摘要

工业作为我国第二支柱产业，在近十几年来发展非常迅速，虽然带了了可观的经济效益，但在工业生产中所产生的大量粉尘气体对大气的污染现象也不容忽视。为减少工业粉尘对环境的污染，世界各国制定了严格的环境保护要求。为了减少工业中粉尘的排放，除尘器的研发改良，以及燃煤的使用等等都在不断更改以符合粉尘排放标准。而目前最先进的除尘设备无机膜除尘器具备除尘效率高，稳定性好，结构紧凑易于维护等优点，且无机膜对于粉尘吸附效率高，抗腐蚀能力优秀，耐高温，因此能更有效应用于高温烟气的除尘。本文根据PLC技术在除尘方面的应用，来优化设计无机膜除尘器除尘控制系统，对其气力输送系统进行完善，实现粉尘的自动清除与输送。
本系统采用西门子S7-200可编程逻辑控制器，通过STEP 7-Micro/WIN 32编程软件编程，来设计除尘设备粉尘清除与输送一体化的控制系统。经过对系统的实际调试，使预期目标得以实现。

关键词： 无机膜除尘；可编程逻辑控制器（PLC）；STEP 7-Micro/WIN 32；气力输送

Abstart
Industry as the second pillar industry in china, In the last ten years to develop very quickly, Although with considerable economic benefits, But in the industrial production of a large number of dust gas pollution phenomenon can not be ignored. In order to reduce the pollution to the environment of industrial dust, Countries around the world have developed strict environmental protection requirements.In order to reduce the emission of dust in industry, Development and improvement of dust collector, And the use of coal and so on are constantly changing in order to meet the dust emission standards. And at present the most advanced dust removal equipment inorganic membrane dust collector with high dust removal efficiency, Good stability, Compact structure easy to maintain and so on, And the inorganic membrane has high adsorption efficiency for dust, Excellent corrosion resistance, High temperature resistance, so it can be more effectively used in the dust removal of high temperature flue gas.
Based on the application of PLC technology in dust removal, To optimize the design of the dust control system of inorganic membrane filter, Perfect the pneumatic conveying system, Automatic cleaning and conveying of dust. This system uses the SIEMENS S7-200 programmable logic controller, Through the STEP7-Micro/WIN V4.0 programming software programming, Integrated control system for dust removal and transportation of dust removal equipment. After the actual debugging of the system, To achieve the desired objectives.

Key words: inorganic membrane dust removal; programmable logic controller (PLC); STEP7-Micro/WIN V4.0 ; pneumatic conveying

目录

摘要 1
Abstart 2
第一章 绪论 4
1.1 研究的目的和意义 4
1.2 研究现状 5
1.2.1除尘技术研究与发展现状 5
1.2.2 PLC发展现状及趋势 5
1.3研究的主要内容 6
1.3.1除尘设备简介 6
1.3.2气力输送系统的完善 6
1.3.4控制器的选择 7
1.3.5确定除尘系统的控制原理 8
第二章 除尘设备控制系统的硬件构成 10
2.1 可编程控制器的特点 10
2.2 可编程控制器的构成 11
2.3西门子S7-200PLC介绍 11
2.4西门子S7-200系列产品类型及构成 12
2.4.1 S7-200 CN CPU一览表 12
2.4.2 S7-200的技术性能表 13
2.4.3 S7-200 CN CPU硬件特点 14
2.5元件选型 16
2.5.1 仓式泵选型 16
2.5.2 阀门选型 17
2.5.3 传感器选型 18
第三章 软件构成 19
3.1编程软件简介 19
3.2基本功能介绍 20
3.3系统组态 21
第四章 系统设计 22
4.1 PLC程序设计 22
4.1.1 PLC的选型 22
4.1.2 I/O分配 23
4.2 PLC控制程序 24
4.2.1 除尘系统程序分析 25
4.2.2 粉尘输送系统的程序分析 26
4.3软件调试和仿真 42
第五章 总结与展望 51
参考文献 53

第一章 绪论

1.1 研究的目的和意义
近几年来，在我国北方大部分城市中频频出现“灰霾”现象，这种现象引发交通的不便利，人行走在道路上伸手不见五指。经过调查发现造成次现象的原因是人类活动所排放的粉尘细颗粒物过多所致。这些细颗粒粉尘物质不仅使大气能见度降低，导致交通不便利外，还由于其直径小，吸附能力强，可以作为许多病毒、细菌的“载体”，使其在大气中能够更为广泛的传播，从而危害了人类的健康生活。若是长时间生活在粉尘污染的环境之中，会引发引发尘肺、溶血性贫血或是皮肤癌症等等疾病。在 2007年全国 PM2.5排放数据中，显示其主要排放来源是工业源、交通源、居民生活、生物质燃烧等等，其中工业源排放量为高达924.5 万吨，占总污染源排放量的 69.97%[[[] 皇磊落，张明铎，牛勇，等.超声波参数对除垢效果的影响［J］.陕西师范大学学报：自然科学版，2011，39（1）：38- 40.]]。我国于1973年第一次公布了13种物质的试行排放标准，烟尘废气中的各物质含量也受到了严格制约，在工业高速发展的今天，除尘设备如何高效环保的处理工业生产中的产生的“烟尘”已经成为了一个热点性的问题。
进入21世纪以后，工业发展开始趋于高速化，一般的自动化控制已经不能满足于工业生产中效率高、灵敏度高、准度高的等等要求。自PLC取代继电器占据工业自动化领域的主导地位以来，PLC广泛应用于机械、冶金、石油、化工，轻工，纺织、电力、电子、食品及交通等行业。根据PLC使用的相关调查得知，80％以上的工业控制可以使用PLC技术来完成[[[] 朱益飞.PLC的发展及其应用[J].电气时代,2008.NO.9:70-72.]]。PLC优秀表现:使用方便、编程简单、可靠性和抗干扰能力高等无疑证实了PLC在工业中的显著地位，因此将PLC技术应用于除尘设备中是十分重要的。
本文就基于PLC（可编程逻辑控制器）所具备的优点，来优化设计新型除尘设备无机陶瓷膜过滤器除尘，向其引入自动控制系统及气力输送原理，以此实现粉尘自动清除及运送的功能。并根据实际工况条件，调整参数实现智能化控制,从而达到高效自动除尘的效果。
1.2 研究现状
1.2.1除尘技术研究与发展现状
针对工业生产中所产生的“粉尘”颗粒，世界上比较普遍的除尘技术主要有机械除尘，湿式除尘，静电除尘，袋式除尘四种。机械除尘：利用粉尘颗粒自身的重力、输送时产生的惯性力等原理来除尘；湿式除尘：利用洗涤液体与含尘气体相接触，将粉尘洗涤下来从而使气体得到净化；静电除尘：含尘气体经过高压静电场时由于静电反应感染上电荷而趋向极板沉积；袋式除尘：含尘气体通过滤袋时，粉尘颗粒物因为自身颗粒直径过大无法通过滤袋而被滞留在滤袋中。
随着科学的不断进步与发展，除尘设备的开发与改进都异常迅速，国内外已有诸多具有对pm2.5细颗粒物高效捕获能力的除尘设备：新型袋式除尘器、湿式电除尘器、电凝并器、电袋混合式除尘器等等[[[] 邹姝姝，王军，田蒙奎等.PM2.5细颗粒物捕集设备研究应用现状[J].应用技术.2014（01）.]]。世界各国努力研发的各式各样的新型除尘设备中，无机膜过滤器则表现得尤为优秀。贵州大学陶文亮等人利用自制的无机膜实验室除尘装置对模拟实际工况的含尘高温气体进行粉尘捕集，根据捕集的数据得知无机膜过滤器的除尘效率大于 99.7%，尤其是对颗粒物直径大于 0.1 μm 的粉尘颗粒的捕集效率高达至 100%[[[] 陶文亮，田蒙奎，聂登攀.无机膜在高温气体除尘中的试验研究［J］.膜科学与技术，2006，26（1）：35- 38.]]，而后将该过滤装置进行改装，改装后的无机膜过滤器对 PM2.5细颗粒物捕集效果明显。由于无机膜过滤器较优于其它除尘设备，我国许多学者正努力研究无机膜过滤器，希望使其更快进入工业化应用领域。
1.2.2 PLC发展现状及趋势
20世纪70年代，美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求。接着世界首台PLC被美国数字设备公司研究并开发出来，且将其成功试用在通用汽车自动装配线之中。PLC以其操作简单、可靠性高、灵活、简洁明了、体积小、使用寿命长等优点，很快的推广应用于全球中。随着集成电路技术和计算机技术的发展，PLC也不断发展和完善，目前已有第五代产品。20世纪70年代中末期，可编程控制器开始步入实用化发展阶段，并且全面引入计算机技术，使其功能得到了更大的提升：更快速的运算、更细小的体型、更为可靠的抗干扰能力、更强大的模拟量运算和极高性价比，正是由于PLC具备了这些优点，才奠定了它在现代工业中的非常重要的地位。
经过30年的不断发展，PLC发展已经逐步成熟，在除尘设备中PLC技术也不仅仅只限于一些基本环节，而是广泛的应用于除尘设备之中，PLC除尘设备也以其方便、易操作、好控制等特点受到社会各界的亲睐。PLC应用于除尘设备中已经形成一套相对完整的技术，并且已经规模化、批量化生产[[[] 俞志友.PLC在除尘设备中的应用[期刊论文]-读写算（教育教学研究）2015(25).]]。科学技术随着时代的步伐飞速向前发展中，现在的PLC技术在除尘设备中的应用朝着智能化方向发展，相信在不久之后，PLC技术在除尘设备能得到更加完美的应用。
1.3研究的主要内容
1.3.1除尘设备简介
无机陶瓷膜除尘器是目前最具潜力的新型除尘设备，因为无机膜本身由无机高分子或是一些耐性优秀的分子构成，所以相比较于其他除尘设备，无机膜本身就具有耐高温耐腐蚀性能优秀的特点，所以无机膜除尘器能更有效的应用于高温烟气的除尘之中。本文所设计的控制系统的设备主体主要由无机陶瓷膜管，引射器，空压机等等器件构成。本设备建设在在贵州遵义一纸箱厂用于处理该厂内4t/h燃煤锅炉所排放的烟尘气体。设备中无机膜管装填方式采用正三角形排列，一共装有48根陶瓷膜管。另配有声波辅助清灰器辅助清灰，增加膜再生效率，延长膜管使用时间，更好的实现膜污染控制。引射器可以有效的处理连续过滤中气体回流现象导致颗粒重新粘附在无机膜管中的现象。（设备相关附件见附录1）
1.3.2气力输送系统的完善
目前在大多数工厂中对于捕集到的粉尘一般采用加水混合冲走或者是直接排放的方法，本套设备对于粉尘的处理采用后者。利用加水混合冲走的除灰方式对资金的消耗大，而且粉尘会对水资源造成不可忽视的污染；直接排放的除灰方式效率低，需要人为操作，并且人为操作过程中可能会引起二次污染。因此本次设计向其引入气力输送技术（气力输送技术是以压缩空气为载体，在密闭管道内通过气力将粉尘流态化输送的输送方式）来实现粉尘的自动输送。
气力输灰与传统机械输灰方式相比，尤其是在电力系统中的应用，气力输灰所展现的优秀特点已经成为了输灰中的主导[[[] Binlin Li,Wen You,Dianbin Song,and Quan Tao. Thermal Power Plant Pressure Dense Phase Pneumatic Ash PLC Control System Design and Implementation.2011.12.]]。在绍兴市垃圾和污泥处理厂中，设计了PLC除尘器卸输灰气力输送PLC控制系统，该系统采用仓式气力输送泵输送粉尘，取得良好的效果。压缩空气进入仓泵的流化床之后，和粉尘颗粒以一定的比例混合，从而使粉尘流态化,而流化后的粉尘相比于固体颗粒粉尘具有良好的流动性,这样就实现粉尘的浓相低速输送[[[] 汪引红，平国明.除尘器卸输灰气力输送PLC控制系统[J].工业安全与环保.2012.36（11）:21-22.]]。浓相气力输送系统就是用较少量的空气输送较多的物料,被输送的物料在输送管道中呈集团流、栓状,流速为6～ 12m/s[[[] 张殿印,王纯.除尘工程设计手册[M].第1版.北京:化学工业出版社,2003.]]。仓式泵这种流化粉尘物料的输送方式被广泛应用于粉煤灰和矿粉等物料的输送之中。仓式泵结构紧凑，输送管道更为容易布置，这样使粉尘的输送更为集中，输送量更为庞大，且在输送过程不受外界因素的影响，物料在输送过程中不与外界接触，这样更为环保。整个输送过程采用PLC全自动控制，经过近几年的使用，可以知道仓式泵输送粉尘物料非常理想。
1.3.3控制要求的确定
根据所选用的输灰方式，主要确定有以下3点控制要求:
（1）高度输灰：根据料位计指示粉尘沉积高度达到设定高度时，开始执行排灰操作。
（2）质量输灰：采用重力感应器检测，当粉尘质量达到排灰需求时进行排灰，避免因密度大的粉尘导致高灰位排灰无法执行。
（3）定时输灰：根据仓泵内灰料重力感应器检测粉尘质量（正常，超重），料位高度（高，正常，低）以及灰斗内料位高度来采取排灰措施。
1.3.4控制器的选择
就控制方式而言主要有4种选择方式供我们选择：继电器控制、单片机控制和PLC控制。
继电器控制系统经常使用于远距电路和小容量电路之中，可以在交流以及直流控制系统使用，并为之提供系统保护，信号相互转换等控制作用，且继电器控制系统的线路简单、输入量种类繁多，还可以使用很小的控制系统来控制较大的负载。比较不足在于这种控制方式对于硬件要求很高，容易受到元件老化、粉尘和湿度因素的干扰，相比之可靠性能要低，易受外界因素的影响。单片机在工业控制中有着许多优点，但是单片机对于操作人员的专业技术要求过高，且单片机一旦出现故障后维修方面也是个问题。因此为了更方便人们所使用，本次设计采用PLC控制来控制除尘设备的控制系统。
西门子系列PLC体积小、运行速度快、灵敏度较高，在联网状态下可以实现程序的实时传输和下载，因此其具有很高的使用性，而且它的可靠性高,这使其能够有效的应用于本系统设计之中，加上西门子S7-200PLC具有统一的模块化设计，这使我们的设计更为便捷；同为我们PLC产业巨头之一的三菱FX系列PLC是具备高速度，高性能，高档次的超小程序装置，输入点位可以作为独立点来运行，并能适用于多个基本组件间的模拟控制，定位控制；再比较欧姆龙系列PLC，它是一种功能完善的紧凑型PLC，传输质量高且稳定，成本相对更为低廉，唯一之处就是对员工的专业知识要求有点过高。
为了更方便使用，所以采用西门子系列PLC，但如果采用S7-200以后的新版PLC，虽然能实现S7-200系列的全部功能，但却浪费了新版的诸多新功能，存在了一定的浪费。考虑到气力输送系统的控制要求和控制元件的性能体现以后，本设计选用西门子S7-200系列PLC为控制元件。
1.3.5确定除尘系统的控制原理
根据所设计完善的除尘系统，设计出除尘系统工艺流程图（如图所示）。

图1.1 除尘系统的工艺流程
除尘系统的工艺流程分为除尘和自动输灰2个流程，主要介绍如下：
除尘工艺流程为：从烟道来的高温烟气进入组合空气加热器，与经过冷凝式干燥机干燥后的压缩空气进行热交换，温度降低的烟尘进过引风机进入无机陶瓷膜除尘设备主体进行处理，加上声波辅助清灰器辅助清灰，捕集下来的粉尘进过排灰卸料口排出至灰斗，洁净的气体通过无机陶瓷膜管上端排出，加热后的压缩气体用于对无机陶瓷膜管的反吹再生。
自动输灰工艺流程：当灰斗内粉尘达到料位传感器S1检查到粉尘积累达到设定需求，进灰阀门开启，粉尘落入仓泵内，仓泵内压力传感器检查粉尘质量是否达到设定值，是则执行输灰操作，否则检测粉尘积累是否达到料位传感器S2的设定需求，是则执行输灰操作，否则执行上一个步骤，当2步骤均没执行输灰操作，时间控制器达到设定所需时间（上一次执行清灰操作至今）则执行输灰操作。输灰操作分为以下几个阶段：
进料阶段：仓泵运行后，进灰阀门开启，使粉尘自由落入泵体内，当料位计满信号或者达到设定时间时，进灰阀门自动关闭。
流化阶段：当仓泵内料位计满信号或者仓泵重力传感器或者达到上一次输送粉尘的时间周期时，进灰阀门关闭，仓泵内加压阀门开启，气动陶瓷阀开启，使干燥后的压缩气体进入仓式泵内部流化粉尘。
输送阶段：当泵内压力达到压力传感器设定值时，确认进灰阀关闭，开启输灰阀门，使流化完成的粉尘开始输送至灰仓。

第二章 除尘设备控制系统的硬件构成

2.1 可编程控制器的特点
现代工业以快速智能自动化发展为主，PLC作为一种专用于工业控制的计算机，应用方面广泛，功能强大，操作方便，因此PLC控制系统相比于继电器控制系统和单片机控制系统更为优秀，占据了工业自动化领域的主导地位。
可编程控制器的主要有以下几个特点[[[] 张功代.论PLC的应用与发展[J].机械与电子2011(29).]][[[] QIAN Lina : Application of Control Technology Based on PLC in Power Supply and Distribution System.2015.0(10).]]：
1.灵活性，通用性强，可以根据现场总线通讯技术连接分布式输入输出模块，介于了大量的现场布线，减少了安装的复杂性；
2.高可靠性，对环境适应能力强，抗干扰。PLC调制解调器采取了一系列的硬件和软件抗干扰措施，能在各种恶劣环境中运行；
3.编程简单，使用方便。可以通过使用不同的梯形符号和逻辑图表来表达编程语言。因此，不明白电脑的人也可以有效的调用和使用PLC，程序简单易懂更易于修改，所以减少了不必要的程序开发。
4.功能强大，可以扩展 ；
5.能耗低，体积小且不易发生故障。PLC很少发生故障，并且许多PLC具有热插拔功能（热插拔功能就是可以在系统运行时不用关闭相应的设备，直接对程序进行修改和更新，从而提升了系统的灵活性，并使其不易受到干扰），因此就算发生故障也可以在几分钟之内完成更换。

2.2 可编程控制器的构成
可编程控制器主要构成有：CPU模块，输入和输出模块及编程装置。

图2.1 可编程控制器控制系统简图

2.3西门子S7-200PLC介绍
西门子S7-200系列PLC主要适用于中小型系统，作为一种单元式PLC，它不仅功能强大，性价比也更为我们所介绍，最主要的是易学易用，使得其在轻工业的中小型企业中得到了广泛应用。

图2.2 西门子S7-200系列基本结构
基本模块也称为CPU模块，主要包括:CPU、电源、输入单元、输出单元等。这些单元都安装在一个集成模块内。
扩展模块与基本模块相连接一起使用，这样可以扩展输入和输出点的数量，来适应更为复杂的控制。
编程软件编制、存储和管理用户所需要的程序，并且在联网状态下可以将用户的程序进行上传和下载。
文本显示器主要显示主程序的信息，这样能让程序的运行一目了然。
2.4西门子S7-200系列产品类型及构成
2.4.1 S7-200 CN CPU一览表
表2.1 S7-200 CN CPU 一览表
型号 S7-211 S7-222CN S7-224CN S7-224XP S7-226CN
高速计数器 30KHZ 30KHZ 30KHZ 30KHZ+200 30KHZ
脉冲串输出 20KHZ 20KHZ 20KHZ 100KHZ 20KHZ
串行通信端 1 1-3 1-3 2-4 2-4
最大DI/DO 10 94 224 224 256
最大AI/AO 16 44 45 44
CPU本体 2AI/1AO

2.4.2 S7-200的技术性能表

表2.2 S7-200技术性能表
型号 S7-221 S7-222CN S7-224CN S7-224XP S7-226CN
数字量I/O 6DI/4DO 8DI/6DO 14DI/10DO 14DI/10DO 24DI/16DO
中断输入 4 4 4 4 4
HSC输入 4（30KHZ)
支持A/B 4(30KHZ)
支持A/B 6(30KHZ)
支持A/B 2(200KHZ)+4(30KHZ)
支持A/B 6(30KHZ)
支持A/B
脉冲输出 2(20KHZ) 2(20KHZ) 2(20KHZ) 2(100KHZ) 2(20KHZ)
CPU特性 AC/DC电源
1个模拟
PID控制器
浮点运算
AC/DC电源
1个模拟
利用EM227可以扩展2个串行端口
PID控制器
浮点运算
AC/DC电源
1个模拟
利用EM227可以扩展2个串行端口
PID控制器
浮点运算
实时时钟
诊断LED
AC/DC电源
1个模拟
利用EM227可以扩展4个串行端口
自整定PID控制器
浮点运算
实时时钟
诊断LED

AC/DC电源

可拆卸端子排
利用EM227可以扩展4个串行端口
自整定PID控制器

实时时钟
诊断LED

2.4.3 S7-200 CN CPU硬件特点

图2.3 S7-200 CN CPU

比对S7-200系列PLC的特点，在本次设计中采用S7-224XP作为主控制器，就它自身具备的特点来说，数字量I/O点共计24个:14输入和10输出点位。通过相应的扩展模块可以扩展4个串行端口，能适应更多的控制要求。相比于其他CPU，S7-224XP还具有多种优秀的功能：内置模拟量I/O模块、自整定的PID功能，诊断LED，实时时钟等等。本次设计另使用了EM235扩展模块，CPU可以通过EM235模块采集与本模块相连接的模拟信号。CPU224XP接线结构图和EM235扩展模块结构图如图2.4和图2.5所示，本设计CPU控制点位图见附录。

图2.4 CPU224XP结构

图2.5 EM235扩展模块结构

2.5元件选型
2.5.1 仓式泵选型
本次设计采用气力输送技术，因此泵型的选择也非常重要，根据设计需求选用下引式仓泵，下引式仓泵输送管径大，初速2-3m/s，末速10-13m/s，流速低，对设备的磨损较小，因此运行维护费用更为低廉，而且除尘器下管道布置简单明了，检修方便，管路堵塞现象很少出现。仓泵型号为1.0m3下引式输送泵，是下引式中最小容积型号，属于I类压力容器。工作压力为0.25-0.45MPa，管内流速为18-22m/s,输送距离为1000米以内，输送能力8-15t/h。产品价格为48235.00元，设备产于湖南兰驰设备有限公司，位于湖南省长沙絧井铺环保工业园区。

图2.6 STBLC型下引式仓泵示意

2.5.2 阀门选型
本次设计所选用的阀门主要有气动阀，旋转摆式阀、陶瓷球阀。陶瓷启动旋转摆式阀门：材质阀体碳钢，耐高温，抗磨损性能好。公称通经DN150-300,公称压力PN1.0MPa，适用温度为<250度。价格88.00元，来源于吴轩阀业，网上可购。

图2.7 陶瓷气动旋转摆式阀门

气动陶瓷阀门：材质不锈钢，结构紧凑，体积小，流通能力优秀。气源压力2-8bar。公称通径6-100mm，阀体材质碳钢，304/306/316L不锈钢

价格150.00左右，来源上海沪荣阀门有限公司。

图2.8 气动陶瓷阀

2.5.3 传感器选型
1.料位计
工业中一般采用射频导纳料位计。其具有抗干扰放挂料以及采用射频监控的特点，因此无需维修，不需要维护和定时更换，需求2个，价格500元。来源：辽阳市凯信仪表制造有限公司。网上可购。技术参数：工作电压220VDC或24VDC,相对湿度小于百分之85，温度范围40-60度，延迟时间0.2S，材料316不锈钢，陶瓷，高温塑料，四氟乙烯。

图2.9 射频导纳料位计

2.压力传感器
采用合金钢和不锈钢制造，工作温度在-20到70度之间，价格99.00元
需求，2个，将2个压力传感器装入仓泵内，以防止其中一个故障不稳。
来源：安徽省金诺传感器厂。

图2.10 压力传感器

第三章软件构成

STEP7是西门子SIMATIC的工业软件,主要用于对可编程逻辑控制器进行组态和编程[[[] 关朝旺,廖常初.西门子S7-PLCSIM仿真软件的应用[J].电工技术,2004(1):63-64.]][[[] 快速学通西门子PLC S7—200/300 程安宇等编著. 北京：人民邮电出版社，2011.5.]][[[] 西门子(中国)有限公司自动化驱动集团.深入浅出西门子S7-300 PLC[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

致谢

毕业设计工作结束了，仔细回想这段时间的经历，感慨万千。作为一名大学生，虽然对自己的专业知识有一定的了解，但单凭个人能力毕竟是不足的，设计中的缺陷和经验不足等方面更不用说了。这次毕业设计能够结束，和老师的帮助，同学之间的相互鼓励，相互交流是紧密相关的。
在此，首先感谢我的毕业设计指导老师，谢谢她的悉心指导，也谢谢她对我的不时鼓励和激励，设计中许多不明白的地方都在您的教导下一一解决，在此十分感谢！然后谢谢本次毕业设计小组中的其他几位同学，虽然设计题目不太相关，但是能依旧相互交流知识，开拓视野，这使我颇为感动。我们从彼此之间相互学习，作为一个团队，我们一起努力，一起进步，和大家在一起的这段时光是我这一生都难以忘怀的。
这里，再次向老师和毕业设计团体的其他几位小伙伴们表示由衷的感谢！

                    附录1

除尘设备的相关附件

                 附录2

除尘设备的结构图

无机陶瓷膜管排列图

反吹结构图
1.反吹气管 2.固定板
3.引射器 4.引射器吊耳

声波清灰器示意图

附录3

除尘设备主体结构图

附录4

CPU控制点位图

仓式泵结构简图]]，主要功能组件如下:
1.SIMATIC管理器:用来管理自动化项目数据和工具;
2.程序编辑器:用于以LAD,FBD和STL语言生成用户程序;3.符号编辑器:用来管理编程中的全局变量;
4.硬件组态:使硬件参数化和组态化;
5.硬件诊断:可以用来诊断自动化系统，检测其是否出现问题。
本设计的主要任务是实现粉尘的自动清除和输送，因此本套除尘设备控制系统的程序主要采用STEP 7-Micro/WIN V4.0编程软件来完成程序的编写，并对系统进行模拟仿真和调试，在这过程中检测系统程序中的错误，并根据相应参数来调整程序，使程序能够顺利适用在除尘设备之中。
3.1编程软件简介
STEP 7-Micro/WIN是一款功能比较强大的软件，用于S7-200系列的PLC编程软件，支持3种模式：LAD（梯形图）、FBD（功能块图）、STL（语句表）。本次设计中所使用的程序表述模式是LAD模式，即梯形图，就梯形图自身而且，它直观简介，更为我们所明白，在梯形图中，运用与非门的逻辑关系，并假设程序中存在能流，这样我们能简单易懂的看明梯形图，立即了解整套除尘设备的除尘控制系统流程。

3.2基本功能介绍
STEP7-Micro/WIN32编程软件的基本功能是帮助我们完成对程序的模拟调试和仿真运行，主要可以实现以下几点：
（1）在离线状态下虽然可以完成编程中的大部分的基本功能，但编写好的程序和参数不能进行联网的上传和下载，都只能存储于计算机当中。
（2）在联网状态下可以实时上传或者下载相应的数据和程序
（3）可以对程序进行语法的检查，及时发现一些语法上的错误。
（4）实时监控程序的运行状态。

图3.1 STEP7-Micro/WIN32编程软件的主界面外观图

3.3系统组态
系统中的组态主要配置如下图中所示，主要有：通信组态、设置数字量、模拟量输入等等。在浏览条条中的系统块中可以设置系统的组态。通关点击打开相应的项目就可以进行相关的组态参数设置。

图3.2 组态参数设置界面图

系统组态完成后，下载程序块时，组态数据和编写好的程序一起导入相连的PLC的存储器中。我们可以通过调整组态的参数，进行相关的模拟仿真。

第四章 系统设计

4.1 PLC程序设计
4.1.1 PLC的选型
出于经济和更为我们初学者使用的原因等等方面考虑，本次设计选用西门子S7-200系列中的224XP作为本次主控制器。同时采用EM235扩展模块来提升系统性能。料位传感器，重力传感器，压力传感器均采用4-20MA输出范围等等，接线完成后，在电脑中可显示出CPU接线状态（见图14）。通过CPU的输入输出端口显示灯的开启与否来判断是否输入或者输出信号。

图4.1 CPU接线状态显示图

4.1.2 I/O分配
自动清灰控制系统的输入输出点分配表（见表3）：

表4.1 输入输出点分配表
名称 地址 名称 地址
进灰阀开 Q0.0 进灰阀开到位 I0.0
进气阀开 Q0.1 进灰阀关到位 I0.1
出料阀开 Q0.2 进气阀开到位 I0.2
管道堵指示 Q0.3 进气阀关到位 I0.3
运行指示 Q0.4 出料阀开到位 I0.4
声波辅助清灰开 Q0.5 出料阀关到位 I0.5
1号反吹阀门开 Q0.6 手动复位 I0.6
2号反吹阀门开 Q0.7 停止输灰 I1.1
启动输灰 I1.0
除尘启动 I1.2

4.2 PLC控制程序
在执行程序的时候，程序可以看成是一股能流，按照由上而下的顺序依次扫描梯形图，从左往右执行每条梯形程序，根据逻辑运算的结果来刷新该逻辑线圈在RAM存储中的状态。根据相应的RAM存储和线圈闭合情况，我们可以直观的看出程序的运行过程。本设计使用的相关PLC指令如下：

通电延时定时器。左侧对应数字的十分之一为定时时间。PT为预设值。IN为使能输入端，

LD：常开触点。这里LD：I1.2，当位值为1时，常开触点闭合。
 
 AN：常闭触点。当位值为0时，常闭触点闭合。

常开：不通电状态下处于断开。
常闭：不通电状态下处于闭合。

置位S与复位R：置位是通过外部强制改变输入，复位是恢复初始状态。当标志置1时，常开触点接通，置0时常闭触点接通。

4.2.1 除尘系统程序分析

除尘系统网络图1：除尘系统的除尘周期程序

除尘采用时间控制方式（见除尘系统网络1）。根据延时定时器T41设置除尘设备的除尘周期，除尘启动的输入地址为I1.2，这里720对应时间为1分20秒，因为本身周期为12分钟，为了更方便调试将其缩小10倍。当除尘启动后，常闭触点T45达设定时间断开，而此时T41延时已经启动。

除尘系统网络图2：声波辅助清灰器的启动和1号反吹阀门的开启程序

除尘启动后，当达到T41延时时，常开触点T41导通，开启声波辅助清灰器辅助清灰，在达到T42延时(0.5s)后，常开触点T42导通，即开启1号反吹阀门进行反吹，当T43延时达到的时候，T43常闭触点会断开，也就是说1号反吹阀门会关闭。换言之就是反吹时间为T43延时(2s)。反吹结束之后，关闭1号反吹阀。

除尘系统网络图3与网络图4：2号反吹阀门的延时启动和反吹时间设定

当T43常开触点导通后，T44延时启动，达到设定时间10s时，T44常开触点导通，这时开启2号反吹阀门进行反吹，在T45延时后关闭2号反吹阀门。至此反吹除尘结束，粉尘落入灰斗之中。T45常闭触点断开。这时一个新的除尘周期重新开始。
4.2.2 粉尘输送系统的程序分析
1.模拟量转换与子程序分析。
模拟量：在时间和数值上连续的物理量。在传感器上采集的数据信号如压力，温度等，模拟量需要转换成为数字量在PLC内部进行运算和分析，再将数组量转换成为模拟量去控制执行机构。

图4.2 内部变量定义图表
Piw_In:模拟量输入；Hi_Lim:模拟量输入的量程上限；Low_Lim:模拟量输入的量程下限；Out_Val:输出值。

模拟量转换网络图1：模拟量转换

通过SUB_I整数减法指令将模拟量输入减去6400，转换为实数输出值为LW14，通过I_DI将整数LW14转换为双整数LD18，再通过DI_R将双整数LD18转换为浮点数LD22。在西门子200系列中，信号采集的方式是通过坐标移动来实现的。转换成为浮点数的原因是内部运算的需要，同时也是为了提升运算精度。

模拟量转换网络图2：模拟量上下限转换

通过SUB_I将模拟量输入对应的上限32000（20MA），减去下限6400（4MA），转为实数LW16。通过I_DI将LW16转换为双整数LD26，再将LD26的数据通过DI_R转换为浮点数LD3。通过浮点数减法，将模拟量上限LD2减去模拟量下限LD6得到模拟量上下限范围LD34。

模拟量网络图3,：模拟量输出转换

通过DIV_R浮点数除法将LD22除以LD30来得到输入值LD38，再通过MUL_R浮点数乘法乘以模拟量上下限范围LD34来得到在上下限范围的所占的百分数LD42。

最后通过公式（Piw_In-6400）/(32000-6400)*(Hi_Lim-Low_Lim)+Low_Lim得到模拟量转换的输出值LD10。

2．子程序分析

子程序网络图1：灰斗料位程序分析

当灰斗内料位VD20大于设定上限VD40时，说明灰斗内粉尘已经达到排放至仓泵的需求，此时将满标志（M10.0)置1，空标志(M10.3)置0，当灰斗内料位VD20小于设定下限VD60时说明粉尘未满或者粉尘输送完毕，则将满标志置（M10.0)0，空标志(M10.3)置1。

子程序分析网络图2：仓泵料位程序分析

当仓泵料位VD24达到设定上限VD44时显示仓泵料位已满，可以启动输灰操作，将粉尘进行流化输送。将仓泵料位满标志（M10.1）置1，空标志（M10.4）置0，当粉尘量小于设定下限时说明粉尘料位未满或者粉尘已排空，将满标志（M10.1）置0，空标志（M10.4）置1。

子程序分析网络图3：仓泵重力程序分析

仓泵内设有有压力传感器检测粉尘质量，设此质量检测是为了避免料位满时由于大质量颗粒多损坏仓泵或是使高料位排灰无法执行。粉尘质量V28达设定上限V48时，说明可以启动输灰操作将粉尘流化输送，此时将仓泵重力满标志（M10.2）置1，空标志（M10.5）置0，当粉尘质量小于设定上限时，说明粉尘已排空或者粉尘质量未达到设定值，将仓泵重力满标志（M10.2）置0，空标志（M10.5）置1。

3.输灰系统程序分析

输灰系统网络图1：初始化系统程序
初始化启动，将Q0.0—Q0.3置0。输出Q0.0启动进灰阀门。

输灰系统网络图2、网络图3、网络图4：启动输灰和停止输灰及启动指示程序

当I1.0时常开触点接通，输灰程序启动，将允许启动标志M11.1置1，使常开触点I1.1导通时；输灰程序停止，允许启动标志M11.1置0，使常开触点I1.1断开。当M11.1常开触点接通时，启动指示输出为Q0.4。

输灰系统网络图5：料位读取程序

读取灰仓料位，仓泵料位，仓泵重力，仓泵重力，管道压力实际值，将模拟量转换而来的信号分别存储于VD20、VD24、VD28、VD80中。

输灰程序网络图6：灰斗料位排灰程序

灰斗达到满料位后，M10.0置1，这时常开触点M10.0导通，或者说手动排灰启动时，常开触点Q0.0接通，信号开始向右传递，检测压缩空气进气阀门关到位，常开触点I0.3导通，检测输灰阀门关到位，常开触点I0.5接通，常闭触点仓泵料位空标志(M10.1)置0与仓泵重力空标志(M10.2)置0的常闭触点之一是导通状态时，输出Q0.0开启进灰阀门，使灰斗内粉尘得以排放至仓泵。开启阀门后达到T37延时后，或者仓泵料位到达上限设定值使M10.1置1从而断开常闭触点，同时进气阀门需要开启，从而使常开触点I0.3断开，或仓泵重力到达上限设定值使M10.2置1断开，这时显示灰斗输送粉尘到仓泵完毕或者说输送过程中仓泵内料位已经达到输灰需求或者仓泵内重力达到输灰需求需要进行输灰操作，则进灰阀门会关闭。

输灰系统网络图7：流化程序分析

当仓泵料位到达上限设定值时，常开触点M10.1导通，或值仓泵重力值到达上限设定值时，常开触点M10.2导通，或者距离上次输灰之间的时间达到设定时间时，常开触点M10.6导通时，或者常开触点进气阀门开启时，这3者有一个达到需求时，进灰阀门停止输出Q0.0从而关闭进灰阀门，检测进灰阀门是否关到位，进灰阀关到位使常开触点I0.1关闭，检测输灰阀门关到位时常开触点I0.5导通，或者常开触点Q0.2导通时，信号继续传递，从而开启进气阀门，压缩气体进入仓泵流化粉尘，当仓泵内重力空标志置0，常闭触点M10.5断开，表示粉尘输送完毕，或者仓泵料位空标志置0时，常闭触点M10.4断开，表示粉尘输送完毕。

输灰系统网络图8、网络图9：流化完成判断程序

进气阀开启后经过（T38延时），常开触点T38接通，根据仓泵内压力实际值VD80和流化压力设定值来判断是否流化完成，如果压力大于压力设定上限则表示流化完成。完成时将完成标志M10.7置1，当压力小于设定值上限时将流化完成标志M10.7置0。

输灰系统网络图10:进行输灰操作程序

当流化完成标志M10.7置1时,常开触点M10.7导通，进灰阀门关到位使常开触点I0.1导通，仓泵重力空标志M10.5导通，料位空标志M10.4导通，输出Q0.2开启出料阀，进行粉尘的输送。当粉尘输送完毕时，此时仓泵内重力检测重力实际值小于设定重力下限仓泵重力空标志会置1，从而使常闭触点M10.5断开，或者仓泵内料位检测料位值小于设定料位下限仓泵料位空标志会置1，使常闭触点M10.4断开。此刻出料阀停止输出Q0.2信号。

输灰系统网络图11、网络图12、网络图13：管路堵塞报警程序

本系统设有管道堵塞报警,，开启输灰阀10s（T39延时）后如果仓泵内压力还是高于设定流化完成压力上限，使管路堵塞标志置1，则常开触点M11.0导通时，输出Q0.3显示管路堵塞报警。若开启输灰阀门10秒后仓泵内压力小于流化压力设定值，则使管道堵塞标志置0，常开触点M11.0关闭。

输灰系统网络图14、网络图15：时间控制输灰程序

当进灰阀门关到位，进气阀门关到位，输灰阀门关到位时，T40开始计时，此时间内若仓泵料位输灰和重力输灰一直未启动，线路一直处于导通状态，达到设定时间时，会启动输灰操作。7小时定时21*1200s=7h，这里为了方便调试将其设定为20分钟周期（T40延时）。

输灰系统网络图16、网络图17：时间控制方式程序达到设定标志

当时间控制达到设定需求后启动，M10.6置1，常开触点M10.6接通。当出料阀开启时，M10.6复位置0。

输灰系统网络图18：管道堵塞手动复位

管道堵塞后M11.0导通，可使用手动复位按钮输入I0.6信号，触发上升沿脉冲触发指令，进行管道堵塞报警的复位，使管路堵塞标志M11.0置0。

4.3软件调试和仿真
将PLC程序写入编程软件中，然后连接CPU224XP进行程序调试和模拟仿真。
首先是除尘系统程序的调试：将CPU224XP与电脑进行接线，接线完毕，下载好相应的程序块，将写好的PLC程序打开，进入程序调试界面。

图4.3 程序调试界面图

程序开始仿真调试运行后，延时定时器开始计时。如下图：

图4.4 延时定时器启动

当除尘时间周期达到120S时，此时在CPU状态显示中，可以发现输出端口输出Q0.5，对应声波辅助清灰器开启。如下图：

图4.5 CPU输出端口输出信号

图4.6 Q0.5对应梯形图启动

当T41延时定时器达到设定的时间0.5秒后，输出端口显示输出Q0.6信号，则1号反吹阀开启执行清灰延时T42。如下图：

图4.7 CPU输出端口输出Q0.6显示

图4.8 1号反吹阀门接受到信号开始反吹流程

  输出信号Q0.7，开启2号反吹阀门反吹时间为T44。如下图：

图4.9 2号反吹阀门开启

除尘系统中除尘程序执行完毕，除尘系统程序调试结束，在此程序运行运行时未出现故障，程序运行良好，程序可以使用。

接下来进行输灰系统程序调试和仿真，将PLC程序写好，连接好CPU224XP，下载程序块，进行粉尘输送系统程序的调试：
接好CPU，打开编程软件，输入程序，进入状态表，设置好灰斗和仓泵料位传感器，仓泵重力传感器，仓泵压力传感器上下限等各检测点数值。如下图

图4.10 模拟量以及浮点数的设定

开始启动输灰程序：

图4.11 输灰程序的启动

图4.12 T37延时定时器启动

这时候进灰阀门开启后开始计时，达到设定时间时，灰斗内粉尘便全部落入仓泵内，同时进灰阀门会关闭。

图4.13 各参数对应地址

图4.14 仿真调试过程中检测对应点位

检测对应点位状态，更改仓泵料位满空M10.1，仓泵重力满空M10.2。

图4.15 调整各模拟量

程序运行过程中，调整灰斗料位传感器检测到的数值，使其小于开始设定的数值，就表示运行中灰斗料位检测实际值小于灰斗料位下限，输送粉尘至仓泵这一过程结束，程序继续往下运行。

图4.16 流化过程仿真调试图
当M10.1导通或者M10.2导通或者M10.6导通时，即仓泵料位满，质量满，定时控制达到控制需求，进气阀门开启使压缩气体进入流化床中，使粉尘得以流化。如下图所示。

图4.17 流化完成图
M10.1M10.2M10.6导通后，信号移动至M10.7，使M0.7导通，流化完成。信号依次移动是M10.5和M10.4置位导通。如下图

图4.18 输灰阀开启，启动粉尘的输送

信号依次传递，M10.7导通，进灰阀门关到位输入10.1，仓泵料位空M10.5置位，仓泵重力空M10.4置位。如下图所示。

图4.19 程序模拟运行图
程序运行至管路堵塞报警。若是出现内压表检测管路压力大于报警压力时，系统会执行报警程序。将管路压力改动大于管路压力，系统出现报警，如下图所示。

图4.20 管路报警及手动复位运行图
当M11.0导通时，显示堵塞报警，需要去清理输灰管道，管道清理完毕后，可以手动复位M11.0。

图4.21 初始参数设定

图4.22 调试仿真最终参数
最后，给出初始设置和调试仿真后参数的改变情况图。这里相应参数的改变可以使程序进行模拟运行，当然在现场实际运行中，可以从显示屏中直观的观察到参数的变化情况。
至此，程序调试和模拟仿真完成，程序可以运行。
仿真调试总结，本次仿真调试为了检验程序的可运行性，并且在调试仿真中发现程序中的问题与缺陷，改变相应的参数，并根据参数调整了相应的程序从而使程序能够模拟运行，最终在本设计中，对于除尘系统的控制要求和控制点位均能实现，程序的模拟运行也得到了如期目标。

第五章 总结与展望

通过对无机膜除尘技术的学习和西门子PLC及其编程软件STEP7-Micro/WIN32学习和应用，设计无机陶瓷膜除尘设备控制系统并完善其气力输送系统。主要工作如下:
1.阐述了无机膜除尘设备的发展现状和PLC在除尘设备中的应用现状及未来发展趋势。将PLC技术应用于无机膜除尘技术中，实现其高效、稳定的除尘效果。
2.介绍了可编程控制器（PLC）所具备的特点。编写出PLC程序实现除尘系统和自动输灰系统的自动运行。自动输灰系统控制方式有料位控制，质量控制和时间控制3种控制方式。当系统发生故障报警时可以停止程序进行调节。
3.利用编程软件对PLC程序进行调试，确保了程序的可行性。程序简单易懂，更为用户所接受。
4.根据设计的需要，对元器件进行合理且经济性的选型，确保设计结果的可实施性。
随着环保要求的不断提高，无机膜除尘设备以其环保、除尘效率高、易于维修、结构紧凑等优点将会在更多的工业领域得到应用。本次设计中也显示出几个方面需要注意：
1.西门子PLC中S7-200由于适用于中小型系统，出于系统自身原因，在双亢余方面难以实现。未来设计可采用更高的PLC系列来实现。
2.管路堵塞报警因为没有实物模拟仿真，若是应用于现场之中，需要进一步的调试。
3.现场管路的搭建需以实际为准并作出对应的改正。
通过本次设计，我对PLC以及PLC技术在除尘方面的应用有了很深刻的了解，对除尘设备的发展也有了一定的认识，随着环保要求的不断提高，工业排放的烟尘含尘量也相应得到制约，这使得除尘设备需要在除尘效率，材质选择等方面不断更新改进，同时新型除尘设备的开发研究也在不断进行之中。
这次毕业设计中，选用西门子S7-200系列PLC作为控制元件，以实现除尘设备对粉尘的自动清除与输送，通过对梯形图的编写和仿真，初步模拟了整个除尘设备控制系统的控制程序，实现了预定的设计目标。
在除尘设备控制系统的梯形图中，具体分成了除尘和自动输灰2个部分，
除尘程序中，开始除尘后启动声波辅助清灰器进行辅助清灰，T42延时后开始一号反吹阀反吹，时间为2s（T43），10s（T44）延时后开启2号反吹阀反吹，反吹时间为2S（T45）。至此清灰阶段结束。自动输灰程序中，设定好灰斗料位高度上限VD40和料位下限VD60，当灰斗料位VD20达到VD40时，M10.0导通，输出Q0.0，输入I0.3进气阀关到位，输灰阀关到位输入I0.5，开启进灰阀门开始将灰斗内输送至仓泵。当灰料输送时灰斗料位VD20达到料位下限VD60时或者进灰阀门开启延时T37（30秒）说明粉尘输送完毕，M10.3导通。同样仓泵料位VD24和仓泵重力VD28，当VD24达到仓泵料位上限VD44（M10.1导通）或者仓泵重力VD28达到质量上限VD48(M10.2导通）,或者时间延时时间T40达到（M10.6导通），则开启输灰中流化阶段，进灰阀关到位输入I0.1，M10.5导通，M10.4导通，输出Q0.1开启进气阀，输灰阀关到位输入I0.5，T38延时后，仓泵内压力VD80达到压力设定值VD72时，M0.7导通，流化完成。当流化完成时（M10.7导通），关闭进灰阀门，仓泵重力空标志置1（M10.5导通置位），料位空标志置1（M10.4导通置位），输出Q0.2开启出料阀，进行粉尘的输送。输送时若M11.0导通则显示管路堵塞报警。此次设计中还存在一些缺陷与不足之处，希望可以继续改进。
在毕业设计收尾之际，我也发现了自己对于专业知识的理解仅仅限于理论，将其实际运用于现实之中还有所不足，对于查阅资料并收集整理还是不熟练，毕业设计可以说是我对4年大学生活的考察和总结，它让我在运用知识的过程中发现自己的不足之处，认识到自身的缺陷，这使我在踏入社会之前对自己有了一个全方位的认知，让我在未来的道路中行走得更为稳定。