天津西门子中国授权代理商电源供应商

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: 本文组合应用西门子s7-300plc与台达a系列触摸屏，采用矩阵控制的方法来实现除尘器脉冲阀动作，通过profibus dp工业总线实现主站与分布式i/o设备交换数据，了优化的控制效果。 

1 引言 

工业生产和城市生活中会产生大量的烟气粉尘，如火力发电，供热等，污染环境危害健康。 

随着袋除尘技术的发展和环保要求的日益提高，袋式除尘器的应用范围越来越广泛，目前已能利用袋式除尘器来处理高温、高湿、粘结、爆炸、磨蚀性烟气，甚至过滤含有细粉尘的空气。在袋式除尘器控制领域，plc占据主要技术地位。随着现在控制技术的不断发展，plc与触摸屏在工业控制领域的应用越来越广泛。触摸屏替代传统的控制面板和键盘的智能化操作，可用于参数的设置、数据的显示和存储、并以曲线、动画等形式描绘自动化控制过程。plc与触摸屏的配套组合使用，一方面扩展了plc的功能，使其具有图形化，交互式工作界面的立系统，另一方面大大减少了操作柜上的开关、按钮、仪表等的使用数量，使操作加简便。目些控制要求较高、参数变化多、硬件接线有变化的场合，触摸屏与plc组合起来应用的形式已经占据主导地位。 

但是根据传统的除尘器plc点对点制形式，不仅设计及其现场布线复杂，外部信号干扰还使得系统运行不稳定，而且成本昂贵。本文组合应用西门子s7-300plc与台达a系列触摸屏，采用矩阵控制的方法来实现除尘器脉冲阀动作，通过profibus dp工业总线实现主站与分布式i/o设备交换数据，了优化的控制效果。 

2 系统组成及主要功能 

2.1 系统组成 

袋式除尘器的控制系统如图1所示。 

 
图1 系统要求

该袋式除尘系统主要由除尘器本体、卸灰系统以及其管道的温度、压力与故障报警等几部分组成。其中在除尘器本体主要完成在线差压的清灰控制，除尘器总共有6个室，每室13个脉冲电磁阀，共计78个；以及每个室1个出口控制阀，共计6个。 

2.2 功能设计 

(1) 清灰控制 

控制方式：在线差压/定时、离线差压/定时、手动控制(调试或检测时用)；脉冲间隔：1~60s连续可调；脉冲宽度：0.02~0.2s连续可调；定时清灰周期：0~99分钟连续可调；压差清灰设定范围：0~3000pa连续可调；温度设定范围：0~300℃连续可调；当除尘器到达高阻力(设定的高压差)值时，启动1#除尘室脉冲阀开始喷吹清灰，依次是4#、2#、5#、3#、6#除尘室，脉冲阀依组进行工作；至6#除尘室后一组脉冲阀工作结束止，清灰结束；到下一个高阻力到达，按同样的方式进行清灰。 

(2) 卸灰控制 

高低料位：每台除尘器只在一个灰斗上设高低料位各一只用于报警(高料位提示要卸灰，低料位提示卸灰可结束)。当高、低料位时声、光报警，过一定时间不处理则自动停止除尘系统；卸灰采用控制室和现场两地；给hmi传输信号，显示系统运行状态。 

(3) 温度与压力检测 

系统中需要对进出口差压、进口温度、出口温度以及各个室内滤袋检漏压力的检测。 

(4) 控制关系(自动方式) 

烟温(指进口烟温)正常(100~165℃)时，进口、出口阀门全部打开，旁路阀门关闭；(100℃)或过(165℃)设定温度时，控制系统报警；当(170℃)设定温度时，先打开旁路阀然后依次关闭1~6#出口阀门即可；进口阀门现场手动关闭。 

3 硬件配置及软件实现 

系统由德国西门子s7-300系列加上一些中间继电器组成矩阵形式对输入输入点进行检测和控制。通过台达触摸屏来设定脉冲阀动作宽度和间隔时间以及定时周期，还可以查看各室脉冲阀动作。利用plc的输出与中间继电器构成行列结构，输出控制点放在行列结构的交叉点上，这样可使得系统硬件成本比点对点输出控制要降低很多，如广西明阳6室13组在线/离线喷吹脉冲反吹布袋除尘器plc自动控制系统采用点对点控制方式则plc控制系统至少需要78个输出点，而采用由plc的输出点与中间继电器组成的矩阵式plc控制系统仅仅需要19个输出点就可以完成同样的工作。 

本系统通过人机界面，系统工作在几室几个脉冲阀喷吹一目了然，差压指示与压力上下限报警输出一应俱全，控制系统可以与就地控制箱实现连锁控制，可以方便现场设备维修工作，如图2所示。系统运行稳定，操作简单，维护方便，很大程度上减轻了操作人员的劳动强度。

 
图2 hmi主画面

6×13矩阵控制系统输出如表1所示。 

通过原理图3以及上表1，各个室的脉冲阀需要动作时只需要通过q0.0~q1.4与q1.5~q2.2中任意一个组合即可以。其中，q0.0~q1.4与m端使得中间继电器得电而吸合开关，用来控制电磁脉冲阀与24v+的连接。q1.5~q2.2与m端使得中间继电器得电而吸合开关，用来控制电磁脉冲阀与m端的连接。例如：当需要e室9#电磁脉冲阀动作室时，只需要q1.0与q2.2置为1即可。此时q1.0输出24v电压，中间继电器的常开点闭合，使得e室9#电磁脉冲阀与24v+连接。同理，q2.2输出24v电压，中间继电器常开点闭合，使得e室9#电磁脉冲阀与m连接。这时使得e室9#电磁脉冲阀两端与24v+与m端同时导通即动作。在此过程中，虽然q1.0控制的编号为9#的六个电磁脉冲阀都与l1端导通，但室此时只有q2.2控制的e室中的脉冲阀此时与m端导通。即在q1.0与q2.2控制的交叉点上的电磁脉冲阀动作，其他点上的电磁脉冲阀要么只与24v+相连，要么只与m端相连。该原理中，电磁阀可以采用plc输出的24v电压来实现其动作，但是为了电磁脉冲阀能稳定动作以及减少plc的负载，其采用外部稳定的直流电源供电，由此采用19个中间继电器。 

在台达触摸屏人机上，脉冲阀动作的状态显示可以通过各室与各室的各个脉冲动作信号的“与”操作即可以实现，例如需要显示d室5#电磁脉冲阀的动作显示，可以通过下过程实现： 

a q 1.4 
a q 2.0 
= m 0.0 

触摸屏通过读取m0.0中的内容即可以判断电磁脉冲阀是否在动作，有且仅有q0.4与q2.0同时为1时，此时触摸屏的状态灯才显示此时电磁脉冲阀在动作，其他的情况下都没有动作。当在触摸屏上对d室5#电磁脉冲阀手动控制时，只需通过触摸屏对m0.1置1即可，此时plc通过如下程序段即可以时间手动对电磁脉冲阀的控制： 

a m 0.1 
= q 1.4 
= q 2.0 

从上面中可以看出，通过在原来的基础上增加19个继电器，实现了减少59个输出点，达到了非常满意的效果。

64.1=FALSE 选择控制方式为现场总线. 

65.1= FALSE 选择电机停止后只在65.2的时间内保持励磁. 

65.2=5s 选择电机停止后电机励磁电流保持on的时间,在此时间内电动机保持励磁并随时准备快速重起.

66.1=TRUE 选择转矩验功能有效. 

66.3=** 选择转矩验有效值.在启动时,只有当电机力矩达到该值并通过验时才会发出抱闸打开指令. 

67.1=2S 设定制动施加时间为2S,当停止时电机速度下降到零速值,抱闸开始闭合,在此时间内电机保持力矩,直至抱闸闭合完闭.防止重物下滑溜钩. 

67.2=2% 设定相对零速值为2%,在当实际速度达到该值以下时,制动器开始闭合. 

67.09=P67.10 选择启动转矩调用P67.10的值. 

67.10=** 设定启动时转矩给定值为**. 

69.2=3S 设定上升方向转速从0到**的加速时间为3S. 

69.3=3S 设定下降方向转速从0到-**的加速时间为3S. 

69.4=2S 设定上升方向转速从**到0的减速时间为2S. 

69.5=2S 设定下降方向转速从-**到0的减速时间为2S. 

98.1=RTAC-SLOT1 与脉冲编码器模块的通讯. 

4)主要功能介绍 

转距验 

转矩验用于确认在松开抱闸和开始提升运行之前传动能够产生转矩,抱闸没有打滑.它是将机械抱闸被施加时给一个正的转矩给定(P67.10的值)来完成的.如果转矩验成功,则表示转矩达到了正确的等级,才能执行启动序列中的下一步骤.当变频器启动信号有效时,转矩验程序就开始了,完成之后,转矩验OK被置1,如果在转矩验期间到了任何故障,则转矩验失败,且传动跳闸停车,并在监控系统中给出故障指示，大大增加了起重机的性。 

机械制动控制 

变频器内置了制动逻辑控制器,用来控制抱闸接触器的动作.当接收到启动命令时,变频器对电动机进行预励磁,然后释放速度和转矩控制器,如果转矩验OK通过,制动器将抬起,电动机将按照正常的加速时间运行.如果在规定的时间内没有接收到制动应答信号,传动将故障跳闸并指示制动器故障.启动命令撤去之后,传动将按减速时间减速到相对零速,当接到零速信号反馈后,制动抬起命令被关闭,在制动施加时间(即P67.1的值)内传动将保持励磁和转矩输出,直至制动器闭合完毕，有效地预防了溜钩事故的发生。 

再生能量的处理 

重载下降时电动机处于再生制动状态，对于再生电能，能够妥善处理，以保能使减速停车时间尽量缩短。通过设置20.6=OFF关闭直流过电压控制器、27.1=ON 制动斩波器的控制，设置P69.04、P69.05选择合理的减速时间，当重物下降减速时，所产生的再生电能将通过和逆变管所并联的二管全波整流后反馈到中间直流电路，这一过程将产生泵升电压，当此电压过门限值，制动斩波器就会被，把多余的电能通过制动电阻快速得到释放，保了在短时间内快速减速或停车。 

总结 

综上所述，该系统PLC程序控制使外部硬接线简单明了，故障率低且易于维护，整个系统电网适应性强，起动转矩和低速转矩高，速度响应快，调速范围宽，各档位速度可任意设置，加减速时间可调，尤其是提升软件，使该起重机具备了提升机应用所需的全部控制和功能，确保了地运行。(end)

上位机远程控制系统主要由两台工业控制计算机及其软件、大坝监测设备mcu、工业交换机等组成。两台工业控制计算机，一台作为服务器，另一台作为客户机，客户机务器采用opc通讯；软件主要是实现控制系统的参数设置、工作状况显示、运行控制、数据统计和历史查询等功能，实时接收现地传感器等运行数据，记录各个坝袋以及闸门的运行情况，监控橡胶坝控制系统的整体运行情况。 

通讯方面，两套s7-200现场船闸控制柜与s7-300控制柜采用profi-busu协议，葛沟水位s7-200监测柜与s7-300控制柜采用无线电台远程传输方式。服务器与客户机采用工业以太网通讯。同时，大坝监测设备mcu和监控主机采用rs485协议。 

橡胶坝测控系统在充分考虑船闸启闭及充排水泵操作的性和性的前提下，利用成熟的工业控制技术、传感器技术、技术以及计算机技术，实现橡胶坝船闸及泵信息的实时、闸门自动启闭、以及相关环境及船闸管理情况的实时监控。 

3 监控系统功能设计 

3.1 闸门和泵控制 

(1) 现地控制：现场操作人员能通过一组切换开关实现人工控制方式与自动控制方式的转换。在人工控制方式下，现场操作人员可按原有方式启闭闸门或泵，其动作相关信息将接受上级部门的实时监控。在自动方式下可以进行远程控制。人工和自动控制方式也可通过远程监控系统切换。 

(2) 远程控制：根据各级用户通过网络发给现场测控单元(plc)的指令，闸门可自动开启或关闭，充、排水泵自动启动或者停止，其动作由各级用户根据权限控制。 

(3) 闸门启闭及泵启动告警：在闸门将要启闭以及启闭过程当中，在闸门启闭装置附近应有相应的声光装置发出告警提示，以提醒在现场的工作人员注意。 

(4) 限位保护：在闸门启闭装置的上面和下面应安装启闭机运行范围的限位开关，一旦启闭装置运行到这两个位置时，这两个限位开关将立即通知测控单元，切断启闭机电源，以避免启闭机出运行范围。 

(5) 相序保护：在启闭机的供电线路里面应串有相序保护器，避免由于三相电源相序混乱所造成的启闭机电机的不正常运转。 

(6) 过载保护：每个启闭机的控制电路里面配有热过载继电器，根据不同电机功率要求其有不同的设定值，当电机发生过载或是其他故障时，此继电器将能自动切断电机的供电电源，以免烧毁电机。 

3.2 数据监测 

实时监测数据应包括：闸前水位、闸后水位、闸门开度、闸门荷载、闸门上升或下降接触器状态、闸门行程开关状态、启闭机保护装置状态、动力和控制电源状态、有关操作按钮或开关状态、闸门启闭机电源电压、电流等。 

(1) 水位监测：在闸室及闸室前后都要按水位观测要求安装水位传感器，以便实时监测闸室及闸室前后的实时水位信息。 

(2) 闸位的自动跟踪测量：无论闸门动作与否，安装于闸门启闭机传动装置上的闸位计都应实时检测闸门的高度值，并上传给现场测控单元。 

(3) 电流、电压监测：在供电线路里面还要配置多功能电表，用以实时监测三相电源的电流和电压，为启闭机的启闭操作提供参考数据。 

(4) 液压系统监测：包括油压、压力报警信号(压、欠压)、滤油器堵塞报警信号、油箱油位过低报警信号； 

(5) 环境监测：在发电机室中装有温湿度等传感器，用以实时监测机房中的工作环境状况。 

(6) 状态监测：包括进出闸信号灯状态、上下游闭锁状态、闸门上升或下降接触器状态、闸门行程开关状态、启闭机保护装置状态、动力和控制电源状态、有关操作按钮或开关状态等。 

3.3 充排水控制系统 

坝袋充排水控制系统主要由上位控制系统、充排水泵、软起动器、电气控制装置、水位检测设备、坝袋高度及坝袋内压检测设备等组成，根据坝袋高度、坝袋内压以及水位，通过对水泵电机的启停控制以及输水管路上的电动蝶阀的开关等进行坝袋的充排水自动控制，坝袋的充排水所需时间与工程的运用要求相适应。 

坝袋充排水控制系统主要包括汛期和非汛期两种充排水控制方式，汛期时，我们根据葛沟水位的情况，作出一个闭环控制，来调节坝袋的高度；非汛期时，我们根据上游水位的情况，作出一个闭环控制，来调节相应坝袋的高度。 

4 系统硬件设计 

4.1 可编程控制器的选型 

针对用户要求，要求设备plc模块化、、高性、高速指令处理、用户友好的参数设置、简单的维护及服务和合理的价格等，综合考虑各个plc的性能和性价比，我们选用了simens的可编程控制器s7-200和s7-300系列，s7-200作为子站，s7-300作为主站。其中，葛沟水位站plc采用了cpu222，船闸启闭控制plc采用了cpu226， s7-300采用了cpu315-2dp。 

4.2 扩展从站模块 

扩展从站模块(em277profib-us-dp)：可将s7-200 cpu连接到profibus-dp网络。em277经过串行i/o总线连接到s7-200 cpu。pro-fibus网络经过其dp通信端口，连接到em277 profibus-dp模块。这个端口可运行于9600波特和12m波特之间的任何profibus波特率。作为dp从站，em277模块接受从主站来的多种不同的i/o配置，向主站发送和接收不同数量的数据。这种特性使用户能修改所传输的数据量，以满足实际应用的需要。与许多dp站不同的是，em277模块不仅仅是传输i/o数据。em277能读写s7-200cpu中定义的变量数据块。这样，使用户能与主站交换任何类型的数据。将数据移到s7-200 cpu中的变量存储器，就可将输入、计数值、定时器值或其它计算值传送到主站。类似地，从主站来的数据存储在s7-200cpu中的变量存储器内，并可移到其它数据区。em277 profibus-dp模块的dp端口可连接到网络上的一个dp主站上，但仍能作为一个mpi从站与同一网络上如simatic编程器或s7-300/s7-400 cpu等其它主站进行通信。 

5 系统软件设计 

5.1 操作系统软件 

橡胶坝监控系统的操作系统软件采用bbbbbbs 2000 server。它是在bbbbbbs nt server 4.0的基础上，进一步发展活动目录，它采用了类似exchange server 的数据存储方式，称为extensible storage service，其特点是不需要事先定义数据库的参数，可以做到动态的增长，性能非常优良。在数据存储之上已建立索引的，可以方便快速地搜索和。活动目录的分区是域(domain)，一个域可以存储上百万个对象，域之间还有层次关系，可无限地扩展。 

在数据存储之上，建立一个对象模型，以构成活动目录。这一对象模型对ldap有纯粹的支持，还可以管理和修改schema。通过修改sche-ma的工具，用户和开发人员可以自己定义特殊的类和属性，来创建所需要的对象和对象属性。活动目录是一个分布式的目录服务，信息可以分散在多台不同的计算机上，保证访问和容错；同时不管用户从何处访问或信息处在何处，都对用户提供统一的视图。 

5.2 plc控制程序的开发 

plc作为橡胶坝测控系统的，plc编程软件对于实现现地、远程监控是至关重要的。step7是用于simatic s7300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件；microwin是用于simatic s7200站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，都可使用梯形逻辑图、功能块图或语句表3种方式编写具体程序。 

s7200 plc中不需要编写任何与通讯有关的程序，只需要将要交换的数据整理到一个连续的v存储区当中即可，而s7300中需要在ob1(或是定时中断组织块ob35)当中调用系统功能x_get(sfc67)和x_put(sfc68)，实现s7300 与s7200之间的通讯，调用sfc67和sfc68时var_addr参数填写s7200的数据地址区。 

本系统s7-300控制程序的开发采用西门子公司的step7 5.4， s7-200控制程序的开发采用西门子公司的microwin v4.0 sp3。 

5.3 上位机simatic wincc软件设计 

本系统采用西门子公司的软件simatic wincc(视窗控制)设计而成，具有数据显示，累积量查询和报表打印等功能。 

simatic wincc(视窗控制)，是西门子(siemens)在自动化领域中的技术和microsoft的强大功能相结合的产物。它有各种有效功能用于自动化过程，是用于个人计算机上的，按价格和性能分级的人机界面。可以容易的结合标准和用户程序生成人机界面，准确的满足实际要求。 

simatic wincc主要包括计算机(computer)， 标签管理(tag manage -ment)，数据类型(data type)和编辑器(editor)四大部分。其中计算机一项是对计算机进行有关的设置；标签管理是对标签进行初始化定义；数据类型是对标签所代表的数据类型进行定义；编辑器则是为主要的部分，它主要包括以下几个部分： 

(1) 图形编辑器(graphics desig -ner)； 
(2) 报表系统(report designer)； 
(3) 标签存档(tag logging)； 
(4) 报警存档(alarm logging)。 

由于wincc软件本身是一个利用新的面向对象的软件编程技术开发而成的32位应用程序，可以用其内嵌的c语言或vb语言编辑器(而且wincc自己也具有丰富的函数库)编写适用于用户工程需要的动作或脚本文件，来进行数据的记录及存储，这样使得对于过程数据的处理、分析比通过odbc和sql访问归档数据为灵活、简单。其中一段关于变量采集与归档得程序如下： 

void savbbbbues() 
{ #pragma code("kernel32.dll"); 
void getlocaltime(systemt -ime* lpst); 
#pragma code(); 
sy 
int nmonth; stemtime st; 
int nyear; 
int nday; 
int nhour; 
int nminute; 
int nsecond; */定义时间参数/* 
int i; 
int nvaluecount=94;*/定义变量个数/* 
file *fp,*fptemp,*fplog; 
char filename[64]={0}; 
char strerr[256]={0}; 
char * tagname[150]={ 
"zspower_leiji", 
"6wf1_leiji", 
."7sf4_leiji" 
}; */定义参数，其中包括由需要记录的94个变量组成的数组/* 
unsigned float fvalue[150]={0.0f}; 
getlocaltime(&st); 
nyear=st.wyear; 
nmonth=st.wmonth; 
nday=st.wday; */系统时间/* 
sprintf(filename,"d:\\data-\\%04d%02d%02d",nyear,nmonth,nday); 
fptemp=fopen(filename,"r"); 
if(fptemp) goto exit; */与系统时间相符的二进制文件是否已存在/* 
fp=fopen(filename,"wb"); 
if(!fp) 
{ fplog=fopen("d:\\data\\log.txt","wa+"); 
sprintf(strerr,"%04d/%02d/%02d%02d:%02d:%02d------can`t write 
logfile:%04d%02d%02d",nyear,nmonth,nday,nhour,nminute,nsecond,nyear,nmonth,nday); 
fwrite(strerr,sizeof(strerr),1,fplog); 
fclose(fplog); 
return; 
} */创建与系统时间相符的二进制文件并打开/* 
for (i=0;i<92;i++) 
{ 
fvalue[i]=gettagfloat(tagname[i]); 
} 
fwrite(fvalue,4,94,fp); 
fclose(fp); */按照数组中定义的变量顺序依次将变量瞬时值写入文件/* 
exit: 
fclose(fptemp);*/关闭文件/* 
} 

5.4 监控流程设计 

本系统中，plc程序设计主要完成开关量逻辑控制和模拟量回路控制。开关量逻辑控制包括各个水泵阀门的启停及其联锁控制，模拟量回路控制包括各个回路的pid控制算法的实现和比值控制系统和串级控制系统的实现

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