锅炉车间输煤机组控制系统设计以及实现毕业论文.docx
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锅炉车间输煤机组控制系统设计以及实现毕业论文
1设计内容及要求
1.1输煤机组控制系统
本课程设计任务主要是锅炉车间输煤机组系统的设计，有多个电动机带动，具体内容如下:
输煤机组控控制系统示意图如图1-1所示。
图1-1输煤机组示控制系统意图
表1-1输煤机组控制信号说明
输入
输出
文字符号
说明
文字符号
说明
SF0-1
输煤机组手动控制开关
QA1
给料器和磁选料器接触器
SF0-2
输煤机组自动控制开关
QA2
1#送煤机接触器
SF1
输煤机组自动开车按钮
QA3
破碎机接触器
SF2
输煤机组自动停车按钮
QA4
提升机接触器
SF3
输煤机组紧急停车按钮
QA5
2#送煤机接触器
SF4
给料器和磁选料器手动按钮
QA6
回收机接触器
SF5
1#送煤机手动按钮
MB1
磁选料器
SF6
破碎机手动按钮
PG7
手动运行指示灯
SF7
提升机手动按钮
PG8
紧急停车指示灯
SF8
2#送煤机手动按钮
PG9
系统正常运行指示灯
SF9
回收机手动按钮
PG10
系统故障指示灯
PB
报警电铃
PG1～6
输煤机组单机运行指示
输煤机组的拖动系统由6台三相异步电动机MA1～MA6和一台磁选料器MB1组成。
SF0为手动/自动转换开关，SF1和SF2为自动开车/停车按钮，SF3为事故紧急停车按钮，SF4～SF9为6个控制按钮，手动时单机操作使用。
PB为开车/停车时讯响器，提示在输煤机组附近的工作人员物煤机准备起动请注意安全。
PG1～PG6为MAl～MA6电动机运行指示，PG7为手动运行指示，PG8为紧急停车指示，PG9为系统运行正常指示，PG故障指示。
1.2输煤机组控制要求
（1）手动开车/停车功能SF0手柄指向左45º时，接点SF1-1接通，通过SF4～SF9控制按钮，对输煤机组单台设备独立调试与维护使用，任何一台单机开车/停车时都有音响提示，保证检修和调试时人身和设备安全。
（2）自动开车/停车功能SF0手柄指向右45º时，接点SF0-2接通，输煤机组自动运行。
1）正常开车按下自动开车按钮SF1，音响提示5s后，回收电动机MA6起动运行并点亮PG6指示灯；10s后，2#送煤电动机MA5电动机起动运行并点亮PG5指示灯；10s后，提升电动机MA4起动运行并点亮PG4指示灯；10s后，破碎电动机MA3起动运行并点亮HL3指示灯；10s后，1#送煤电动机MA2起动运行并点亮PG2指示灯；10s后，给料器电动机MA1和磁选料器MB1起动运行并点亮PG1指示灯；10s后，点亮PG9系统正常运行指示灯，输煤机组正常运行。
2）正常停车按下自动停止按钮SF2，音响提示5s后，给料器电动机MA1和磁选料器MB1停车并熄灭PG1指示灯，同时，熄灭PG9系统正常运行指示灯；10s后，1#送煤电动机MA2停车并熄灭PG2指示灯；10s后，破碎电动机MA3停车并熄灭PG3指示灯；10s后，提升电动机MA4停车并熄灭PG4指示灯；10s后，2#送煤电动机MA5电动机停车并熄灭PG5指示灯；10s后，回收电动机MA6停车并熄灭PG6指示灯；输煤机组全部正常停车。
3）过载保护输煤机组有三相异步电动机MA1～MA6和磁选料器MB1的过载保护装置热继电器，如果电动机、磁选料器在输煤生产中，发生过载故障需立即全线停车并发出报警指示。
系统故障指示灯PG10点亮，电铃PB断续报警20s，PG10一直点亮直到事故处理完毕，继续正常开车，恢复生产。
4）紧急停车输煤机组正常生产过程中，可能会突发各种事件，因此需要设置紧急停车按钮，实现紧急停车防止事故扩大。
紧急停车与正常停车不同，当按下红色蘑菇形紧急停车按钮SF3时，输煤机组立即全线停车，PB警报声持续10s停止，紧急停车指示灯PG8连续闪亮直到事故处理完毕，回复正常生产。
5）系统正常运行指示输煤机组中，拖动电动机MA1～MA6和磁选料器MB1按照程序全部正常起动运行后，PG9指示灯点亮。
如果有一台电动机或选料器未能正常起动运行，则视为故障，系统故障指示灯PG10点亮，输煤机组停车。
（3）相关参数
1）MA1～MA6及磁选料器MB1功率如图1-1中所示。
2）指示灯PG：
0.25W，DC24V。
3）电铃PB：
8W，AC220V。
1.3设计任务
1）根据控制要求，进行电气控制系统硬件电路设计，包括主电路、控制电路及PLC硬件配置电路。
2）根据控制要求，编制输煤机组PLC控制程序，有条件可以利用模拟开关板调试程序，模拟运行。
3）编写设计说明书，内容包括：
①设计过程和有关说明。
②基于PLC的输煤机组电气控制系统电路图。
③PLC控制程序（梯形图和指令表）。
④电器元器件的选择和有关计算。
⑤电气设备明细表。
⑥参考资料、参考书及参考手册。
⑦其他需要说明的问题，例如操作说明书、程序的调试过程、遇到的问题及解决方法、对课程设计的认识和建议等。
1.4输煤系统简介
随着生产过程的控制规模不断增大，运行参数越来越高，生产设备及其相应的热力设备和系统更加复杂。
输煤系统是热力系统的重要组成部分，是锅炉车间燃料供应的有力保证。
输煤机组工作效率的提高是整个工艺过程的关键因素，而整个输煤过程往往采用远程控制，这就对自动控制系统的设计提出了更高的要求，传统方法不能得到满意的测控效果。
因此，在输煤系统中往往选择比较有优势的PLC（可编程控制器）控制系统，使整个控制过程具有正常运行、事故处理、参数监测、故障报警、装置调控、危险保护等功能。
输煤系统的主要特点有：
1.系统设备多。
设备种类多。
给煤机、翻车机、斗轮堆取料机、皮带输送机、碎煤机、筛煤机、犁煤器、三通挡板、除尘器、取样机、煤味监测装置、皮带秤等。
设备数量多。
电厂输煤系统设备数量一般均为100多台。
2.系统分部广。
输煤系统设备布设分散、作业线长、运行方式灵活多变，分部一般在几公里的范围内，有的大型火电厂甚至更远。
3.系统故障点多。
皮带的拉断、跑偏、超载、撕裂；碎煤机的超温、超振；三通挡板及犁煤器等的卡死或不到位；皮带、筛煤机的堵煤现象等。
4.工艺流程复杂。
多种煤源设备取煤通过电动三通挡板的切换经皮带输送机（一般均为双路）传送到原煤仓。
可以组成几十种甚至上百种工艺流程。
5系统运行环境恶劣。
输煤系统运行环境粉尘飞扬，水、灰、煤粉比比皆是，特别市夏日煤仓气温高达50℃。
1.5PLC简介
在PLC问世之前，工业控制领域中是继电器占主导地位。
但继电器控制领域有着十分明显的缺点：
体积大、耗电多、可靠性、寿命短、运行速度慢、适应性差、尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。
为了改变这一现状，PLC控制系统产生了。
继1969年美国数字设备公司研制出世界第一台PLC，并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时期，从此，可编程控制器这一新的控制技术迅速发展起来了。
在许多领域都有广泛的应用。
PLC的优点是：
可靠性高，耗电少，适应性强，运行速度快，寿命长等，为了进一步提高输煤机的功能和性能，避免传统控制的一些弊端，就提出了用PLC来控制输煤机组这个课题。
1.5.1PLC的基本概念
可编程控制器是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。
但是为了避免与个人计算机（PersonalComputer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。
由于它可通过软件来改变控制过程，而且具有体积小，组装灵活，编程简单，抗干扰能力强及可靠性高等特点，非常适合于在恶劣的工业环境下使用。
故自60年代末第一台PLC问世以来，已很快被应用到机械制造、冶金、矿业、轻工等各个领域，大大推进了机电一体化进程。
进入80年代，随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使得可编程控制器有了突飞猛进的发展，功能日益增强，已远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，具备模数转换、数模转换、高速计数、速度控制、位置控制、轴定位控制、温度控制、PID控制、远程通讯、高级语言编辑以及各种物理量转换等功能。
特别是远程通讯功能的实现，易于实现时柔性加工和制造系统（FMS），使得PLC如虎添翼，被人们称为现代工业控制三大支柱之一。
1.5.2PLC的基本结构
PLC的结构有如下组成：
①电源
PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。
如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。
一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去
②中央处理单元（CPU）
中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。
它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。
等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。
这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
③存储器
存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。
存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。
④输入输出接口电路
现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
⑤功能模块
如计数、定位等功能模块。
⑥通信模块如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。
1.5.3PLC的工作原理
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。
完成上述三个阶段称作一个扫描周期。
在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
（1）输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。
输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。
在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。
因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
（2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序（梯形图）。
在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
即在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。
即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
（3）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。
在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。
这时，才是PLC的真正输出。
2.PLC控制系统设计
2.1硬件系统设计
2.1.1控制系统主电路图设计
按照设计要求，给料器M1、1#送煤机M2、破碎机M3、提升机M4、2#送煤机M5和回收电动机M6由6台三相异步电动机拖动。
磁选料器YA由两相电源提供。
负载M2-M6由接触器KM2-KM6控制，给料器M1和磁选料器YA共同由KM1控制。
由于破碎机M3功率为13KW和2#送煤机M5功率为75KW都比7.5KW大，所以采用星—三角降压启动。
其余负载均采用直接启动方式。
电源
回收机
2#送煤机
提升
机
破碎
机
1#送煤机
给料器及磁选料器
图2-2主电路图
1）主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分别控制三相异步电动机M1给料电动机，M2送煤电动机，M3破碎电动机，M4提升电动机，M5送煤电动机，M6回收电动机。
2）热继电器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6的作用是对电动机M1、M2、M3、M4、M5、M6实现过载保护。
3）熔断器FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6分别实现各负载回路的短路保护.
2.1.2电器元件的选择
该控制系统由于控制输入点数较多，有2个输入开关分别控制手动控制，9个输入按钮分别为SB1和SB2为自动开车/停车按钮，SB3为事故紧急停车按钮，SB4～SB9分为6个电动机控制按钮。
输出点数也较多，有6个输出接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分别控制三相异步电动机M1给料电动机，M2送煤电动机，M3破碎电动机，M4提升电动机，10个输出指示灯其中HL7手动运行指示灯、HL8为紧急停车指示灯、HL9为系统正常运行指示灯、HL10为统故障指示灯、HL1-6为输煤机组单机运行指示灯和1个输出HA电铃。
继电-接触器系统虽然有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使得设备连线复杂，且触电在开闭是易受电弧的危害，寿命短，系统可靠性差；所以如果采用继电-接触器控制方式，控制电路将会很复杂，而且可靠性难以保证。
而且按照本课题的控制要求，控制过程主要采用逻辑和顺序控制，而PLC恰能满足此控制要求。
所以，用PLC进行控制，不仅能满足控制要求、控制方便简单，而且具有较高的可靠性。
因此，本设计应采用PLC进行控制。
（1）输入/输出接口（I/O）数量；输入端口14个，输出端口10个，SIMATICS7-200系列PLC硬件配置灵活，既可以用一个单独的S7-200CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量I/O模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统。
西门子S7-200CUP224/AC/DC/RLY有输入端口14个，输出端口10个，符合要求;所以采用西门子S7-200CUP224/AC/DC/RLY完成PLC硬件结构配置。
（2）因为负载有直流供电有交流供电，所以采用输出形式为继电器。
（3）对于CPU224模块，本机输入地址为I0.0-I0.7和I1.1-I1.5,输出地址为Q0.0-Q0.7和Q1.0-Q1.1。
因为基本单元自带的I/O接口不能满足控制系统要求，因此需要数字量I/O扩展单元。
，与基本的单元相连，并使基本单元的寻址功能对模块上的I/O接口进行控制。
S7-200系列PLC目前可以提供的有3种类型的数字量输入/输出模块，即EM221，EM222，EM223，查阅数字量输入/输出模块各类型型号特点，首先采用一个EM222的8继电器输出；扩展模块EM222的I/O地址范围是Q2.0-Q2.7,不能满足控制要求，又因为CPU224能够扩展7个模块，因为控制要求输出有21个，另需一个EM223的DI4/DO4*DC24V/继电器；扩展模块EM223的I/O地址范围是Q3.0-Q3.3;满足系统控制要求。
本机与扩展连接形式，见图3-1模块连接图。
图2-3模块连接图
2.1.3PLC选型
OMRON公司是世界著名的几大PLC生产与开发的厂家之一，其大、中、小、微型机各有特色所长，在中国市场的占有率居前列。
特别是它的小型P型机、中型机C200H，在用户中享有很高声誉。
国内很多以P型机或C200H为背景机的教材。
近年来，OMRON公司推出了P型机的后续机型CPM1A。
本设计正是选用OMRON公司CPM1A型PLC。
CPM1A系列PLC是OMRON公司生产的小型整体式PLC，其在一小单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制，中断输入，脉冲输出，模拟量设定和时钟大亨功能。
CPM1ACPU单元能处理广泛围的机械控制应用，所以是设备内装控制单元的理想产品。
另外，完整的通信功能保证了与个人计算机和OMRON可编程终端的通信。
这些通信功能使用户能设计一个经济的分布式生产控制系统。
而基于CPM1A和个人计算机的PC/PLC机电控制系统也具有一定的通用性。
所以本文考虑设备数量及应用场合，选择CPM1A。
因为它具有可靠性高、体积小、扩展方便，使用灵活的特点。
选其型号为CPM1A-30CDR-A。
I/O点为30点；电源类型为AC型，范围100V~240V；输出方式为继电器输出型。
性能如下：
2048程序存储器；2048数据存储器；18点输入，12点输出；可扩展3个模块；对于大型控制工程，18点输入不能满足点数要求时，可以通过I/O扩展模块进行行输入点数的扩展。
CPM1A最多可扩展到54个输入点。
2.2软件系统设计
2.2.1I/O地址分配表
I/O信号在PLC接线图端子的地址分配是进行PC控制系统设计的基础。
对软件设计来说，分配I/O点地址以后才可以进行编程；对控制柜和PLC的外围接线来说，只有I/O点地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据接线图和安装图安装控制柜。
由上硬件系统的选择可知控制系统由一个CPU224及两个扩展模块EM222,EM223,各模块各分配地址如下:
CPU224基本单元的I/O地址如下：
I0.0I0.1、IO.2、I0.3、I0.4、I0.5、I0.6、I0.7、I1.1、I1.2、I1.3、I1.4、I1.5、I1.6、I1.7、Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1
第一个扩展模块EM222的I/O地址：
Q2.0、Q2.1、Q2.2、Q2.3、Q2.4、Q2.5、Q2.6、Q2.7
第二个扩展模块EM223的I/O地址：
Q3.0、Q3.1、Q3.2
PLC输入输出接口地址分配表见表2-1
表2-1PLC输入输出接口地址分配表
输入接口地址：
序号
工作名称
文字符号
输入口
1
输煤机组手动控制开关
SA1-1
I0.0
2
输煤机组自动控制开关
SA1-2
I0.1
3
输煤机组自动开车按钮
SB1
I0.2
4
输煤机组自动停车按钮
SB2
I0.3
5
输煤机组紧急停车按钮
SB3
I0.4
6
给料器磁选料器手动按钮
SB4
I0.5
7
1#送煤机手动按钮
SB5
I0.6
8
破碎机手动按钮
SB6
I0.7
9
提升机手动按钮
SB7
I1.0
10
2#送煤机手动按钮
SB8
I1.1
11
回收机手动按钮
SB9
I1.2
12
M1-M6，YA运行正常信号
KM
I1.3
13
M1-M6,YA过载保护信号
FR
I1.4
输出接口地址：
序号
工作名称
文字符号
输出口
1
给料器磁选料器接触器
KM1
Q0.0
2
1#送煤机接触器
KM2
Q0.1
3
破碎机接触器
KM3
Q0.2
4
提升机接触器
KM4
Q0.3
5
2#送煤机接触器
KM5
Q0.4
6
回收机接触器
KM6
Q0.5
7
2#送煤机Y形启动接触器
KM7
Q0.6
8
2#送煤机三角形启动接触器
KM8
Q0.7
9
破碎机Y形启动接触器
KM9
Q1.0
10
破碎机三角形启动接触器
KM10
Q1.1
11
手动运行指示灯
HL7
Q2.0
12
紧急停车指示灯
HL8
Q2.1
13
系统正常运行指示灯
HL9
Q2.2
14
系统故障运行指示灯
HL10
Q2.3
15
报警电铃
HA
Q2.4
16
输煤机组单机运行指示
HL1
Q2.5
17
输煤机组单机运行指示
HL2
Q2.6
18
输煤机组单机运行指示
HL3
Q2.7
19
输煤机组单机运行指示
HL4
Q3.0
20
输煤机组单机运行指示
HL5
Q3.1
21
输煤机组单机运行指示
HL6
Q3.2
2.2.2PLC控制电路接线图
根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路接线图，如图2-4。
图2-4I/O接线图
2.3梯形图
输煤机组的控制过程分为自动和手动控制方式。
在自动控制模式下，要求各负载从M6到M1逆序自动启动，并能从M1到M6顺序自动停止。
同时，该输煤机组还能在手动控制模式下进行点动，以便调试和维修。
而且，该系统还能实现过载保护、紧急停车和故障提醒功能，并有相应的指示报警功能。
所以，我们应该主要采用定时器指令和顺序控制指令对本控制系统进行程序设计。
其梯形图如下：
2.4语句表
ORGANIZATION_BLOCK主程序:
OB1
TITLE=程序注释
BEGIN
Network1//网络标题
//网络注释
LDSM0.1
SS0.0,1
RS0.1,14
Network2
LSCRS0.0
Network3
LDI0.1
AI0.2
ANI0.4
ANI1.4
SCRTS0.1
Network4
SCRE
Network5
LDSM0.1
SM2.0,1
TONT37,50
Network6
LDT37
SCRTS0.2
RM2.0,1
Network7
SCRE
Network8
LSCRS0.2
Network9
LDSM0.1
LPS
SQ0.5,1
SQ3.2,1
TONT38,100
AI1.4
SCRTS2.0
LPP
AI0.4
SCRTS2.2
Network10
LDT38
SCRTS0.3
Network11
SCRE
Network12
LDSM0.0
LPS
SQ0.4,1
TONT203,100
ANT203
SQ0.6,1
LRD
AT203
SQ0.7,1
RQ0.6,1
LPP
LPS
SQ3.1,1
TONT39,1
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