管磊玺
酒钢集团宏兴股份公司炼铁厂 甘肃嘉峪关 735100
摘要
本文着重阐述PLC在炼铁厂除尘自动控制系统中的应用，设计以西门子公司S7系列S7-300可编程控制器为核心，介绍控制系统的硬件系统组成，软件选用到系统的设计过程，对其中的设计及控制过程做简单的介绍和说明，实现PLC在除尘方面的应用，达到本次设计的目的。
关键词：除尘 PLC 自动控制
Application of PLC in automatic control system of dust removal in ironmaking（Hardware and software design of PLC）
Guan Leixi
（Ironmaking plant of JISCO Hongxing Co., Ltd,Jiayuguan,Gansu,735100）
This paper focuses on the application of PLC in the dedusting automatic control system?of ironmaking plant, the application design with Siemens company S7 series s7-300 PLC control system as the core, and introduces the hardware system composition, the software use to the design process of the system, including the design and control process do simple introduction and instructions, realize the application of PLC in the dust, achieve the purpose of this design.
Keywords: dust removal PLC Automatic control
第一章 绪 论
1.1 前 言
随着工业时代的逐步发展，越来越多的职业病出现在人类当中。难以医治的职业病——矽肺，其致病的原因就是灰尘。在采矿、选矿等多尘埃环境中工作的人，如果保护充满了空气中的粉尘长期护理，呼吸 尘埃便吸附在肺叶上，难以去除。肺脏即失去了交换氧气的能力，使人渐渐窒息而死。所以在工业生产尤其是炼铁厂中，除尘设备是不可缺少的。
采用具有高可靠性和稳定性的PLC对炼铁厂除尘自动控制装置进行控制。有着非常好的经济效益和社会效益。
在本设计中选用袋式除尘器，袋式除尘器在除尘时，进口烟道内的含尘烟气通过一次导流板进入各个滤室，再通过滤室内部的二次导流后平稳缓慢地穿过滤袋，粉尘被挡在滤袋的外表面，气体则通过净气室，汇集到出口烟道后外排。当堆积在滤袋外表面上的粉尘达到一定程度后，脉冲喷吹阀自动打开，滤袋在脉冲压缩空气的作用下产生振动与变形，粉尘随之从滤袋表面脱离。
1.2 课题研究的意义
布袋除尘器是能够有效控制烟尘污染的主要设备之一，它具有很高的除尘效率。经过布袋除尘器过滤后的烟气含尘质量浓度一般都低于50mg/m3，同时还能有效地除去烟气中的微细粉尘。
可编程序控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。
总之，除尘的控制是比较复杂的，可编程控制器的使用为除尘的控制提供了极大的方便。因此，它已经成为除尘运行中的关键技术。
1.3 袋式除尘器
袋式除尘器是一种干式滤尘装置。它适用于捕集细小、干燥、非纤维性粉尘。滤袋采用纺织的滤布或非纺织的毡制成，利用纤维织物的过滤作用对含尘气体进行过滤，当含尘气体进入袋式除尘器地，颗粒大、比重大的粉尘，由于重力的作用沉降下来，落入灰斗，含有较细小粉尘的气体在通过滤料时，粉尘被阻留，使气体得到净化。综上所述可知，无论是经济方面，还是除尘效率以及对炼铁厂环境的适应，袋式除尘器应为首选。
1.3.1 袋式除尘器的好处
1．一般布袋除尘器采用分室结构，并在设计中留有余量。除尘器分室可轮换检验，而不影响锅炉的运行。因此，对锅炉设备可用率的影响接近为零。
2．排出的浓度不受粉尘比电阻、浓度、粒度等性质的影响。锅炉负荷变化、烟气量波动对布袋除尘器出口排放浓度的影响不大。
3．作为布袋除尘器的枢纽题目—滤料材质，现在也有突破，使用寿命一般在2年以上，实际上已有可达4~6年的实绩。
4．排出的粉尘浓度低，一般都低于50mg/Nm3，甚至可以小于20mg/Nm3。
5．在干式、半干式脱硫系统中，有进一步减少烟气所含SO2的作用。
6．因为布袋除尘器捕集微细粉尘更有效，它除去飞灰中所含稀有金属微粒比电除尘除去的多，而且对PM10、PM2.5微细粉尘能有效去除。
7．布袋除尘器结构和维护均较简朴。袋式除尘器采用圆筒形滤袋、自带系统风机、脉冲喷吹清灰方式，具有净化效率高、清灰效果好、阻力小、滤袋寿命长、维修简便、运行安全可靠的优点。
第二章 控制系统方案选择与方案论证
2.1 控制系统方案选择
1．工业控制计算机控制采用总线控制，各厂家兼容性很强，有实时操作系统支持，但工控机价格较高，且外部I/O接口通常采用多芯扁平电缆和插头、插座，不如接线端子可靠。
2．单片机属于大规模集成电路，其低功耗，低电压和很强的控制功能。但是单片机不能直接与外部I/O连接，需要额外的接口以及配套的集成电路才能进行工业控制，硬件设计、制作过程复杂且工作量大。
3．可编程控制器控制，PLC控制功能强，性价比高，一台小型可编程控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制，且硬件配套齐全，用户使用非常方便；不但可靠性高，而且抗干扰能力强；还有体积小，耗能低等多方面有点，是当今工业控制领域主导控制器。
所以，本课题选择PLC控制。
2.2 控制系统的方案论证
PLC控制系统主要分为三种类型，即集中式控制系统、远程式控制系统和分布式控制系统。
三种控制系统都基于计算机，非常适用于工业现场，本课题PLC在炼铁厂除尘自动控制系统中的应用属于一个PLC控制一台被控设备，输入和输出点较少，控制结构简单，所以属于集中式控制系统。而远程式与分布式控制皆与本课题的情形不符。
第三章 控制系统的硬软件设计
3.1 S7-300 PLC的硬件控制要求
炼铁厂除尘自动控制系统中，烟尘从电炉里出来以后通过管道、引风机进入除尘器，由五个除尘室烟气经过五个除尘室后得到净化然后通过烟囱排放到大气中。粉尘被滤袋吸附收集在卸灰仓中在排放到灰槽中在经过人工或机械把粉尘送到指定地点。
气源温度以及烟气道内烟气温度通过2个温度传感器进行检测，通过温度的变化对空气调节阀进行调节，控制空气的进入量，在除尘的过程中, 由于除尘室中的滤袋所承受的温度比较小, 一般为100摄氏度左右, 而从电炉里出来的烟气的温度一般都比较高, 可以达到300摄氏度， 所以需要利用空气调节阀对进入除尘器的烟气降温, 以保护滤袋的安全。
除尘器有5个除尘室，当除尘器开始工作时，1～5室依次轮流卸灰，每室卸灰时间为20s，卸灰完毕后启动反吹风机，3s后，1～5室再依次轮流清灰，每室清灰时间为十五秒，结束后，再反复执行上述过程。
每个除尘室分别有两个输出量，一个为卸灰，一个为清灰，5个除尘室需用10个输出量，需占用10个输出继电器。用5个输出继电器Q1-Q5先依次控制1-5室的卸灰，卸灰结束后由反吹风输出继电器K0将卸灰继电器K1-K5断开，并接通清灰继电器K6-K10，由输出继电器Q6-Q1.2在依次控制1-5室的清灰。
3.2 I/O点数确定
1．分析系统的控制要求，可确定开关量输入。
共有5个输入：系统启动按钮；系统停止按钮；控制电磁阀温度传感器（2个）；控制风机的压力传感器。
2．分析系统控制要求，可确定开关量输出。
输出模块一共有13个：卸灰继电器总共有5个；清灰继电器也有5个；电磁阀；反吹风继电器；控制风机的继电器。
3.3 数字量I/O模块的选择
1．数字量输入模块的选择
PLC的数字量输入模块用来接收来自现场输入设备的开关量信号（如按钮、传感器等），将信号转换为PLC内部的低电压信号，并实现PLC内、外信号的电气隔离。数字量输入信号类型分为直流和交流；由于交流输入模块可靠性好，适合在有粉尘的污染环境下使用，所以选择交流220V。
输入模块的点数选择8点；输入接线方式选择汇点式输入。SM321满足要求，所以选择SM321中的321-1FF01-0AA0。
2．数字量输出模块的选择
由于除尘设计中，频率较低，所以选择电压大小范围宽，导通压降小，承受瞬间过电流和过电压且有隔离作用的继电器输出。
输出接线方式分为分隔式和分组式两种接线方式，由于本设计属于几个输出点为一组，属于分组式输出。
选择开关量输出模块时，还应考虑能同时接通的输出点数量。同时接通输出设备的累积电流值必须小于公共端所允许通过的电流值，由于除尘器全部是依次清灰、卸灰操作，所以不存在多个输出点同时操作这种情况，不用担心承受的输出的总电流超过规定的电流值。一般来讲，同时接通的点数不要超过同一公共端输出点数60%。
因此，SM322能满足要求，所以选择SM322中322-1FH00-0AA0。
3.4 中央处理单元模块（CPU）的选择
1．CPU主要作用是执行用户程序，CPU315-2DP为S7-300背板总线提供5V直流电源。
2．I/O点数的估算
考虑到I/O点数可能遗漏，一次在统计后得出的基础上，增加10%～15%裕量,也就是20个，考虑到今后有可能扩展所以保留30%的裕量。
3．存储容量的估算
存储器的容量在工程实践中大多数采用粗略估算。
5个输入，13个输出。
因此，CPU315-2DP完全满足要求。
3.5 电源模块的选择
PS307这种型号输出电流为2A，5A和10A，用于120/230V交流电源转换直流电源（5V、12V、24V等）。输出的额定电流远大于CPU模块，315-2DP通常提供的为1.2A或1A以及I/O模块的电流总和远小于PS307 5A。
3.6 S7-300 PLC的硬件配置
S7-300 PLC的硬件配置，见表3-1。
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3.7 模块在机架上安装位置及地址
S7-300是模块化的设计，根据控制系统要求，可以将这些模块安装在一个机架上或者多个机架上。主机架是必选的，扩展机架是可选的，主机架称为机架0，是0号机架。模块在机架上安装位置及地址见表3-2和表3-3。
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3.8 I/O地址分配
I/O地址分配表，如表3-4所示。
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3.9 绘制I/O连接图
3.10 设计梯形图
第四章 调 试
由于在程序设计过程中，难免有错误和疏漏，在将PLC连接到现场设备上之前，必须进行程序离线测试，以排除程序中的错误，以使PLC控制系统在各种正常情况下能正常运行；一旦出现异常情况时能拒绝错误，作出正确的响应。经过反复调试，直到控制程序满足控制要求为止，离线模拟运行，为整体调试作准备，可以减少控制系统现场调试的工作量，可以缩短整体调试的周期。
将编制好的用户程序下载到PLC中后，运行用户程序并监控，对程序进行测试，测试时应重点注意下列问题：
1．用户程序能否按设计要求正常运行；
2．用户程序是否具备系统要求的控制功能；
3．在异常情况下能否作出正确的响应；
4．对现场环境因素及干扰等，能否适应。
用户程序经过反复调试及离线的模拟运行后，就可在控制现场进行试运行。
总 结
本次设计为PLC在炼铁厂除尘自动控制系统的应用，以西门子S7-300系列可编程控制器为核心，通过操作台与PLC通讯，接受管理控制命令，达到在炼铁厂除尘的效果，通过编程，利用程序实现自动控制的目的，从而达到本次设计的最终目的。可编程控制器安全、可靠而且抗干扰能力强，非常适用于工业系统控制。
参考文献
[1] 汪志锋 可编程序控制器原理与应用[M] 西安电子科技大学出版社 2004
[2] 高浦 电气控制基础与可编程序控制器应用教程[M] 西安电子科技大学出版社 2007
[3] 陈章平 PLC（西门子）实用教程[M]. 清华大学出版社 2009
[4] 布袋除尘器、脉冲袋式除尘器专利资料全文专辑 2011
[5] 周万珍 高鸿斌 PLC分析与设计应用[M] 电子工业出版社