基于plc的工厂除尘控制系统设计（S7-200、仿真、调试、高质量）

工业作为我国第二支柱产业，在近十几年来发展非常迅速，虽然带了了可观的经济效益，但在工业生产中所产生的大量粉尘气体对大气的污染现象也不容忽视。为减少工业粉尘对环境的污染，世界各国制定了严格的环境保护要求。为了减少工业中粉尘的排放，除尘器的研发改良，以及燃煤的使用等等都在不断更改以符合粉尘排放标准。而目前最先进的除尘设备无机膜除尘器具备除尘效率高，稳定性好，结构紧凑易于维护等优点，且无机膜对于粉尘吸附效率高，抗腐蚀能力优秀，耐高温，因此能更有效应用于高温烟气的除尘。本文根据PLC技术在除尘方面的应用，来优化设计无机膜除尘器除尘控制系统，对其气力输送系统进行完善，实现粉尘的自动清除与输送。

本系统采用西门子S7-200可编程逻辑控制器，通过STEP 7-Micro/WIN 32编程软件编程，来设计除尘设备粉尘清除与输送一体化的控制系统。经过对系统的实际调试，使预期目标得以实现。

关键词:无机膜除尘可编程逻辑控制器（PLC） STEP 7-Micro/WIN 32气力输送

1引言

近几年来，在我国北方大部分城市中频频出现“灰霾”现象，这种现象引发交通的不便利，人行走在道路上伸手不见五指。经过调查发现造成次现象的原因是人类活动所排放的粉尘细颗粒物过多所致。这些细颗粒粉尘物质不仅使大气能见度降低，导致交通不便利外，还由于其直径小，吸附能力强，可以作为许多病毒、细菌的“载体”，使其在大气中能够更为广泛的传播，从而危害了人类的健康生活。若是长时间生活在粉尘污染的环境之中，会引发引发尘肺、溶血性贫血或是皮肤癌症等等疾病。在 2007年全国 PM2.5排放数据中，显示其主要排放来源是工业源、交通源、居民生活、生物质燃烧等等，其中工业源排放量为高达924.5 万吨，占总污染源排放量的 69.97%。我国于1973年第一次公布了13种物质的试行排放标准，烟尘废气中的各物质含量也受到了严格制约，在工业高速发展的今天，除尘设备如何高效环保的处理工业生产中的产生的“烟尘”已经成为了一个热点性的问题。

2 系统方案制定

2.1 除尘设备简介

无机陶瓷膜除尘器是目前最具潜力的新型除尘设备，因为无机膜本身由无机高分子或是一些耐性优秀的分子构成，所以相比较于其他除尘设备，无机膜本身就具有耐高温耐腐蚀性能优秀的特点，所以无机膜除尘器能更有效的应用于高温烟气的除尘之中。本文所设计的控制系统的设备主体主要由无机陶瓷膜管，引射器，空压机等等器件构成。本设备建设在在贵州遵义一纸箱厂用于处理该厂内4t/h燃煤锅炉所排放的烟尘气体。设备中无机膜管装填方式采用正三角形排列，一共装有48根陶瓷膜管。另配有声波辅助清灰器辅助清灰，增加膜再生效率，延长膜管使用时间，更好的实现膜污染控制。引射器可以有效的处理连续过滤中气体回流现象导致颗粒重新粘附在无机膜管中的现象。

2.2 气力输送系统的完善

目前在大多数工厂中对于捕集到的粉尘一般采用加水混合冲走或者是直接排放的方法，本套设备对于粉尘的处理采用后者。利用加水混合冲走的除灰方式对资金的消耗大，而且粉尘会对水资源造成不可忽视的污染；直接排放的除灰方式效率低，需要人为操作，并且人为操作过程中可能会引起二次污染。因此本次设计向其引入气力输送技术（气力输送技术是以压缩空气为载体，在密闭管道内通过气力将粉尘流态化输送的输送方式）来实现粉尘的自动输送。

2.3 控制要求的确定

根据所选用的输灰方式，主要确定有以下3点控制要求:

（1）高度输灰：根据料位计指示粉尘沉积高度达到设定高度时，开始执行排灰操作。

（2）质量输灰：采用重力感应器检测，当粉尘质量达到排灰需求时进行排灰，避免因密度大的粉尘导致高灰位排灰无法执行。

（3）定时输灰：根据仓泵内灰料重力感应器检测粉尘质量（正常，超重），料位高度（高，正常，低）以及灰斗内料位高度来采取排灰措施。

2.4 确定除尘系统的控制原理

根据所设计完善的除尘系统，设计出除尘系统工艺流程图（如图1所示）。

图1 除尘系统的工艺流程

除尘工艺流程为：从烟道来的高温烟气进入组合空气加热器，与经过冷凝式干燥机干燥后的压缩空气进行热交换，温度降低的烟尘进过引风机进入无机陶瓷膜除尘设备主体进行处理，加上声波辅助清灰器辅助清灰，捕集下来的粉尘进过排灰卸料口排出至灰斗，洁净的气体通过无机陶瓷膜管上端排出，加热后的压缩气体用于对无机陶瓷膜管的反吹再生。

3 除尘设备控制系统的硬件构成

3.1 可编程控制器的特点

现代工业以快速智能自动化发展为主，PLC作为一种专用于工业控制的计算机，应用方面广泛，功能强大，操作方便，因此PLC控制系统相比于继电器控制系统和单片机控制系统更为优秀，占据了工业自动化领域的主导地位。

3.2 可编程控制器的构成

可编程控制器主要构成有：CPU模块，输入和输出模块及编程装置。

图2 可编程控制器控制系统简图

3.3西门子S7-200PLC介绍

西门子S7-200系列PLC主要适用于中小型系统，作为一种单元式PLC，它不仅功能强大，性价比也更为我们所介绍，最主要的是易学易用，使得其在轻工业的中小型企业中得到了广泛应用，如图3所示。

图3 西门子S7-200系列基本结构

基本模块也称为CPU模块，主要包括:CPU、电源、输入单元、输出单元等。这些单元都安装在一个集成模块内。

扩展模块与基本模块相连接一起使用，这样可以扩展输入和输出点的数量，来适应更为复杂的控制。

编程软件编制、存储和管理用户所需要的程序，并且在联网状态下可以将用户的程序进行上传和下载。

文本显示器主要显示主程序的信息，这样能让程序的运行一目了然。

3.4西门子S7-200系列产品类型及构成

3.4.1 S7-200 CN CPU一览表

表1 S7-200 CN CPU 一览表

型号	S7-211	S7-222CN	S7-224CN	S7-224XP	S7-226CN
高速计数器	30KHZ	30KHZ	30KHZ	30KHZ+200	30KHZ
脉冲串输出	20KHZ	20KHZ	20KHZ	100KHZ	20KHZ
串行通信端	1	1-3	1-3	2-4	2-4
最大DI/DO	10	94	224	224	256
最大AI/AO		16	44	45	44
CPU本体				2AI/1AO

3.4.2 S7-200的技术性能表

表2 S7-200技术性能表

型号	S7-221	S7-222CN	S7-224CN	S7-224XP	S7-226CN
数字量I/O	6DI/4DO	8DI/6DO	14DI/10DO	14DI/10DO	24DI/16DO
中断输入	4	4	4	4	4
HSC输入	4（30KHZ) 支持A/B	4(30KHZ) 支持A/B	6(30KHZ) 支持A/B	2(200KHZ)+4(30KHZ) 支持A/B	6(30KHZ) 支持A/B
脉冲输出	2(20KHZ)	2(20KHZ)	2(20KHZ)	2(100KHZ)	2(20KHZ)
CPU特性	AC/DC电源 1个模拟 PID控制器浮点运算	AC/DC电源 1个模拟利用EM227可以扩展2个串行端口 PID控制器浮点运算	AC/DC电源 1个模拟利用EM227可以扩展2个串行端口 PID控制器浮点运算实时时钟诊断LED	AC/DC电源 1个模拟利用EM227可以扩展4个串行端口自整定PID控制器浮点运算实时时钟诊断LED	AC/DC电源可拆卸端子排利用EM227可以扩展4个串行端口自整定PID控制器实时时钟诊断LED

3.5元件选型

3.5.1 仓式泵选型

本次设计采用气力输送技术，因此泵型的选择也非常重要，根据设计需求选用下引式仓泵，下引式仓泵输送管径大，初速2-3m/s，末速10-13m/s，流速低，对设备的磨损较小，因此运行维护费用更为低廉，而且除尘器下管道布置简单明了，检修方便，管路堵塞现象很少出现。仓泵型号为1.0m3下引式输送泵，是下引式中最小容积型号，属于I类压力容器。工作压力为0.25-0.45MPa，管内流速为18-22m/s,输送距离为1000米以内，输送能力8-15t/h。产品价格为48235.00元，设备产于湖南兰驰设备有限公司，位于湖南省长沙絧井铺环保工业园区。

图7 STBLC型下引式仓泵示意

3.5.2 阀门选型

本次设计所选用的阀门主要有气动阀，旋转摆式阀、陶瓷球阀。陶瓷启动旋转摆式阀门：材质阀体碳钢，耐高温，抗磨损性能好。公称通经DN150-300,公称压力PN1.0MPa，适用温度为<250度。价格88.00元，来源于吴轩阀业，网上可购。

图8 陶瓷气动旋转摆式阀门

3.5.3 传感器选型

工业中一般采用射频导纳料位计。其具有抗干扰放挂料以及采用射频监控的特点，因此无需维修，不需要维护和定时更换，需求2个，价格500元。来源：辽阳市凯信仪表制造有限公司。网上可购。技术参数：工作电压220VDC或24VDC,相对湿度小于百分之85，温度范围40-60度，延迟时间0.2S，材料316不锈钢，陶瓷，高温塑料，四氟乙烯。

图9 射频导纳料位计

采用合金钢和不锈钢制造，工作温度在-20到70度之间，价格99.00元。

需求，2个，将2个压力传感器装入仓泵内，以防止其中一个故障不稳。

来源：安徽省金诺传感器厂。

图10 压力传感器

4 软件设计

4.1PLC程序设计

4.1.1PLC的选型

出于经济和更为我们初学者使用的原因等等方面考虑，本次设计选用西门子S7-200系列中的224XP作为本次主控制器。同时采用EM235扩展模块来提升系统性能。料位传感器，重力传感器，压力传感器均采用4-20MA输出范围等等，接线完成后，在电脑中可显示出CPU接线状态（见图11）。通过CPU的输入输出端口显示灯的开启与否来判断是否输入或者输出信号。

图11CPU接线状态显示图

4.1.2I/O分配

自动清灰控制系统的输入输出点分配表（见表3）：

表3输入输出点分配表

名称	地址	名称	地址
进灰阀开	Q0.0	进灰阀开到位	I0.0
进气阀开	Q0.1	进灰阀关到位	I0.1
出料阀开	Q0.2	进气阀开到位	I0.2
管道堵指示	Q0.3	进气阀关到位	I0.3
运行指示	Q0.4	出料阀开到位	I0.4
声波辅助清灰开	Q0.5	出料阀关到位	I0.5
1号反吹阀门开	Q0.6	手动复位	I0.6
2号反吹阀门开	Q0.7	停止输灰	I1.1
		启动输灰	I1.0
		除尘启动	I1.2

4.2PLC控制程序

4.2.1除尘系统程序分析

除尘系统网络图1：除尘系统的除尘周期程序

除尘采用时间控制方式（见除尘系统网络1）。根据延时定时器T41设置除尘设备的除尘周期，除尘启动的输入地址为I1.2，这里720对应时间为1分20秒，因为本身周期为12分钟，为了更方便调试将其缩小10倍。当除尘启动后，常闭触点T45达设定时间断开，而此时T41延时已经启动。

除尘系统网络图2：声波辅助清灰器的启动和1号反吹阀门的开启程序

除尘启动后，当达到T41延时时，常开触点T41导通，开启声波辅助清灰器辅助清灰，在达到T42延时(0.5s)后，常开触点T42导通，即开启1号反吹阀门进行反吹，当T43延时达到的时候，T43常闭触点会断开，也就是说1号反吹阀门会关闭。换言之就是反吹时间为T43延时(2s)。反吹结束之后，关闭1号反吹阀。

除尘系统网络图3与网络图4：2号反吹阀门的延时启动和反吹时间设定

当T43常开触点导通后，T44延时启动，达到设定时间10s时，T44常开触点导通，这时开启2号反吹阀门进行反吹，在T45延时后关闭2号反吹阀门。至此反吹除尘结束，粉尘落入灰斗之中。T45常闭触点断开。这时一个新的除尘周期重新开始。

4.2.2粉尘输送系统的程序分析

模拟量：在时间和数值上连续的物理量。在传感器上采集的数据信号如压力，温度等，模拟量需要转换成为数字量在PLC内部进行运算和分析，再将数组量转换成为模拟量去控制执行机构。

图12 内部变量定义图表

Piw_In:模拟量输入；Hi_Lim:模拟量输入的量程上限；Low_Lim:模拟量输入的量程下限；Out_Val:输出值。

模拟量转换网络图1：模拟量转换

通过SUB_I整数减法指令将模拟量输入减去6400，转换为实数输出值为LW14，通过I_DI将整数LW14转换为双整数LD18，再通过DI_R将双整数LD18转换为浮点数LD22。在西门子200系列中，信号采集的方式是通过坐标移动来实现的。转换成为浮点数的原因是内部运算的需要，同时也是为了提升运算精度。

模拟量转换网络图2：模拟量上下限转换

通过SUB_I将模拟量输入对应的上限32000（20MA），减去下限6400（4MA），转为实数LW16。通过I_DI将LW16转换为双整数LD26，再将LD26的数据通过DI_R转换为浮点数LD3。通过浮点数减法，将模拟量上限LD2减去模拟量下限LD6得到模拟量上下限范围LD34。

模拟量网络图3,：模拟量输出转换

通过DIV_R浮点数除法将LD22除以LD30来得到输入值LD38，再通过MUL_R浮点数乘法乘以模拟量上下限范围LD34来得到在上下限范围的所占的百分数LD42。

最后通过公式（Piw_In-6400）/(32000-6400)*(Hi_Lim-Low_Lim)+Low_Lim得到模拟量转换的输出值LD10。

2．子程序分析

子程序网络图1：灰斗料位程序分析

当灰斗内料位VD20大于设定上限VD40时，说明灰斗内粉尘已经达到排放至仓泵的需求，此时将满标志（M10.0)置1，空标志(M10.3)置0，当灰斗内料位VD20小于设定下限VD60时说明粉尘未满或者粉尘输送完毕，则将满标志置（M10.0)0，空标志(M10.3)置1。

子程序分析网络图2：仓泵料位程序分析

当仓泵料位VD24达到设定上限VD44时显示仓泵料位已满，可以启动输灰操作，将粉尘进行流化输送。将仓泵料位满标志（M10.1）置1，空标志（M10.4）置0，当粉尘量小于设定下限时说明粉尘料位未满或者粉尘已排空，将满标志（M10.1）置0，空标志（M10.4）置1。

子程序分析网络图3：仓泵重力程序分析

仓泵内设有有压力传感器检测粉尘质量，设此质量检测是为了避免料位满时由于大质量颗粒多损坏仓泵或是使高料位排灰无法执行。粉尘质量V28达设定上限V48时，说明可以启动输灰操作将粉尘流化输送，此时将仓泵重力满标志（M10.2）置1，空标志（M10.5）置0，当粉尘质量小于设定上限时，说明粉尘已排空或者粉尘质量未达到设定值，将仓泵重力满标志（M10.2）置0，空标志（M10.5）置1。

3.输灰系统程序分析

输灰系统网络图1：初始化系统程序

初始化启动，将Q0.0—Q0.3置0。输出Q0.0启动进灰阀门。

输灰系统网络图2、网络图3、网络图4：启动输灰和停止输灰及启动指示程序

当I1.0时常开触点接通，输灰程序启动，将允许启动标志M11.1置1，使常开触点I1.1导通时；输灰程序停止，允许启动标志M11.1置0，使常开触点I1.1断开。当M11.1常开触点接通时，启动指示输出为Q0.4。

输灰系统网络图5：料位读取程序

读取灰仓料位，仓泵料位，仓泵重力，仓泵重力，管道压力实际值，将模拟量转换而来的信号分别存储于VD20、VD24、VD28、VD80中。

5 总结

通过对无机膜除尘技术的学习和西门子PLC及其编程软件STEP7-Micro/WIN32学习和应用，设计无机陶瓷膜除尘设备控制系统并完善其气力输送系统。

通过本次设计，我对PLC以及PLC技术在除尘方面的应用有了很深刻的了解，对除尘设备的发展也有了一定的认识，随着环保要求的不断提高，工业排放的烟尘含尘量也相应得到制约，这使得除尘设备需要在除尘效率，材质选择等方面不断更新改进，同时新型除尘设备的开发研究也在不断进行之中。

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致谢

在做毕业设计之前的确觉得困难比较多，我深感对于平时学的知识掌握得不够扎实，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。在此要特别感谢我们的指导老师宗才老师对我们悉心的照顾和给我们的极大的帮助。在设计过程中，我通过网上查阅大量有关资料，与同学交流和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。

在整个毕业设计过程中老师对我的疑惑进行了详细的讲解，指出了我的许多不足之处，同时又给我提出了很多宝贵的指导意见。老师平时对我们一向非常严格，我们虽然有点惧怕他，但是能深深感受到他对我们的认真负责。有时候老师来到教室一坐就是一上午，周围始终围着一帮同学问问题，老师讲解了整整一上午，已经十二点多了才回家休息，晚上天已经黑了老师还没有离开教室，对此老师却是乐此不疲。正是由于老师这样精心的指导以及课堂上对我们知识的传递，才使我最终顺利完成这次毕业设计，再此一定要说一声：老师，您辛苦了！