1、S7-200PLC 在我公司布袋除尘器中的应用云南云天化股份有限公司红磷分公司维保中心 杨加路 摘要本文通过对我公司 20 万吨/年型煤装置脉冲袋除尘器的结构和工作原理的简单介绍，概要地阐述了 S7-200PLC 选型及系统硬件构成，并通过在袋式除尘器运用 PLC 完成自动控制系统程序的设计分析,通过 TD-400 文本显示器实现与 PLC 人机界面的交流，进一步证实了在袋式除尘器中使用 PLC 实现自动化控制的可行性。通过改造后的袋式除尘控制系统不但运行稳定、操作简单、维护方便，而且还优化了提升阀、脉冲阀的动作时间，降低了空压气的使用量，节约了成本。关键词 脉冲 PLC TD400C引言我公
2、司 20 万吨型煤在烘干制造工序中会产生大量的煤粉尘，如果让这些粉尘散入空气中，不仅污染了环境 ，还对操作人员的健康造成威胁。公司对生产污染排放物的治理和环境的保护历来都高度重视，在最初设计投产时，引入了江苏青华环境工程有限公司生产的 JQM96-16 型脉冲布袋除尘器对型煤煤粉尘的过滤回收，电气控制方面采用常规的继电控制，继电器数量和输入输出点较多，线路较为复杂，电气故障率较高，不仅影响了生产，给维护检修工作带来了一定的困难。2016 年分厂对此开展技术改造，采用 S7-200PLC 和文本显示器为该除尘器设计了一套价廉、可靠的控制系统。一、脉冲袋式除尘器1、脉冲袋式除尘器其构造及工作原理图
3、 1 脉冲袋式除尘器基本构造及工作原理11、 脉冲袋式除尘器基本构造：脉冲袋式除尘器由上、中、下箱体、排灰系统及喷吹系统五部分组成。上箱体包括可掀起的盖板和出风口；中箱体内有多孔板、滤袋框架、滤袋及文氏管；下箱体由灰斗、进风口及检查门组成；喷吹系统包括控制仪表、控制阀、脉冲阀、喷吹管和气包。12、脉冲袋式除尘器的工作原理：含尘气体由除尘器进风口进入中、下箱体，含尘气体通过滤袋进入上箱体过程中由于滤袋的各种效应作用将尘气分离开，粉尘被吸附在滤袋上，而气体穿过滤袋经文氏管进入上箱体，从出风口排出。含尘气体通过滤袋的净化过程、随着时间的增加而积附在滤袋上的粉尘越来越多，増加了滤袋的阻力，致使通过滤袋
4、气体量逐渐减少。为使阻力控制在限定范围内（一般为 120150 毫米水柱） ，保证所需气体量通过由控制仪发出指令，按顺序触发各控制阀开启脉冲阀，气包内的压缩空气瞬时地经脉冲阀至喷吹管的各孔喷出，在经文氏管喷射到各对应的滤袋内。滤袋在气流瞬间反向作用下急剧膨胀，使积附在滤袋表面的粉尘脱落，滤袋得到再生。被清除掉的灰尘落入灰斗，经排料阀排出机体。积附在滤袋上的粉尘被有周期地脉冲喷吹清除，使净化的气体正常通过，保证除尘系统运行。13、喷吹系统及其工作原理喷吹系统及其工作原理如图 2 所示。脉冲阀 A 端接压缩空气包，B 端接喷吹管，脉冲阀背压室接埪制阀，控制仪控制着埪制阀和脉冲阀开启。当控制仪无信号
5、输出时，控制阀的排气被关闭，脉冲阀喷吹口处与关闭状态，当控制仪发出信号时控制阀排气口被打开，脉冲阀背压室的气体泄掉，压力降低，膜片两面产生压差，膜片因压差作用而产生位移，脉冲阀喷吹打开，此时压缩空气从气包通过脉冲阀经喷吹管小孔喷至文氏管进入滤袋（从喷吹管喷出的气体为一次风） 。当高速气体流通过文氏管过程诱导了数倍于一次风的周为空气（称为二次风） ，造成过滤袋内瞬时正压，实现清灰。图 2 喷吹系统及其工作原理在清除粉尘过程中，脉冲阀每喷吹一次气体的时间称为脉冲时间或脉冲宽度；两个相邻脉冲阀的喷吹间隔时间为脉冲间隔（也称喷吹周期） 。调整控制仪的脉冲周期和脉冲时间，可使除尘器阻力保持在限定范围内。
6、二、PLC 选型及系统硬件构成概述在 PLC 选型上，经过反复的对比，选用了德国 SIEMENS 公司的 SIMATIC S7-200 系列可编程序控制器。S7-200 系列 PLC 具有适用范围广，定时中断、自检功能、自定义故障中断服务程序、网络通讯功能等，使维护工作变得简单，CPU 根据用户控制点数要求，确定具体型号规格。1、S7-200 西门子 PLC1.1 概述S7 系列 PLC 分为 S7-200 小型机、 S7-300 中型机、S7-400 大型机。S7-200 系列 PLC 是西门子公司 20 世纪 90 年代推出的整体式小型机，其结构紧凑、功能强，具有很高的性能价格比，在中小规
7、模控制系统中应用广泛。1.2 S7-200 的工作模式S7-200 有两种操作模式：停止模式和运行模式。CPU 面板上的 LED 状态灯可以显示当前的操作模式。在停止模式下，S7-200 不执行程序，您可以下载程序和 CPU 组态。在运行模式下，S7-200 将运行程序。S7-200 提供一个方式开关来改变操作模式。您可以用方式开关（位于 S7-200 前盖下面）手动选择操作模式：当方式开关拨在停止模式，停止程序执行；当方式开关拨在运行模式，启动程序的执行；也可以将方式开关拨在 TERM（终端） （暂态）模式，允许通过编程软件来切换 CPU 的工作模式，即停止模式或运行模式。如果方式开关打在
8、STOP 或者 TERM 模式，且电源状态发生变化，则当电源恢复时，CPU 会自动进入 STOP 模式。如果方式开关打在 RUN 模式，且电源状态发生变化，则当电源恢复时，CPU 会进入 RUN 模式。1.3 S7-200 的工作过程图 3 S7-200 的工作过程S7-200 在扫描循环中完成一系列任务。任务循环执行一次称为一个扫描周期。S7-200 的工作过程如图 3 所示。在一个扫描周期中，S7-200 主要执行下列五个部分的操作：（）读输入：S7-200 从输入单元读取输入状态，并存入输入映像寄存器中。（）执行程序：CPU 根据这些输入信号控制相应逻辑，当程序执行时刷新相关数据。程序执
9、行后，S7-200 将程序逻辑结果写到输出映像寄存器中。（）处理通讯请求：S7-200 执行通讯处理。（）执行 CPU 自诊断：S7-200 检查固件、程序存储器和扩展模块是否工作正常。（）写输出：在程序结束时，S7-200 将数据从输出映像寄存器中写入把输出锁存器，最后复制到物理输出点，驱动外部负载。14 S7-200 CPU 的结构及技术性能 从 CPU 模块的功能来看，SIMATIC S7-200 系列小型 PLC 发展至今，大致经历了两代：第一代产品，其 CPU 模块为 CPU 21X，主机都可进行扩展，它具有四种不同配置的 CPU 单元：CPU 212，CPU 214，CPU 215
10、 和 CPU 216。第二代产品，其 CPU 模块为 CPU 22X，主机都可进行扩展，它具有五种不同配置的 CPU单元：CPU 221，CPU 222，CPU 224 和 CPU 226 和 CPU226XM，除 CPU 221 之外，其它都可加扩展模块，是目前小型 PLC 的主流产品。对于每个型号，西门子厂家都提供有产品货号，根据产品货号可以购买到指定类型的 PLC。1.4.2 S7-200 CPU 22X 的电源对于每个型号，西门子厂家都提供 24V DC 和 120V/240VAC 两种电源供电的CPU 类型。可在主机模块外壳的侧面看到电源规格。输入接口电路也分有连接外信号源直流和交流
11、两种类型。输出接口电路主要有两种类型，即交流继电器输出型和直流晶体管输出型。CPU 22X 系列 PLC 可提供五个不同型号的 10 种基本单元 CPU 供用户选用在安装和拆除 S7-200 之前，必须确认该设备的电源已断开， 并遵守相应的安全防护规范。如果在带点情况下对 S7-200 及相关设备进行安装或接线有可能导致电击和设备损坏。1.4.3 S7-200 CPU 22X 的输入/输出接口S7-200 主机配置的输入接口是数字信号输入接口。为了提高抗干扰能力，输入接口均有光电隔离电路，即由发光二极管和光电三极管组成的光电耦合器。S7-200 主机配置的输出接口通常是继电器和晶体管输出型。继
12、电器输出型为有触点输出，外加负载电源既可以是交流，也可以是直流。CPU 226 AC/DC/继电器输出的 CPU 外围接线图如图 6 所示。1.4.4 S7-200 CPU 的扩展模块当主机的 I/O 点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，通常要进行 I/O的扩展。I/O 扩展包括 I/O 点数的扩展和功能模块的扩展。不同的 CPU 有不同的扩展规范， 它主要受 CPU 的寻址能力限制。在使用时可参考西门子 S7-200的系统手册。15 TD400C 文本显示器西门子 TD400C 文本显示器使用 TD/CPU 电缆连接到 S7-200PLC，PLC 能直接为文本显示器提供电源，当通讯距离大于
13、 2.5 米时，需为文本显示器提供外加电源，由于 CPU224XP 和 CPU226 具有两个 485 接口，每种型号的 PLC 可同时连接两个 TD 400C，TD 400C 可安装于控制柜中，或用作手持设备，不带任何其它附件。TD 400C 有以下功能：1) 3.7“ STN LCD 背光显示，最多可以组态 4 个文本行；2) 坚固的塑料外壳，防护等级 IP65（前面）IP20（后面），没有标签条插槽，防水性能增强，31 mm 安装深度；3) 可定制操作员界面：操作员界面可单独设计（包括颜色、图象、文本等） ，可使用 Keypad Designer （STEP 7-Micro/WIN 的部
14、件）实现组态；4) 触摸式按键组态：可为最多 15 个固定安装的触摸式按键分配各种功能（如方向按键、消息、设定 PLC 位）；5) 可选电源接口：TD 400C 和 S7-200 之间的距离大于 2.5 m 时，需要电源。并提供有 PROFIBUS 总线电缆替代提供的连接电缆。三、我公司脉冲除尘器的 PLC 控制任务描述及控制要求我公司 20 万吨型煤脉冲布袋除尘器建有 18 个除尘室，每个除尘室安装了一个提升阀和两个脉冲电磁阀（A 阀和 B 阀） ，每个除尘室内当提升阀动作关闭气道时，除尘室内变为常压环境，然后两个脉冲电磁阀工作瞬间释放空压气，将除尘室内布袋表层的积灰吹落，脉冲阀的动作时间一
15、般为 0.5S ，喷吹完成后提升阀动作，打开气道，完成第一除尘器清灰流程，依次循环完成 18 个除尘室的清灰工作，脱落的积灰通过螺运机定时外排。1.控制任务和要求（1）各个除尘器的电磁阀的控制时序。为使收尘系统阻力变化范围小，一般采用均匀间隔清灰的工作方式，即采用定时控制方式，各个除尘器的电磁阀的控制时序如图 4 所示：图 4t0：脉冲电磁阀的启动延时，初始值 5s，对应 PLC 存储区为：VW100t1：提升电磁阀的工作时间，初始值 8s，对应 PLC 存储区为：VW104t2：脉冲电磁阀的喷吹时间，初始值 0.5s，对应 PLC 存储区为：VW106t3：室间隔时间，初始值 12s，确保空
16、压气压力恢复，对应 PLC 存储区为：VW102（2）一个成功的设计方案，不仅要能满足生产工艺的实际要求，确保生产良好稳定的运行，还必须将项目投入费用降至最低，在此设计中，首选需要估算需要多少个控制点，初步选定 PLC 型号，并绘制出对于电气原理图。为确保改造投入费用达到最低，不浪费 PLC 的 IO 控制点数，并且能达到工艺要求，经过优化电路，18 个提升阀和 36 个脉冲阀（每个除尘室内两个脉冲阀并联同时运行）采用如图 5 所示的控制电路进行接线，只需要 8 个输出点控制中间继电器即可，加入 2 个点作为手动和自动输出显示，则 PLC 只需要 10 个输出点即可满足要求，由于设计采用 TD
17、400C 作为手动控制和监控，则需要 2 个点作为手动/自动转化信号输入，由此分析可初步选定采用 CPU224PLC 进行控制，采用晶体管型PLC。（3）系统的工作方式。为检修和维护方便，每个电磁阀应有自动/手动两种工作方式，并且有工作方式有对应指示灯显示。正常工作时采用自动方式；检修和维护时，采用手动方式。（4）在各个电磁阀工作期间，各除尘室均在 TD400C 中应有“运行”或“停止”指示。图 5 各除尘器仓室选通和接线分配图2、设计方案提示（1）在自动方式下，各个电磁阀处于顺序循环控制过程中。（2）某个电磁阀工作在手动方式下，则不会影响其他电磁阀的正常工作。（3）为节省输出点，可将电磁阀工
18、作状态指示在 TD400 中完成显示.（4）TD400 操作面板如图 6：图 63、确定外围 I/O 设备和 PLC 型号输入设备有，分别控制运行，输出设备有 采用接触器的主触点控制运行。选用的 PLC 是西门子公司的 S7200 系列小型 PLCCPU224.4、编程元件地址分配编程元件分配表编程元件 符号 编程地址 注释启动信号 I0.0 5-SB2停止信号 I0.1 6-SB2输入元件手自动转换 I0.2 SA3分室 1 提升阀信号 Q0.0 KA1分室 2 提升阀信号 Q0.1 KA2分室 3 提升阀信号 Q0.2 KA3分室 4 提升阀信号 Q0.3 KA4分室 5 提升阀信号 Q0.4 KA5选通信号 1 Q0.5 KA6选通信号 2 Q0.6 KA7脉冲信号 Q0.7 KA8自动运行标志 Q1.0输出元件手动运行标志 Q1.1
