一種通用型參數化脈沖清灰控制裝置的制作方法

本實用新型涉及除塵裝置技術領域，具體涉及一種實驗室有毒物質收集裝置。

背景技術：

清灰系統是脈沖袋式除塵器的核心組成，它一般由壓縮空氣（或氮氣）系統、分氣包、脈沖閥、噴吹管以及配套的脈沖清灰控制裝置等組成。通常每個獨立的分室配置一臺分氣包，每臺分氣包安裝數個脈沖閥，每個脈沖閥負責分室內一排濾袋的清灰。

脈沖清灰的工作原理是通過控制電磁脈沖閥瞬間啟閉，氣包內的壓縮空氣將形成高速脈動氣流，經噴吹管從位于噴吹管下方的導流孔排出，并誘導數倍于噴吹氣流的周圍空氣進入濾袋，使濾袋發生膨脹和振動，將濾袋表面附著的塵餅剝落而進入灰斗。通常一根噴吹管對應于箱體（或分室）內布置的一排濾袋（即所謂的行噴吹），脈沖閥依次順序噴吹，直至完成全部濾袋的清灰。如果噴吹過程中濾袋還處在過濾煙氣的狀態，我們稱之為在線清灰，反之就稱之為離線清灰。

清灰系統的合理設計和可靠運行是脈沖袋式除塵器功能穩定和保持高效過濾的關鍵保障。而驅動清灰系統工作的控制裝置一般是基于可編程設備開發的，即針對具體的可編程設備，根據脈沖清灰的工藝原理開發具備符合清灰要求的控制程序，以可編程設備為核心，輔以外圍供配電、邏輯控制及輸入輸出擴展的元件和電路，共同組成脈沖清灰控制裝置，脈沖清灰控制裝置按照內部程序的指令控制驅動除塵器的氣缸提升閥和電磁脈沖閥按清灰工藝的邏輯和時序工作，實現脈沖清灰工藝的過程控制。其特點是控制原理簡單、功耗小、控制規模隨受控設備不同而靈活多變。

因為脈沖袋式除塵器屬于非標設計的工業產品，其配套的脈沖清灰控制裝置目前也以定制開發為主。小型單機袋式除塵器一般采用基于單片機開發的脈沖清灰控制儀，大中型的袋式除塵機組（含風機）常采用以工業PLC為核心的除塵控制柜，集中實現清灰、輸送、風機邏輯及模擬量檢測等綜合功能。不論采用哪類平臺，目前的脈沖清灰控制裝置就其清灰功能而言，都是為特定規格的除塵設備或系統配套設計和開發的，還沒有實現通用化設計。因此，脈沖清灰裝置無法脫離受控設備的具體型式而獨立設計、開發和批量化生產，制約了產品的標準化應用和控制功能的持續改進。具體來說，主要存在以下幾個方面的不足：

1、一般以滿足剛性需求為設計原則，根據受控設備的控制規模，即袋式除塵器的分室數量以及每個分室裝配的脈沖閥數，事先確定輸入輸出模塊（或通道）的配置及數量，針對受控對象的具體數量開發相應的控制程序，通常還將控制器和輸入輸出模塊（或通道）集成在一起。一旦設備規格或控制規模發生了變化，就需要重新設計硬件配置、控制回路及控制程序，產品形式多變，通用性差，不利于標準化設計和生產，設計和制造周期較長。

2、沒有發揮和體現出現代工業PLC（或單片機）強大的開發功能和良好的遠程通訊及擴展能力。控制模塊和輸入輸出模塊集成設計的方式，即不利于控制規模的靈活配置，又增加了操作地點和控制終端之間線纜敷設的數量，安裝成本較高且不便于調試和維護。

3、不具備靈活方便的擴展或縮簡功能，不能適應控制對象因升級或改造發生的控制規模的改變。

技術實現要素：

為解決現有技術中存在的上述問題，本實用新型提供了一種通用型參數化脈沖清灰控制裝置。該裝置包括人機交互單元、本地控制單元、遠程擴展單元，所述人機交互單元與所述本地控制單元在本地連接，所述遠程擴展單元與所述本地控制單元采用RS485總線實現連接和通訊。

優選地，所述本地控制單元和所述人機交互單元集成設置。

優選地，所述本地控制單元為至少具有兩個通訊端口的PLC控制器。

優選地，所述遠程控制單元具有單片機擴展后的通訊及I/O接口。

優選地，所述單片機具有R組I/O端口，每組所述端口包括P個I/O通道；所述I/O通道經過電平轉換和功率放大以形成R×P個開關信號；將所述開關信號組合成矩陣輸出電路，以形成擴展之后具有多個狀態信號，以滿足分室離線信號和脈寬信號的輸出。

優選地，將多個所述的分室離線信號和多個所述的脈寬信號作為傳統控制電路的輸入，以形成具有多個脈沖閥的脈沖清灰控制規模。

有益效果：

一方面，本實用新型公開的控制裝置以參數化設計為指導思想，產品開發及制造不因具體的受控對象或控制規模改變而變化，只需設計一款成熟的產品，便可廣泛應用于不同規格的袋式除塵設備或系統脈沖清灰過程的控制。有利于產品的通用化設計和控制功能的持續改進。

另一方面，本實用新型公開的控制裝置采取將控制模塊和輸出模塊分離為兩個單元的設計理念，充分發揮了現代工業PLC強大的遠程通訊和擴展能力，簡化了控制裝置到受控元件之間的電氣布線，降低了安裝成本，節約了調試工作所需的時間。

此外，本實用新型公開的控制裝置具備靈活方便的擴展或縮簡功能，容易適應控制對象因升級或改造發生的控制規模的改變。

附圖說明

圖1為現有技術中的脈沖袋式除塵器分室清灰裝置的結構示意圖；

圖2為本實用新型的實施例中的通用型參數化脈沖清灰控制裝置的示意圖；

圖3為本實用新型的實施例中的單片機ATC89C52擴展RS485接口原理圖；

圖4為本實用新型的實施例中的RS232轉RS485接口電路圖；

圖5為本實用新型的實施例中的RS232轉RS485接口電路工作示意圖；

圖6為本實用新型的實施例中的單片機擴展輸出接口原理圖。

其中：

1、分氣包；2、脈沖閥；3、離線閥；4、噴吹管；5、濾袋；10、人機交互單元；20、本地控制單元；30、遠程擴展單元。

具體實施方式

下面結合附圖詳細介紹本實用新型技術方案。

如圖2所示，本實用新型提供一種通用型參數化脈沖清灰控制裝置。該裝置包括人機交互單元10、本地控制單元20、遠程擴展單元30，人機交互單元10與所述本地控制單元20在本地連接，所述遠程擴展單元30布置于受控終端，其與本地控制單元20采用RS485總線實現連接和通訊。

進一步地，本地控制單元20以工業PLC為基礎平臺，單片機為擴展平臺，充分利用各自平臺的開發特點以及總線通訊的優勢，開發一類以單一產品形式滿足最大控制規模的脈沖清灰控制裝置，最終實現廣泛適用于不同規格脈沖袋式除塵器清灰系統控制應用的要求。

本實用新型的實施例的設計思想和開發原理主要包括有以下幾個方面：

關于總體設計思想

本實用新型將從程序開發和硬件擴展兩個層面，分別實現脈沖清灰控制裝置控制規模參數化和控制接口最大化的功能，達到以單一的產品形式和相對穩定的控制成本實現脈沖清灰控制裝置通用化設計的目的。

關于開發平臺的說明

現代工業PLC品牌眾多，系列規格繁雜，不同品牌甚至同一品牌旗下不同系列、檔次的PLC產品都有其特定的編程環境、語法規則以及布線特點。因此開發基于PLC平臺的應用型產品及其控制程序，首先要明確開發平臺，為了方便敘述，本實用新型的實施例中我們以SIEMENS公司的S7-200系列PLC和廣泛應用于嵌入式系統的AT89S52單片機分別作為本地控制單元和遠程擴展單元的開發平臺，詳細說明硬件設計和程序開發中有關的技術原理和方法。

關于控制規模參數化的原理及方法

考慮到傳統的脈沖清灰控制裝置普遍使用基于特定規格的受控設備開發的“剛性”清灰控制程序，其控制和輸出規模一般都是固定的，這局限了脈沖清灰控制裝置隨受控規模靈便調整的能力。因此，我們在不考慮實際控制規模的前提下，把袋式除塵器的分室數量和單室脈沖閥2的數量看成可以變化的參數，在此基礎上開發脈沖清灰控制程序，令程序輸出時循環和遍歷的次數分別等于受控分室數量和單室脈沖閥2的數量這兩個預先輸入的規模參數。不論實際控制對象的配置及數量如何變化，只要通過人機接口改變規模參數并建立邏輯輸出和物理輸出之間的地址映射關系，就可以實現不同控制規模的輸出，適應不同規格除塵設備的清灰控制的需求，而不必重新編輯或修改控制程序。這是實現脈沖清灰控制裝置通用化設計的前提。

以下詳細說明參數化脈沖清灰控制程序的實現方法。

一般情況下，袋式除塵器的脈沖清灰是按分室順序輪流進行和循環的，其中某個分室進行清灰時，首先關閉該分室對應的氣缸提升閥，將流經該分室的氣流阻斷，使分室內的濾袋不再進行過濾，然后該分室對應的脈沖清灰裝置將按預設時序控制電磁脈沖閥依次對該室各排濾袋進行噴吹，其它沒有離線的分室則保持正常過濾，當前離線的分室完成清灰后，氣缸提升閥打開，恢復過濾。接著切換到下一個分室，如此反復循環，直至除塵器的阻力降至合理的范圍，停止清灰。

因此每個分室的清灰都重復同樣的過程，即：氣缸提升閥關（離線）—>脈沖閥2依次噴吹（清灰）—>氣缸提升閥關（在線）。

按照這個原理，我們可以設計一個按分室次序循環的離線信號和一個按脈沖閥2循環的脈寬信號，兩個信號按工藝時序組合輸出，就可以完成對整個清灰過程的控制。清灰過程的邏輯和時序控制通過PLC編程實現，控制程序的基本設計思路如下：

定義一個分室循環計數器，令計數器的預設值等于受控分室的總數；

利用定時器構造一個時鐘脈沖發生器，令脈沖周期等于相鄰脈沖閥2切換的間隔時間，脈沖寬度為每個脈沖閥2的噴吹時間。同時定義一個脈沖循環計數器，令計數器的預設值等于單個分室配置脈沖閥2的總數。

令氣缸提升閥線圈置位，同時氣缸提升閥伸出行程輸出，并啟動超時檢測定時器，分室循環計數器加一；檢測到伸出行程極限或超時信號后，令氣缸提升閥伸出行程輸出復位；

令提升閥伸出行程極限或超時信號啟動時鐘脈沖發生器，檢測到脈沖寬度信號的上升沿一次，令脈沖循環計數器加一，當計數器達到預設值后，檢測到最后一個脈寬信號的下降沿時，令脈沖循環計數器停止計數并復位。同時輸出一個當前分室清灰完成信號。

令當前分室清灰完成信號啟動沉降過程定時器，達到預設時間后，輸出當前分室沉降完成信號。

令當前分室沉降完成信號啟動氣缸提升閥返回行程輸出，并啟動超時檢測定時器。檢測到返回行程極限或超時信號后，令氣缸提升閥返回行程輸出復位，同時令氣缸提升閥線圈復位。

令氣缸提升閥返回行程輸出復位信號啟動分室間隔定時器，定時器達到預設值后，輸出切換到下一個分室離線信號。

判斷分室循環計數器如果小于預設受控分室總數，則跳轉到第步；否則進入下一步。

所有分室清灰完成，分室循環計數器復位。由定時清灰或差壓循環的判斷準則判斷是否進入下一輪循環清灰，如是則跳轉到第步；否則停止清灰。

程序輸出處理：

分室循環計數器當前值+氣缸提升閥線圈狀態=當前分室氣缸提升閥狀態；

當前分室氣缸提升閥關閉的狀態下：

脈沖循環計數當前值+時鐘脈沖發生器脈寬輸出=當前分室當前脈沖閥2輸出

顯然，直接采用上述基本設計思路開發清灰控制程序還無法實現控制規模的參數化調整和輸出規模的動態分配，主要是因為以下幾個方面：

首先，分室循環計數器和脈沖循環計數器的預設值均由受控分室的總數和單室脈沖閥2的數量決定，這兩個參數正好代表了不同規格袋式除塵設備清灰系統的控制規模，如果將這兩個規模參數固定為常數，則不便于控制規模的調整。這也是常規脈沖清灰控制程序不能適應控制規模變化的主要原因之一。

其次，基本設計思路沒有考慮任何可以體現分室特征輸入信息的識別，比如，每個分室氣缸提升閥的行程限位信號，各分室配置不同脈沖閥2的特殊情況等。它限制了控制程序適應受控設備特殊配置的功能。

最后，采用當前循環序數和公共輸出變量組合的方式實現輸出地址的分配，程序的輸出規模將不能隨輸入的規模參數動態調整。當實際的受控規模發生了改變，程序的輸出部分還需要重新編輯。

為了實現控制規模的參數化調整和輸出規模動態分配的功能，我們在前述脈沖清灰過程基本設計思路的基礎上，對其進行如下的改進和完善：

將受控分室的總數和單室脈沖閥2的數量以變量形式作為程序的輸入參數，實現控制程序的輸出規模和輸入的規模參數動態關聯。程序執行的效果將是：

假設我們輸入受控分室總數為m，每個分室包含的脈沖閥2數量為n，那么程序運行時，一個清灰循環將遍歷m個分室的輸出，每個分室完成n次脈沖閥2的噴吹輸出。m和n由設備的實際受控規模決定。通過輸入終端修改m和n兩個參數的取值，就可以實現不同控制規模設備的配套。

分室特征輸入信息的識別

為了控制程序在依次調用每個分室清灰的過程中，可以準確識別該分室對應的特征信息，我們按以下方法設計和封裝控制程序：

首先將單個分室完整的清灰過程設計成一個子程序（這里稱之為單室清灰子程序），另外設計一個分室清灰循環調度程序，令其按預定的清灰次序依次調用單室清灰子程序，實現所有分室的遍歷和循環。

其次，為了實現分室清灰循環調度程序調用不同分室進行清灰時，可以準確識別該分室對應的特征輸入信息，我們需要將單室清灰子程序內部有關分室識別的特征輸入信息作為形參統一設計，并將其定義為子程序的輸入接口，在每次調用前由分室循環調度程序將該分室相應的特征輸入信息（實參）動態賦予子程序的接口形參。

因為每個分室的任一類特征輸入信息都需要用一個變量保存其數值或狀態，為了實現保存當前分室特征輸入信息的變量隨分室變化而同步改變，我們考慮采用指針的原理實現這個功能。因為指針代表的是變量的地址，通過偏移指針就可以改變當前變量，進而讀取當前變量。預先把所有分室的同類特征輸入信息保存在一片連續的寄存器內，將子程序接口的形參設計成指針形式，并且建立指針偏移量和分室位號之間的映射關系，這樣我們就可以在單室清灰子程序外部，通過分室循環調度程序改變分室位號控制指針偏移量，使指針指向保存當前分室特征控制輸入信息的變量地址，而在子程序內部訪問當前指針，就能讀出當前分室對應特征輸入信息變量的數值或狀態。從而實現了分室特征輸入信息在子程序調用過程中的傳遞。

最后設定循環規則，令調度程序按既定的循環規則實現所有分室的遍歷、輸出及循環。

輸出規模的動態分配

為了避免使用當前循環序數和公共輸出信號組合的方式分配輸出地址，造成程序的輸出規模無法隨規模參數動態映射的缺點，我們綜合利用PLC的移位和指針偏移指令，設計一個輸出地址響應規模參數而動態分配的算法。如下所述：

預先定義好輸出變量組的首地址，建立一個起始地址位于輸出變量組的首地址的字節型指針（這里稱為輸出變量指針）；

接著定義一個緩沖字節并設置一個循環移位計數變量；

程序輸出時將接收到的公共輸出信號依次傳遞給緩沖字節，緩沖字節作為循環左移指令的輸入，循環左移指令每接收到一個輸出信號，先將其賦予輸出變量指針，再將緩沖字節向左移動1位，同時移位循環計數變量加1，當檢測到移位循環變量大于8時，令輸出變量指針偏移到下一個字節，同時緩沖字節和移位循環計數變量清零，接受后續輸出指令輸入。

如此循環，就可以實現程序代碼不需要做任何改變的情況下輸出地址受控規模動態改變，達到規模參數控制輸出規模的目的。

需要注意的是，考慮到PLC輸出模板點位有限且擴展成本較高，而其中間變量的使用不受限制等原因，本實用新型將不再使用PLC的輸出模板實現輸出擴展，因此，參數化脈沖清灰控制程序的輸出地址全部采用中間變量，而不使用PLC的輸出地址。中間變量的輸出狀態以通訊方式傳遞給擴展單元，擴展單元驅動中繼或執行元件實現控制的目的。

通過以上幾個方面的改進和完善，就實現了脈沖清灰控制程序參數化所需的全部功能。同時也奠定了脈沖清灰控制裝置通用化設計的基礎。

關于本地控制單元及人機交互單元的選型及配置

本地控制單元20選擇一臺帶兩個RS232/485通訊端口的S7-200系列的PLC控制器，這里我們選擇CPU226CN，配合外圍供電元件和線路組成；人機交互單元選用一臺7英寸工業觸摸屏即可，這里選用昆侖通態的TPC7062Ti高性能嵌入式一體化觸摸屏。TPC7062Ti和CPU226CN通過PPI / MPI 網絡連接，占用CPU226CN的兩個通訊端口之一，另一個端口則用來和遠程擴展單元通訊。本地控制單元和人機交互單元集成在一個器件內。

將參數化脈沖清灰控制程序載入本地控制單元PLC控制器，同時利用MCGS_嵌入版開發軟件就TPC7062Ti開發好所需的接口功能。確保通過TPC7062Ti下達的操作指令可以控制CPU226CN內保存的程序正確輸出并顯示。就完成了通用型參數化脈沖清灰控制裝置控制端軟硬件開發的全部過程。

關于遠程擴展單元30的設計

遠程擴展單元30主要用來接收本地控制單元發送的執行指令，并將其合理分配給可以驅動執行元件或中繼的物理通道。

考慮到PLC對本地I/O擴展模塊最大尋址能力的限制以及控制裝置整體的實現成本，以及51系列的AT89S52單片機具有容量大、低功耗、刷寫方便、性價比高、抗干擾能力強，是目前設計、開發的主流產品等優點，因此，本實用新型的遠程擴展單元以AT89S52單片機為核心，分別對其進行通訊接口和輸出接口的擴展。

通訊接口擴展利用MAX485芯片對AT89S52擴展一組RS485接口，用來和PLC通訊。然后采用RS485/RS232轉換器，實現PC端和單片機的連接，方便通訊程序的下載和調試。

前述參數化脈沖清灰控制程序的輸出是利用PLC的中間變量來模擬的，而PLC的中間變量通過參數定義的理論控制規模是相當大的，實際應用中，我們不可能把如此龐大的控制規模逐一對應到物理輸出端口中去，并且脈沖布袋除塵器的最大分室數和每個分室裝配脈沖閥2的數量也是有限的。在綜合考慮AT89S52單片機I/O接口的特點、擴展規律，以及脈沖布袋除塵器實際能達到的最大控制規模，我們采用以下方案配置輸出接口的擴展。

首先用四個74HC595芯片級聯為AT89S52單片機擴展四組I/O端口，每組端口包含8個獨立的I/O通道。

其次對擴展出來32個I/O通道分別通過TLP521光耦和ULN2803達林頓晶體管進行進行電平轉換和功率放大，形成可以驅動繼電器的開關信號。

基于本實施例中的AT89S52單片機擴展的通訊及輸出接口電路原理圖如附圖3所示。

然后，將其32個開關信號組合成兩個個8×8的矩陣輸出電路，共計形成2×64種不同的狀態信號，分別用來實現分室離線信號的輸出和脈寬信號的輸出。

最后，分別將64種離線狀態信號和64種脈寬輸出狀態信號作為傳統矩陣型脈沖清灰控制電路的輸入，就可以形成最大64室，單室最多安裝64個脈沖閥2的脈沖清灰控制規模。同時保持了控制規模和控制成本之間的相對穩定。

需要補充的是，在此，單片機擴展的I/O端口的數量以及清灰裝置的分室數均是按照本實施例中的工況需求選擇設計的，當然還可以是其他的參數，本實用新型在此不做限定。

關于本地控制單元所使用的控制器和遠程擴展單元單片機之間通訊協議的開發及其通訊過程的實現此處不再贅述。

在本實施例中，我們是以基于特定的硬件平臺（SIEMENS公司的S7-200系列PLC和AT89S52單片機)來說明其開發原理和功能特點的，眾所周知，現代工業PLC品牌眾多，系列規格繁雜，因此，實際應用中可以根據企業特點和客戶需求選擇其他的開發平臺，其實現的原理和本實用新型基本一致，主要區別就在于采用不同的開發平臺要根據其開發環境編制相應的控制程序，開發相應的操作界面以及采用相應的通訊協議。當然，還可以采用其他的選型方案，本實用新型在此不做限定。

在某些特殊的應用領域，比如要求兩個（含兩個）以上分室同時進行清灰時，本實用新型所采用的參數化離線清灰控制程序需要根據實際情況進行修改，但其硬件部分不作改變。

在本實用新型的基礎上，利用RS485通訊的方式，本地控制單元還可進一步開發，進行除塵系統其他自控裝置和儀表的有關開關量和模擬量的采集，從而形成一套完整的除塵自動化控制系統。

本實用新型的實施例的優點有益效果

1、本實用新型以參數化設計為指導思想，產品開發及制造不因具體的受控對象或控制規模改變而變化，只需設計一款成熟的產品，便可廣泛應用于不同規格的袋式除塵設備或系統脈沖清灰過程的控制。有利于產品的通用化設計和控制功能的持續改進。

2、本實用新型采取將控制模塊和輸出模塊分離為兩個單元的設計理念，充分發揮了現代工業PLC強大的遠程通訊和擴展能力，簡化了控制裝置到受控元件之間的電氣布線，降低了安裝成本，節約了調試工作所需的時間。

3、本實用新型具備靈活方便的擴展或縮簡功能，容易適應控制對象因升級或改造發生的控制規模的改變。

最后應說明的是：以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，并不用于限制本實用新型，盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。