输煤程控系统设计论文

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科技学院

题目：输煤程控系统设计

系别：专业班级：学生姓名：指导教师：

2010年11月

动力工程系自动化07K3班

华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）

输煤程控系统设计

1．前言

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。

可编程控制器（Programmable Logic Controller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。

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2输煤系统工艺流程

输煤控制系统机构图

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下图所示

输煤系统工艺流程图

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

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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。

3输煤与配煤系统控制原则

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。

4 MONDICON可编程控制器

1 概述

工业生产的各个领域都包含着大量的开关量（又称数字量）和模拟量。在可编程控制器问世以前，数字量和模拟量的控制主要用继电器、接触器或分立元件的电子线路来实现，它取代了原来的手动控制方式，并迅速成为工业控制的主流。这是自动控制的开始，也是以后诸多形式控制设备的基础。

随着生产力的发展和科学技术的进步，工业生产领域对控制系统提出了更高的要求，可编程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兴工业控制装置。可编程控制器技术与CAD/CAM技术、工业机器人技术共同构成了现代工业自动化的三大支柱产业。

在自动控制领域中，目前国内外有许多生产PLC的厂家，而每个生产厂家都有自己的系列化产品，指令兼容，外设容易扩展；但不同厂家生产的PLC，梯形图、指令及各种配件均有一些差异，不利于PLC的普及。本文将以莫迪康公司的Quantum系列可编程

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控制器为例介绍有关PLC的一些基本概念。2 . Quantum系统硬件模块和编程软件

2.1 CPU模块

Quantum CPU 是位于Quantum本地I/O底板上的一个CPU模板。CPU内含有执行存储器、应用程序存储器、通讯端口状态LED指示灯。LED状态指示灯显示CPU本身及所有通讯端口的工作是否正常，以便及时进行故障检修。

2.2 I/O模块

Quantum系列PLC使用全范围、高性能的I/O模块，符合国际上认可的IEC电气标准，确保恶劣工作环境下的可靠性。Quantum的I/O模块允许带电插拔，这种特性为现场运行维护带来了许多方便。

所有的Quantum PLC I/O模块均可使用编程软件实现软件配置。I/O的软件配置允许用户为每个模块配置I/O地址。软件寻址使现有系统在加入模块或改变I/O配置时，无需从物理上改变应用程序。软件配置的另一个优点是删除空槽，这是由物理地址系统来建立地址映像的限制而造成的。I/O Map 的概念是基于智能模块的扩充，该智能模块需要地址范围以外的额外信息。

2.3 电源模块

Quantum电源模块为Quantum底板提供标准电压和保护系统免受噪声和电源波动的干扰，从而保证系统工作于典型的工厂电气环境。一旦发生意外的电器问题时，它保证系统有足够的时间完成安全、有序的停机。电源模块有24VDC、48/60VDCh和115/230VAC三种，以满足不同的电压需要。电源与使用地点无关，本地与远程等系统结构可使用同一电源。Quantum系列PLC中，有三种类型的电源可供选用：低功率独立型、大功率可累加型和高功率冗余型。

2.4 ASCⅡ模块

Quantum的140ESI06210 ASCⅡ模块是一种通用的ASCⅡ接口，提供与第三方设备通信和交换数据的能力。这些设备是典型的基于工业应用的设备，它们不提供标准通信。该模块多数应用在与打印机、条形码阅读器和扫描仪通信。同样，也有一些设备如称重设备、仪表和其他测量设备使用这种通信方法为简单的点对点ASCⅡ通信方式。该ASCⅡ信息包含在ESI模块中，由Quantum控制器逻辑程序触发。信息离线开发并下装到ESI模块中，利用这些信息，该模块可自主地和ASCⅡ兼容装置进行通信。

2.5 底板

Quantum系列PLC使用公用底板，底板上有

2、

3、

4、

6、10和16槽位六种型号可供选择。16槽底板的型号为140XBP01600模块插在底板上，每一个槽位上插一个模块。底板提供控制信号及模块的电源。这个来自系统供电的电源仅仅为模块供电，而不能用于现场供电。底板中每一个槽位的电气特性都是一样的，即任何模块可插入任意一个槽位中，不存在对槽位的依赖关系，也不存在某些模块必须安装在某一特定底板的问题。对底板的限制仅是模块电源容量及寻址空间。所有寻址全通过软件进行，无需经DIP开关来进行模块配置。此外，底板可用于本地I/O、远程I/O和分布式三种系统结构，无须为某种结构选择专门的底板。底板只要选择包含有足够可用的槽位，能安装下需要的模块并留有将来扩展余地即可。

2.6 Concept编程软件

Concept是用于Modicon TSX Quantum 可编程控制器的编程组态工具，适用于Windows操作系统。它包括IEC编程语言功能块图（FBD）、梯形图（LD）、顺序功能流程图（SFC）、指令表（IL）和结构化文本（ST），以及面向Modsoft的梯形图（LL984）。

采用Concept进行可编程控制器编程是以项目（project）、可编程控制器配置（configuration）、程序（program）和区段（segment）分级来完成的。

Concept的设计项目包括下面的主要步骤。

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1.2.3.4.5.6. 启动Concept。

使用配置器配置硬件。

编程。

项目的保存、下载和测试。

优化和断开。

生成一套完整的Concept文件。

5具体设计流程

5.1输煤系统控制要求

输煤系统有两条输煤线，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；

·可在线选择启动备用设备。在特殊情况下可由两条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式；

·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。

5.2 PLC控制系统设计

2.1 PLC选型

根据输煤系统的自控要求，我们选用了德国SIEMENS 公司最新推出的S7-200型PLC，具有可靠性高、体积小、扩展方便，使用灵活的特点。基本CPU单元选用的是CPU214，性能如下：2048程序存储器；2048数据存储器；14点输入，10点输出；可扩展7个模块；128个定时器；128个计数器；4个硬件中断、1个定时器中断；实时时钟；高速计数器；可利用PPI协议或自由口进行通信；3级密码保护。扩展模块选用EM221,8个输入点；EM223,16个输入点，16个输出点。

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2.2 系统关系系统关系如图1所示。

图1 系统关系

在输煤自控系统中，工业控制计算机作为上位机和输煤控制PLC进行通信，对皮带跑偏信号和设备的运行状态进行实时采样，并在屏幕上显示输煤系统仿真画面，可以直观地察看设备的状态。当皮带跑偏（跑偏15度）时，在屏幕上显示报警画面；当设备发生故障或皮带严重跑偏（跑偏30度）时，在屏幕上显示报警画面并向PLC发送事故停车信号。

输煤控制PLC则根据控制开关的输入信号，执行对应程序块，控制电机实现对应的功能：向上级工业控制计算机发送工作组态信息，接收上级工业控制计算机发送的事故停车信号，实现事故停车处理功能并启动报警设备。二者配合共同实现输煤系统的监测和控制功能。

上级工业控制计算机同时实现对电厂其他系统的监控，由工业控制计算机、输煤系统PLC和其他系统的现场设备（PLC、监控仪表）共同构成分布式系统（DCS）。

2.3 运行模式

根据输煤过程的要求，本系统设计了两种运行模式。在一般情况下，采用并行模式，可根据需要单独选用或同时运行输煤一线和输煤二线。交叉模式是由输煤一线和输煤二线的有关设备组成的，仅在特殊情况下选用。

2.3.1并行模式

并行一线：

联锁开车顺序：10＃皮带机→8＃皮带机→6＃皮带机→2＃破碎机→2＃振动筛→4＃皮带机→2＃皮带机→2＃（3＃）给煤机→4＃给煤机。

联锁停车顺序：与开车顺序相反，延时时间按上述要求设定。2＃、3＃给煤机某中一台备用。

并行二线

联锁开车顺序：9＃皮带机→7＃皮带机→5＃皮带机→1＃破碎机→1＃振动筛→3＃皮带机→1＃皮带机→1＃给煤机。

联锁停车顺序：与开车顺序相反，延时时间按上述要求设定。

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2.3.2 交叉模式

交叉线

联锁开车顺序：9＃皮带机→7＃皮带机→6＃皮带机→2＃破碎机→2＃振动筛→4＃皮带机→2＃皮带机→2＃（3＃）给煤机。

联锁停车顺序：与开车顺序相反，延时时间按上述要求设定。2＃、3＃给煤机其中一台备用。

2.4 PLC程序设计

针对输煤系统的控制要求以及具体控制方案的实现，设计程序流程如图2所示。

图2 主程序流程

2.4.1 程序说明

·子模块0：初始化子程序。在PLC加电时根据各个开关的位置设立标志位。仅在第一个扫描周期执行。

·子模块1：并行一线联锁启停控制程序。根据启动标志位1实现并行一线的联锁启动、联锁停车，并判断事故停车信号以实现事故停车。

·子模块2：并行二级联锁启停控制程序。根据启动标志位2和实现并行二线的联锁启动、联锁停车，并判断事故停车信号以实现事故停车。

·子模块3：交叉线联锁启停控制程序，根据启动标志位3实现交叉线的联锁启动、联锁停车，并判断事故停车信号以实现事故停车。

·PLC的输出信号控制电机的接触器，启动送高电平，停止送低电平。但是，1＃破碎机功率达90kW，2＃破碎机功率达110KW，需要降压启动，所以启动时PLC送一个正脉冲，停车时PLC送一个负脉冲。

2.4.2 程序特点

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·特殊标志位的使用：使用特殊标志位SM0.1，使得初始化子程序（子模块0）仅在第一个扫描周期执行，而在以后的扫描周期不再执行。这样，个别标志位在PLC加电后不受开关变化的影响。例如，并行模式和交叉模式对应标志位仅在关掉主控开关后才能改变。

·内部标志位的使用：在程序中，利用标志位来表示不同的现场情况和程序状态，增加了程序的可靠性和灵活性。

·程序模块化：程序由不同子模块构成，各子模块独立完成各自功能，互不干扰，因而程序结构清晰，便于修改。

·定时器的使用：程序中，利用不同的定时器来设定不同设备的延时时间，可以灵活地根据控制要求进行延时时间的设定。

2.5 部分程序梯形图

图3 部分联锁起停控制梯形图

图3所示为部分联锁启停控制梯形图，T37用于控制设备的启动延时，T40～T46用于控制相应设备的停车延时，接收到停车信号时，经过相应的延时，对应定时器置位从而实现联锁停车。Q0.3是1#破碎机的启动控制输出通道，启动1＃破碎机时送出一个宽度为2s的正脉冲。Q0.7、Q1.0分别是2＃给煤机、3＃给煤机的控制输出通道，M0.

1、M0.2 是内部标志位，用于保证2＃、3＃给煤机始终为一台工作，一台备用。

总之，本系统中，PLC作为现场控制设备，能够可靠、准确地完成控制操作，并且可以通过与上级工控机通信，组成分布式系统共同完成输煤系统的监测、控制要求，是现代工业控制中比较先进的控制方案，应用前景广泛。

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附：

参考文献：《PLC 在电厂输煤程控系统中的应用》葛修军《煤炭技术》28卷第8期

《PLC在输煤程控系统中的应用》

张文红《湖北电力》33卷第5期

《一种基于PLC控制输煤程控控制系统在发电厂中的应用》曾海珍等