锅炉车间输煤机组控制设计方案.docx
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锅炉车间输煤机组控制设计方案
锅炉车间输煤机组控制设计方案
1.1锅炉系统概述
锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备，它所产生的高压蒸汽，既可作为风机、压缩机、大型泵类的驱动的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。
随着工业生产规模的不断扩大、生产设备的不断革新，作为动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高效率发展。
为了确保安全、稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得更加重要。
输煤系统是整个系统的第一关。
燃料是工厂安全经济生产，全面完成任务的物质基础，没有了燃料，一切将无从谈起。
燃料费用占成本的75%左右，这就奠定了输煤系统是工厂经营管理的重要组成部分，也是安全生产管理的主要环节。
随着能源供需矛盾的发展变化，输煤系统的地位显得更加重要。
1.2锅炉输煤研究意义
所谓锅炉输煤系统，是指从送煤开始，一直到将合格的煤块送到原煤仓的整个工艺过程，它包括以下几个主要环节：
给煤生产线、选煤、皮带运输系统[2]、破碎与提升、回收系统以及一些辅助生产环节。
本设计中主要研究的是其中的输煤系统部分，即煤块从给煤机传输到原煤仓的过程。
传统的输煤系统是一种基于继电接触器和人工手动方式的半自动化系统。
由于输煤系统现场环境十分恶劣，不仅极大损害了工人的身体健康，而且由于输煤系统范围大，经常有皮带跑偏、皮带撕裂及落煤管堵塞等等麻烦，大大降低了发电厂的生产效率。
随着发电厂规模的扩大，对煤量的需求大大提高，传统的输煤系统已无法满足发电厂的需要。
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。
由于PLC控制器优越的控制性能和高度可靠性,使得其在工业自动化生产领域的应用越来越广泛[3]。
通过对PLC的应用，对锅炉的配煤系统进行了设计，对原有的传统手动配煤方式进行了优化和改进。
本课题的主要目标是改变以往配煤系统的传统手动配煤方式，提高运行人员工作效率，从煤源上进行筛选比控制，解决锅炉的配煤问题，提高锅炉的燃煤效率和经济效益。
通过利用PLC实现锅炉输煤机组的自动控制[4]，可以提升输煤技术的自动化水平，尽可能的降低煤损耗，提高煤的利用率，从而提高生产效益。
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第二章系统方案设计
2.1设计内容及目标
本项目要求输煤机组主要由6台三相异步电动机M1～M6和一台磁选料器YA组成，最终实现对锅炉的输煤机组的运行控制,具备开车、停车的自动和手动控制功能，需具备提醒、保护和紧急停车功能。
此外要对供煤机组的运动过程实时监控，在突发故障或意外情况是给予显示以便操作人员对系统故障能够及时排除，此次设计基于以上控制目的。
此外在操作台还将有一台触摸屏来监控电控系统运行的各个过程参数。
输煤机组控制系统示意图如图2-1所示。
图2-1输煤机组控制系统示意图
锅炉车间输煤机组控制设计是根据工业锅炉供煤工艺要求进行设计的，其在工业生产中的主要任务是：
能够对电机进行启停，手/自动，紧急停车等基本控制要求；能够对对电控系统的各个运行环节进行监控；能够对突发故障进行报警显示。
2.2设计要求
针对以上设计目标，为了保证输煤系统的正常、可靠运行，该系统应满足以下具体要求：
（1）供煤时，各设备的启动、停止必须遵循特定的顺序，即对各设备进行联锁控制；
（2）各设备启动和停止过程中，要合理设置时间间隔（延时）。
启动，停车延时统一设定为10s。
启动延时是为保证无煤堆积以发生故障；停车延时是为保证停车时破碎机等为空载状态；
（3）运行过程中，某一台设备发生故障时，应立即发出报警并自动停车，其整个输煤设备也立即停车。
此外在现场也有控制系统装置运行的按钮；
（4）可在线选择启动备用设备。
在特殊情况下可开启另一套备用设备，由两条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式。
2.3设计方案
本控制系统是基于PLC控制的设计，并且输煤系统的故障判断是建立在实时监控的基础上的。
首先它的硬件部分属于电气控制，软件部分是利用PLC的软件编程对其进行控制，同时利用组态软件建立上位机监测画面，通过与PLC的通信对运行系统进行实时监测和控制。
2.3.1设计信号说明
输煤机组的拖动系统由6台三相异步电动机M1～M6和一台磁选料器YA组成。
SA1为手动/自动转换开关，SB1和SB2为自动开车/停车按钮，SB3为事故紧急停车按钮，SB4～SB9为6个控制按钮，手动时单机操作使用。
HA为开车/停车时讯响器，提示在输煤机组附近的工作人员，输煤机准备起动请注意安全。
HL1为手动运行指示，HL2为紧急停车指示，HL3为系统运行状态指示。
为保证输煤机组输煤顺畅，开车采用逆煤流方向启动，停车时按顺煤流方向停车。
输煤机组的控制信号说明见表2-1。
表2-1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
SA1-1
输煤机组手动控制开关
KM1
给料器和磁选料器接触器
SA1-2
输煤机组自动控制开关
KM2
1#送煤机接触器
SB1
输煤机组自动开车按钮
KM3
破碎机接触器
SB2
输煤机组自动停车按钮
KM4
提升机接触器
SB3
输煤机组紧急停车按钮
KM5
2#送煤机接触器
SB4
给料器和磁选料器手动按钮
KM6
回收机接触器
SB5
送煤机P1手动按钮
HL1
手动运行指示灯
SB6
破碎机手动按钮
HL2
紧急停车指示灯
SB7
提升机手动按钮
HL3
系统运行状态指示灯
SB8
送煤机P2手动按钮
HA
报警电铃
SB9
回收机手动按钮
FR
M1～M6，YA过载保护信号
2.3.2输煤机组运行过程
1.手动开车/停车功能
SA1手柄指向左45º时，接点SA1-1接通，通过SB4～SB9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
SA1手柄指向右45º时，接点SA1-2接通，输煤机组自动运行。
（1）正常开车按下自动开车按钮SB1，音响提示5s后回收电动机M6起动运行；10s后送煤机P2电动机M5电动机起动运行；10s后提升电动机M4起动运行；10s后破碎电动机M3起动运行；10s后送煤机P1电动机M2起动运行；10s后给料器电动机M1和磁选料器YA起动运行并；10s后，点亮HL3系统运行状态指示灯，输煤机组正常运行。
（2）正常停车按下自动停车按钮SB2，音响提示5s后给料器电动机M1和磁选料器YA停车，同时，熄灭HL3系统运行状态指示灯；10s后送煤机P2电动机M5停车；10s后破碎电动机M3停车；10s后提升电动机M4停车；10s后送煤机P1电动机M2电动机停车；10s后，回收电动机M6停车；至此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M1～M6和磁选料器YA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，HA电铃断续报警20s，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，当按下紧急停车按钮SB3时，输煤机组立即全线停车，HA警报声持续10s停止，紧急停车指示灯HL2连续闪亮10s，直到事故处理完毕，恢复正常生产。
（5）系统正常运行指示输煤机组中，拖动电动机M1～M6和磁选料器YA按照程序全部正常起动运行后，HL3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，输煤机组停车。
2.3.3程序流程图
软件部分即程序的设计，程序设计要根据I/O地址的分配和要实现的功能结合硬件电气的连接进行编程，来实现设计系统要完成的功能，PLC进入运行状态后，首先进行手动/自动的选择，所以程序的主流程图如图2-3所示。
图2-3控制程序主流程图
当系统以手动方式运行时，是单个设备点动控制，较为简单，这里不再做程序流程图。
当系统以自动方式运行时，PLC运行的程序流程图如图2-4所示。
图2-4输煤机组程序设计流程图
2.3.4上位机监控
监控部分是利用组态软件建立监控画面，通过建立通道连接、动画连接和控制策略实现PLC与上位的行通信后的运行动画，对输煤系统的运行状态进行实时监控和故障报警。
第三章下位机设计
3.1硬件电路设计
3.1.1系统控制主电路图设计
按照设计方案，给料器M1、P1送煤机M2、破碎机M3、提升机M4、P2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，在实际使用中要采用星—三角降压启动。
其余负载均采用直接启动方式，本设计考虑实验室PLCI/O口数限制，只做直接启动。
主电路图见图3-1。
电源
回收机
送煤机P1
提升
机
破碎
机
送煤机P2
给料器及磁选料器
图3-1输煤机控制主电路图
（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。
3.1.2电器元件的选择
设计该控制系统室考虑实验室调试方便，使用了最简的点数，输入点数有：
2个输入开关分别控制手动/自动控制，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，3个输出指示灯其中HL1手动运行指示灯、HL2为紧急停车指示灯、HL3为系统运行状态指示灯和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。
本文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，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）本设计采用西门子S7-200PLC,使用CPU224模块，其输入/输出接口（I/O）数量分别为输入端口14个，输出端口10个，刚好可以满足本设计的I/O使用需求。
（2）为保证负载安全可靠的供电，所以采用输出形式为继电器。
3.1.3I/O地址分配
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使用一个CPU224即可。
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、I1.0、I1.1、I1.2、I1.3、I1.4、I1.5；
Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1
PLC输入输出接口地址分配表见表3-1。
表3-1PLC输入输出接口地址分配表
输
入
信
号
输煤机组手动控制开关SA1-1
I0.0
输煤机组自动控制开关SA1-2
I0.1
输煤机组自动开车按钮SB1
I0.2
输煤机组自动停车按钮SB2
I0.3
输煤机组紧急停车按钮SB3
I0.4
给料器磁选料器手动按钮SB4
I0.5
送煤机P1手动按钮SB5
I0.6
破碎机手动按钮SB6
I0.7
提升机手动按钮SB7
I1.0
送煤机P2手动按钮SB8
I1.1
回收机手动按钮SB9
I1.2
M1-M6,YA过载保护信号FR
I1.3
输
出
信
号
给料器磁选料器接触器KM1
Q0.0
送煤机P1接触器KM2
Q0.1
破碎机接触器KM3
Q0.2
提升机接触器KM4
Q0.3
送煤机P2接触器KM5
Q0.4
回收机接触器KM6
Q0.5
手动运行指示灯HL1
Q0.6
紧急停车指示灯HL2
Q0.7
系统正常运行指示灯HL3
Q1.0
报警电铃HA
Q1.1
3.1.4PLC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3-2。
在接线过程中要注意，在实验室的试验箱中输入公共端1M/2M要求连接24VDC电源的的正极“L+”处，此时输入端是低电平有效；输出公共端的1L/2L/3L要求连接24VDC电源的负极“M”处，此时输出端输出的是高电平有效。
图3-2I/O接线图
3.2软件设计
本设计选用西门子公司的S7-200PLC刚好可以满足设计要求，程序是设计使用西门子公司的V4.0STEP7Micro/WINSP3编程软件。
此软件具有汉化的语言，使用起来十分方便。
该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机帮助功能。
可以使用此软件开发PLC应用程序，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。
西门子S7-200PLC的编程语言有三种，分别是：
梯形图（LAD）和功能块图（FBD）是一种图形语言，语句表（STL）是一种类似于汇编语言的文本型语言。
三种语言之间可以相互转化，本设计采用梯形图编程。
3.2.1顺序功能图
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。
根据此要求，本设计采用SCR指令编写梯形图程序[9]。
输煤机组的整个运行过程可以用顺序功能图来描述。
锅炉车间输煤机组控制系统的顺序功能图如图3-3所示，该顺序功能图非常直观，清楚地面描述了锅炉车间输煤机组自动工作的过程。
图3-3输煤机组自动控制顺序功能图
3.2.2程序设计
完成以上内容紧接着即可对控制系统的运行过程进行相应的梯形图设计，V4.0STEP7Micro/WIN编程软件的界面如图3-4所示。
图3-4V4.0STEP7Micro/WIN编程软件主界面
1.编写程序
使用V4.0STEP7Micro/WIN编程软件编辑和修改程序是本设计的主要内容之一，设计只采用了梯形图编程，其语句表和功能图可以相互转化。
（一）输入编程元件
梯形图的编程元件（编程元素）主要有线圈、触点、指令盒、标号及连接线。
输入方法有两种：
（1）用指令窗口中所列的一系列指令，把光标放在需要放置的位置，双击要输入的指令，就可以在举行光标处放置一个编程软件，如图3-7所示的“位逻辑”指令。
（2）用工具条上的一组编程按钮，如图3-5所示。
单击触点、线圈、或指令盒按钮，从弹出的窗口下拉菜单所列出的指令中选择要输入的指令，单击即可。
图3-5编程按钮
（二）编写自动选择程序
使用上述方法编写主要程序，程序的开始段如图3-6所示。
图3-6选择自动运行程序
启动过程中的梯形图如图3-7所示。
其中的I1.3和I0.4分别是过载保护和紧急停车按钮。
图3-7启动电机M6
以这种方法，结合左侧的指令树和程序要完成的功能，按照顺序控制的方式对每个网络进行编辑。
因为本设计使用子程序的调用，所以在主程序编辑完成后，要转入子程序SBR＿0编写子程序，如图3-8所示。
所有程序完成后最终做一个完整梯形图程序。
选择“文件”中“另存为”将程序保存为“锅炉车间输没机组控制PLC程序”，编程完成。
图3-8子程序编辑
（三）注释
梯形图编辑过程中的“网络n”表示每个网络或梯级，同时又是标题栏，可以再在此为每个网络加标题或必要的说明，使程序清晰易读。
用光标点击如图3-9所示的“子程序注释”，此时即可在文本框中键入相关标题和注释。
（四）编译用户程序
程序编辑完成，可用菜单“PLC”中的“编译”项或通过如图3-10所示的编译按钮进行离线编译。
图3-10编译和下载按钮
编译完成后在输出窗口显示程序中的语法错误数量、各种错误的原因和错误在程序中的位置，如图3-11所示。
双击输出窗口中的某一条错误，程序编译器中矩形光标会移到程序中该错误所在的位置。
必须改正程序中的所有错误，编译成功后才能下载程序。
图3-11编译输出窗口
（五）程序的下载
在计算机与PLC建立起通信连接且用户程序编译成功后，就可以将程序下载到PLC中去。
下载之前，PLC应处于STOP方式。
单击图3-12所示的工具条中“STOP”按钮，或选择PLC菜单命令中的“停止”项，可进入STOP方式。
下载时单击图3-12中的“下载”按钮，可进行程序的下载，下载完成后需要运行，点击“RUN”按钮或选择PLC菜单命令中的“运行”项即可进入运行状态。
第4章上位机界面设计
4.1组态软件简介
组态的概念是伴随着集散型控制系统（DistributedControlSystem简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。
组态的概念最早来自英文Configuration，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到让计算机或软件按照预先设置自动执行特定任务、满足使用者要求的目的。
监控组态软件是面向监控与数据采集（SupervisoryControlandDataAcquisition,SCADA）的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。
监控组态软件最早出现时,主要解决人机图形界面问题。
随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容。
组态王是北京亚控公司开发的一款工业组态软件，是中国最早的一款组态工具，在中国使用的监控软件中，组态王拥有国内最多的用户，也是目前国内的所有国产组态软件中最成熟的一款。
组态王有着强大的硬件设备支持功能，几乎目前国内所有的PLC设备都能支持。
它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。
采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。
它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。
基于以上优点，因此我这次设计中的上位机的操作界面就使用组态王6.53来做。
4.2上位机监控画面的设计
组态王对于初学者来说并不难入门，继续深入并不那么容易。
组态的一般过程大致分为五个步骤：
分别是创建新的工程，定义硬件设备并添加工程变量，制作画面并定义动画连接，编写命令语言，运行系统配置并运行，后面几步是交替进行并不是按顺序进行的。
下面详细介绍本次设计的过程[10]。
4.2.1新建工程
在组态王中，我们所建立的每一个组态称为一个工程。
每个工程反映到操作系统中是一个包括多个文件的文件夹。
工程的建立则通过工程管理器。
组态王工程管理器是用来建立新工程，对添加到工程管理器的工程做统一的管理。
工程管理器的主要功能包括：
新建、删除工程，对工程重命名，搜索组态王工程，修改工程属性，工程备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。
正确安装好“组态王6.53”以后，通过以下方式启动工程管理器：
点击“开始”—〉“程序”—〉“组态王6.53”—〉“组态王6.53”（或直接双击桌面上组态王的快捷方式），启动后的工程管理器窗口如图4-1所示。
图4-1组态王工程管理器
新建：
单击工程管理器中的“新建”按钮，弹出新建工程向导之一“欢迎使用本向导”，如图4-2所示。
图4-2新建工程向导
点击“下一步”弹出新建工程向导之二“选择工程所在路径”，画面如图4-3所示。
图4-2选择工程路径
点击“浏览”按钮选择新建工程所要存放的路径，如图4-3所示。
图4-3添加工程路径
点击“打开”，选择路径完成，点击“下一步”进入新建工程向导之三“工程名称和描述”，如图4-4所示，在“工程名称”处写上给工程起的名字“锅炉输煤机组”。
“工程描述”为“车间锅炉输煤机组监控中心”，是对工程进行详说明（注释作用）。
图4-4工程名称和描述
点击“完成”，会出现“是否将新建工程设为当前工程”的提示，点击“是”，生成如图4-5所示的画面，组态王当前工程的意义是指直接进行开发或运行的工程。
图4-5新建的工程
点击“开发”或直接双击当前工程就进入组态王的工程浏览器，如图4-6所示。
工程浏览器是一个工程开发设计工具，由菜单栏、工具条、工程目录显示区、目录内容显示区、状态条组成。
用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。
图4-6工程浏览器
4.2.2通道连接
在图4-6的工程浏览器中单击“设备”，双击右面窗口的“新建”图标，弹出图4-7所示的设备配置向导“生产厂家、设备名称、通信方式”对话框。
图4-7设备配置向导
选择“PLC”—〉“西门子”—〉“S7-200系列”—〉“PPI”，如图4-8所示。
图4-8设备配置
点击“下一步”，弹出设备配置向导“逻辑名称”对话框，给要安装的设备指定唯一的逻辑名称“plc”，如图4-9所示。
图4-9指定逻辑名称
点击“下一步”，弹出设备配置向导“选择串口号”对话框，选择与设备所连接的串口“COM1”，如图4-10所示。
图4-10选择串口号
点击“下一步”，弹出“设备地址设置指南”对话框，选择设备地址为“2”，如图4-11所示。
如果对此不明白，可以点击“地址帮助”按钮，获得设备地址帮助信息。
图4-11设置设备地址
点击“下一步”，弹出“通信参数”对话框，在此对话框中可以设置“尝试恢复间隔”和“最长恢复时间”参数，如图4-12所示。
图4-12通信参数设置
通信参数使用默认值，直接点击“下一步”，弹出设备安装向导“信息总结”对话框，如图4-13所示。
校对信息无误后直接点击“完成”，至此，设备建立完成。
图4-13信息总结
设备定义完成后，可以在COM1项下看到新建的设备“plc”。
双击COM1口，弹出串口通讯参数设置对话框，如图4-14所示，因为要与PLC通信，所以必须对串口通讯参数进行设置且设置项要与实际设备中的设置项完全一致（
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