PLC在火电厂输煤控制系统中的应用.docx

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PLC在火电厂输煤控制系统中的应用

摘要

输煤系统是火力发电厂的一个重要组成部分，是电厂内工作环境差，劳动强度大的一个系统。

有效地提高输煤系统的自动控制和管理水平是国内众多火电厂急待解决的问题。

根据电厂的实际情况，在输煤系统自动化改造工程中一般采用可编程逻辑控制器（programmablelogiccontroller，简称PLC）实现对生产设备的自动检测与控制。

再配以工业电视、模拟屏等辅助系统对输煤全线进行直接监视；采用自动广播系统实现报警及生产组织；利用上位计算机实现全面管理功能，完成对现场设备状态的显示和控制，以及智能化配煤、燃煤堆取计量、各种统计报表的生成以及与工业电视系统的联网。

本文基于S7-200系列PLC，设计了某大型锅炉输煤控制电气系统。

各机械之间均设计安全的联锁保护控制功能,系统中的输煤电机启停是有严格控制顺序的，彼此间有相应的联锁互动关系，当启动某台输煤设备时，从该设备下面流程的最终输煤设备开始向上逐级启动，最后才能使该台设备启动；当停止某台输煤设备或某台设备故障时，从该设备上面流程的源头给煤设备开始向下逐级停车，最后才能使该台设备停止。

这样，就保证了上煤传输的正常运行在线控制煤流量，避免了皮带上煤的堆积，也保护了皮带。

PLC控制系统硬件设计布局合理，工作可靠，操作、维护方便，工作良好。

用PLC输煤程控系统，不但实现了设备运行的自动化管理和监控，提高了系统的可靠性和安全性，而且改善了工作环境，提高了企业经济效益和工作效率。

关键词可编程控制器PLC，输煤，火电厂

Abstract

Thecoal-transfersystemisanimportancepartofthethermalpowerplant,isasystemthatworkenvironmentbadandthelaborstrengthbiginsidethepowerplant.Increasesavailablyautomaticcontrolandmanagementlevelofthecoal-transfersystemisaproblemthatlegionlocalsteampowerstationsneedexactlytosolve.Accordingtotheactualinstanceofthepowerstation,adopttheprogrammablelogiccontrollergenerallyreformengineeringincoal-transfersystemautomation,realizetotheautomaticexaminationandcontroloftheproductionequipments.Gotogetherwithagainwiththeindustrytelevision,simulatedscreenaccessorysystemetc.andtheycandirectlywatchsurveillancecoalwholeline.Adopttheautobroadcastsystemtorealizetogiveanalarmandproductionorganization.Makinguseoftheuppercomputerrealizingtomanagethefunctioncompletely,andcompletingtothemanifestationandcontrolofthespotequipmentsappearance,andintelligentcoalblending,takingmeasurefromcoal-firedpile,everykindofstatisticalform’sburning,andconnectingnetworkswiththeindustrytelevisionsystem,broadcastsystem.

ThispapertakesSIEMENSS7-200PLCasdesigningthesomelargeboilerprovidewarmlosingthecoalcontrolelectricitysystem.Thesystemcanworkreliablywithpropertyofeasyoperationandmaintenance.Thesafetylocksprotectioncontrolfunction:

Inthesystemoflosingthecoalelectricalengineeringhavethestrictcontrolinmovingandstopping,eachotherhasthehomologouslockinteractionrelation,beingstartsomesettolosethecoalequipments,fromthatequipmentsbelowprocessofendlosethecoalequipmentsstartheadinguppursueclassstart,thencanmakefinallythatsetequipmentsstart;Whenthestopsomesetlosesthecoalequipmentsorsomesetequipmentstobreakdown,fromthatequipmentsupthesourceheadoftheprocessstartsgetdownforthecoalequipmentstopursuetheclasstoparkthecar,thencanmakethatsetequipmentsstopfinally.Thus,guaranteedthenormalmovementthatlastcoaldeliver,avoidtheleatherbeltupthepileupofcoal,alsoprotectedtheleatherbelt.LosethecoaldistancetocontrolthesystemwiththePLC,notonlycarriedouttheautomationmanagementthatequipmentscirculateandsupervision,raisethecredibilityandsafetiesofthesystem,butalsoimprovedtheworkenvironment,raisethebusinessenterpriseeconomicperformanceandworkefficiencies.

KeywordsPLC,transferofcoal,powerplant

1引言

1.1选题意义与课题背景

随着工业自动化技术的飞速发展，电力系统的进一步深入改革，电厂对辅控系统自动化程度也不断的提高。

在火力发电厂的辅机系统的设计中，一般是根据辅控设备的功能，按照“水”、“灰”、“煤”三个系统设立了独立的集中监控网。

而为了保证设备优质高效的运行、提高劳动生产率、提高运行人员整体素质，满足减员增效的要求，也有取消一般的“水”、“灰”、“煤”三个独立的监控网，而构建一个电厂集中辅控网的思路。

目前，在我国大型热电厂中所采用的绝大部分燃料是燃煤。

煤的分布具有及其显著的地域特性，正是由于煤产地和电厂之间地理位置或地域不同，于是电厂需要通过汽车、火车或轮船把煤运往其煤厂，再通过卸煤系统、堆煤系统、上煤系统以及配煤系统等组成的输煤程控系统输送到指定的煤仓或煤筒。

火电厂输煤程控系统的主要任务就是卸煤、堆煤、上煤和配煤，以达到按时保质保量的为机组（原煤仓）提供燃煤的目的。

整个输煤控制系统是火电厂十分钟要的支持系统，它是保证机组稳定满负荷运转的重要条件。

考虑到输煤控制系统在整个火电厂中的重要性，而且煤厂面积大、工作条件恶劣、人工作业通讯难以畅通等特点，利用现代成熟的PLC和现代总线网络通讯实现其控制，用上位机软件来实现现场监控与操作，以达到自动化控制的目的，大大减轻了工作量，提高了工作效率，为发电机组源源不断提供燃料，保证机组正常运行。

输煤控制系统在整个电厂辅助控制系统中扮演者十分重要的角色，正是这样该系统承担的任务业很重，且运行环境差、劳动强度大，控制过程中启动设备较多，同时启动的设备高达20－30台以上，在启动或停机过程中有严格的联锁要求。

这样对自动化程度要求就很高，注重系统稳定性。

本系统采用组态王结合PLC对输煤程控中各流程进行控制，通过以太网进行数据传输，采用双网冗余技术，保证了系统的安全性和稳定性，充分体现了自动化技术在输煤系统中的重要作用。

1.2输煤系统控制方式及其功能特点

火力发电厂的输煤系统是辅机系统的重要部分，随着火电厂中单机容量和总装机容量的不断扩大，一个高出力、高可靠性和灵活性的燃料输送系统是机组乃至整个电厂稳定运行的重要保证。

输煤系统由卸煤、上煤、配煤、煤场的堆取和混煤等环节组成，系统有两条输煤线，包括斗轮机、翻车机、皮带输送机、给煤机、皮带机、振动筛、碎煤机及犁煤器等主要设备组成。

输煤系统承担从煤码头或卸煤沟至储煤场或主厂房原煤仓的运煤任务。

输煤系统的始点是翻车机卸下来的煤，通过皮带机既可输送到煤罐，也可输送到煤场储备，然后再通过斗轮机和皮带机再输送到煤罐。

煤罐中的粗煤通过位于煤罐低部的环式给煤机，连续均匀地分配给上煤皮带输送机，再经过筛分和碎煤机加工，进入原煤仓，为了使几个原煤仓的煤量合理分配，可通过控制犁煤器的抬落，按照顺序配煤和优先配煤原则，完成输煤系统的任务。

输煤系统的主要控制形式大致可分为三种：

●就地手动控制

主要控制设备是装有一至数台设备启停控制按钮的小型就地控制箱，并设有工况、报警状态的简单提示。

就地手动控制不能实现系统复杂的联锁要求，现多数只作为设备检修、调试时的辅助控制手段。

●集中手动控制

设备的启停控制集中在一个控制屏上，其联锁保护通常由继电器逻辑阵列实现。

控制屏上有设备运行工况的模拟指示、信号报警等。

集中手动控制能够实现简单运行方式控制及设备启动联锁的一般要求。

其缺点是电缆敖设量大，连线复杂，一旦制造完成其运行方式及不易改变。

●集中程序控制

这是以可编程控制器为主控设备的集中自动控制，它用可编程控制器的逻辑软件取代继电器的逻辑阵列，能够实现输煤系统复杂运行方式的控制要求。

与其它控制方式相比，它具有可靠性高、控制方式灵活等优点，是目前输煤控制系统的主流。

以上3种控制方式可以通过选择开关选择。

输煤控制系统的控制方式有计算机控制方式、操作台控制方式和就地控制方式。

三种控制方式可以通过选择开关选择。

计算机控制方式就是操作人员通过计算机键盘选择和启动输入，将指令传送到PLC系统，PLC系统按照梯形图程序启动有关设备，并将相关信息传送给计算机。

操作台控制方式就是通过操作台上的开关、按钮进行选择和控制，同时相关信息可通过模拟屏进行显示。

就地控制方式是通过位于电机旁的控制箱进行现场控制。

对输煤控制系统的要求主要是根据生产工艺处理输煤顺序之间的连锁和输煤系统各电机启动和停止的顺序，当有紧急情况时能紧急停车。

1.3输煤控制系统概况及工艺要求

输煤系统的安全、可靠运行是保证电厂安全、高效运行不可缺少的环节。

系统控制设备多、流程复杂分散与控制室相距较远。

又由于上煤过程中不可避免的煤粉飞扬，使得整个系统环境非常恶劣。

同时输煤系统中的设备、现有控制方式大部分为单独直接控制方式操作，可靠性差，自动化水平低。

为了提高火电厂自动化水平，为电厂安全稳定发电创造条件，这些都决定了必须提高输煤系统的自动化平，这样才能减轻劳动强度，改善劳动环境，提高输煤系统的效率和管理水平。

为了保证输煤系统的正常和可靠运行，该系统应满足以下要求：

供煤时，各设备的启动、停止必须遵循特定的顺序，即对个设备进行联锁控制。

各设备启动和停止过程中，要合理设置时间间隔（延时）。

启动延时统一设定12s，停车延时按设备的不同要求而设定，分为10s，20s，30s，40s，60s几种，以保证停车时破碎机为空载状态，各输煤皮带上无剩余煤。

运行过程中，某一台设备放生鼓掌时，应立即发出报警并自动停车，其前方（指供料方向）设备也立即停车。

其后方的设备按一定顺序及延时联锁停车。

各输煤皮带设有双向跑偏开关，跑偏15度时发出告警信号，跑偏30度时告警并自动停车。

可在线选择启动设备用设备，在特殊情况下可由2条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式。

可显示各机电设备运行状况，并对输煤过程有关情况（报警、自动停机等）做出实时记录。

控制系统运行在上位机操作现场及集中控制室均可实现控制功能。

在故障停机情况下，各设备均立即联跳，故障解除后，可将停掉的设备以自动控制再次启动。

紧急情况下，可操作集中控制室中控制面板上的急停掉电按钮，它将使现场所有运行中的受控设备立即停机。

1.4输煤控制系统国内外发展趋势

目前，中国的电力生产能力已居世界第二，但人均占有发电却排位靠后，随着中国经济的高速发展，电力生产自动化水平的提高和管理水平的不断进步将更为重要。

而电厂辅助系统是火电厂正常稳定运行的关键组成环节，输煤系统就是其中之一。

现在，国内大部分火电厂的输煤系统都已采用PLC进行控制。

对电厂未采用PLC控制的输煤系统部分进行程控改造已成为一种趋势。

如今国内大中型火力发电厂输煤系统普遍采用PLC进行程序控制，以取代系统的继电器强电集中控制方式。

但多数火电厂输煤程控系统仅利用了PLC基本开关量逻辑组合功能，其模拟量处理、回路调节等高级功能尚未开发应用。

输煤程控系统主要是以可编程控制器（PLC）为主，实现输煤系统的自动花控制，与强电集中控制相比，在技术上具有控制功能强，编程简单，实现工艺联锁方便，可省去大量的硬件接线，维护方便，可在线修改等特点。

PLC不仅能完成复杂的继电器控制逻辑，而且也能实现模拟量的控制，甚至智能控制；并能实现远程通讯，联网及上位机监控等。

可为全厂实现计算机控制和管理创造条件。

对地域分布较广的系统还可以增加远程控制站及闭路电视监视系统。

随着火电厂规模和单机容量的扩大，许多大型工况设备在输煤系统得到广泛应用，目前多数具备自动或半自动功能，如翻车机、斗轮机、入场煤采样机、入炉煤采样机和环式给煤机等都有各自的PLC控制系统。

如何组织和管理好这些大型设备，使整个输煤系统在最高效率状态下运行，是国内火电厂输煤专业发展中需要解决的首要问题。

全集成化的输煤过程控制器网络是能够满足对输煤设备的管理与控制要求的好途径。

与先进的主机控制系统相比，目前的输煤控制系统则显得十分落后。

以武汉阳逻电厂输煤控制系统为例，基本上为集中加就地控制模式，其PLC控制系统仅仅满足了皮带输送机的集中控制功能。

简言之，其PLC控制器仅仅代替了皮带输送机及其辅助设备（如挡板、振打器等）的启、停按钮的功能，其完成的仅仅是部分设备的顺序控制功能，无法达到整个系统的协调控制，而斗轮机、翻车机、环式给煤机均处于各自相对独立的情况下运行，其结果是运行岗位人员设置过多，人员工效率低，系统设备间配合不协调、设备空转导致的电能损耗、设备磨损等损耗较大。

PLC在输煤系统中的应用基本上限于设备级，各设备或系统处于各自的PLC控制之下，相互间基本独立。

随着国内火电厂机组的扩建和PLC技术的迅速发展，与当初输煤设备的控制从就地走向集中一样，输煤系统的PLC控制也将从设备级发展到车间级。

近些年来，随着电子技术、计算机技术、控制技术、信息网络技术的迅速发展，现代工业生产正向着生产过程过程控制高度自动化、工艺设备及测控设备高度智能化、生产管理高度自动化等方向发展，作为大型火电厂的燃料输煤系统也不例外，而且随着电气自动化的产品价格大幅度下降，可靠性大大提高，过去那种认为燃料输煤系统不需要较高自动化程度的观点已显得非常落后，从率先实现设备程控化、现场联网化和可视化，再到与MIS系统联网，以及随着WFT3嵌入技术深入到元件级和网速度可靠性的进一步提高，实现透明工厂和移动工业控制完全可能成为现实。

2可编程控制器

2.1可编程控制器的定义

可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。

在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

”

2.2可编程控制器的特点

抗干扰能力强，可靠性高

针对工业现场恶劣的环境因素，为提高抗干扰能力，PLC在硬件和软件方面都采取了许多措施。

在电子线路、机械结构以及软件结构上都吸取了生产厂家长期积累的生产控制经验，主要模块均采用大规模与超大规模集成电路，I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、防震等都有周到的考虑；在硬件上采用隔离、屏蔽、滤波、接地等抗干扰措施；对电源部分采取了很好的调整和保护措施，如多极滤波、采用集成电压调整器等，以适应电网电压波动和过电压、欠电压的影响；在软件上采用数字滤波等抗干扰和故障诊断措施，采用信息保护和恢复技术，实时报警和运行信息显示等。

所有这些使PLC具有较高的抗干扰能力。

控制系统结构简单，通用性强

大部分情况下，一个PLC主机就能组成一个控制系统。

对于需要扩展的系统，只要选好扩展模块，经过简单的连接即可。

PLC及扩展模块品种多，可灵活组合成各种大小合不同要求的控制系统。

编程方便，易于使用

PLC是面向底层用户的智能控制器，因为其最初的目的就是要取代继电器逻辑，所以，其编程语言采用了和传统控制系统中电气原理图类似的梯形图与语言，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识和语言，只要具有一定的电气和工艺知识的人员都可在短时间学会。

功能强大，成本低

现在PLC几乎能满足所有的工业控制领域的需要。

PLC控制系统可大可小，能轻松完成单机控制系统、批量控制系统、制造自动化中的复杂逻辑顺序控制、流程工业中大量的模拟量控制，以及组成通信网络、进行数据处理和管理等任务。

在今天的现场总线系统中，PLC也发挥着重要作业。

设计、施工、调试的周期短

用继电器控制完成一项控制工程，首先必须按工艺要求画出电气原理图，然后画出继电器屏的布置和接线图等，进行安装调试，以后修改起来十分方便。

而采用PLC控制，由于其硬软件齐全，为模块化积木式结构，且已商品化，故仅需按性能、容量等选用组装，而大量具体的程序编制工作也可在PLC到货前进行，因而缩短了设计周期，使设计和施工同时进行。

维护方便

PLC的输入/输出端子能够直观地反映现场信号的变化状态，通过编程工具可以直观地观察控制程序和控制系统的运行状态，如内部工作状态、通信状态、I/O点状态、异常状态和电源状态等，极大地方便了维护人员查找故障，缩短了对系统的维护时间。

2.3可编程控制器的应用领域及功能

●中小型单机电气控制系统

这是PLC应用最广泛的领域，如塑料机械、订书机械、包装机械、切纸机械、组合机床、磨床、电镀流水线及电梯控制等。

这些设备对控制系统的要求大都属于逻辑顺序控制，所以这也是最适合PLC使用的领域。

●制造业自动化

制造业是典型的工业类型之一，在该领域主要对物体进行品质处理、形状加工、组装，以位置、形状、力、速度等机械量和逻辑控制为主。

其电气自动控制系统中的开关量占决大多数，有些场合，数十台、上百台单机控制设备组合在一起形成流水线。

由于PLC性能的提高和通信功能的增强，使得它在制造业领域中的大中型控制系统中占绝对主导地位。

●运动控制

为适应高精度的位置控制，现在的PLC制造商为用户提供了功能完善的运动控制功能。

这一方面体现在功能强大的主机可以完成多路高速计数器的脉冲采集和大量的数据处理的功能；另一方面还提供了专门的单轴和多轴的控制步进电动机和伺服电动机的位置控制模块，这些智能化的模块可以实现任何对位置控制的任务要求。

●流程工业自动化

流程工业是工业类型中的重要分支，如电力、石油、化工、造纸等，其特点是对物流进行连续加工。

过程控制系统中以压力、流量、温度、物位等参数进行自动调节为主，大部分场合还有防护要求。

从20世纪90年代以后，PLC具有了控制大量的过程参数的能力，对多路参数进行PID调节已变得非常容易和方便。

和传统的分布式控制系统DCS相比，其价格方面业具有较大优势，再加上在人机界面和联网通信方面的完善和提高，PLC控制系统在过程控制领域业占据了相当大的市场份额。

2.4可编程控制器的工作模式

PLC有两种工作模式，既RUN（运行）模式与STOP（停止）模式。

在RUN模式，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。

在CPU模块的面板上用“RUN”LED显示当前的工作模式。

在STOP模式，CPU不执行用户程序，可以用编程软件创建和编辑用户程序，设置PLC的硬件功能，并将用户程序和硬件设置信息下载到PLC。

如果有致命错误，载消除之前不允许从STOP模式进入RUN模式。

PLC操作系统储存非致命错误供用户检查，但不会从RUN模式自动进入STOP模式。

2.5可编程控制器的工作原理

用触点和线圈实现逻辑运算。

数字量控制系统中，变量仅有两种相反的工作状态，例如高电平和低电平、继电器线圈的通电和断电、触点的接通和断开，可以用逻辑代数中的1和0来表示。

用继电器电路或梯形图可以实现“与”、“或”、“非”逻辑运算。

用多个触点的串、并联电路可以实现复杂的逻辑运算。

PLC通电后，需要对硬件和软件作一些初始化的工作。

为了时PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后反复不停地分阶段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作模式称为扫描工作模式。

图2.1PLC扫描过程

2.6S7-200概述

S7-200PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC的一样，因此，它一经推出，即受到了广泛的关注。

在2000年以前，西门子在中国市场的PLC产品主要是大中型PLC，日本的小型PLC占据了中国的大部分市场份额。

在S7-200PLC推出后，这种情况得到了明显改变，最近几年来的小型PLC市场上S7-200PLC成为了主流产品。

西门子最早的小型PLC产品是在上世纪末推出的S7-200CPU21*系列的PLC，但很快就被CUP22*系列的产品所取代了。

由于它具有多种功能模块和人机界面（HMI）可供选择，所以系统的集成非常方便，并且可以很容易地组成PLC网络。

同时它具有功能齐全的编程和工业控制组态软件，使得在完成控制系统的设计时更加简单，几乎可以完