某大型锅炉供暖输煤系统的设计.docx

1、某大型锅炉供暖输煤系统的设计毕 业 论 文作 者： 商晓旭 学 号： 0714400415 院 系： 输变电技术学院 专 业： 机电一体化技术 题 目： 某大型锅炉供暖输煤系统的设计 指导者： 张金果 副教授 评阅者： 2010 年 6 月 吉 林摘 要21世纪，能源越来越短缺，特别是地下煤的储量，煤炭越来越成为一种战略资源。随着社会的快速发展，工业化程度的提高，对电力的需求越来越大，由于中国核电站还未发展壮大，现在还是以火电为主。如何更好的节约煤炭资源，合理的设计锅炉及输煤燃煤系统越来越受到关注。燃煤输送是锅炉运行的一个重要环节，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

2、经济效益，成为一个重要的研究课题。 可编程控制器（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OMRON公司的CPMIA PLC，设计了某大型锅炉供暖输煤控制电气系统。各机械之间均设计安全的联锁保护控制功能：系统中的输煤电机启停是有严格控制顺序的，彼此间有相应的联锁互动关系，当启动某台输煤设备时，从该设备下面流程的最终输煤设备开始向上逐级启动，最后才能使该台设

3、备启动；当停止某台输煤设备或某台设备故障时，从该设备上面流程的源头给煤设备开始向下逐级停车，最后才能使该台设备停止。这样，就保证了上煤传输的正常运行在线控制煤流量，避免了皮带上煤的堆积，也保护了皮带。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。关键词：输煤系统； PLC； 自动控制系统绪 论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

4、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机组到至今，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各级领导的重视，如何优化车间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、堆煤、上煤和配煤，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心中的重要性，且煤场面积大、工作环境恶劣、人工作业通讯难以畅通

5、，利用现代成熟技术PLC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。在笔者参与开发的某锅炉供暖输煤自控系统中用于联锁控制的程序设计，系统要求在远离输煤廊的主厂房控制室里，对输煤线的8台设备进行控制，并实时监测设备的运行

6、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。本系统有程序控制、联锁手动、解锁手动三种控制方式。在现场设备状态正常的情况下，程序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，操作员的操作步序最少。联锁手动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，设备的保护动作处理均同自动控制方式。解锁手动是在设备间解除了联锁关系的情况下，一对一启动设备，此方式绝不可带负载运行，因

7、设备已经不存在联跳功能。考虑到设备带负载停机等因素，流程启动时，只按逆煤流方向逐台启动，联锁手动方式下启动流程也须遵循此原则。流程按顺煤流方向逐台停机，在故障停机情况下，各设备均立即联跳，故障解除后，可将停掉的设备以自动控制再次启动。紧急情况下，可操作上位机的急停按钮或同时按控制台右侧红色的急停按钮，它将使现场所有运行中的受控设备立即停机。第一章 工艺要求1.1 锅炉系统的发展及概况1.1.1 分类锅炉的燃料多分为煤和燃油，还有天然气等。按其蒸发能力大小可分为三类： （1） 小型锅炉 蒸发量在10t/h及以下，多用于工业生产及采暖。主要是火箭或火箭管组合及小型水管式。（2） 中型锅炉 蒸发量为

8、1075t/h，多用于发电厂。国内生产多为“”型。（3） 大型锅炉 蒸发量大于75t/h，多用于发电厂。国内生产多为“”型。1.1.2 设备配置 共有六大系统：（1）点火系统。锅炉点火，保护及控制。（2）燃料配给系统。给煤机、碎（粉）煤机、煤仓及输煤皮带运输机，燃油（汽）输送泵。（3）燃煤系统。炉排电动机（有些类锅炉不用），除渣机。（4）水循环系统。循环水泵往往是多台，且有备用。（5）补水系统。补水泵，往往为备用设置，以防断水。有时还有水处理系统的系列水泵，搅拌电动机。（6）送引风系统。送风机（有时还有一次、二次送风之分）又称配风机、引风机又称抽风机1.1.3 特点及注意事项 （1） 设备相互

9、之间往往有一定时间限制的控制顺序。如点火时，给水泵先启动，然后除渣；引风机起动数秒后鼓风机启动；停炉时，先停鼓风和炉排，数秒后停引风和和除渣，最后停给水泵。（2） 设备间往往有联锁 如给煤机和运输机、碎煤机；又如鼓风和引风机。（3）设备间往往有联动 如如锅炉故障时，汽泡极低水位；蒸汽压力过高时，应自动停止排风、炉排，起停给水泵等。（4）一般锅炉属于二级负荷，无起动给水的蒸汽锅炉，以补水定压的高温热水锅炉的给水泵应保证可靠供电。（5）配电宜以锅炉机组为单元，放射式配电。蒸发量为6.5t/h及以下的锅炉宜设低配室。锅炉房内就地配电，起动设备宜用保护、防水，防尘型。（6）每台锅炉宜单独设置控制屏，宜

10、由锅炉配套、宜设集控室，并将其置与室内。（7）线缆宜穿金属管及金属桥架，必须注意敷设时与高温设备的间距。（8）锅炉间、除氧间、水处理和风机间，顶层料仓等的检修照明，宜采用12V安全电压。对就地指示仪表，宜设局部照明。1.1.4 锅炉发展史及展望我国的发电设备从50年代初自行建造6MW机组开始，经过40年左右的努力，电力工业取得了巨大的发展，我国火电装备已接近世界先进水平。其主要标志为：（1）1992年底全国发电设备总装机容量达165GW，年发电量为7447亿KWh，其中火电占84。1993年底装机容量提高到178GW，年发电量达8150亿kWh，火电占82.3。而这些火电装备中，国产机组约占8

11、0。（2）1991年到1993年，我国发电装备都以每年超过13GW的速度增长，成为世界上同期电力最快的国家。（3）“七五”期间我国成套引进了美国西屋公司（CE）DE的300MW和600MW火电亚临界机组技术，考核机组均投产运行。第一台具有世界80年代中期水平的超临界600MW火电机组已于1992年7月在上海石洞口二厂投入运行。我国锅炉已从高压、超高压锅炉发展到亚临界和超临界压力大容量锅炉作为主力机组。但在技术经济指标上与国外进口机组相比，还有相当差距。特别是我国电力的平均供电供煤耗，从1990年的427g/(kWh )下降到1993年的419g/(kWh).因此，如何提高电站锅炉的性能和质量、

12、提高设计制造和运行控制水平，是一项十分艰巨的任务。1.2 输煤系统工艺简介供暖锅炉输煤系统设计示意图如下： 图1.1输煤系统示意图 1给煤间；2. 转运间；3. 5皮带； 5. 破碎机；6. 除铁器；7. 3皮带；8. 受煤坑；9. 给煤机，电磁铁门，堵煤振动器；10. 受煤斗由于控制对象使用环境的特殊性和运行的长期连续性根据供煤系统要求，流程启动时，只按逆煤流方向逐台启动，联锁开车顺序：1皮带机破碎机除铁器3皮带机给煤机电磁铁门堵煤振动器。当系统停车时，流程按顺煤流方向逐台停机，联锁停车顺序：与开车顺序相反，延时时间按要求设定。另有一套上述设备备用。1.3 控制原理 由控制器运算并控制执行器

13、件进行输煤动作，且由传感器件反馈信号，控制器、执行器、传感器构成控制回路。原理图如下：传感器件执行器件输煤控制器图1.2 原理图第二章 控制器部分2.1 控制方式论证目前，就系统控制要求来讲：） 可以应用继电器控制来实现。其特点是价格便宜，电路简单，但是由于受外界环境的影响较严重，寿命短易误动作，且不易维护。以前工业中多采用此方案。） 一种是PLC来做控制器。PLC即可编程控制器（Programmable Controller 简称PLC或PC）：它以微处理器为核心，有机地将微型机计算机技术、自动化技术及通信技术融为一体。可编程控制器作为一种通用的工业控制器，它可以用于所有的工业领域。当前国内

14、外已广泛地将可编程控制器（PLC）成功的应用到机械、汽车、冶金、石油、化工、轻工、纺织、交通、电力、电信、造纸、军工、家电等各个领域，并取得了相当可观的技术经济价值。与以往继电器控制系统相比，由于PLC具有性能好、环境适应强，性能可靠。高可靠性、能适应恶劣环境、运行时间长、速度极快，可直接应用于工业环境具有很强的的抗干扰能力广泛的适应能力和应用范围，这也是区别一般微机控制系统的一个重要特征。所以当今大多大数中型企业都是使用。PLC与以往所讲的鼓式、机械式的顺序控制器以及继电式的程序控制器在“可编程”方面有着质的区别，后者是通过硬件或硬件接线的变更来改变程序，而PLC引入了微处理半导体存储器等新

15、一代的微电子器件，并用规定的指令进行编程，能灵活地修改，即用软件方式来实现“可编程”的目的。PLC出现后就受到普遍重视，其应用发展也十分迅速，原因在于与现有各种控制方式相比，它有一系列的手用户欢迎的特点，主要是：（1）可靠性高，抗干扰能力强 在恶劣的工作环境下工业生产对控制设备的可靠性提出很高的要求。PLC是专为工业控制而设计，由于采用一系列措施，使PLC控制系统的平均无故障间隔时间的一般能达到四五万h，远远超过传统继电器控制和计算机控制系统。可以说，到目前为止尚五任何一种工业控制系统的可靠性能达到和超过PLC。保证PLC工作可靠性高、抗干扰能力的主要措施是：采用循环扫描、集中采样，集中输出的

16、工作方式。硬件设计采用模块式结构并采取屏蔽、滤波、隔离、联锁等一系列抗干扰技术，同时增加输出联锁、环境检测与故障诊断等提高可靠性电路。软件设计中设置事时监控、自诊断、信息保护与恢复等程序与硬件电路配合实现各种故障诊断、处理、报警显示及保护功能。因此PLC优于微机控制的首要特点是它能适应恶劣的工作环境。例如能在下列条件下可靠工作。电源电压： AC220 15%抗振强度： 1055Hz 0.5mm 3轴方向各2h抗冲击强度：10g 3轴方向各3次抗干扰强度：1000Vpp、脉宽110-6s,30100Hz噪声。工作温度： 055存放温度：-20+70湿度： 35%90%（不结雾）耐压： AC150

17、0V 1min（各端子与接地端之间）（2）编程简单，易于掌握 这是PLC优于微机的另一个特点。梯形图编程方式是PLC最常用的编程语言，它与继电器控制原理图类似，具有直观、清晰、修改方便、易掌握等优点，即使未掌握专门计算机知识的人也能很快熟悉掌握，因而受到广大现场技术人员和操作者的欢迎。这种面向问题、面向控制过程的编程语言，即使PLC内部增加了解释程序，延长执行时间，但对大多数机电设备而言是无关紧要的。（3）组合灵活使用方便 尽管PLC内部是一台专用计算机，但由于它采用标准化的通用模块结构，其I/O电路设计又采用一系列抗干扰措施，因而用户无需进行硬件的二次开发，能灵活方便地组合成各种不同规模、不

18、同功能的控制系统。控制系统接线简单，工作量小，使用、维护方便。（4）功能强，通用性好 现代PLC运用了计算机、电子技术和集成工艺的最新技术，在硬件和软件上两方面不断发展，使其具备很强的信息处理能力和输出控制能力。适应各种控制需要的智能I/O功能模块，如温度控制、位置控制模块，高速计数、高速模拟量转换，远程I/O及各种通信模块等不断涌现，PLC与PLC，PLC与上位机的通信与联网功能不断提高，是现代PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、步进等功能，而且还能完成A/D、D/A转换、数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程监控等。因此，它即可以对开关量进行控制又可以对模拟量进行控制；即可以控制一台单机

19、、一条生产线，又可以控制一个机群，多条生产线；即可以现场控制，又可远距离控制；即可控制简单系统，又可控制复杂系统，其控制规模和应用领域不断扩大。（5）开发周期短，成功率高 大多数工业控制装置的开发研制包括机械、液压、气动、电气控制等部分，需要一定的研制的研制时间，也包含着各种困难与风险。大量实践证明采用以PLC为核心的核心的控制方式，控制方式具有开发周期短、风险小和成功率高的优点。其主要原因之一是只要正确、合理选用各种各样模块组成系统无需大量硬件配置和管理软件二次开发，其二是PLC采用软件控制方式，控制系统一旦构成便可在机械装置研制之前根据技术要求独立进行应用程序开发并可以方便地通过模拟调试反

20、复修改直至达到系统要求，从而保证最终配套联试的一次成功。（6）体积小，重量轻，功耗低 由于PLC采用了半导体集成电路，其体积小、重量轻、结构紧凑、功耗低，因而是机电一体化的理想控制器。2.2 PLC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

21、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。CPM1A CPU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100V240V；输出方式为继电器输出型。性能如下：20

22、48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。2.3 可编程控制器的简介2.3.1 PLC的产生68年美国通用汽车公司（GM）招标要求： （1）软连接代替硬接线 （2）维护方便 （3）可靠性高于继电器控制柜 （4）体积小于继电器控制柜 （5）成本低于继电器控制柜 （6）有数据通讯功能 （7）输入115V （8）可在恶劣环境下工作 （9）扩展时，原系统变更要少 （10）用户程序存储容量可扩展到4K 核心思想： 用程序代替硬接线 输入/输出电

23、平可与外部装置直接相联 结构易于扩展 这是PLC的雏形。 69年美国DEC公司研制出世界上第一台PLC（PDP-14），并在GM公司汽车生产线上应用成功 PLC的诞生： 1969年，美国研制出世界第一台PDP-14 1971年，日本研制出第一台DCS-8 1973年，德国研制出第一台PLC 1974年，中国研制出第一台PLC 2.3.2 PLC的特点、现状与发展 （一）特点 1. 可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高

24、达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 2. 配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多

25、具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 3. 易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 4. 系统的设计、建造工作

26、量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 5. 体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。 （二）现状 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统

27、来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字设备公司（DEC）研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable ,是世界上公认的第一台PLC. 限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可

28、编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC）。 20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进

29、工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生

30、了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机

31、厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。（三）发展 第一代：1969年1972年，代表产品有 美国DEC公司的PDP-14/L 日本立石电机公司的SCY-022 日本北辰电机公司的HOSC-20 第二代：1973年1975年，代表产品有 美国GE公司的LOGISTROT 德国SIEMENS公司的SIMATIC S3、S4系列 日本富士电机公司的SC系列 第三代：19761983年，代表产品有 美国GOULD公司的M84、484、584、684、884 德国SIEMENS公司的SIMATIC S5系列 日本三菱公司的MELPLAC-50、550 第四代：1983年现在，代表产品有 美国GOULD公司的A5900 德国西门子公司的S7系列 发展方向： 产品规模向两极分化 处理模拟量 追求高可靠性 通讯接口和智能模块 系统操作站配高分辨率的监视器 追求软、硬件标准化 2.3.3 PLC的分类 按结构分： 整体型 组合型 按I/O点数及内存容量分： 超小型：小于64点，256Byet1KB 小 型：651