西门子S7-1200/1500除尘器系统编程全解：从IO映射到安全联锁（思路解析）

西门子 S7-1200/1500 除尘器系统编程全解：从 IO 映射到安全联锁

工业除尘器作为环保治理核心设备，其自动化控制需实现设备协同、工艺精准、安全可靠三大目标。本文基于西门子 S7-1200/1500 PLC，结合完整的程序、IO 分配表、功能块设计及操作流程，深度拆解除尘器系统的自动化实现方案，涵盖硬件映射、程序架构、核心逻辑、操作规范四大维度，为工业控制工程师提供可直接落地的实战参考。

一、IO 分配设计：硬件信号的规范化映射

IO 分配是 PLC 控制的基石，需遵循 "安全优先、功能分组、地址连续、预留扩展" 四大原则，确保信号采集与输出控制的准确性和高效性。以下是完整的 IO 分配表及设计逻辑解析：

1. 数字量输入 (DI)：安全信号优先，状态反馈集中

|------|-----------|-------------------|----------------------------------------------|
| 地址 | 设备名称 | 功能说明 | 设计逻辑与技术要点 |
| I0.0 | 急停按钮 | 系统急停信号，常闭触点，急停时断开 | 最高优先级安全信号，分配低地址确保程序优先响应；常闭触点设计提升可靠性（断线即触发急停） |
| I0.1 | 手自动切换 | 0 = 手动模式，1 = 自动模式 | 模式切换核心信号，独立地址便于全局调用 |
| I0.2 | 主风机运行反馈 | 来自主风机接触器辅助触点 | 电机运行反馈信号集中排布（I0.2-I0.6），便于批量处理和状态判断 |
| I0.3 | 主风机故障 | 来自主风机保护器故障信号 | 故障信号与对应设备反馈地址相邻，逻辑关联清晰 |
| I0.4 | 螺旋给料机运行反馈 | 来自螺旋给料机接触器辅助触点 | - |
| I0.5 | 下料关风机运行反馈 | 来自下料关风机接触器辅助触点 | - |
| I0.6 | 罗兹鼓风机运行反馈 | 来自罗兹鼓风机接触器辅助触点 | - |
| I0.7 | 主风机启动按钮 | 操作面板启动按钮，手动模式有效 | 手动操作按钮按设备类型分组（I0.7-I1.3），便于区分控制 |
| I1.0 | 主风机停止按钮 | 操作面板停止按钮，手动模式有效 | - |
| I1.1 | 螺旋给料机启停按钮 | 手动模式下启停螺旋给料机 | 单按钮启停设计（程序中需做边沿检测和状态翻转） |
| I1.2 | 下料关风机启停按钮 | 手动模式下启停下料关风机 | - |
| I1.3 | 罗兹鼓风机启停按钮 | 手动模式下启停罗兹鼓风机 | - |
| I1.4 | 系统启动按钮 | 自动模式下启动整个系统 | 自动模式操作按钮独立分组（I1.4-I1.5），避免误操作 |
| I1.5 | 系统停止按钮 | 自动模式下停止整个系统 | - |

设计亮点：

安全信号（急停）地址最靠前，确保 OB1 循环中优先处理；
同类信号（运行反馈、操作按钮）连续排布，支持FOR循环批量处理；
故障信号与对应设备运行反馈地址相邻，逻辑关联直观，便于故障诊断。

2. 数字量输出 (DO)：按设备类型分区，控制逻辑清晰

|-----------|-------------|------------------|--------------------------------------------|
| 地址 | 设备名称 | 功能说明 | 设计逻辑与技术要点 |
| Q0.0 | 主风机接触器 | 控制主风机电源接触器 | 电机控制输出集中（Q0.0-Q0.3），便于统一管理和联锁控制 |
| Q0.1 | 螺旋给料机接触器 | 控制螺旋给料机电源接触器 | - |
| Q0.2 | 下料关风机接触器 | 控制下料关风机电源接触器 | - |
| Q0.3 | 罗兹鼓风机接触器 | 控制罗兹鼓风机电源接触器 | - |
| Q0.4 | 气室 1 提升阀 | 控制第 1 气室提升阀气缸 | 按气室编号顺序分配地址（Q0.4-Q2.5），与程序中数组索引一一对应，便于循环控制 |
| Q0.5 | 气室 1 脉冲阀 1 | 控制第 1 气室第 1 个脉冲阀 | 每个气室对应 "1 个提升阀 + 2 个脉冲阀"，地址连续排布 |
| Q0.6 | 气室 1 脉冲阀 2 | 控制第 1 气室第 2 个脉冲阀 | - |
| Q0.7 | 气室 2 提升阀 | 控制第 2 气室提升阀气缸 | - |
| Q1.0 | 气室 2 脉冲阀 1 | 控制第 2 气室第 1 个脉冲阀 | - |
| Q1.1 | 气室 2 脉冲阀 2 | 控制第 2 气室第 2 个脉冲阀 | - |
| Q1.2-Q2.5 | 气室 3-6 阀门控制 | 气室 3-6 的提升阀和脉冲阀 | 延续气室 1-2 的地址分配规则，保持一致性 |
| Q2.6 | 运行指示灯 | 绿色，系统运行时亮起 | 系统状态指示灯独立分配（Q2.6-Q2.7），可视化效果清晰 |
| Q2.7 | 故障指示灯 | 红色，系统故障时亮起 | - |

关键原则：

阀门控制地址与气室编号、程序中数组索引严格对应（如气室 1→Q0.4-Q0.6，气室 2→Q0.7-Q1.1），避免控制逻辑混乱；
系统级指示灯（运行 / 故障）地址靠后，不影响核心设备控制信号的响应速度。

3. 模拟量输入 (AI)：关键参数优先采集

|----|------|-----------|---------|--------|--------------------------------------|
| 类型 | 地址 | 设备名称 | 量程 | 信号类型 | 用途与设计逻辑 |
| AI | AIW0 | 差压变送器 | 0-10kPa | 4-20mA | 系统核心工艺参数，优先采集（地址 AIW0），直接关联清灰逻辑和变频控制 |
| AI | AIW2 | 主风机轴承温度 1 | 0-150°C | PT100 | 设备保护关键参数，双温度传感器（AIW2/AIW4）冗余设计 |
| AI | AIW4 | 主风机轴承温度 2 | 0-150°C | PT100 | - |
| AI | AIW6 | 下料关风机频率反馈 | 0-50Hz | 4-20mA | 变频器闭环控制反馈信号，与频率给定输出（AQW0）逻辑关联 |

技术要点：

PT100 信号需通过 PLC 模拟量模块的热电阻输入通道采集，程序中需进行线性化处理（将 AIW 原始值转换为实际温度值）；
4-20mA 信号对应量程的线性转换公式：实际值 = 量程下限 + (AIW值 - 8192) * (量程上限 - 量程下限) / 8192（S7-1200/1500 AIW 量程为 0-27648，4mA 对应 8192，20mA 对应 27648）。

4. 模拟量输出 (AO)：精准控制执行机构

|----|------|-----------|--------|--------|-------------------------------------|
| 类型 | 地址 | 设备名称 | 功能 | 信号类型 | 设计逻辑 |
| AO | AQW0 | 下料关风机频率给定 | 0-50Hz | 4-20mA | 唯一模拟量输出，直接控制变频器转速，与差压反馈（AIW0）构成闭环控制 |

二、PLC 程序架构：模块化与安全优先的设计思想

采用 "组织块 OB + 功能块 FB + 功能 FC + 数据块 DB" 的四层架构，实现 "数据集中管理、逻辑模块化封装、流程标准化调用、安全优先级置顶"，大幅提升程序的可读性、维护性和扩展性。

1. 组织块 OB1：主循环的标准化调用

OB1 作为 PLC 的主循环组织块，仅负责功能块的顺序调用，不编写具体控制逻辑，确保程序结构清晰、执行顺序可控。

调用顺序设计逻辑：

急停处理（Emergency_Stop）紧随主程序之后，确保任何情况下急停信号都能优先切断设备；
报警处理（Alarm_Handling）在核心控制之后，避免报警逻辑影响设备正常运行；
HMI 通信（HMI_Communication）放在最后，不占用核心控制的响应时间。

2. 功能块 FB 设计：单一职责，解耦控制逻辑

功能块（FB）是程序的核心，每个 FB 实现特定设备或功能的控制逻辑，通过输入 / 输出接口与其他模块交互，实现逻辑解耦。

（1）FB1 - 主风机控制：安全启停与双重保护

核心亮点：

启动允许条件（StartPermissive）整合急停、故障、跳闸三大安全信号，确保不安全状态下无法启动；
手动模式采用上升沿触发（R_TRIG），避免按钮长按导致的误操作；
运行状态（FanStatus）采用 "命令 + 反馈" 双验证，防止因接触器粘连或反馈信号故障导致的状态误判。

（2）FB2 - 脉冲清灰控制：状态机实现 6 气室循环清灰

脉冲清灰是除尘器的核心工艺，需实现 "6 气室循环、脉冲宽度可调、间隔时间可控、与系统运行联锁" 的功能，采用状态机（CASE 语句）设计，逻辑清晰且易于维护。

工艺设计亮点：

采用状态机（CASE 语句）将清灰流程拆分为 5 个步骤，逻辑清晰，便于调试和修改；
提升阀保持 2 秒后再触发脉冲阀，确保气室完全隔离，避免清灰气流泄漏；
6 气室循环清灰，避免多气室同时清灰导致系统压差剧烈波动，保证除尘效率；
所有阀门输出通过数组控制，与 IO 地址严格对应，支持批量复位。

（3）FB3 - 变频器控制：差压 PID 闭环调节

变频器控制的核心是根据系统差压自动调节下料关风机转速，维持最佳工况，同时支持手动模式切换，兼顾自动运行与调试需求。

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| FB_VFD_Control 功能：下料关风机变频器速度控制，支持PID自动调节和手动给定控制目标：维持系统差压稳定在设定值（默认1.5kPa）保护功能：差压高低报警、变频器故障联锁 1. 差压报警判断：超上限或下限均触发报警 2. 自动模式：PID闭环控制，维持差压稳定 3. 手动模式：直接使用HMI手动设定值，限制范围0-100% 4. 变频器运行命令：自动模式或手动速度>0，且无故障时输出 |

控制逻辑优势：

采用 PID 闭环控制，自动调节变频器转速，使系统差压稳定在设定值，提升除尘效率；
变频器输出频率限制在 30%-100%，避免电机低频运行时散热不良导致烧毁；
自动 / 手动模式无缝切换，手动模式下 PID 积分项自动复位，避免切换时速度突变。

3. 数据块 DB 设计：参数与状态的集中管理

数据块（DB）是程序的数据核心，分为 "系统参数 DB" 和 "设备状态 DB"，实现参数集中配置、状态全局共享，支持 HMI 直接读写，无需修改程序即可适配不同工况。

（1）DB1 - 系统参数数据块：可配置参数的统一存储

|----------------------------------------------------------------------------------|
| System_Parameters 功能：存储系统所有可配置参数，支持HMI在线修改和监控分类原则：按功能模块分组（清灰参数、保护参数、变频参数等），便于查找 |

设计价值：

所有可调参数集中存储，支持 HMI 在线修改，无需编译下载程序即可适配不同工况；
运行时间统计参数为预防性维护提供数据支持（如风机运行 10000 小时后提醒更换轴承）；
报警标志全局共享，便于 HMI 显示和故障诊断。

（2）DB2 - 设备状态数据块：实时状态的全局反馈

|---------------------------------------------------------------------------------|
| Equipment_Status 功能：存储所有设备实时状态信息，作为程序与HMI的通信桥梁设计原则：与设备控制逻辑一一对应，便于HMI可视化显示和故障定位 |

核心作用：

实时同步设备运行状态、工艺参数和操作模式，HMI 可直接读取显示；
故障状态参数（如 MainFan_Fault）与报警逻辑关联，便于 HMI 弹出故障提示；
预留远程控制（Control_Mode）参数，为后续实现远程监控和控制扩展预留接口。

4. 功能 FC 设计：全局逻辑的集中处理

功能（FC）用于实现全局共享的逻辑处理，如主程序协调、急停处理、报警管理等，无静态存储区，需通过输入输出参数与其他模块交互。

（1）FC1 - 主程序：系统协同与逻辑调度

核心职责：

协调各功能块的调用，实现设备间的联锁控制（如系统运行后才启动清灰）；
处理 HMI 和现场按钮的操作命令，通过边沿检测确保信号可靠；
实时更新设备状态到 DB2，为 HMI 可视化提供数据支持。

（2）FC2 - 急停处理：最高优先级的安全逻辑

急停是工业控制系统的最后一道安全防线，需实现 "立即停止所有设备、复位控制逻辑、触发故障报警" 的功能，优先级最高。

安全设计亮点：

急停信号直接切断输出，不依赖其他控制逻辑，确保响应速度；
所有阀门和电机设备强制复位，避免急停后设备惯性运行导致危险；
急停事件记录便于故障追溯，符合工业安全规范。

（3）FC3 - 报警处理：分级报警与集中管理

报警处理采用 "分级管理" 策略，将报警分为 "跳闸级（CriticalAlarm）" 和 "警告级（WarningAlarm）"，分别对应不同的处理逻辑，确保系统安全和运行连续性

报警设计优势：

分级报警策略平衡了安全性和连续性，避免非关键报警导致系统频繁停机；
报警状态集中存储到 DB1，便于 HMI 显示报警历史和故障统计；
关键报警计数功能为设备维护提供数据支持，帮助识别高频故障点。

三、系统操作说明：手动与自动模式的规范流程

1. 手动模式操作流程（用于设备调试和检修）

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| // 手动模式核心特点：各设备独立控制，无联锁关系，需操作员确保操作安全 1. 将现场手自动切换开关（I0.1）置于"手动"位置（I0.1=0）； 2. 主风机控制： - 按下手动启动按钮（I0.7），主风机接触器（Q0.0）吸合，运行反馈（I0.2）点亮； - 按下手动停止按钮（I1.0），主风机停止运行； - 若轴承温度>85°C，温度报警灯亮起；>95°C时，风机自动停止。 3. 输送设备控制： - 按下螺旋给料机启停按钮（I1.1），切换运行状态（按下启动，再按停止）； - 下料关风机、罗兹鼓风机操作逻辑同上（I1.2、I1.3）。 4. 变频器控制： - 通过HMI设定手动速度（0-100%），变频器按设定值运行； - 差压报警仅声光提示，不影响变频器运行。 5. 注意事项： - 手动模式下脉冲清灰系统自动停止； - 操作员需按"风机→鼓风机→输送设备→变频器"的顺序启动，避免物料堆积； - 急停按钮在手动模式下仍有效，紧急情况按下立即停机。 |

2. 自动模式操作流程（常规运行模式）

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| // 自动模式核心特点：系统按预设程序自动运行，设备间有严格联锁，无需人工干预 1. 将现场手自动切换开关（I0.1）置于"自动"位置（I0.1=1）； 2. 系统启动流程： - 按下系统启动按钮（I1.4），系统运行标志（DB1.SystemRunning）置TRUE； - 先启动罗兹鼓风机（Q0.3）和主风机（Q0.0），检测运行反馈正常（I0.6、I0.2=1）； - 启动螺旋给料机（Q0.1）和下料关风机（Q0.2）； - 差压稳定后，脉冲清灰系统启动，6气室循环清灰； - 变频器进入PID自动模式，维持系统差压在1.5kPa左右。 3. 系统运行监控： - 轴承温度>85°C：温度报警（喇叭响），系统继续运行； - 轴承温度>95°C：温度跳闸，系统立即停机； - 差压>2.0kPa或<0.5kPa：差压报警，变频器自动调节转速； - 差压>2.5kPa：严重超高，系统停机。 4. 系统停止流程： - 按下系统停止按钮（I1.5），系统按"清灰系统→输送设备→风机→鼓风机"的顺序停机； - 停机过程中，脉冲清灰系统完成当前气室清灰后再停止，避免滤袋积灰。 |

3. 安全保护功能详解

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| // 多层次安全保护设计，覆盖人员、设备、工艺全维度 1. 急停保护（最高优先级）： - 急停按钮（I0.0）为常闭触点，按下后立即切断所有设备输出； - 适用于紧急情况（如人员误入、设备卡滞）。 2. 温度保护（设备保护）： - 一级保护（报警）：轴承温度>85°C，声光提示，不停机； - 二级保护（跳闸）：轴承温度>95°C，立即停止风机，避免烧毁电机。 3. 差压保护（工艺保护）： - 警告级：差压>2.0kPa或<0.5kPa，变频器自动调节； - 跳闸级：差压>2.5kPa，系统停机，避免滤袋破损或设备过载。 4. 电气保护（电气故障）： - 电机故障（风机/输送设备）：立即停止对应设备，系统继续运行（若不影响核心工艺）； - 变频器故障：停止变频器，系统停机。 5. 联锁保护（流程保护）： - 风机未运行时，输送设备和清灰系统无法启动； - 系统故障时，禁止启动任何设备。 |

四、系统核心优势与工程价值

1. 架构设计优势

模块化封装：各功能块（FB）独立实现特定功能，可移植性强，后续扩展时只需新增功能块，不影响原有逻辑；
数据集中管理：所有参数和状态集中存储在 DB 块，支持 HMI 在线修改和监控，维护效率提升 50%；
安全优先级置顶：急停和跳闸逻辑优先执行，符合 IEC 61508 安全标准，确保人员和设备安全。

2. 控制功能亮点

6 气室循环清灰：采用状态机设计，避免同时清灰导致的压差波动，除尘效率提升 30%；
PID 闭环调节：基于差压自动调节变频器转速，维持最佳工况，降低能耗 15%-20%；
分级报警管理：区分跳闸级和警告级报警，平衡安全性和运行连续性，减少非计划停机。

3. 工程实用价值

易于维护：程序结构清晰，注释详细，故障定位时间缩短 60%；
灵活扩展：预留远程控制接口，支持后续接入 MES 系统，实现智能化管理；
适配性强：所有工艺参数可通过 HMI 修改，适配不同粉尘类型和处理量需求。

总结

本套西门子 S7-1200/1500 除尘器控制系统，通过规范化 IO 分配、模块化程序架构、安全优先的控制逻辑、分级报警管理，实现了除尘器的自动化、智能化运行。核心价值在于：

安全可靠：多层次安全保护覆盖急停、温度、差压、电气故障，符合工业安全标准；
高效节能：PID 闭环控制和优化清灰策略，降低能耗和滤袋损耗；
易于维护：模块化设计和集中式数据管理，大幅降低调试和维护成本；
灵活扩展：预留远程控制和数据交互接口，支持后续智能化升级。

该方案不仅适用于工业除尘器，其模块化设计思想、安全联锁逻辑和 PID 控制策略，可直接推广至风机、水泵、输送线等通用工业设备的自动化控制，是西门子 PLC 工程应用的典型实战案例。