1 引言
由於我國高產高效礦井的增多，礦井采、掘、運等系統的生產強度也日益增加，使得這些作業地點的粉塵濃度大幅度的提高。實測皮帶機轉載時達500~1000mg/m3，最高可達2000mg/m3。工人長期處於粉塵作業場所，還易患上職業塵肺病。
皮帶機上的灰塵不易進行人工清理，所以構建以PLC為開發平台，TD400為人機交互界面的除塵系統，既能看到現場運行情況，又能控制除塵站的快速運行。除塵站主要是通過壓力罐產生高壓氣體與水管流出的水一起噴出形成高壓水流，將皮帶機上的灰塵衝掉。這樣既不用耗費人力，又可節約時間，可以不斷工作，並且沖洗效果好。
圖1 除塵器系統框圖
2 除塵器系統
2.1系統整體結構和工作原理
除塵器主要有控制櫃、水箱、壓力罐、空壓機和水泵組成，如圖1所示。通過西門子PLC控制整個系統的運行。包括控制水箱里的水位和水溫、壓力罐壓力，以及各個電磁閥的開關狀態。整個系統主要是通過水泵將水箱里的水抽到噴水管，壓力罐產生的高壓將水高速壓出形成高壓水流，高壓水流將皮帶機上的灰塵衝掉，從而達到除塵的目地。
其具體功能和原理：
（1）當水箱水位低於下限時，系統報警，進水閥打開向水箱中注入自來水。達到上限時關閉進水閥。過濾器主要是過濾自來水中的異物，防止雜物進入水箱中。
（2）對空壓機的控制。空壓機電源始終處於常開狀態，當壓力罐里的氣體壓力低於0.6Mpa時，空壓機開始啟動；壓力達到0.8Mpa時關閉。
（3）除塵器與皮帶機是同步起停的。當皮帶機開始轉動時，水泵打開，開始抽水，同時水電磁閥打開，自來水從出水口流出。同時，氣電磁閥1、氣電磁閥2打開，壓力罐產生的高壓氣體從出氣口噴出，從而形成高壓水流。皮帶機停止后，水泵和電磁閥同時關閉。
（4）冬季為了防止水管被凍，要求整個設備運行停止以後，氣動閥延時供氣反吹5分鐘，將出水管中的水吹出。即：當皮帶機啟動后，我們的供水供氣設備中的水泵，水電磁閥，氣電磁閥1
、2同時開啟（氣電磁閥3關閉），開始正常供水供氣；當皮帶機停止時，水泵，水電磁閥，氣電磁閥1 、2
同時關閉，而氣電磁閥3開啟、氣電磁閥1繼續供氣延遲5分鐘后同時關閉。延遲時間也可以通過TD400進行設置。
（5）水箱水溫的控制。水箱水溫低於4℃時，並且保證水箱水位高於可以加熱的最低限，這時啟動加熱器，當水溫到達8℃時關閉。
（6）伴熱帶的啟停控制。當管路溫度達到4℃以下時伴熱帶開始加熱，溫度到達8℃時停止加熱。
圖2 系統硬體結構框圖
2.2系統硬體
根據系統控制功能要求，採用以PLC為核心的自動控制，其硬體結構框圖如圖2所示。
西門子S7-200系列的PLC是優秀的小型模塊化可編程式控制制器[1]。S7-200適用於各行各業，各種場合中的檢測、監測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網路皆能實現複雜控制功能。最多可帶7個擴展模塊。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。因此系統以西門子S7-200為核心控制器。PLC主要功能是：對模擬量的輸入模塊採集的數據進行處理，根據用戶設定的各項參數和控制原理，給外部執行機構相應的命令，從而控制了整個系統。
根據工廠的要求，控制該系統需要的控制點數為：4個模擬量輸入（水箱水位、壓力罐壓力、水箱水溫和管路溫度），3個數字量輸入（啟動、停止和手自動轉換），7個數字量輸出（一個水電磁閥，三個氣電磁閥，一個水泵，一個空壓機和加熱器）。
PLC本身的數字輸入輸出口可以滿足系統設計要求，多餘的可以用於以後擴展或改造，但是其沒有模擬量輸入點，所以需要添加模擬量輸入擴展模塊，本系統選用的是模擬量擴展模塊EM231。
模擬量擴展模塊提供了模擬量輸入/輸出的功能，優點如下：
最佳適應性： 可適用於複雜的控制場合，直接與感測器和執行器相連，12位的解析度和多種輸入/輸出範圍能夠不用外加放大器而與感測器和執行器直接相連。靈活性： 當實際應用變化時，PLC可以相應地進行擴展，並可非常容易的調整用戶程序。
EM231是4輸入12位的模擬量輸入模塊[2]，完全可以滿足系統要求。其中用戶需要設定的參數值，是通過設置TD400里的數據來實現，並傳送給PLC的。
TD400是一個2行（大字體）或4行（小字體）的文本顯示設備，可以與S7-200CPU連接。
TD400為背光液晶顯示（LCD），解析度為192×64。
TD400通過TD/CPU電纜從S7-200CPU獲得供電，或者也可由單獨電源供電。可以查看、監視和更改您應用程序固有的過程變數。現場工作人員通過TD400能夠查看系統的監測信息，如水箱水位和水溫，以及各電磁閥的狀態，並能夠顯示和確認報警，以便工作人員檢查，排除故障。
溫度感測器採用的是PT100鉑熱電阻，輸出為4~20毫安電流，量程為0~100攝氏度。溫度感測器將水箱里的水溫值傳送到PLC中。液位感測器用於實時採集水箱的水位。根據要求控制水箱水位，使其保證在允許的範圍以內。壓力感測器是工業實踐中最為常用的一種感測器，其廣泛應用於各種工業自控環境，通過壓力感測器將壓力罐的壓力值上傳給PLC，由於噴嘴需要壓力為0.3Mpa，所以要求壓力罐的壓力控制在0.6~0.8之間。
本系統的外部執行機構包括1個進水閥、1個水泵、3個氣電磁閥、1個水電磁閥、水箱加熱器、電伴熱帶和空壓機。進水閥控制水箱水位，水泵用來將水箱里的水抽出，氣電磁閥和水電磁閥的開關直接控制系統高壓水流的產生。水箱加熱器和電伴熱帶分別對水箱里和管道里的水進行加熱，空壓機為的是使壓力罐的壓力保持在合理的範圍內。另外，系統還有一個急停按鈕，按下急停按鈕，會切斷執行器的供電，使系統停止運行。所有的執行機構都是在控制機構的統一控制下協調工作，使系統能夠正常穩定的進行工作。控制櫃為立方體形，高度為60厘米，安裝有兩層門，內層門上安有上電指示燈、手自動開關、啟動按鈕、停止按鈕、急停按鈕和文本顯示器TD400。
圖3 模擬量計算的子程序
3 軟體編程
該系統用的西門子PLC200，控制系統的軟體編程是在西門子公司提供的STEP7 MicroWin
V4.0PLC編程軟體下進行的，它可以對S7-200的所有功能進行編程。該軟體在WINDOWS平台下運行，其基本功能是協助用戶完成應用軟體任務。該軟體還可以對TD400進行編程。打開編程軟體后，在「工具」欄的下拉菜單中選擇「文本顯示嚮導」。打開「文本顯示」對話框，選擇T400后按嚮導編程即可。本系統有工藝參數設定、量程設定和狀態顯示三個用戶菜單。在工藝參數設定菜單下可以對出廠參數進行修改，在量程設定菜單下可以進行量程的修改，狀態顯示菜單則用於顯示各執行器的運行情況，當某一執行器的狀態為1時，說明此執行器正在運行，為0說明此執行器沒有運行。按照嚮導完成TD400的設置后，會自動生成一個數據塊，其中包含了TD400配置和所有用戶定義的信息。
系統的軟體程序使用梯形圖進行編程，採用結構化編程方式，主要包括出場參數設置、量程轉換、自動和手動子程序。結構化編程方法具有程序結構清晰、通用性強、可讀性強和方便修改等優點。
手動子程序是用於對系統進行調試時使用的，在子程序中，定義了TD400的9個按鍵F1~F8和SHIFT+F1，對應9個執行器。在手動模式下，按下某個按鍵，相應的執行器就會運行，如表1所示。
自動子程序是按照系統的工作原理進行編寫，由PLC對採集到的模擬量進行判斷，實際上就是通過與系統給定的參數值進行比較，得出相應的結果，作出決策，然後對相應的點位進行控制。
出場參數設置主要有水箱內水位上下限、壓力罐里的壓力上下限、水箱水位加熱的上下限、伴熱帶啟動的管道溫度、要求控制的水溫最小值、水箱水位的量程和水溫的量程等，以及冬天系統關閉後繼續供氣延遲的時間。這些參數在系統首次運行時是初始化上電時的默認值，用戶也可以通過TD400進行設置。
量程轉化主要是將溫度傳送器、水位傳送器和壓力感測器傳送上來的水溫、水位高度和壓力罐里的壓力值轉化為顯示的數值。模擬量輸入模塊EM231將傳送器傳送上來的電壓值或電流值的模擬量傳化為0~32000的數字量。轉化來的數值不能直觀的反映現場的溫度、水位等。所以需要量程轉化。以溫度感測器PT100為例，其將採集來的溫度信號轉化為4~20mA的電流並將其傳給EM231，EM231通過其本身的A/D轉化，將其變為0~32000的數字量。在編程軟體中可以編寫一個子函數對其計算，這樣可以使程序簡單直觀。如圖3所示一個模擬量計算的子程序。
AIW2為EM231轉化來的數字量，係數1為量程值，如果像溫度信號轉化為4~20mA的電流時係數2為25600，如果感測器把信號轉化為0~10V的電壓，係數2為32000，VD40存儲的是計算后的模擬量。
表1 文本顯示器TD400按鍵與執行器對應表
4 結束語
本系統投入運行后，效果良好，滿足工廠提出的要求，系統運行穩定，操作方便安全。既減輕了工作人員的勞動強度，增強了除塵的效果，有大大縮短了除塵的時間，且易於擴展和維護，具有較好的應用價值。
作者簡介
劉鵬（1985-）男 在讀碩士研究生，現就讀于山東輕工業學院，研究方向為先進控制理論與技術。
參考文獻
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