仓泵进出料PLC控制及其上位机组态系统设计教材.docx
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仓泵进出料PLC控制及其上位机组态系统设计教材
目录
1引言
1.1课题简介…………………………………………………………………1
1.2燃煤发电厂除灰概述…………………………………………………1
1.3气力除灰技术简介……………………………………………………2
2大仓泵正压气力除灰系统简介……………………………………………4
2.1系统流程…………………………………………………………………4
2.2系统布置…………………………………………………………………5
3控制系统设计……………………………………………………………7
3.1上引式仓泵的工作过程……………………………………………7
3.2PLC设计………………………………………………………………8
3.2.1西门子S7-300PLC简介……………………………………………8
3.2.2PLC的工作原理……………………………………………………14
3.2.3PLC的硬件设计及选型……………………………………………16
3.2.5PLC的I/O表………………………………………………………20
3.2.6PLC设计梯形图…………………………………………………24
3.2.6.1自动操作梯形图………………………………………………24
3.2.6.2手动操作过程………………………………………………23
1引言
1.1课题简介
仓泵进料、出料过程是燃煤电厂气力除灰的很重要的一个生产过程，主要包括三种工作情况：
进料、出料和堵灰。
本课题研究的主要是仓泵进出料的PLC控制系统以及其上位机组态系统的设计。
在PLC系统中分为手动和自动两部分操作，手动操作是在测试和排出故障时才使用。
PLC硬件是采用的是西门子公司的S7-300。
上位机组态设计也分为手动和自动两种操作，软件是采用的北京昆仑自动化软件科技有限公司的MCGS。
本系统的上位机系统与以往的上位机设计最明显的改进是：
语音报警系统，视频监视功能，互联网远程监视功能，可以完全实现现场无人操作，有效避免了对员工的身体危害。
1.2燃煤发电厂除灰概述
煤炭是由各种物质组成的，其中有一部分为不可燃烧的矿物质。
这种不可燃烧的矿物质，一般通称为煤的成分。
煤经燃烧后，灰分被分解析出，冷却后成为灰渣。
它是由硅、铝、钙、镁、铁等氧化物组成的矿物残渣。
煤的成分来源于生成煤的植物所固有的矿物杂质，以及因地壳变化随植物带入的泥沙杂质，并在碳化过程中与可燃物质化合在一起，只有经过高温燃烧才能分解析出，这是煤的灰分的主要部分。
另外，煤在开采和运输过程中，还混入一些矸石、页岩、岩石等杂质，这些杂质也是煤中灰分的一部分。
煤的灰分含量是衡量媒质优劣的主要指标之一。
煤的灰分含量越高，煤的发热量越低。
对于灰分含量在12%以下的各种原煤或洗混煤，称为高灰分的低质煤。
另外，灰分含量为16—40%的煤泥、水采煤泥和灰分含量在32%以上的洗中煤，亦称为低质煤。
目前，我国动力用煤，一般为未经洗选或筛选的原煤，灰分含量多在25%左右，高者达40—50%。
燃用低质煤的电厂，宜烧含灰量较低的原煤或经过筛选加工的煤。
送入锅炉内的燃煤所含的灰分没，在煤燃烧后都要通过不同的形式排除出来，从锅炉排出来的灰渣量，为送入炉内燃煤量的灰量。
实际上，煤在燃烧过程中，还会有一部分固态的可燃物质没有燃烧，并化合于灰渣中，因此锅炉实际排出的灰渣量，就还包括这部分可燃物质。
在锅炉排出的灰渣量中，除有一部分灰量随烟气排至大气外，其余都将由除灰系统排出。
燃煤发电厂的除灰，大体上可分为水力除灰、气力除灰和机械除灰三种方式。
采用哪一种除灰方式，要从电厂的实际情况出发，根据灰渣量、灰渣性质、排灰去向和自然条件等方面来选择确定。
一般电厂多采用水力除灰方式，当有部分或全部灰要供给综合利用时，宜采用气力除灰方式。
如采用一种除灰方式不能满足送灰要求时，可以采用两种或者三种联合的除灰方式。
1.3气力除灰概述
气力除灰是以空气为介质，通过压送或抽吸设备及其管道，输送粉粒状灰的一种干式除灰方式。
干灰呈松散状态，流动性好，易于装卸和吹送。
气力除灰输送设备比较简单，除尘器集灰斗与输送设备之间，有的是通过螺旋给料（干灰）机或空气斜槽连接，有的则是把输送设备或抽灰装置直接装在除尘器的集灰斗下部。
由于气力除灰输送单位重量干灰所需要的空气量少，与输送同样灰量的一般水方式除灰系统相比，输送管道直径要小的多，所以管道的布置、敷设都比较方便灵活，除灰管道既能把各个排灰点集中往一个方向输送，又可以把灰分别送往各个用灰点或转运点。
另外，气力除灰系统从进灰到排灰的全部输送过程容易控制，可按输送的程序采用自动起停，运行管理比较方便。
主要缺点是输送距离短，管道磨损快，易堵灰不适于干渣的输送。
有的电厂为了满足灰渣综合利用的工厂连续用灰，还配备了运输干灰的槽罐车，作为除灰系统故障时的备用。
气力除灰系统分为正压和负压两类系统。
简言之，管内压力大于大气压力者称为正压，反之则为负压。
近20年来，气力输送技术在我国燃煤电厂中的应用进入了快速发展阶段。
这主要得益于三大有利背景：
（1）国家经济发展的需要。
80年代以来国家经济的全面复兴推动了国内建材工业的高速发展，从而为干灰在建工、建材等领域的应用开辟了前所未有的市场。
（2）环保需要。
传统水力除灰技术存在耗水量高、水体污染严重、灰场占地大、湿度利用效益低等一系列缺陷，随着我国水资源、土地资源的日益紧缺以及国家环境保护法律、法规的出台，气力除灰技术日益得到重视。
（3）电除尘技术的广泛应用。
电除尘器在国内燃煤电厂大面积推广应用始于70年代。
电除尘器对于粉灰煤的综合利用具有不可替代的三大优势：
干式收尘，使粉灰煤得以保持原有的良好活性；
收尘效率高，可以最大限度地将利用最高的细微灰粒收集下来；
自身的多电场收尘结构具有相对干灰进行粒径分级的特点，可以实现粗、中、细灰分除、分储和分用。
可以预见，随着我国可持续发展战略的实施和环境保护、粉煤灰综合利用的发展，燃煤电厂气力除灰技术应用前景将会越来越好。
2大仓泵正压气力除灰系统简介
大仓泵正压气力除灰系统是以压缩空气作为输送介质，将干灰输送到灰库或其它指定地点，成为国内燃煤电厂应用最早、最广泛的一种气力除灰方式。
像其他气力除灰系统一样，大仓泵正压气力除灰系统由供料设备、气源设备和集料设备三大基本功能组分以及管道、控制系统等构成。
不同类型的气力除灰系统采用的功能设备的类型、性能以及布置形式是不同的。
大仓泵正压气力除灰系统的核心设备是仓式气力输送泵，电动锁气器是与之相配套的前置供料器；气源设备采用较多的是空压机组、罗茨风机或其他高压风机；集料设备是结构较为简单的布袋收尘，布袋收尘器通常安装在灰库的库顶，也可以根据需要直接安装于用灰现场。
根据仓泵配置方式的不同，大仓泵正压气力除灰系统分为集中供料式和直联供料式两种类型。
集中供料系统是指多只灰斗共用一台仓泵，俗称大仓泵系统，本文设计的对象就是该系统；直联供料式系统是指每一只灰斗单独配置一台仓泵，这种系统因仓泵的容积较小，因而习惯上称之为小仓泵系统。
2.1系统流程
大仓泵正压气力除灰系统的工艺流程：
干灰从电除尘器（EP）灰斗流出，经闸板阀、电动锁气器，进入干灰集中设备，干灰集中设备将来自若干不同灰斗的干灰集中输送给一台仓泵。
在仓泵内干灰与压缩空气混合，使干灰呈悬浮状态，并经输灰管道直接打入灰库。
大部分干灰直接落入库底，少量会随乏气进入安装于库顶的灰袋收尘器，细灰被收集下来重新落入灰库，清洁空气直接排入大气。
大仓泵正压气力除灰系统除仓泵外，还应包括前置给料设备——电动锁气器和干灰集中设备。
电动锁气器的主要作用一是连续定量给料。
二是隔绝上下空气。
干灰集中设备将多只灰斗的灰汇集一起，达到多灰斗共用一台仓泵的目的。
燃煤电厂常用的干灰集中设备有空气斜槽、螺旋输送机和埋刮板机等。
2.2系统布置
下图是一套典型的燃煤电厂大仓泵正压气力除灰系统。
该系统为单炉双电除尘器配置，每台电除尘器为双室三电厂结构。
该系统共有两条除灰管路，采用粗细灰分输、分储方式。
一电场干灰为粗灰，二、三电场为细灰。
两台电除尘的一电场8只灰斗共用一条输灰母管，二、三电场的16只灰斗共用另一条输灰母管。
系统共配有两座储灰库，其中一座用于存储一电场的粗灰，另一座用于存储二、三电场的细灰。
以一电场粗灰为例：
干灰分别从1、2号两台电除尘器的灰斗下来。
1号电除尘器4只灰斗的干灰经闸板阀、电动锁气器进入一只空气斜槽，2号电除尘器4只灰斗的干灰经另外的闸板阀、电动锁气器进入另一条空气斜槽。
两条斜槽共用一只大仓泵，当干灰进入仓泵并与来自空压机的压缩空气混合后，形成具有较高压力的灰气流，灰气流沿输灰管道被送入粗灰库，库内乏气通过安装于库顶的布袋除尘器，细灰被过滤下来，清洁空气被排入大气。
细灰输送管路布置与上述粗灰输送管路略有不同。
由于电除尘器二、三电场收集的干灰量较小，总共只占干灰总量的20%左右，因此二、三电场的细灰先分别进入各自的仓泵和相应的分支除灰管道，然后汇合于同一条母管打入细灰库。
3控制系统设计
仓泵正压气力除灰系统中包括对仓泵进出料的控制、灰斗气化风机、灰库气化风机以及管道切换等的控制。
由于对仓泵进出料的控制最为复杂，其它控制过程较为简单，因此本文选择该控制过程为研究对象。
仓泵依不同的标准有不同的分类方式，本论文以CB型（上引式）仓泵为研究对象。
3.1上引式仓泵的工作过程
CB型仓泵可分为单仓泵和双仓泵两种。
CB型单仓泵是由缸体及附件、进料阀、钢底进风阀、伞形透气阀、伞形阀、止回阀、直角考克、自动料位指示器等组成。
双仓泵是由两台单仓泵加上饲料机、出料阀等组成。
缸体由钢板焊接而成。
缸体内有环形吹送管，它的作用是通过压缩空气把缸体内物料气化，以增加物料的流动性和便于输送。
进料阀由锥阀、连杆和活塞开关等部分组成，当活塞缸的活塞被气压推至上部时，连杆带动摇臂杆试锥阀落下，进料阀开启；反之，当活塞开关的活塞处于下部时，靠活塞开关内的弹簧的压力把锥阀推至上方，并于橡胶圈压紧，此时就是进料阀的关闭状态。
缸底进风阀是压缩空气进入缸体的主要通道。
其工作原理是：
由阀上的上下气流压力差与弹簧之间的平衡作用维持一定的开度，让一定量的压缩空气进入缸体，使缸体内物料气化后，借缸体与管道的压力差，将气化的物料送至输送管道。
伞形阀与伞形透气阀的工作原理：
当控制管路通气时，阀的橡胶膜上受压推动阀杆，使弹簧压缩，并顶开阀芯，从而阀门开启工作。
伞形透气阀的作用是将缸体内的大气排出，使仓泵顺利出料。
伞形阀的开启作用事将缸底进风阀打开，便于送料。
自动料位指示器的作用是当料位到达规定的高度时即发出指示信号，从而使仓泵达到自动控制。
如图就是一个典型的CB型仓泵控制系统图。
为了便于后面的控制系统设计，图中只画出了仓泵的主要组成部分，有些零部件譬如排气阀、料位计、环形吹松管等没有画出。
下面简述一下其工作工程：
打开透气阀DQC，将罐内的空气排出，再将进料阀JLJ打开，向罐内供料。
这两个阀门的启闭均靠启动执行。
当罐体内料位达到预定高度时，料位计动作，并发出信号将控制气源的电磁阀HJ关闭，气源切断后透气阀和进料阀同时关闭。
当进料阀关闭后，其限位开关将电气信号传递给电磁阀HJC，将进风阀DQC开启，通过环形吹松管和缸底进风阀将压缩空气送至罐体内，使罐体内的粉料受到均匀的搅拌，并从排料管随压缩空气一起排出。
3.2PLC设计
3.2.1西门子S7-300PLC简介
S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。
----SIMATICS7-300可编程序控制器是模块化结构设计。
各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。
一、系统组成
中央处理单元（CPU）
各种CPU有各种不同的性能，例如，有的CPU上集
成有输入/输出点，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP
通讯接口等。
信号模块（SM）
用于数字量和模拟量输入/输出
通讯处理器（CP）
用于连接网络和点对点连接
功能模块（FM）
用于高速计数，定位操作（开环或闭环定位）和闭环控制。
负载电源模块（PS）
用于将SIMATICS7-300连接到120/230伏交流电源，或24/48/60/110伏直流电源。
接口模块（IM）
用于多机架配置时连接主机架（CR）和扩展机架（ER）。
S7-300通过分布式的主机架（CR）和3个扩展机架（ER），可以操作多达32个模块。
运行时无需风扇。
二、SIMATICS7-300适用于通用领域：
高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有最高的工业环境适应性。
三、类型
S7-300有两种类型：
标准型温度范围从0℃到60℃
环境条件扩展型温度范围从-25℃到+60℃更强的耐受振动和污染特性。
四、功能
SIMATICS7-300的大量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护
高速的指令处理
0.6~0.1μs的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。
浮点数运算
用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算:
方便用户的参数赋值
一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就节省了入门和培训的费用。
人机界面（HMI）:
方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内。
因此人机对话的编程要求大大减少。
SIMATIC人机界面（hmi）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。
S7-300操作系统自动地处理数据的传送。
诊断功能:
CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：
超时，模块更换，等等）。
口令保护:
多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。
操作方式选择开关:
操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式。
这样就防止非法删除或改写用户程序。
五、SIMATICS7-300具有多种不同的通讯接口：
多种通讯处理器用来连接AS-I接口、和工业以太网总线系统
串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统
多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。
六、CPU支持下列通讯类型：
过程通讯
通过总线（AS-I或PROFIBUS）对I/O模块周期寻址（过程映象交换）
数据通讯:
在自动控制系统之间或人机界面（HMI）和几个自动控制系统之间，数据通讯会周期地进行或被用户程序或功能块调用。
七、结构
DIN标准导轨安装:
只需简单地将模块钩在DIN标准的安装导轨上，转动到位，然后用螺栓锁紧。
集成的背板总线:
背板总线集成在模块上，模块通过总线连接器相连，总线连接器插在机壳的背后。
更换模块简单并且不会弄错:
更换模块时，只需松开安装螺钉。
很简单地拔下已经接线的前连接器。
在连接器上的编码防止将已接线的连接器插到其他的模块上。
可靠的接线端子:
对于信号模块可以使用螺钉型接线端子或弹簧型接线端子
TOP连接:
采用一个带螺钉或夹紧连接的1至3线系统进行预接线。
或者直接在信号模块上进行接线。
确定的安装深度:
所有的端子和连接器都在模块上的凹槽内，并有端盖保护，因此所有的模块都有相同的安装深度。
没有槽位的限制:
信号模块和通讯处理模块可以不受限制地插到任何一个槽上，系统自行组态。
SIMATICPCS7过程控制系统详细介绍
SIMATICPCS7是西门子公司基于全集成自动化思想的面向未来的过程控制系统。
经过六年的发展，SIMATICPCS7凭借极高的可靠性和优越的性价比成为了新一代DCS系统的典范。
已经发布的SIMATICPCS7的最新版本6.0版将会极大地提高系统的各项性能指标，大大地扩展系统的应用范围，更适合于在苛刻领域中的应用，并且促进了从仪表到系统的纵向集成。
这将使得SIMATICPCS7无论从产品质量还是性能指标都达到全新的高度。
尽管先前版本的SIMATICPCS7过程控制系统已经拥有了优越的系统功能，6.0版本仍有其突出的贡献：
极大地提高了系统容量（网络能力和控制/监控站的数量）
整体硬件性能和编程环境的提高
系统免疫能力和抗超载能力提高
可用性增强
工程工具得到优化，大大地减少了组态工作（如消除了等待次数）
符合FDA标准的生产数据查帐索引（确保数据安全）
创新的SIMATIC批处理的功能更强
系统范围的在线可更换性（硬件、通讯、自动化系统和操作员站）
工程师站、操作员站和SIMATIC批处理系统的操作平台将升级为Windows2000
全集成自动化的高度集成使得我们的客户能够在企业级的自动化解决方案中达到全新的境界。
SIMATICPCS7—实现全集成自动化的过程控制系统
通过全集成自动化（TIA），西门子公司实现了基于单一平台提供用于全过程链的通用自动化技术的目标，从输入物流，到生产或所有流程，直到输出物流。
这种通用自动化技术还可用于优化一个企业的所有业务流程，从企业资源计划（ERP）级，到管理执行系统（MES）级和控制级，直到现场级。
横向集成
横向集成意味着所有生产流程，从输入物流，到生产或所有流程，直到输出物流，都可使用统一的SIMATIC系列标准硬件和软件部件。
作为企业范围内全集成自动化系统中的过程控制系统，SIMATICPCS7采用TIA系统中的标准硬件和软件。
借助于其通用的数据维护、通讯和设计功能，可以提供一种基于开放式平台的先进的、面向未来的经济自动化解决方案，用于过程工业、加工工业以及综合工业的所有领域（连续/批量过程以及分散式加工，例如在玻璃工业和制药工业）。
在过程工业和综合工业的辅助流程和物流过程中，经常通过运动控制系统和SIMATIC部件实现自动化，其主要流程通过过程控制系统SIMATICPCS7来完成。
通过全集成自动化理念，SIMATICPCS7不仅可以承担过程控制技术相关任务，而且还可以完成一个生产平台的辅助流程（例如装料，包装）或输入输出物流（例如物料输送和贮存）的自动化。
纵向集成:
纵向集成将实现从ERP平台，到MES平台和控制台，直到现场平台的通用和透明化数据通讯。
通过不断融入自动化技术和信息技术以及标准化技术，可以实现公司范围内的信息网络的自动化。
由此可以实现整个工艺流程的模块化和标准化，显著提高生产的灵活性。
SIMATICPCS7在公司范围内的纵向集成包括两个方面
与全公司范围内的信息网络集成
现场技术集成
通过将自动化平台连接到IT环境，可以将过程的数据在整个公司范围内应用于设备运行、生产流程以及业务流程的评价、规划、协同和优化。
同时，还可满足公司的全球化战略要求。
强大的系统结构
借助于其面向未来的理念、基于最先进SIMATIC技术的模块化和开放式架构、工业标准的继承性使用以及配合使用的高性能控制功能，使用过程控制系统SIMATICPCS7，可以实现所有项目阶段中控制技术设备的高性价比实现和经济运行。
从规划、工程、调试和培训，到运行、维护和保养，直到扩展和完善。
同时，SIMATICPCS7以及最高的舒适性，简单安全的运行，可以实现较高的性能和可靠性。
SIMATICPCS7充分利用了PROFIBUS技术的分布式现场技术集成功能。
PROFIBUS是一种简单、坚固和可靠的总线系统，已在全球应用于过程、加工和综合工业的所有领域以及主要流程和辅助流程的输入输出物流。
该总线系统支持冗余和故障安全以及在线扩展功能，既可安装在标准工业环境中，也可安装在具有爆炸危险的场合。
这为具有传统信号输入输出以及带有最先进集成现场设备的分布式外围设备ET200（远程I/O）所无法比拟。
采用SIMATICPCS7过程控制系统的全集成自动化主要具有以下优点：
显著节约开发、实施和寿命周期成本
降低工程造价
过程优化功能
自适应应用要求变化
使用SIMATIC标准部件的优点：
降低硬件和工程成本
可靠的质量和稳定性
简单快速地系统部件的选型
较低的备件成本
显著缩短的备件和扩展部件供货周期
全球通用
显著节约物流、检修和培训成本
通用而协同的完整系统
作为现代化的过程控制系统，SIMATICPCS7可单独，也可与运动控制系统和SIMATIC结合使用，形成一个通用而协同的完整系统。
随着对无缝通用自动化技术的要求不断提高，竞争和价格压力的不断增加，以及对生产设备柔性度的要求和对生产效率的期望越来越大，SIMATICPCS7的优势越来越明显。
在复杂性越来越大的背后，尤其是自动化技术与信息技术的融合，将是越来越多的通用系统平台的纵向和横向集成，实现所谓的“Best-of-Breed产品”自动化解决方案。
采用全集成自动化理念的SIMATICPCS7即可最佳满足这种高要求，前瞻未来。
卓越的性能和优秀的系统特性，保证了可靠的数据维护、通讯和设计，符合过程控制系统的所有要求：
简单而且安全的过程控制；
方便的操作和可视化；
功能强大、快速、统一的全系统范围的工程；
系统范围内的在线更改功能；
开放性系统；
灵活性和可扩展性；
冗余性；
故障安全自动化解决方案；
丰富的现场总线集成；
灵活的批量过程解决方案；
灵活性和可扩展性
直接连接IT环境。
借助于其模块化的设计，基于甄选的SIMATIC标准程序以及硬件和软件的架构，SIMATICPCS7可以灵活适配不同的客户要求和设备规格，将来的容量扩展和技术工艺更改都毫无问题。
SIMATICPCS7的可扩展性表现在，从具有大约160个测量点的较小的单一系统（例如：
PLT点，MSR点），例如用于实验室自动化或工业学校中的应用，直到具有60000个测量点、客户机/服务器架构的分布式多站系统，用于大型生产设备的自动化。
因此，SIMATICPCS7可以适配所有设备规格，并随着设备的不同而柔性扩展！
面向未来
SIMATICPCS7基于全集成自动化系统系列的模块化硬件和软件部件，可以相互完美协同。
该系统可以无缝、经济的进行扩展和创新，通过其长期稳定的接口，而面向未来。
因此，尽管创新速度越来越快，生产寿命周期越来越短，仍能优秀保护客户的投资。
SIMATICPCS7采用连续性强、全新、功能强大的先进技术以及国际工业标准，例如IEC、XML、PROFIBUS、以太网、TCP/IP、OPC、@aGlance、ISAS88或S95，无与伦比。
SIMATICPCS7的开放性更是使其可以运行在所有平台和自动化系统以及过程外围设备中，以及操作员和功能系统、工业通讯或SIMATICITFramework，并以连接到公司范围内的信息工具、协同工具和规划工具。
其开放性不仅表现在系统架构上，纵向集成和横向集成以及通讯上，而且还表现在用户程序的编程和数据切换接口，图形、文本和数据的导入导出，例如从CAD/CAE环境中导入和导出数据。
由此，SIMATICPCS7也可以与来自其它制造商的部件一起使用，连接到现有基础架构中。
3.2.2PLC的工作原理
最初研制生产的PLC主要用于替
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