基于工业以太网的袋式除尘器控制系统的设计

图1 袋式除尘器的原理图

2 控制系统总体设计
2.1 总体设计
　　袋式除尘器的电气控制系统主要包括高压部分和低压部分的设计。高压部分主要指10kv高压电源的引入，并将其分配给各个控制系统中，以及对高压风机的控制。低压部分的设计囊括了：烟尘管道内烟尘温度的控制、气源温度的控制、捕集系统的控制、高压风机站的控制、输灰卸灰的控制、清灰系统的控制等等。
　　在整个系统的运行过程中，为保证系统的运行可靠，利用西门子可编程逻辑控制器s7-300实现对现场数字信号状态、模拟信号的采集并将采集的信号通过以太网传输到上位机，上位机再根据需要将控制信号利用以太网传输给plc，通过plc完成各个控制对象的输出。同时采用wincc5.2组态软件实现对设备的实时远程监控，包括对现场开关量的实时显示、对模拟量的实时显示、下位机运行参数的实时修改、故障的报警、运行参数记录等等。从下位机到上位机的信息传输利用以太网实现对整个系统现场设备运行状态的集中监控，既提高了传输质量，又可实现信息资源共享。
2.2 以太网通讯的设计方案
　　在早期的实践中，plc与wincc之间的通讯，许多都采用profibus现场总线的通讯方式，该方法虽具有快速的数据传输速度，但传输数据区域有限（最大64字节），且硬件成本很高，需要cp5412、em277 profibus-dp、profibus总线等硬件。随着信息科技的飞速发展，以太网技术因其具有传输速度高、低能耗、便于安装、兼容性好、开放性好和支持设备多的优势，在信息网络中得到了广泛的发展。
　　本设计中，以太网主要用于完成上位机与下位机之间的信息传输，通过它可以很容易的满足以下的设计要求：
　　（1）不同厂商的设备容易互联，可以解决控制系统中不同厂商设备的兼容和互操作性的问题；
　　（2）传输速率高，可达10～100mbps；
　　（3）可以很方便的实现远程访问，共享／访问多数据库；
　　（4）软硬件成本低廉，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择。
　　工业以太网的硬件选择比较简单，主要作用是将plc设备与装有wincc的远程监控上位机及工作站进行互连，以实现系统的数据传输与监控。
　　上位机通过cp1613通讯模块实现与plc连接，现场采用的是s7-300plc，因此，需安装 simatic s7 protocol suite通讯驱动程序，安装完毕后，还需建立通道单元，每个通道单元只对一个下位硬件驱动程序用作端口，在现场下位端采用cp343-1通讯处理器实现s7-300plc与工业以太网的连接，这个模块自身带处理器，可减轻cpu的通讯任务并可建立附加的连接。首先，定义cp343-1的以太网址，在simatic中的网络配置软件中，对cpu模块插入一个新的网络链接，并设定链接类型为 tcp connection，再定义网络通信的id号，一个网络连接用一个id号，plc软件根据不同的id号来判断不同的网络连接，链接完成后，通过以太网线与网络交换机连接而完成如图2所示的系统的组态与网络配置。

图2 cp1613与cp343-1的组态图

3 设计评价
3.1 系统的硬件设计及特点
（1）低压部分采用4台ggd型配电柜：进线柜、阀门控制柜、输出控制柜及plc控制柜，此外还有捕集罩控制箱、手动卸灰控制柜、手动清灰控制箱等。电源经隔离变压器、交流稳压器后再送人电源模块，保证了plc电源的稳定可靠。系统的plc配置主要包括：中央处理单元cpu315、电源单元ps307、接口模板im361、im360、数字输人单元sm321、数字输出单元sm322、模拟输人单元sm331、通讯模块cp343-1以及机架。
（2）为了防止低压柜内交流线路对plc系统的干扰，plc的输出模板均采用带光电隔离的24v直流输出型，通过输出点带动中间继电器，而且，触点需要通过220v交流电压的中间继电器均放置在其它柜体内。
（3）除尘器要控制48个离线阀，每个离线阀带动8个脉冲阀，共计384个脉冲阀，采用传统控制方式进该部分就合计需要432个plc输出控制点。为了降低工程造价节省plc输出点，设计了一个矩阵电路，最终只须186个数字量输出，减少了plc输出点数量，降低了系统成本。
3.2 系统的软件设计及其特点
（1）下位机plc程序的编写采用simatic可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包step7。系统的程序设计采用结构化、模块化的程序设计思想：脉冲反吹清灰统中的8个脉冲阀的动作控制作为一个模块编制成一个fc2；脉冲反吹自动系统的控制也作为一个模块编制成一个fc1。在功能模块fc1中调用 fc2，然后在程序循环执行组织块ob1中，再调用fc1。这种模块化的程序设计思想一方面可以使编程思路清晰，易于实现；另一方面，通过功能调用可以缩减程序的代码，减少程序在plc中的存储空间。
（2）上位机的监控系统设计，利用siemens wincc5.2组态软件，通过activex、opc、sql等标准接口，可以很方便的与其它软硬件系统进行通讯。wincc后台的数据库功能和基于c语言的全局脚本编辑器使对象的动态组态非常灵活、方便和快捷。其中，项目函数只在对其进行创建的实际项目中才有效，这样可以方便修改，减少现场中不必要的时间浪费，项目函数是c函数，可根据需要自行编写或修改。此外，系统设计实行分级管理登陆机制，工程师级能对数据设置修改，普通操作员只能进行监控操作。对于检测数据采用软矩阵技术实现多点数状态的监测，而对于现场模拟信号的非线性状态，采用计算机分段线性化的处理方法，现场所有参数实时分类存储于数据库中，为现场工艺人员的实时在线操作提供了极大的方便。

4 结束语
　　以太网作为一个开放性网络在工业控制领域得到了广泛的发展与应用，尤其应用在监控系统中，使监控系统更加方便、快捷的传输信息，并能够实现远程监控，用较少的组网成本达到了高质量的通讯效果；良好的人机界面既丰富了人机联系，同时提供了较强的自诊断功能，有效地提高了系统的安全运行水平；plc矩阵电路的设计方案，简化了plc的输出结点，使其具有较高的性价比。
　　经泰钢、焦钢等多家公司的实际应用表明，该设计在性能上稳定可靠，工艺参数修改方便，适应现场的复杂情况，满足用户的实际需要，创造较大的经济效益和社会效益，具有较强的实用性。