一种通用型参数化脉冲清灰控制装置的制作方法

本实用新型涉及除尘装置技术领域，具体涉及一种实验室有毒物质收集装置。

背景技术：

清灰系统是脉冲袋式除尘器的核心组成，它一般由压缩空气（或氮气）系统、分气包、脉冲阀、喷吹管以及配套的脉冲清灰控制装置等组成。通常每个独立的分室配置一台分气包，每台分气包安装数个脉冲阀，每个脉冲阀负责分室内一排滤袋的清灰。

脉冲清灰的工作原理是通过控制电磁脉冲阀瞬间启闭，气包内的压缩空气将形成高速脉动气流，经喷吹管从位于喷吹管下方的导流孔排出，并诱导数倍于喷吹气流的周围空气进入滤袋，使滤袋发生膨胀和振动，将滤袋表面附着的尘饼剥落而进入灰斗。通常一根喷吹管对应于箱体（或分室）内布置的一排滤袋（即所谓的行喷吹），脉冲阀依次顺序喷吹，直至完成全部滤袋的清灰。如果喷吹过程中滤袋还处在过滤烟气的状态，我们称之为在线清灰，反之就称之为离线清灰。

清灰系统的合理设计和可靠运行是脉冲袋式除尘器功能稳定和保持高效过滤的关键保障。而驱动清灰系统工作的控制装置一般是基于可编程设备开发的，即针对具体的可编程设备，根据脉冲清灰的工艺原理开发具备符合清灰要求的控制程序，以可编程设备为核心，辅以外围供配电、逻辑控制及输入输出扩展的元件和电路，共同组成脉冲清灰控制装置，脉冲清灰控制装置按照内部程序的指令控制驱动除尘器的气缸提升阀和电磁脉冲阀按清灰工艺的逻辑和时序工作，实现脉冲清灰工艺的过程控制。其特点是控制原理简单、功耗小、控制规模随受控设备不同而灵活多变。

因为脉冲袋式除尘器属于非标设计的工业产品，其配套的脉冲清灰控制装置目前也以定制开发为主。小型单机袋式除尘器一般采用基于单片机开发的脉冲清灰控制仪，大中型的袋式除尘机组（含风机）常采用以工业PLC为核心的除尘控制柜，集中实现清灰、输送、风机逻辑及模拟量检测等综合功能。不论采用哪类平台，目前的脉冲清灰控制装置就其清灰功能而言，都是为特定规格的除尘设备或系统配套设计和开发的，还没有实现通用化设计。因此，脉冲清灰装置无法脱离受控设备的具体型式而独立设计、开发和批量化生产，制约了产品的标准化应用和控制功能的持续改进。具体来说，主要存在以下几个方面的不足：

1、一般以满足刚性需求为设计原则，根据受控设备的控制规模，即袋式除尘器的分室数量以及每个分室装配的脉冲阀数，事先确定输入输出模块（或通道）的配置及数量，针对受控对象的具体数量开发相应的控制程序，通常还将控制器和输入输出模块（或通道）集成在一起。一旦设备规格或控制规模发生了变化，就需要重新设计硬件配置、控制回路及控制程序，产品形式多变，通用性差，不利于标准化设计和生产，设计和制造周期较长。

2、没有发挥和体现出现代工业PLC（或单片机）强大的开发功能和良好的远程通讯及扩展能力。控制模块和输入输出模块集成设计的方式，即不利于控制规模的灵活配置，又增加了操作地点和控制终端之间线缆敷设的数量，安装成本较高且不便于调试和维护。

3、不具备灵活方便的扩展或缩简功能，不能适应控制对象因升级或改造发生的控制规模的改变。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种通用型参数化脉冲清灰控制装置。该装置包括人机交互单元、本地控制单元、远程扩展单元，所述人机交互单元与所述本地控制单元在本地连接，所述远程扩展单元与所述本地控制单元采用RS485总线实现连接和通讯。

优选地，所述本地控制单元和所述人机交互单元集成设置。

优选地，所述本地控制单元为至少具有两个通讯端口的PLC控制器。

优选地，所述远程控制单元具有单片机扩展后的通讯及I/O接口。

优选地，所述单片机具有R组I/O端口，每组所述端口包括P个I/O通道；所述I/O通道经过电平转换和功率放大以形成R×P个开关信号；将所述开关信号组合成矩阵输出电路，以形成扩展之后具有多个状态信号，以满足分室离线信号和脉宽信号的输出。

优选地，将多个所述的分室离线信号和多个所述的脉宽信号作为传统控制电路的输入，以形成具有多个脉冲阀的脉冲清灰控制规模。

有益效果：

一方面，本实用新型公开的控制装置以参数化设计为指导思想，产品开发及制造不因具体的受控对象或控制规模改变而变化，只需设计一款成熟的产品，便可广泛应用于不同规格的袋式除尘设备或系统脉冲清灰过程的控制。有利于产品的通用化设计和控制功能的持续改进。

另一方面，本实用新型公开的控制装置采取将控制模块和输出模块分离为两个单元的设计理念，充分发挥了现代工业PLC强大的远程通讯和扩展能力，简化了控制装置到受控元件之间的电气布线，降低了安装成本，节约了调试工作所需的时间。

此外，本实用新型公开的控制装置具备灵活方便的扩展或缩简功能，容易适应控制对象因升级或改造发生的控制规模的改变。

附图说明

图1为现有技术中的脉冲袋式除尘器分室清灰装置的结构示意图；

图2为本实用新型的实施例中的通用型参数化脉冲清灰控制装置的示意图；

图3为本实用新型的实施例中的单片机ATC89C52扩展RS485接口原理图；

图4为本实用新型的实施例中的RS232转RS485接口电路图；

图5为本实用新型的实施例中的RS232转RS485接口电路工作示意图；

图6为本实用新型的实施例中的单片机扩展输出接口原理图。

其中：

1、分气包；2、脉冲阀；3、离线阀；4、喷吹管；5、滤袋；10、人机交互单元；20、本地控制单元；30、远程扩展单元。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本实用新型技术方案。

如图2所示，本实用新型提供一种通用型参数化脉冲清灰控制装置。该装置包括人机交互单元10、本地控制单元20、远程扩展单元30，人机交互单元10与所述本地控制单元20在本地连接，所述远程扩展单元30布置于受控终端，其与本地控制单元20采用RS485总线实现连接和通讯。

进一步地，本地控制单元20以工业PLC为基础平台，单片机为扩展平台，充分利用各自平台的开发特点以及总线通讯的优势，开发一类以单一产品形式满足最大控制规模的脉冲清灰控制装置，最终实现广泛适用于不同规格脉冲袋式除尘器清灰系统控制应用的要求。

本实用新型的实施例的设计思想和开发原理主要包括有以下几个方面：

关于总体设计思想

本实用新型将从程序开发和硬件扩展两个层面，分别实现脉冲清灰控制装置控制规模参数化和控制接口最大化的功能，达到以单一的产品形式和相对稳定的控制成本实现脉冲清灰控制装置通用化设计的目的。

关于开发平台的说明

现代工业PLC品牌众多，系列规格繁杂，不同品牌甚至同一品牌旗下不同系列、档次的PLC产品都有其特定的编程环境、语法规则以及布线特点。因此开发基于PLC平台的应用型产品及其控制程序，首先要明确开发平台，为了方便叙述，本实用新型的实施例中我们以SIEMENS公司的S7-200系列PLC和广泛应用于嵌入式系统的AT89S52单片机分别作为本地控制单元和远程扩展单元的开发平台，详细说明硬件设计和程序开发中有关的技术原理和方法。

关于控制规模参数化的原理及方法

考虑到传统的脉冲清灰控制装置普遍使用基于特定规格的受控设备开发的“刚性”清灰控制程序，其控制和输出规模一般都是固定的，这局限了脉冲清灰控制装置随受控规模灵便调整的能力。因此，我们在不考虑实际控制规模的前提下，把袋式除尘器的分室数量和单室脉冲阀2的数量看成可以变化的参数，在此基础上开发脉冲清灰控制程序，令程序输出时循环和遍历的次数分别等于受控分室数量和单室脉冲阀2的数量这两个预先输入的规模参数。不论实际控制对象的配置及数量如何变化，只要通过人机接口改变规模参数并建立逻辑输出和物理输出之间的地址映射关系，就可以实现不同控制规模的输出，适应不同规格除尘设备的清灰控制的需求，而不必重新编辑或修改控制程序。这是实现脉冲清灰控制装置通用化设计的前提。

以下详细说明参数化脉冲清灰控制程序的实现方法。

一般情况下，袋式除尘器的脉冲清灰是按分室顺序轮流进行和循环的，其中某个分室进行清灰时，首先关闭该分室对应的气缸提升阀，将流经该分室的气流阻断，使分室内的滤袋不再进行过滤，然后该分室对应的脉冲清灰装置将按预设时序控制电磁脉冲阀依次对该室各排滤袋进行喷吹，其它没有离线的分室则保持正常过滤，当前离线的分室完成清灰后，气缸提升阀打开，恢复过滤。接着切换到下一个分室，如此反复循环，直至除尘器的阻力降至合理的范围，停止清灰。

因此每个分室的清灰都重复同样的过程，即：气缸提升阀关（离线）—>脉冲阀2依次喷吹（清灰）—>气缸提升阀关（在线）。

按照这个原理，我们可以设计一个按分室次序循环的离线信号和一个按脉冲阀2循环的脉宽信号，两个信号按工艺时序组合输出，就可以完成对整个清灰过程的控制。清灰过程的逻辑和时序控制通过PLC编程实现，控制程序的基本设计思路如下：

定义一个分室循环计数器，令计数器的预设值等于受控分室的总数；

利用定时器构造一个时钟脉冲发生器，令脉冲周期等于相邻脉冲阀2切换的间隔时间，脉冲宽度为每个脉冲阀2的喷吹时间。同时定义一个脉冲循环计数器，令计数器的预设值等于单个分室配置脉冲阀2的总数。

令气缸提升阀线圈置位，同时气缸提升阀伸出行程输出，并启动超时检测定时器，分室循环计数器加一；检测到伸出行程极限或超时信号后，令气缸提升阀伸出行程输出复位；

令提升阀伸出行程极限或超时信号启动时钟脉冲发生器，检测到脉冲宽度信号的上升沿一次，令脉冲循环计数器加一，当计数器达到预设值后，检测到最后一个脉宽信号的下降沿时，令脉冲循环计数器停止计数并复位。同时输出一个当前分室清灰完成信号。

令当前分室清灰完成信号启动沉降过程定时器，达到预设时间后，输出当前分室沉降完成信号。

令当前分室沉降完成信号启动气缸提升阀返回行程输出，并启动超时检测定时器。检测到返回行程极限或超时信号后，令气缸提升阀返回行程输出复位，同时令气缸提升阀线圈复位。

令气缸提升阀返回行程输出复位信号启动分室间隔定时器，定时器达到预设值后，输出切换到下一个分室离线信号。

判断分室循环计数器如果小于预设受控分室总数，则跳转到第步；否则进入下一步。

所有分室清灰完成，分室循环计数器复位。由定时清灰或差压循环的判断准则判断是否进入下一轮循环清灰，如是则跳转到第步；否则停止清灰。

程序输出处理：

分室循环计数器当前值+气缸提升阀线圈状态=当前分室气缸提升阀状态；

当前分室气缸提升阀关闭的状态下：

脉冲循环计数当前值+时钟脉冲发生器脉宽输出=当前分室当前脉冲阀2输出

显然，直接采用上述基本设计思路开发清灰控制程序还无法实现控制规模的参数化调整和输出规模的动态分配，主要是因为以下几个方面：

首先，分室循环计数器和脉冲循环计数器的预设值均由受控分室的总数和单室脉冲阀2的数量决定，这两个参数正好代表了不同规格袋式除尘设备清灰系统的控制规模，如果将这两个规模参数固定为常数，则不便于控制规模的调整。这也是常规脉冲清灰控制程序不能适应控制规模变化的主要原因之一。

其次，基本设计思路没有考虑任何可以体现分室特征输入信息的识别，比如，每个分室气缸提升阀的行程限位信号，各分室配置不同脉冲阀2的特殊情况等。它限制了控制程序适应受控设备特殊配置的功能。

最后，采用当前循环序数和公共输出变量组合的方式实现输出地址的分配，程序的输出规模将不能随输入的规模参数动态调整。当实际的受控规模发生了改变，程序的输出部分还需要重新编辑。

为了实现控制规模的参数化调整和输出规模动态分配的功能，我们在前述脉冲清灰过程基本设计思路的基础上，对其进行如下的改进和完善：

将受控分室的总数和单室脉冲阀2的数量以变量形式作为程序的输入参数，实现控制程序的输出规模和输入的规模参数动态关联。程序执行的效果将是：

假设我们输入受控分室总数为m，每个分室包含的脉冲阀2数量为n，那么程序运行时，一个清灰循环将遍历m个分室的输出，每个分室完成n次脉冲阀2的喷吹输出。m和n由设备的实际受控规模决定。通过输入终端修改m和n两个参数的取值，就可以实现不同控制规模设备的配套。

分室特征输入信息的识别

为了控制程序在依次调用每个分室清灰的过程中，可以准确识别该分室对应的特征信息，我们按以下方法设计和封装控制程序：

首先将单个分室完整的清灰过程设计成一个子程序（这里称之为单室清灰子程序），另外设计一个分室清灰循环调度程序，令其按预定的清灰次序依次调用单室清灰子程序，实现所有分室的遍历和循环。

其次，为了实现分室清灰循环调度程序调用不同分室进行清灰时，可以准确识别该分室对应的特征输入信息，我们需要将单室清灰子程序内部有关分室识别的特征输入信息作为形参统一设计，并将其定义为子程序的输入接口，在每次调用前由分室循环调度程序将该分室相应的特征输入信息（实参）动态赋予子程序的接口形参。

因为每个分室的任一类特征输入信息都需要用一个变量保存其数值或状态，为了实现保存当前分室特征输入信息的变量随分室变化而同步改变，我们考虑采用指针的原理实现这个功能。因为指针代表的是变量的地址，通过偏移指针就可以改变当前变量，进而读取当前变量。预先把所有分室的同类特征输入信息保存在一片连续的寄存器内，将子程序接口的形参设计成指针形式，并且建立指针偏移量和分室位号之间的映射关系，这样我们就可以在单室清灰子程序外部，通过分室循环调度程序改变分室位号控制指针偏移量，使指针指向保存当前分室特征控制输入信息的变量地址，而在子程序内部访问当前指针，就能读出当前分室对应特征输入信息变量的数值或状态。从而实现了分室特征输入信息在子程序调用过程中的传递。

最后设定循环规则，令调度程序按既定的循环规则实现所有分室的遍历、输出及循环。

输出规模的动态分配

为了避免使用当前循环序数和公共输出信号组合的方式分配输出地址，造成程序的输出规模无法随规模参数动态映射的缺点，我们综合利用PLC的移位和指针偏移指令，设计一个输出地址响应规模参数而动态分配的算法。如下所述：

预先定义好输出变量组的首地址，建立一个起始地址位于输出变量组的首地址的字节型指针（这里称为输出变量指针）；

接着定义一个缓冲字节并设置一个循环移位计数变量；

程序输出时将接收到的公共输出信号依次传递给缓冲字节，缓冲字节作为循环左移指令的输入，循环左移指令每接收到一个输出信号，先将其赋予输出变量指针，再将缓冲字节向左移动1位，同时移位循环计数变量加1，当检测到移位循环变量大于8时，令输出变量指针偏移到下一个字节，同时缓冲字节和移位循环计数变量清零，接受后续输出指令输入。

如此循环，就可以实现程序代码不需要做任何改变的情况下输出地址受控规模动态改变，达到规模参数控制输出规模的目的。

需要注意的是，考虑到PLC输出模板点位有限且扩展成本较高，而其中间变量的使用不受限制等原因，本实用新型将不再使用PLC的输出模板实现输出扩展，因此，参数化脉冲清灰控制程序的输出地址全部采用中间变量，而不使用PLC的输出地址。中间变量的输出状态以通讯方式传递给扩展单元，扩展单元驱动中继或执行元件实现控制的目的。

通过以上几个方面的改进和完善，就实现了脉冲清灰控制程序参数化所需的全部功能。同时也奠定了脉冲清灰控制装置通用化设计的基础。

关于本地控制单元及人机交互单元的选型及配置

本地控制单元20选择一台带两个RS232/485通讯端口的S7-200系列的PLC控制器，这里我们选择CPU226CN，配合外围供电元件和线路组成；人机交互单元选用一台7英寸工业触摸屏即可，这里选用昆仑通态的TPC7062Ti高性能嵌入式一体化触摸屏。TPC7062Ti和CPU226CN通过PPI / MPI 网络连接，占用CPU226CN的两个通讯端口之一，另一个端口则用来和远程扩展单元通讯。本地控制单元和人机交互单元集成在一个器件内。

将参数化脉冲清灰控制程序载入本地控制单元PLC控制器，同时利用MCGS_嵌入版开发软件就TPC7062Ti开发好所需的接口功能。确保通过TPC7062Ti下达的操作指令可以控制CPU226CN内保存的程序正确输出并显示。就完成了通用型参数化脉冲清灰控制装置控制端软硬件开发的全部过程。

关于远程扩展单元30的设计

远程扩展单元30主要用来接收本地控制单元发送的执行指令，并将其合理分配给可以驱动执行元件或中继的物理通道。

考虑到PLC对本地I/O扩展模块最大寻址能力的限制以及控制装置整体的实现成本，以及51系列的AT89S52单片机具有容量大、低功耗、刷写方便、性价比高、抗干扰能力强，是目前设计、开发的主流产品等优点，因此，本实用新型的远程扩展单元以AT89S52单片机为核心，分别对其进行通讯接口和输出接口的扩展。

通讯接口扩展利用MAX485芯片对AT89S52扩展一组RS485接口，用来和PLC通讯。然后采用RS485/RS232转换器，实现PC端和单片机的连接，方便通讯程序的下载和调试。

前述参数化脉冲清灰控制程序的输出是利用PLC的中间变量来模拟的，而PLC的中间变量通过参数定义的理论控制规模是相当大的，实际应用中，我们不可能把如此庞大的控制规模逐一对应到物理输出端口中去，并且脉冲布袋除尘器的最大分室数和每个分室装配脉冲阀2的数量也是有限的。在综合考虑AT89S52单片机I/O接口的特点、扩展规律，以及脉冲布袋除尘器实际能达到的最大控制规模，我们采用以下方案配置输出接口的扩展。

首先用四个74HC595芯片级联为AT89S52单片机扩展四组I/O端口，每组端口包含8个独立的I/O通道。

其次对扩展出来32个I/O通道分别通过TLP521光耦和ULN2803达林顿晶体管进行进行电平转换和功率放大，形成可以驱动继电器的开关信号。

基于本实施例中的AT89S52单片机扩展的通讯及输出接口电路原理图如附图3所示。

然后，将其32个开关信号组合成两个个8×8的矩阵输出电路，共计形成2×64种不同的状态信号，分别用来实现分室离线信号的输出和脉宽信号的输出。

最后，分别将64种离线状态信号和64种脉宽输出状态信号作为传统矩阵型脉冲清灰控制电路的输入，就可以形成最大64室，单室最多安装64个脉冲阀2的脉冲清灰控制规模。同时保持了控制规模和控制成本之间的相对稳定。

需要补充的是，在此，单片机扩展的I/O端口的数量以及清灰装置的分室数均是按照本实施例中的工况需求选择设计的，当然还可以是其他的参数，本实用新型在此不做限定。

关于本地控制单元所使用的控制器和远程扩展单元单片机之间通讯协议的开发及其通讯过程的实现此处不再赘述。

在本实施例中，我们是以基于特定的硬件平台（SIEMENS公司的S7-200系列PLC和AT89S52单片机)来说明其开发原理和功能特点的，众所周知，现代工业PLC品牌众多，系列规格繁杂，因此，实际应用中可以根据企业特点和客户需求选择其他的开发平台，其实现的原理和本实用新型基本一致，主要区别就在于采用不同的开发平台要根据其开发环境编制相应的控制程序，开发相应的操作界面以及采用相应的通讯协议。当然，还可以采用其他的选型方案，本实用新型在此不做限定。

在某些特殊的应用领域，比如要求两个（含两个）以上分室同时进行清灰时，本实用新型所采用的参数化离线清灰控制程序需要根据实际情况进行修改，但其硬件部分不作改变。

在本实用新型的基础上，利用RS485通讯的方式，本地控制单元还可进一步开发，进行除尘系统其他自控装置和仪表的有关开关量和模拟量的采集，从而形成一套完整的除尘自动化控制系统。

本实用新型的实施例的优点有益效果

1、本实用新型以参数化设计为指导思想，产品开发及制造不因具体的受控对象或控制规模改变而变化，只需设计一款成熟的产品，便可广泛应用于不同规格的袋式除尘设备或系统脉冲清灰过程的控制。有利于产品的通用化设计和控制功能的持续改进。

2、本实用新型采取将控制模块和输出模块分离为两个单元的设计理念，充分发挥了现代工业PLC强大的远程通讯和扩展能力，简化了控制装置到受控元件之间的电气布线，降低了安装成本，节约了调试工作所需的时间。

3、本实用新型具备灵活方便的扩展或缩简功能，容易适应控制对象因升级或改造发生的控制规模的改变。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。