基于PLC程控输煤系统的设计与控制毕业设计论文.docx
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基于PLC程控输煤系统的设计与控制毕业设计论文
本科毕业设计（论文）
题目：
基于PLC程控输煤系统的设计与控制
基于PLC程控输煤系统的设计与控制
摘要
火力发电厂燃煤输送系统是保证电厂锅炉安全可靠运行的十分重要的支持系统，主要负责对发电机组燃煤的卸载、储存和上煤。
如何保证设备运行的可靠性、减少操作人员与维护人员劳动强度、提高经济效益，成为一个值得研究的课题。
可编程逻辑控制器（PLC）是近年来发展极为迅速，应用面极广，以微处理器为核心，集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置。
它具有功能齐全、使用方便、维护容易、通用性强、可靠性高、性能价格比高等优点，已在工业控制的各个领域得到了极为广泛的应用，成为实现工业自动化的一种强有力工具。
本文基于西门子公司的S7-200型PLC，设计了程控输煤系统。
各设备之间均实现了安全联锁保护控制功能：
系统中的输煤电机启停是有着严格的控制顺序。
起动时，为了避免在前段运输皮带上因煤料堆积而造成事故，系统要求逆煤料的流动方向按一定时间间隔顺序起动。
停止时为了不使运输皮带上因残留煤料而造成事故，系统要求顺煤料流动方向按一定时间间隔顺序停止。
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程控输煤程控系统，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。
因此PLC程控输煤系统具有一定的工程应用和推广价值。
关键词：
锅炉；输煤系统；皮带运输机；可编程逻辑控制器；梯形图；
BasedOnPLC,Program-controlledCoalConveyingSystem
Abstract
Thermalpowerplantcoalconveyingsystemistheguaranteeofsafeandreliableoperationofthepowerplantboilerisveryimportantsupportsystem,ismainlyresponsibleforgeneratingsetsofcoalunloading,storageandcoal.Howtoensurethereliabilityofequipmentoperation,reducetheoperatingandmaintenancepersonnelthelaborstrength,improvetheeconomicbenefit,hasbecomeatopicworthstudying.Programmablelogiccontroller（PLC）isdevelopingveryrapidlyinrecentyears,awideapplication,microprocessorasthecore,integratingmicrocomputertechnology,automationtechnologyandcommunicationtechnologyintheintegrationofgeneralindustrialcontroldevice.Ithascompletefunctions,convenientuse,easymaintenance,strongcommonality,highreliability,highratioofperformancetoprice,hasbeenintheareasofindustrialcontroliswidelyusedandbecomeapowerfultooltorealizeindustrialautomation.
ThisarticleisbasedonSiemensS7-200PLC,program-controlledcoalconveyingsystemisdesigned.Betweenvariousdevicesarerealizedsafetyinterlockprotectioncontrolfunction:
thecoalconveyingsystemmotorstart-stopisfairlystrictcontrolsequence.Whenstarting,inordertoavoidinfronttransportbeltaccidentcausedbytheaccumulationofcoalmaterial,systemrequirementsinversecoalmaterialflowdirectioninacertaintimeintervalstartingsequence.Stopsinordernottomakethetransportbeltaccident,causedbyresidualcoalfeedingsystemrequirementsalongthecoalflowdirectioninacertaintimeintervalsequencestops.PLCcontrolsystemhardwaredesignlayoutisreasonable,reliablework,convenientoperationandmaintenance,goodwork.WithPLCprogram-controlledcoalSPCsystem,notonlyhasrealizedtheautomationoftheequipmentoperationmanagementandmonitoring,toimprovethereliabilityandsecurityofthesystem,andimprovetheworkingenvironment,improvetheenterpriseeconomicbenefitandworkefficiency.SothePLCprogram-controlledcoalconveyingsystemhasacertainvalueforengineeringapplicationandpromotion.
KeyWords:
Boiler；Coalconveyingsystem；Beltconveyor；Programmablelogiccontroller；Ladderdiagram；
中文摘要……………………………………………………………………（
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英文摘要…………………………………………………………………（
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1绪论
1.1课题背景
锅炉是工业生产或生活采暖的供热源，按其供热的方式分为蒸汽和热水两种。
前者主要用于发电、工业生产及间接供热；后者主要用于生活供暖和生活热水，多用于集中供暖地区及宾馆、饭店。
从80年代石横工程全套引进第一台300MW机组至今，锅炉厂房控制系统、控制思路发生了很大的变化，其设计己基本成熟。
由原来的继电器实现控制功能转化为用可编程逻辑控制器PLC实现控制功能。
随着电力系统市场的开放，减人增效越来越得到工厂包括政府的重视，如何优化工业设备的控制已成为每个工程所必须面临的问题。
大型锅炉输煤控制系统的主要任务就是卸煤、运煤和上煤，以达到按时保质保量为机组（原煤仓）提供燃煤的目的。
整个输煤控制系统是锅炉安全可靠运行十分重要的支持系统，它是保证机组稳发满发的重要条件。
基于输煤控制系统在整个锅炉控制中的重要性，且煤场面积大、工作环境恶劣、人工作业通讯难以畅通，利用现代成熟PLC技术和现代总线网络通讯实现其控制功能。
可编程逻辑控制器（PLC）是八十年代发展起来的一种新一代工业控制装置，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的长期连续性，使PLC在设计上有自己明显的特点：
可靠性高，适应性广，具有通信功能，编程方便，结构模块化。
在现代控制系统中，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。
现代程控输煤系统要求在远离输煤皮带的主厂房控制室里，对输煤线的众多设备进行控制，并实时监测设备的运行状态等情况。
输煤系统设备多，工作环境恶劣。
为保证系统运行的安全性和可靠性，选用高可靠性的继电器、接触器等组件，通过优化设计，大大减少了接点数，从而减少了故障点，使设备的可靠性、安全性和可扩展性都大大提高，实现了系统安全可靠的运行。
本系统有远程自动控制、现场手动控制两种控制方式。
在现场设备状态正常的情况下，远程自动控制为系统的最佳控制方式，在此方式下，设备的空载运行时间最短，操作员的操作步骤最少。
现场手动控制方式是对要启动的流程中设备按逆煤流方向一对一的启动，按顺煤流方向一对一停车。
在故障停机情况下，各设备均立即联跳，故障解除后，可将停掉的设备以远程自动控制再次启动。
紧急情况下，可操作上位机（触摸屏）的急停按钮，它将使现场所有运行中的受控设备立即停机。
1.2设计任务
本设计要求完成一个关于热电厂锅炉程控输煤系统的设计工作。
要求首先熟悉可编程逻辑控制器plc的工作原理，输煤系统的工艺流程图以及相关工业设备的功能。
设计完成锅炉程控输煤系统的硬件电路部分，收集相关的技术资料，选择可编程逻辑控制器plc，上位机（触摸屏）以及相应传感器的型号。
完成可编程逻辑控制器plc梯形图的编写，以此实现程控输煤系统的自动控制。
完成上位机（触摸屏）的功能编写，实现和可编程逻辑控制器plc的有机组合，实现程控输煤系统的远程控制。
在虚拟机上将程序正常运行之后，购买相关硬件设备，组装出一个小型模型，在原理上模拟出真实程控输煤系统。
1.3本文主要研究内容
本文主要研究内容是硬件电路的设计及相关的软件开发，研究方案是利用可编程逻辑控制器plc和基本的电路元件进行组合，以实现程控输煤系统的自动控制。
本设计针对某热电厂程控输煤系统的实际情况和工艺流程的要求，对系统的硬件、软件配置进行研究和选择，最终形成一个先进的控制方案。
本设计主要是由上位机（触摸屏）管理、PLC控制、传感器测量及保护装置组成。
实现输煤系统的远程自动、现场手动操作与运行。
并实现上位机监控软件的设计。
1.4本文研究的目的及意义
目前在我国，能源主要靠以煤为燃料的火力发电厂提供。
由于煤产地与电厂间所处的地理位置不同，需要通过汽车、火车或者轮船把煤运到火力发电厂的储煤场，然后通过输煤系统运送到锅炉原煤仓。
大型锅炉输煤控制系统的主要任务就是卸煤、运煤和上煤，以达到按时保质保量为机组（原煤仓）提供燃煤的目的。
在传统的热电厂输煤控制系统是一种基于继电器，接触器和人工手动方式的半自动化系统，现场环境十分恶劣，工人们通过开动承前起后的皮带运输机及给煤机向锅炉前的储煤仓输煤，经常有皮带堵塞等故障。
但对热电厂而言，蒸汽工序的炉膛是不容许断煤的。
输煤系统工作时尽量将煤装满储煤仓，不仅可以保证输煤系统故障时，工人们有足够的时间排除故障，也可以保证输煤设备有充分的时间检修。
随着发电厂规模的迅速扩大，输煤系统的作用日益突出，而传统的输煤系统已无法满足热电厂的需要，因此需要对传统的发电厂锅炉输煤系统进行改造。
传统输煤系统具有以下特点：
（1）任务重为了保证工业用煤，输煤系统必须始终处于完好的状态。
日累计运行时间达8-10h以上。
（2）运行环境差、劳动强度大由于各种因素造成输煤系统的运行环境恶劣、脏污，需要占用大量的辅助劳动力。
（3）一次起动设各多，安全联锁要求高同时起动的设备高达20-30台以上，在起动或停机过程中有严格的联锁要求。
随着电力工业的飞速发展，以工控计算机为核心的电厂生产自动控制技术得到了大力的推广及应用，并逐步普及到输煤系统。
采用PLC控制的电厂输煤系统具有自动化水平高、控制和管理功能强大、操作简便、可靠性高等特点。
与传统的输煤系统相比，其自动化水平和可靠性都有了很大的提升，设备故障率也大大的降低了。
减轻了检修及运行人员的劳动强度，强化了输煤过程的运行管理和节能管理。
2可编程逻辑控制器PLC概况
2.1plc的概念及发展
现代社会要求制造业对市场需求作出迅速的反应，生产出小批量、多品种、多规格、低成本和高质量的产品，为了满足这一要求，生产设备和自动生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性，可编程序控制器正是顺应这一要求出现的，它是以微处理器为基础的新型工业控制装置，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。
可编程序控制器（ProgrammableController）本来应简称PC，为了与个人计算机（PersonalComputer）的简称PC相区别，现在一般将可编程序控制器简称为PLC（ProgrammableLogicController）。
2.1.1可编程序控制器的历史
可编程序控制器的产生和发展与继电器控制系统有很大的关系。
继电器已有上百年的历史，它是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关。
在复杂的继电器控制系统中，故障的查找和排除是非常困难的，可能会花费大量时间，严重地影响生产。
1968年，美国最大的汽车制造厂家——通用汽车公司（GM）提出了研制可编程控制器的基本设想，即：
（1）编程简单，可在现场修改程序；
（2）维护方便，采用插件式结构；
（3）可靠性高于继电器控制柜；
（4）体积小于继电器控制柜；
（5）成本可与继电器控制柜竞争；
（6）可将数据直接送入计算机；
（7）可直接使用110V交流输入电压；
（8）输出采用110V交流电压，能直接驱动电磁阀、交流接触器等负载；
（9）通用性强，扩展方便；
（10）能存储程序，存储器容量可扩展到4KB。
1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出了世界上第一台可编程序控制器。
70年代初期出现了微处理器，它的体积小、功能强、价格便宜，很快被用于可编程序控制器，使它的功能增强、工作速度加快、体积减小、可靠性提高、成本下降。
可编程序控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数据处理、运动控制、模拟量PID控制、通信联网等功能。
在发达的工业化国家，可编程序控制器已经广泛地应用在所有的工业部门，其应用已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。
2.2可编程序控制器的硬件及工作原理
2.2.1可编程序控制器的基本结构
可编程序控制器主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程器组成（见图2.1）。
图2.1PLC控制系统示意图
（1）CPU模块
CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。
在可编程序控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存和数据。
（2）I/O模块
输入（Input）模块和输出（Output）模块简称为I/O模块，它们是系统的眼、耳、手、脚，是联系外部现场和CPU模块的桥梁。
输入模块用来接收和采集输入信号，输入信号有两类：
一类是从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、压力继电器等来的开关量输入信号；另一类是由电位器、热电偶、测速发电机、各种变送器提供的连续变化的模拟量输入信号。
（3）编程器
编程器除了用来输入和编辑用户程序外，还可以用来监视可编程序控制器运行时各种编程元件的工作状态。
（4）电源
可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。
可编程序控制器内部的直流稳压电源为各模块内的电路供电。
某些可编程序控制器可以为输入电路和外部电子检测装置（如接近开关）提供24V直流电源，驱动现场执行机构的直流电源一般由用户提供。
2.2.2可编程序控制器的物理结构
根据硬件结构的不同，可以将可编程序控制器分为整体式、模块式和叠装式。
（1）整体式可编程序控制器
整体式又叫单元式或箱体式，CPU模块、I/O模块和电源装在一个箱状机壳内，机构非常紧凑。
它的体积小、价格低，小型可编程序控制器一般采用整体式机构。
（2）模块式可编程序控制器
大、中型可编程序控制器和部分小型可编程序控制器采用模块式机构。
模块式可编程序控制器用搭积木的方式组成系统，它由框架和模块组成。
模块插在模块插座上，后者在框架中的总线连接板上。
可编程序控制器厂家备有不同槽数的框架供用户选用，如果一个框架容纳不下所选用的模块，可以增设一个或数个扩展框架，各框架之间用I/O扩展电缆相连。
有的可编程序控制器没有框架，各种模块安装在基板上。
（3）叠装式可编程序控制器
西门子公司C7系列可编程序控制器吸取了整体式和模块式可编程序控制器的优点，它的基本单元、扩展单元和扩展模块的高度和深度相同，但是宽度不同。
它们不用基板，仅用扁平电缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长方体，输入、输出点数的配置也相当灵活，有人将这种结构称为叠装式。
3系统的硬件设计
PLC控制系统的硬件设计是指硬件选型。
近十几年来，国内外众多生产厂家提供了多种系列、功能各异的PLC产品，已有几十个系列、几百种型号。
PLC品种繁多，其结构形式、性能、I/O点数、用户程序存储器容量、运算速度、指令系统、编程方法和价格等各有不同，使用场合也各有侧重。
因此，合理选择PLC，对提高PLC控制系统的技术、经济指标起着重要作用。
3.1PLC机型选择
在考虑上述因素后，还要根据工程实际应用考虑其它一些因素，包括：
性能价格比，毫无疑问，高性能的机型必定需要较高的价格，在考虑满足需要的性能后，还要根据资金状况来确定机型；备品备件的统一考虑，无论什么样的设备，投入生产以后都要具有一定数量的备品备件，同时还有考虑备品备件的来源，所选机型要有可靠的订货来源；技术支持，选定机型时还要考虑有可靠的技术支持，这些支持包括必要的技术培训，设计指导，系统维修等内容。
以此为依据，我选用西门子公司的S7-200系列可编程序控制器。
S7-200是西门子微型可编程序控制器中的代表，完全符合此设计的要求。
整个热电厂的程控输煤系统由1、2、3号甲（乙）等6条皮带输送机，两台破碎机，两台给煤机和温度压力传感器组成。
由一台PLC控制，将这台PLC放在控制室，对其说明如下：
（1）控制要求
系统顺序控制分为两部分：
卸煤部分和上煤部分。
卸煤部分和上煤部分都有远程自动、现场手动控制两种方式，在这两种控制方式中主要包括起动、停止、紧急停止和故障停止四个部分。
系统的自动控制如下：
1）起动。
起动时，为了避免在前段运输皮带上因煤料堆积而造成事故，系统要求逆煤料的流动方向按一定时间间隔顺序起动，即先起动该段的最后一台皮带输送机或设备，经过10S延时后，再依次延时起动该段的其它皮带输送机和设备。
卸煤部分：
先启动破碎机，然后启动3号甲（乙）带式输送机完成卸煤部分的起动过程。
上煤部分：
接着延时10S后启动2号甲（乙）带式输送机，最后延时10S后启动1号甲（乙）带式输送机。
当输煤系统全部启动正常10S后，启动电机振动给煤机甲（乙）上煤料，完成上煤部分的起动过程。
2）停止。
停止时为了不使运输皮带上因残留煤料而造成事故，系统要求顺煤料流动方向按一定时间间隔顺序停止，即先停止最前一台皮带输送机或设备，待15S延时后，再依次停止其它皮带输送机或设备。
卸煤部分：
先停电机振动给煤机甲（乙），然后停1号甲（乙）带式输送机，完成卸煤部分的停止过程。
上煤部分：
接着延时15S后停2号甲（乙）带式输送机，最后延时15S后停3号甲（乙）带式输送机。
3号甲（乙）带式输送机停止运行15S后，最后停破碎机，完成上煤部分的停止过程。
3）紧急停止。
当整个系统遇到紧急情况或故障时，系统将无条件的把全部皮带输送机和设备停止。
4）故障停止。
当某台皮带输送机或设备发生故障时，逆煤流前方方向的设备立即停机，后方设备运行15S后，然后顺序停机。
如上煤部分2号甲（乙）带式输送机遇到故障时，1号甲（乙）带式输送机及1、2号甲（乙）电机振动给煤机立刻停机，后方设备运行15S后，然后顺序停机。
（2）受控制对象
卸煤部分：
上煤部分：
3号甲带式输送机2号甲带式输送机
3号乙带式输送机2号乙带式输送机
皮带传动电动机2台皮带传动电动机2台
破碎机甲1号甲带式输送机
破碎机乙1号乙带式输送机
皮带传动电动机2台
电机振动给煤机甲电机振动给煤机乙
（3）输入、输出点数分配：
1）输入点：
启动一号机、启动二号机需要2个输入点；停止、紧急停止需要2个输入点；熔断保护1、熔断保护2需要2个输入点；温度传感器、压力传感器需要2个输入点，共需要8个输入点。
2）输出点：
M1～M6皮带传动电动机需要6个输出点；破碎机甲、破碎机乙需要2个输出点；给煤机甲、给煤机乙需要2个输出点，共需要10个输出点。
综上所述，共需要8个输入点，10个输出点，并考虑系统中有模拟量输入和应有一定的裕量，所以我最终选择的PLC型号为西门子公司的S7-200CPU224XP。
3.2电动机的选型
电机根据系统的要求选择爪极式永磁同步电动机电动机。
电动机的定子饶阻为△接法，采用B级绝缘，采用全压启动。
电动机的额定电压为110V，额定频率为50HZ，额定功率分别为：
M1：
上煤部分甲式皮带传动电动机KMS60-04（15W）130r/min
M2：
上煤部分甲式皮带传动电动机KMS60-04（15W）130r/min
M3：
卸煤部分甲式皮带传动电动机KMS60-04（15W）130r/min
M4：
上煤部分乙式皮带传动电动机KMS60-04（15W）130r/min
M5：
上煤部分乙式皮带传动电动机KMS60-04（15W）130r/min
M6：
卸煤部分乙式皮带传动电动机KMS60-04（15W）130r/min
M7：
破碎机甲电动机60KTYZ-03（11W）20r/min
M8：
破碎机乙电动机60KTYZ-03（11W）20r/min
选用元件如下表3.1所示
表3.1元件列表
序号
元件名称
型号
数量
1
开关电源
S-200-24
2
2
按钮开关
Y090-11BN
6
3
压力传感器
广测YZC-1B
1
4
温度传感器
DS18B20
1
5
中间继电器
MY4NJ
4
6
熔断保护器
NGT00
2
7
称重放大器
RW-ST01
1
8
触摸屏
SMART700IE
1
9
LED信号灯
AD16-22DS
6
3.3电机主电路图设计
由于所有的皮带传动电动机和破碎机的工作方式和工作环境是一样的，只是功率有所不同，所以主电路的接线方式是类似的，其主电路的接线图如图3.1所示。
图3.1电机接线
4S7-200PLC及其开发环境介绍
S7系列PLC分为S7-200小型机、S7-300中型机、S7-400大型机。
S7-200系列PLC是西门子公司20世纪90年代推出的整体式小型机，其结构紧凑、功能强，具有很高的性能价格比，在中小规模控制系统中应用广泛
4.1S7-20
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