PLC控制电厂输煤系统及变频调速的设计毕业设计.docx

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PLC控制电厂输煤系统及变频调速的设计毕业设计

变频调速输煤系统的节能设计

摘　要

火电厂的输煤系统是火电厂的一个重要组成单元，特点是运行情况恶劣，条件复杂，转动机械多，作业线长，设备分散，尤其对运行人员来讲，现场冗员过多且工作强度大，并且粉尘，噪音等影响运行人眼的身心健康。

因此，火电厂输煤程控技术是提高输煤系统自动化程度及可靠性程度的必然选择，也是火电厂提高市场竞争能力的必然要求。

可编程控制器（ProgrammableLogicController简称PLC）是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备，在设计上有自己的明显特点：

可靠性高，适应性广，具有通信功能，变成方便，结构模块化。

在现代集散控制系统中，PLC已经成为一种基本控制单元，在工业控制领域中应用前景极其广泛。

然而为了对输煤量进行精确的控制，系统中同时采用了变频调速。

变频调速是交流调速中的发展方向，是现代电力传动技术重要发展的方向。

变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显.使用变频器不仅能达到科学用能、节能降耗的目的，而且能够提高自动化水平，改善工艺。

关键词电厂输煤程控；PLC；变频调速

Abstract

Constructionofcoal-firedpowerplantsconveyingsystemisanimportantcomponentofthepowerunit,thecharacteristicisoperatingconditions,theconditioniscomplex,rotatingmachinery,longlines,equipmenttodisperse,especiallytheoperationteam,theworkandthedeadwoodtoomuchintensity,anddust,noiseinthephysicalandmentalhealthofthehumaneyeoperationeffect.Therefore,coveyingcoalSPCtechnologyistoimprovetheconveyingsystemautomationdegreeandthereliabilityoftheinevitablechoice,butalsoimprovethepowerplantistheinevitablerequirementofthemarketcompetitionability.

PLC（ProgrammableLogicController"PLC）isakindofspecialusedinindustrialproductionprocesscontrolfielddevice,goupinthedesignhasitsownobviousfeatures:

highreliability,wideadaptability,withcommunicationfunction,intoaconvenient,modularstructure.Inthemoderndistributedcontrolsystem,PLChasbecomeabasiccontrolunit,inthefieldofindustrialcontrolapplicationprospectextremelyextensive.

Howeverinordertolosethequantityofcoalaccuratelycontrol,systemandusedthefrequencycontrol.ACvariablespeedfrequencycontrolisinthedirectionofdevelopmentisimportanttomodernelectricaldrivetechnologydevelopment.Converterisnotonlyasmoothspeed,range,highefficiency,startingcurrent,smoothoperation,andsignificantenergysavings,usetheinvertercanbeusednotonlytoscience,energysavingpurposes,butalsotoimprovethelevelofautomation,processimprovement.

Keywords:

Atthecoalpowerplantprogram-controlled;PLC;Variablefrequencyspeedregulation

目　　录

第1章绪论

1.1电厂输煤系统的背景

随着工业自动化水平的不断提高，大型火电厂发电机组主机设备均被配备了先进可靠、协调统一、高度自动化的极其完善的控制系统。

其良好的人机界面，优越的控制性能，准确的故障诊断与显示，大大提高了机组的运行效率，降低了劳动强度，简化了操作，也提高了故障处理速度。

与先进的主机控制系统相比，输煤控制系统则显得较为落后，其自动化水平和工作效率与经济发展的要求不相适应。

特别是上个世纪年代及其以前建设的火力发电厂，其输煤控制系统多为强电集中就地控制方式，采用继电器和按钮组成逻辑电路。

这种控制方式与程控系统相比：

功能差、系统可靠性差，自动化程度低，需要运行人员数量多且劳动强度大。

随着电力体制改革的不断深化，发电市场的竞争将日趋激烈，提高管理水平和工作效率，特别是提高设备的管理水平，提高设备的自动化程度及可靠性程度，从而达到减员增效的目的。

火电厂的输煤系统是火电厂的一个重要组成单元，特点是运行情况恶劣，条件复杂，转动机械多，作业线长，设备分散，尤其对运行人员来讲，现场冗员过多且工作强度大，并且粉尘，噪音等影响运行人眼的身心健康。

因此，火电厂输煤程控技术是提高输煤系统自动化程度及可靠性程度的必然选择，也是火电厂提高市场竞争能力的必然要求。

1.2国内输煤系统的现状

目前主要有以煤炭和燃油为能源的火力发电,水力发电以及其它利用核能、风力、潮汐和太阳能等新兴发电方式,发电企业在我国主要是依靠火力发电,它占据总发电量81%的份额。

随着节能减排力度的加大火力发电也愈发成熟,对环境污染得到了有效的控制,成为最安全的发电方式。

在火力发电厂的辅控系统中,煤炭的输送和分配工作量大、工作条件恶劣,实现输煤和配煤的自动化控制就显得尤为迫切和重要。

可编程控制器（ProgrammableLogicController简称PLC）是80年代发展起来的新一代控制装置，是自动控制、计算机和通信技术相结合的产物，是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备，由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和运行长期连续性，使PLC在设计上有自己的明显特点：

可靠性高，适应性广，具有通信功能，变成方便，结构模块化。

在现代集散控制系统中，PLC已经成为一种基本控制单元，在工业控制领域中应用前景极其广泛。

随着电力工业的迅速发展，火力发电厂单机容量和装机容量日益增大，输煤系统的规模也愈来愈大，传统的强电集中控制手段已经很难适应。

从八十年代引进工程开始，输煤系统逐步采用以PLC为主机的程控技术，实现子自动化控制。

PLC在技术上不仅具有控制功能强、能够适应恶劣的工作环境、维护方便、可在线修改等特点。

不但能完成复杂的继电器逻辑控制，而且能完成模拟量控制及智能控制，并能实现远程通讯、联网、上位机监控等功能，完全可以适应输煤系统多种功能控制的要求，并为全厂实现计算机控制创造了条件。

1.3国内输煤系统发展前景

金融危机以来，国家围绕“保增长、扩内需、调结构”采取了一系列宏观调控政策，为我国输煤系统设备行业提供了较为宽松的国内发展环境，使行业从2008年下半年以来的困境中得到了缓解和恢复。

我国输煤系统设备行业也在加快产业结构调整、转变发展方式，为行业持续发展提供了动力和支撑。

在全球经济不景气、国际市场持续低迷的情况下，我国输煤系统设备行业仍然呈现出了企稳回升、发展逐渐向好的良好局面。

　　虽然输煤系统设备行业发展很快，但是市场存在的一些问题不容忽视，如市场无序竞争、产品质量下降、创新乏力等。

输煤系统设备行业的规划和发展需要建立在充分市场调研的基础之上，输煤系统设备市场管理需要认清市场经济条件下政府和企业的角色定位，输煤系统设备市场有序运行需要完善市场交易规则和各项制度[1]。

1.4课题的研究目的及意义

输煤系统是火力发电厂中较为庞大的系统。

随着我国电力工业的迅速发展,火电厂的装机容量和单机容量都日益增大,输煤系统的规模也大幅度上升,对其控制方式、控制质量的要求也越来越高。

控制领域中,明显的缺点继电器控制占有主导地位。

可编程序控制器问世以前,工业这种由继电器构成的控制系统有着十分体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高,尤其是对生产工艺多变的系统适应性更差,如果生产任务或工艺发生变化,就必须重新设计,并改变硬件的结构,造成了时间和资金的严重浪费。

在我国70~80年代建成的火电厂中,大多数的开关量控制系统都是采用继电器控制,就是在90年代建成的火电厂中,也有相当一部分辅机系统是采用继电控制。

但是,继电器本身固有的缺陷给火电机组的安全和经济运行带来了不利影响,用可编程序控制器对火电厂的继电器式控制系统进行改造已是大势所趋。

PLC是60年代发展起来的基于集成电路和计算机技术基础上的一种用于逻辑控制的专用计算机。

它把计算机功能全、灵活性与通用性强的优点与继电器控制简单易懂、操作方便、抗干扰能力强、价格便宜的优点结合起来,是一种面向过程控制的控制器。

虽然PLC问世时间不长,但是随着微处理器的出现、超大规模集成电路技术的迅速发展和通讯技术的不断进步,PLC技术迅速发展,结构不断改进,功能大大增强,应用范围迅速扩大。

可编程序控制器系统一般都具有如下特点:

编程简单,控制系统构成简单,通用性强，抗干扰能力强,可靠性高,体积小,维护方便,便于安装,缩短了设计、施工投产调试的周期。

1.5本文研究内容

   在现代集散控制系统中，PLC已经成为一种重要的基本控制单元，在工业控制领域中应用前景极其广泛。

在某电厂输煤自控系统中，系统要求在远离输煤廊的主厂房控制室里，对输煤线进行控制，并实时监测设备的运行状态及皮带跑偏的情况。

鉴于电厂输煤系统的重要性，我们采用PLC实现输煤设备的联锁控制以保证其可靠性和特殊性，工业控制计算机则作为上位机与PLC互相配合，共同完成输煤系统的监控功能。

同时本文还采用了变频调速对输煤系统进行控制，系统的讲述了变频器的基本知识，变频调速的原理，并采用MATLAB软件对变频器进行仿真。

根据控制要求设计了PLC控制系统软件，并对涉及到的元件进行了硬件选型，在GXDeveloper环境下进行了仿真调试。

第2章软件介绍

2.1输煤系统工艺流程

图2.1输煤控制系统结构图

图2.2输煤系统工艺流程图

电厂输煤工艺一般都包括：

卸煤流程、堆煤流程、上煤流程和配煤流程几个部分。

输煤系统工艺流程如图2.2所示

卸煤流程主要指将厂外来煤（包括汽车、火车、轮船等途径），通过卸煤设备卸到厂内储煤站，以备使用。

堆煤流程主要是通过堆料机对卸到卸煤站的煤进行整理，以方便输煤系统上煤。

上煤流程是输煤系统工艺的关键环节。

通过输煤皮带机完成将原煤从煤场输送到原煤仓的过程，同时通过辅助的碎煤机、筛煤机、除铁器、采样装置、电子皮带秤等设备完成对筛分、计量等处理，以达到使用要求。

配煤流程主要是将从上煤系统输送来的煤按照一定的要求、规律、顺序地分配到机组受煤仓中。

2.2输煤系统的控制要求

输煤系统有输煤线，包括给煤机、皮带机、振动筛、破碎机等共18台设备，在电厂中有着极为重要的地位，一旦不能正常工作，发电就会受到影响。

为了保证生产运行的可靠性，输煤系统采用自动（联锁）、手动（单机）两种控制方式，自动、手动方式由开关进行切换。

由于输煤廊环境恶劣，全部操作控制都在主厂房的主控制室里进行，仪表盘上设有各个设备的启、停按钮，还有为PLC提供输入信号的控制开关。

输煤设备控制功能由PLC实现，设备状态监测和皮带跑偏监测以及事故纪录功能则由上级工业控制计算机完成。

为了保证输煤系统的正常、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，即对各设备进行联锁控制；

   各设备启动和停止过程中，要合理设置时间间隔（延时）。

启动延时统一设定为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，某一台设备发生故障时，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）做出实时纪录。

同时输煤系统控制原则有：

上煤原则

1流程预启：

进行流程选择，并启动相应流程上的预启动设备，做好启动准备。

2流程启动：

接收到流程启动允许信号后系统主设备按逆煤流方向延时顺序启动。

3流程停止：

停止指令下达后，系统主设备按顺煤流方向延时顺序停止。

4故障联锁停机：

当所选流程上的系统主设备发生故障时，立即联锁跳停设备故障点上游逆煤流方向的主设备。

5重故障信号：

急停，拉绳，重跑偏，重堵塞，打滑等指令或信号将直接导致系统联锁跳停。

配煤原则

1顺序配煤：

先设定一个尾仓，从第一个原煤仓开始进行配煤。

煤斗以相同的时间（或依据煤仓料位）依次配煤，直到尾仓和尾仓前所有煤斗发出高煤位信号为止。

顺序配煤时如有煤仓出现低煤位信号，则停止顺序配煤。

优先给低煤位配煤。

2优先配煤：

当有煤仓出现低煤位信号时，正常进行配煤的煤斗停止配煤并记忆先补低煤位仓。

直至低煤位消失，再按记忆煤斗的正常顺序把煤仓逐个加到高煤位。

当多个仓同时出现低煤位时，对这些仓按从前向后的顺序进行轮换的配煤，直至低煤位消失。

3余煤配煤：

当停机信号发出后，皮带上余煤均匀配给每个仓，直至原煤仓皮带机停止运行[2]。

2.3PLC软件简介

可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

2.3.1基本结构

　　可编程逻辑控制器实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：

（一）电源

　　可编程逻辑控制器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，可编程逻辑控制器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

（二）中央处理单元（CPU）

　　中央处理单元（CPU）是可编程逻辑控制器的控制中枢。

它按照可编程逻辑控制器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。

当可编程逻辑控制器投入运行时，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。

　　为了进一步提高可编程逻辑控制器的可靠性，近年来对大型可编程逻辑控制器还采用双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。

（三）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。

（四）输入输出接口电路

　　1．现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是可编程逻辑控制器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，作用可编程逻辑控制器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。

（五）功能模块

　　如计数、定位等功能模块。

2.3.2工作原理

　　当可编程逻辑控制器投入运行后，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，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

（一）输入采样阶段

　　在输入采样阶段，可编程逻辑控制器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映象区中的相应的单元内。

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。

（二）用户程序执行阶段

　　在用户程序执行阶段，可编程逻辑控制器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。

（三）输出刷新阶段

　　当扫描用户程序结束后，可编程逻辑控制器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，才是可编程逻辑控制器的真正输出。

2.3.3功能特点

　　可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。

（一）系统构成灵活，扩展容易，以开关量控制为其特长；也能进行连续过程的PID回路控制；并能与上位机构成复杂的控制系统，如DDC和DCS等，实现生产过程的综合自动化。

（二）使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，而无需计算机知识，因此系统开发周期短，现场调试容易。

另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬件。

（三）能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型[3]。

2.3.4PLC元件与基本指令

（一）PLC元件

1.输入继电器（X）

图2.3输入继电器X1的等效电路

输入继电器与输入端相连，它是专门用来接受PLC外部开关信号的元件。

PLC通过输入接口将外部输入信号状态（接通时为“1”，断开时为“0”）读入并存储在输入映象寄存器中。

如图2.3所示为输入继电器X1的等效电路。

输入继电器必须由外部信号驱动，不能用程序驱动，所以在程序中不可能出现其线圈。

由于输入继电器（X）为输入映象寄存器中的状态，所以其触点的使用次数不限。

FX系列PLC的输入继电器以八进制进行编号，FX2N输入继电器的编号范围为X000~X267（184点）。

注意，基本单元输入继电器的编号是固定的，扩展单元和扩展模块是按与基本单元最靠近开始，顺序进行编号。

例如：

基本单元FX2N-64M的输入继电器编号为X000~X037（32点），如果接有扩展单元或扩展模块，则扩展的输入继电器从X040开始编号。

2.输出继电器（Y）

输出继电器是用来将PLC内部信号输出传送给外部负载（用户输出设备）。

输出继电器线圈是由PLC内部程序的指令驱动，其线圈状态传送给输出单元，再由输出单元对应的硬触点来驱动外部负载。

如图2.4所示为输出继电器Ｙ０的等效电路。

图2.4输出继电器Ｙ０的等效电路

每个输出继电器在输出单元中都对应有维一一个常开硬触点，但在程序中供编程的输出继电器，不管是常开还是常闭触点，都可以无数次使用。

FX系列PLC的输出继电器也是八进制编号其中FX2N编号范围为Y000~Y267（184点）。

与输入继电器一样，基本单元的输出继电器编号是固定的，扩展单元和扩展模块的编号也是按与基本单元最靠近开始，顺序进行编号。

在实际使用中，输入、输出继电器的数量，要看具体系统的配置情况。

3.通用辅助继电器

FX2N系列共有500点通用辅助继电器。

通用辅助继电器在PLC运行时，如果电源突然断电，则全部线圈均OFF。

当电源再次接通时，除了因外部输入信号而变为ON的以外，其余的仍将保持OFF状态，它们没有断电保护功能。

通用辅助继电器常在逻辑运算中作为辅助运算、状态暂存、移位等。

根据需要可通过程序设定，将M0～M499变为断电保持辅助继电器。

4.特殊辅助继电器

PLC内有大量的特殊辅助继电器，它们都有各自的特殊功能。

FX2N系列中有256个特殊辅助继电器，可分成触点型和线圈型两大类。

（1）触点型 其线圈由PLC自动驱动，用户只可使用其触点。

例如：

M8000：

运行监视器（在PLC运行中接通），M8001与M8000相反逻辑。

M8002：

初始脉冲（仅在运行开始时瞬间接通），M8003与M8002相反逻辑。

M8011、M8012、M8013和M8014分别是产生10ms、100ms、1s和1min时钟脉冲的特殊辅助继电器。

（2）线圈型 由用户程序驱动线圈后PLC执行特定的动作。

例如：

M8033：

若使其线圈得电，则PLC停止时保持输出映象存储器和数据寄存器内容。

M8034：

若使其线圈得电，则将PLC的输出全部禁止。

M8039：

若使其线圈得电，则PLC按D8039中指定的扫描时间工作。

5.定时器（T）

PLC中的定时器（T）相当于继电器控制系统中的通电型时间继电器。

它可以提供无限对常开常闭延时触点。

定时器中有一个设定值寄存器（一个字长），一个当前值寄存器（一个字长）和一个用来存储其输出触点的映象寄存器（一个二进制位），这三个量使用同一地址编号。

但使用场合不一样，意义也不同。

FX2N系列中定时器时可分为通用定时器、积算定时器二种。

它们是通过对一定周期的时钟脉冲的进行累计而实现定时的，时钟脉冲有周期为1ms、10ms、100ms三种，当所计数达到设定值时触点动作。

设定值可用常数K或数据寄存器D的内容来设置。

6.通用定时器

通用定时器的特点是