，在程序上将需要启动的脉冲电磁阀序号输入到对应变量VW8中，当VW8≤12时，将启动仓室的第一组负极输出，当VW8≥13时，启动仓室的第二组负极输出。另外在程序中添加程序段，当VW8等于1或者13时，将启动1#脉冲电磁阀正极输出，依次类推当VW等于12或者24时，将启动12#脉冲电磁阀正极输出。

通过上面的矩阵控制方式，可以有效的降低PLC模块的点位需求进而节省成本。

3.2.3 仓室程序的远程启停

该项目有8个仓室，共设计了8个启动信号和8个反馈信号，分别对应1～8仓室启动信号和1～4仓室运行反馈，第一列运行反馈，第二列运行反馈，PLC运行和PLC故障信号。

当某仓室启动信号到达以后，将执行对应仓室的动作，同时输出对应仓室运行信号，当程序执行完成后取消仓室运行反馈同时等待。直到启动信号消失，程序将不再执行动作。通过运行反馈信号的有无来通知远程信号，脉冲电磁阀程控是否执行完成。

3.2.4 仓室脉冲电磁阀顺控启停

仓室脉冲电磁阀顺控主要流程为当启动信号到达后，启动1#脉冲电磁阀一个脉冲时间后关闭，等待一个间隔时间后启动2#脉冲电磁阀，依次循环直到最后一个脉冲电磁阀启动结束后，程序完成。在程序中通过中间变量VB11来记录程序的状态，然后分两个部分分开执行。第一部分是根据变量VB11执行选择仓室，当VB11≤11时，执行第一组输出，当VB11≥12时，执行第二组输出。第二部分是根据VB11的不同状态执行不同的脉冲阀，其中VB11等于0，对应的是第一组1#脉冲电磁阀，当VB11等于23时，对应第二组12#脉冲电磁阀。通过一一对应的方式，将整个顺控执行完成后，等待新的指令输入。部分程序如图3所示。

3.2.5 系统调试

经过各种测试，新系统的硬件和软件配合完美，能够实现脉冲除尘系统的控制要求。在实际测试中，脉冲电磁阀的脉冲宽度可以精确以10 ms为单位的自由调节。调节范围和精度相较于传统控制方式有较大提高，经过升级改造后完全可以达到多数项目的不同需求。另外需要注意的是，CPU SR200的内存空间只有12 kB，并且不能扩容。

4 结 论

该文使用的PLC控制系统和矩阵式结构代替了传统的控制方式，其具有结构简单、成本较低的优点，具有很好的推广价值。基于PLC控制的脉冲除尘系统在环保行业中有很大的应用空间，市场效应也很大，能给生产厂商和项目设计施工带来生产效率的提高和施工成本的降低。