精品西门子S7200PLC在水泥熟料放散收尘系统中的应用改.docx
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精品西门子S7200PLC在水泥熟料放散收尘系统中的应用改
西门子S7-200PLC在水泥熟料放散收尘系统中的应用（改）
江苏联合水泥有限公司
水泥熟料散装外运袋收尘控制系统技改项目的研究
摘要：
本文从可编程序控制器应用的角度出发，就我公司熟料散装外运袋式收尘器控制系统技改项目，介绍收尘现状及技改背景，重点阐述可编程序控制器的主要功能及应用；根据收尘工艺要求，介绍电气设计方案、PLC程序的编写。
通过论文的撰写，提高了自己的理论水平，为今后岗位工作，打下了坚实的基础。
关键词：
PLC（可编程序控制器）、S7-200PLC、STEP7-MicroWIN编程软件、程序。
一、引言
1、熟料放散收尘现状简介
熟料散装外运系统于2004年安装并投入运行。
收尘装置采用浙江洁华环保科技股份有限公司产品，至今运行已八年，从实际使用情况看，收尘效果不理想，粉尘一直超标排放，粉尘飞扬严重污染周边环境和作业场所。
2、技改背景
因粉尘污染严重,不仅恶化现场作业环境，增加岗位工劳动强度，影响附近农村住民生活，而且粉尘超标排放不能通过环保部门检查，2011年公司组织、准备ISO14000环境质量认证，粉尘治理势在必行。
2011年5月公司组织人员到句容台泥、鹤林水泥、溧阳天山和平阴山水等友厂参观考察，分析粉尘超标排放原因：
熟料输送线转站收尘器配置普遍偏小，能力不足，且共用点多，致使收尘效果不理想。
制定治理措施：
增加1台气箱式脉冲收尘器，风量为17800m3/h。
3、目前国内袋式收尘器控制系统的主要类型
目前袋式收尘器电控系统主要有二种形式：
①、晶体管无触点顺序逻辑控制系统。
②、PLC控制系统。
a、晶体管无触点顺序逻辑控制系统
袋式收尘器中晶体管无触点顺序逻辑控制装置仅用于脉冲电磁阀、提升电磁阀的循环顺序控制，离心风机电机、卸灰阀电机、空压机电机须单独控制。
该控制装置主要由变压、整流、稳压单元、时间设定、脉冲信号发生单元、微型继电器出口单元及LCD显示器等组成（主要元气件为微型继电器、晶体管、集成电路和微处理器），循环周期可调，各脉冲电磁阀通电时间可统一调整。
根据生产工艺要求，控制脉冲电磁阀的路数可通过选配集成块、调整输出微型继电器的个数实现。
b、PLC控制系统
袋式收尘器中离心风机电机、卸灰阀电机、螺旋电机控制以及脉冲电磁阀、提升电磁阀的循环顺序控制均通过PLC的软件编程来实现，既可“自动模式”控制、亦可“手动模式”控制；控制系统既可工作于“Local”（现场模式）、亦可工作于“Central”（中控模式）。
袋式收尘器PLC具有通信接口，可与现场操作站或上位机实现通讯。
二、PLC的特点、功能及应用
1、PLC的特点
可编程序控制器（PLC）是专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它使用可以编程的记忆单元来存储指令，执行数学的和逻辑的运算，并通过数字量、模拟量输入输出实现对工业生产过程的控制。
PLC有其自身的特点：
①、可靠性高、抗干扰能力强：
其平均无故障时间目前达20万小时以上，由于其强大的实时自诊断功能，包括CPU一直到模板层以及允许带电插拔和更换模板，因此平均故障修复时间只有分钟数量级的时间。
此外CPU能采取措施，防止故障的扩展以及具有冗余、容错、热备等性能。
②、坚固、环境适应性好：
能适应恶劣的工业环境，如：
高、低温，高粉尘，潮湿，腐蚀性气体等。
③、确定性控制、实时性强：
由于PLC设置了输入输出映象区，对信号的输入输出统一操作，确定了各个信号在一个周期内的唯一状态，避免了由统一信号不同状态引起的混乱；在用户程序中只应对同一参数赋值一次，如果对同一参数赋值多次，只最后一次赋值有效，前几次操作结果不影响输出状态；PLC采用周期扫描机制，通过设置系统监视定时器来监视每个扫描周期的时间是否超过规定值，避免某个任务进入死循环等而引起的故障，目前可编程序控制器CPU运行速度已大大提高（如：
Siemens公司的新一代S7-400系列之CPU-417，位处理速度达0.03μs），相应降低了扫描周期，提高了实时性，对某些动态响应要求高的控制系统，可采用智能输入输出单元或专门的软件指令，通过与扫描周期脱离的方式提高实时控制性能。
④、操作维护方便、简单易学：
PLC的操作包括程序的输入和程序的修改，目前PLC多采用个人计算机作为编程器，提供屏幕显示功能，因此程序的输入能直接显示，程序的修改可离线、在线更改，更改的信息可在屏幕显示。
PLC有多种程序设计语言可供使用，如：
梯形图编程语言LAD、语句表编程语言STL、功能模块图编程语言FBD、结构化文本编程语言（C语言、VB语言等）、状态流程图编程语言等等，编程语言的多样性使编程方便，用户只需掌握其中一种即可进行编程（目前PLC多数有多种编程语言供编程使用）。
PLC所具有的自诊断功能对维修人员技能的要求降低，当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可根据有关故障代码的显示和故障指示灯的提示，或通过编程器和CRT显示，直接找到故障部位，减少了维修时间（如Siemens公司的S7-300、S7-400系列PLC，其CPU设有诊断缓冲区用来存储起、停及故障信息，即使CPU掉电，这些信息也不会丢失，维修人员可通过个人计算机读取故障信息，迅速找到故障原因）。
⑤、扩展、通信灵活：
PLC可根据应用的规模不断扩展，即进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。
它不仅可以通过增加输入输出模块来增加点数，通过扩展单元扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能，甚至可通过集散控制系统（DCS）或其它上位机的通信来扩展其功能，并与外部设备进行数据的交换。
⑥、适应机电一体化要求：
为使工业生产过程的控制更平稳、更可靠，向优质高产低耗要效益，对过程控制设备和装置提出了机电一体化要求，PLC正是这一要求的产物，它是专门为工业过程控制而设计的控制设备，具有体积小、重量轻、功能强、抗干扰性好等优点。
2、PLC的主要功能
①、开关和顺序控制：
PLC最广泛的应用场合是在开关和顺序控制领域，它的主要功能是完成开关逻辑运算和进行顺序逻辑控制。
②、模拟控制：
过程控制点数不多，开关量控制较多时，可编程序控制器也用于作为模拟量控制的控制设备，采用模拟量输入输出、PID等模块，可实现PID等反馈控制运算或其它模拟量的控制运算。
③、信号报警和联锁控制：
信号报警和联锁控制是安全生产所需的，采用高可靠性的可编程序控制器是安全生产的需要，对要求高的生产过程控制，可采用多重的检测元件和联锁系统，而对其中的逻辑运算，可采用可编程序控制器的冗余方式实现。
信号报警可由PLC软件编程、报文组态，实现开关量、模拟量信号报警及记录、打印；联锁控制亦可由软件编程，实现过程控制设备间的顺序、联锁控制。
④、通信：
PLC可作为下位机，与上位机或同级的PLC进行通信，完成数据的采集、处理和信息交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理。
3、PLC的应用
目前PLC在功能、运行速度等方面有很大提高，特别是系列化发展，有微型、小型、中型、大型PLC，有的微型PLC只有信用卡大小，有极高的性能/价格比，对低端应用有明显的优势。
丰富多样的模块品种可进行广泛组合以用于扩展，通信联网能力有了很大提高，采用国际标准的编程语言、工业以太网、线场总线、OPC标准等走向开放性的措施，使PLC应用领域不断扩大，应用于钢铁、石油、化工、建材、机械制造、食品、环保、楼宇自动化等广泛领域。
如联合水泥新生产线：
设一个中央控制室、五个PLC现场控制站。
根据生产流程五个现场控制站,分别设置在原料粉磨电气室、窑尾电气室、窑头电气室、煤磨电气室、和总降压站内。
他们各自的控制和检测范围为:
1#现场控制站（S7-400、CPU-417H）:
生料配料站、原料粉磨及废气处理。
2#现场控制站（S7-400、CPU-417H）:
生料均化库、生料入窑、烧成窑尾、烧成窑尾。
3#现场控制站（S7-400、CPU-417H）:
烧成窑头、冷却机、熟料出库。
4#现场控制站（S7-400、CPU-417H）:
原煤预均化堆场、煤粉制备及输送、原料预均化堆场。
5#现场控制站（S7-300、CPU-315-2DP）：
总降压站、水处理、生产生活水塔。
中央控制室与五个PLC现场控制站间采用冗余光纤双环型工业以太网进行过程数据和信息传输，PLC现场控制站接受来自中央控制室各种控制命令，完成检测命令要求，具备在线、离线组态功能和自诊断功能。
PLC现场控制站与次系统或分布式I/O站间通过Profibus现场总线，实现数据采集、数据处理、储存、报警等功能，可有效对生产过程进行控制，对生产流程的设备实施逻辑联锁、顺序控制、分组起停。
三、熟料外运新增袋式收尘器控制系统的研究
1、总体方案
离心风机电机、卸灰阀电机、1#螺旋电机、2#螺旋电机控制以及脉冲电磁阀、提升电磁阀的循环顺序控制均通过软件编程来实现，电控设计为自动控制模式。
系统设现场控制柜一台，防护等级IP42，柜面设“自动启动”、“正常停机”、“复位/紧停”按钮各1只，各电机按工艺要求顺序启停。
2、气箱脉冲袋式收尘器工艺流程及收尘原理（工艺流程图如下图所示）
袋式收尘器主要由壳体、滤袋、灰斗、排灰装置、支架和脉冲清灰系统等部分组成。
当含尘气体从进风口进入收尘器后，首先碰到进风口中间的斜隔板，气流便转向流入灰斗，同时气流速度变慢，由于重力沉降作用，使气体中粗颗粒粉尘直接落入灰斗，起到预收尘的作用。
进入灰斗的气流随后折而向上，经过内部装有金属骨架的滤袋，粉尘被捕集在滤袋的外表面，净化后的气体进入滤袋室上部的清洁室，汇集到出风管排出。
壳板用隔板分成若干独立的收尘室，按照给定的时间间隔对每个收尘室轮流进行清灰，每个收尘室装有一个提升阀，清灰时提升阀关闭，切断通过该收尘室的过滤气流，随即脉冲阀开启，向滤袋内喷高压清洁空气，以清除滤袋外表面上的粉尘。
此袋收尘采用首先接通提升阀电源，切断气流，停止滤尘，而后接通脉冲阀电源，用压缩空气喷吹清灰，清灰完成后，切断提升阀电源，恢复过滤，同样清灰方式采用定时方式。
3、控制方案的选择
前面已述目前袋式收尘器控制系统主要有二种类型：
①、晶体管无触点顺序逻辑控制系统。
②、PLC控制系统。
PLC控制系统与晶体管无触点顺序逻辑控制装置相比：
a、投资相对较高：
因需改造的袋式收尘器构成较简单，所需继电接触等元器件不多，且PLC价格相对于晶体管无触点顺序逻辑控制器还较高，因此应用于简单小袋式收尘器没有价格优势。
b、可靠性高、抗干扰能力强：
PLC是专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置，能适应恶劣的工业环境，如：
高、低温，高粉尘，潮湿，腐蚀性气体等。
其平均无故障时间目前达20万小时以上，由于其强大的实时自诊断功能，包括CPU一直到模板层以及允许带电插拔和更换模板，因此平均故障修复时间只有分钟数量级的时间。
c、确定性控制：
由于PLC设置了输入输出映象区，对信号的输入输出统一操作，确定了各个信号在一个周期内的唯一状态，避免了由统一信号不同状态引起的混乱；在用户程序中只应对同一参数赋值一次，如果对同一参数赋值多次，只最后一次赋值有效，前几次操作结果不影响输出状态；PLC采用周期扫描机制，通过设置系统监视定时器来监视每个扫描周期的时间是否超过规定值，避免某个任务进入死循环等而引起的故障。
d、编程方便、灵活：
采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。
另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。
在本案中，1#螺旋机、分格轮、2#螺旋机、风机、脉冲提升电磁阀按工艺要求顺序启停容易实现，而晶体管无触点顺序逻辑控制装置只能完成脉冲、提升电磁阀的顺序动作。
e、互换性、扩展性更强：
PLC功能多、编程灵活性大，且为模块化结构，PLC可根据应用的规模不断扩展，即进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。
它不仅可以通过增加输入输出模块来增加点数，通过扩展单元扩大容量和功能，也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能，甚至可通过集散控制系统（DCS）或其它上位机的通信来扩展其功能。
f、具有通信功能：
通过通信接口，可与现场操作站或上位机实现通讯，融入全厂DCS系统。
g、操作维护简单方便：
PLC的操作包括程序的输入和程序的修改，目前PLC多采用个人计算机作为编程器，提供屏幕显示功能，因此程序的输入能直接显示，程序的修改可离线、在线更改，更改的信息可在屏幕显示。
袋式收尘器的小型PLC一般有两种程序设计语言可供使用：
梯形图编程语言LAD、语句表编程语言STL，编程语言简单易学。
PLC所具有的自诊断功能对维修人员技能的要求降低，当系统发生故障时，通过硬件和软件的自诊断，维修人员可根据有关故障代码的显示和故障指示灯的提示，或通过编程器和CRT显示，直接找到故障部位，减少了维修时间。
由于采用PLC控制，系统电路进一步简化，相应降低了维护量。
根据总体方案及生产工艺流程和全厂自动化控制要求，综合PLC控制系统的性能特点，因此袋式收尘器的控制选用PLC控制装置。
4、PLC控制系统的设计研究
Ⅰ、控制系统要求
根据熟料外运收尘工艺要求，PLC控制装置需具有以下主要功能、特点：
电气控制设计为自动控制模式。
现场电气柜柜面上设有“自动启动”、“正常停机”、“复位/紧停”按钮各1只，启停顺序要求如下：
自动启动：
1#螺旋机分格轮2#螺旋机风机及收尘电磁阀
正常停机：
风机及收尘电磁阀2#螺旋机分格轮1#螺旋机
故障停机：
若某一电机过载热继动作或启动运行信号未到均报故障，则收尘系统停机；故障复位后，方能再次系统开机。
Ⅱ、PLC的I/O点的统计
共计PLC开关量输入点11点，开关量输出点10点，统计表如下：
DI点
DO点
序号
注释
序号
注释
1
自动启动
1
1#螺旋机驱动
2
1#螺旋机运行反馈
2
分格轮驱动
3
分格轮运行反馈
3
2#螺旋机驱动
4
2#螺旋机运行反馈
4
引风机驱动
5
引风机运行反馈
5
提升阀1驱动
6
1#螺旋机热保
6
提升阀2驱动
7
分格轮热保
7
提升阀3驱动
8
2#螺旋机热保
8
提升阀4驱动
9
引风机热保
9
脉冲阀驱动
10
复位/紧停
10
故障指示
11
正常停机
Ⅲ、PLC的选型
因袋式收尘器控制系统简单，为顺序逻辑控制系统，无模拟量输入输出，且开关量输入输出点数少，同时袋式收尘器在工艺流程中主要作收尘用，选小型PLC即能满足要求。
目前国际上生产PLC的厂商很多，知名企业如Siemens公司、RockwellAutomation公司（罗克韦尔自动化公司）、法国Schneider公司（施耐德公司）、日本MitsubishiElectric（三菱电机）等等。
Siemens公司的PLC产品在我国的应用较为广泛，我公司5500t/d水泥生产线自动化控制系统中所用PLC均采用Siemens公司的产品，从2004年运行至今，故障率极低，性能稳定可靠；且我公司技术人员对Siemens公司PLC的应用、维护已具丰富经验，因此袋收尘PLC选用Siemens公司的产品。
具体选型还应综合以下几方面：
①、CPU的能力：
CPU能力是PLC最重要的性能指标，也是机型选择时主要考虑的问题。
对袋收尘PLC，选择单微处理器、8位。
应有DC24V输入电源接口。
带Profibus-DP通讯接口或通过扩展模块转换为Profibus实现与现场操作站的通讯。
内存容量根据传统经验公式：
程序容量=K*输入输出总点数=6*（50+20）=420点。
具有自诊断功能。
具有定时、计数功能。
环境适应强、功耗低、寿命长。
②、I/O点数：
不需模拟量输入输出点，CPU通过扩展，I/O开关量点数超过21点即可。
③、响应速度：
无高速要求。
④、指令系统和编程语言：
无特别要求。
仅提供梯形图、语句表编程语言即可。
⑤、I/O扩展模块的选择：
开关量输入DC24V、开关量输出DC24V。
对开关量输出模块选用晶体管或晶闸管元件的输出模块。
综合以上几方面考虑，我们选择Siemens公司的S7-200系列、CPU224模块。
具体I/O配置见附表。
PLC输入DI/DO点
DI
DO
序号
地址
注释
序号
地址
注释
1
I0.0
自动启动
1
Q0.0
1#螺旋机驱动
2
I0.1
1#螺旋机运行反馈
2
Q0.1
分格轮驱动
3
I0.2
分格轮运行反馈
3
Q0.2
2#螺旋机驱动
4
I0.3
2#螺旋机运行反馈
4
Q0.3
引风机驱动
5
I0.4
引风机运行反馈
5
Q0.4
提升阀1驱动
6
I0.5
1#螺旋机热保
6
Q0.5
提升阀2驱动
7
I0.6
分格轮热保
7
Q0.6
提升阀3驱动
8
I0.7
2#螺旋机热保
8
Q0.7
提升阀4驱动
9
I1.0
引风机热保
9
Q1.0
脉冲阀驱动
10
I1.1
复位/紧停
10
Q1.1
故障指示
11
I1.2
正常停机
Ⅳ、电气原理图如下：
Ⅴ、程序设计
程序设计是一个十分重要的工作，是指根据系统硬件设计和工艺要求，使用相应的编程语言，对实际应用程序的编制和相应文件的形成过程，并最终满足控制系统的需要。
袋式收尘器的PLC程序设计步骤及内容如下：
1、根据袋式收尘器收尘原理特点和控制系统技术要求，绘制袋式收尘器各受控电气设备的控制流程图。
正常开停机正常停机故障停机
②、袋式收尘器PLCI/O点地址的设置：
根据袋式收尘器工艺特点及PLC控制所需I/O点统计表，以及PLC基本CPU模块和扩展模块的I/O点数、技术数据，为统计表中的I/O点设置不同的地址。
3、程序编制：
在装有Siemens公司PLC编程软件“STEP7-MicroWIN32”的个人计算机上进行程序编写，程序编制综合考虑收尘系统设备的顺序启停、电机过载保护、故障指示等，力求使用指令少、程序简短精炼，满足控制要求、安全可靠。
④、程序调试：
在编程软件“STEP7-MicroWIN32”中仿真运行程序，并进一步修改完善。
⑤、程序下载及现场调试：
袋式收尘器安装结束进入调试阶段，利用装有Siemens公司PLC编程软件“STEP7-MicroWIN32”的个人计算机，通过编程电缆将袋式收尘器PLC控制程序下载到PLC的CPU模块中，进行现场调试。
调试修改后程序如下：
Ⅵ、对生产商成套PLC控制柜的特殊技术要求
①、电气柜防护等级要求为IP42、采用底部进线方式。
AC220V控制回路线颜色为红色，DC24V控制回路线使用颜色为蓝色。
截面不低于1.5mm2。
②、PLC必须选用Siemens公司的S7-200系列、CPU224模块，并安装在柜内上部。
③、主要电器元器件应选用SCHNEIDER或SIEMENS或MOELLER或ABB公司产品，安装形式为导轨式，柜内下部布置接线端子。
④、电气柜柜面设“自动启动”、“正常停机”、“复位/紧停”按钮。
四、结束语
自2012年参加高级技师培训班学习以来，使我学到了许多新的电气技术知识、专业技术理论和电气管理方面的知识，提高了自身专业技术素质，为我今后的工作建立了创新的思维。
为此特感谢镇江技师学院的领导和老师，另江苏联合水泥有限公司为此文的编写提供了许多宝贵的资料，此外论文受到船院教研室主任藏曙教授的精心指导和帮助，在此表示由衷的感谢。
今后，我将进一步深化学习电机原理、运动控制原理、传感变送原理、微机测控技术、微机继电保护原理及应用、供配电技术知识、PLC原理及应用，了解计算机原理、网络通讯及高级语言编程等知识，不断提高自身专业素质和现场处理问题的能力，以增强适应社会的能力。
主要参考文献
1、可编程序控制器原理及应用技巧——何衍庆、戴自强、俞金寿编著，化学工业出版社
2、可编程序控制器应用技术——杨昌琨、金广业编著，中国电力出版社
3、S7系统、维护、编程手册——西门子产品用户手册
4、STEP7-MicroWIN编程手册——西门子产品用户手册
5、微型计算机测控技术——李贵山主编，机械工业出版社
6、PMD系列喷吹脉冲单机袋式收尘器选型说明书——合肥水泥环保设备厂
7、JMK-Ⅱ-SD型脉冲控制器使用说明书——吴江双电程控有限公司
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