1、基于组态软件的锅炉车间输煤机组控制系统设计课程设计摘 要随着我国经济的发展，资源和环境矛盾同趋尖锐，使我国的现代化建设面临严峻挑战。作为供热系统重要能源转换设备的燃煤锅炉能耗巨大，占我国原煤产量的三分之一左右。然而，我国目前很多自动运行的锅炉控制系统自动化水平不高、安全性低，工作效率和环境污染普遍低于国家标准，因此实现锅炉的计算机自动控制具有重要的意义。本文基于西门子公司的S7-200 PLC设计了锅炉输煤机组控制系统。该系统包括下位机控制和上位机控制两部分，下位机控制系统采编用CPU224模块作为控制系统的核心。采用V4.0 STEP 7 Micro/WIN程软件，进行PLC程序设计；选用组
2、态软件“组态王6.53”进行上位机监控画面设计。关键词：PLC 输煤 皮带传送 组态王1 引言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、饭店等。从80年代石横工程1全套引进第一台300MW机组1到至今，锅炉厂房控制系统、控制思路发生了很大的变化，其设计逐渐成熟。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。所谓锅炉输煤系统，是指从送煤开始，一直到将合格
3、的煤块送到原煤仓的整个工艺过程，它包括以下几个主要环节：给煤生产线、选煤、皮带运输系统、破碎与提升、回收系统以及一些辅助生产环节。本设计中主要研究的是其中的输煤系统部分，即煤块从给煤机传输到原煤仓的过程。2 设计内容和要求本项目要求输煤机组主要由6台三相异步电动机M1M6和一台磁选料器YA组成，最终实现对锅炉的输煤机组的运行控制,具备开车、停车的自动和手动控制功能，需具备提醒、保护和紧急停车功能。此外要对供煤机组的运动过程实时监控，在突发故障或意外情况是给予显示以便操作人员对系统故障能够及时排除，此次设计基于以上控制目的。此外在操作台还将有一台触摸屏来监控电控系统运行的各个过程参数。输煤机组控
4、制系统示意图如图2-1所示。图2-1 输煤机组控制系统示意图锅炉车间输煤机组控制设计是根据工业锅炉供煤工艺要求进行设计的，其在工业生产中的主要任务是：能够对电机进行启停，手/自动，紧急停车等基本控制要求。针对以上设计目标，为了保证输煤系统的正常、可靠运行，该系统应满足以下具体要求：（1）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；（2）各设备启动和停止过程中，要合理设置时间间隔（延时）。启动，停车延时统一设定为10s。启动延时是为保证无煤堆积以发生故障；停车延时是为保证停车时破碎机等为空载状态；（3）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，其整个输
5、煤设备也立即停车。此外在现场也有控制系统装置运行的按钮；（4）可在线选择启动备用设备。在特殊情况下可开启另一套备用设备，由两条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式。3 设计方案本控制系统是基于PLC控制的设计，并且输煤系统的故障判断是建立在实时监控的基础上的。首先它的硬件部分属于电气控制，软件部分是利用PLC的软件编程对其进行控制6，同时利用组态软件建立上位机监测画面，通过与PLC的通信对运行系统进行实时监测和控制。系统总体设计框图如图3-1所示。图3-1 系统设计总体框图3.1 设计信号说明输煤机组的拖动系统由6台三相异步电动机M1M6和一台磁选料器YA组成。SA1为手动/自动转换开关，SB1和
6、SB2为自动开车/停车按钮，SB3为事故紧急停车按钮，SB4SB9为6个控制按钮，手动时单机操作使用。HA为开车/停车时讯响器，提示在输煤机组附近的工作人员，输煤机准备起动请注意安全。HL1为手动运行指示，HL2为紧急停车指示，HL3为系统运行状态指示。为保证输煤机组输煤顺畅，开车采用逆煤流方向启动，停车时按顺煤流方向停车。输煤机组的控制信号说明见表3-1。表3-1输煤机组控制信号说明输 入输 出文字符号说 明文字符号说 明SA1-1输煤机组手动控制开关KM1给料器和磁选料器接触器SA1-2输煤机组自动控制开关KM21#送煤机接触器SB1输煤机组自动开车按钮KM3破碎机接触器SB2输煤机组自动
7、停车按钮KM4提升机接触器SB3输煤机组紧急停车按钮KM52#送煤机接触器SB4给料器和磁选料器手动按钮KM6回收机接触器SB5送煤机P1手动按钮HL1手动运行指示灯SB6破碎机手动按钮HL2紧急停车指示灯SB7提升机手动按钮HL3系统运行状态指示灯SB8送煤机P2手动按钮HA报警电铃SB9回收机手动按钮FRM1M6，YA过载保护信号3.2 输煤机组运行过程1.手动开车/停车功能SA1手柄指向左45时，接点SA1-1接通，通过SB4SB9控制按钮，对输煤机组单台设备独立调试与维护使用，任何一台单机开车/停车时都有音响提示，保证检修和调试时人身和设备安全。2.自动开车/停车功能SA1手柄指向右4
8、5时，接点SA1-2接通，输煤机组自动运行。(1) 正常开车 按下自动开车按钮SB1，音响提示5s后回收电动机M6起动运行；10s后送煤机P2电动机M5电动机起动运行；10s后提升电动机M4起动运行；10s后破碎电动机M3起动运行；10s后送煤机P1电动机M2起动运行；10s后给料器电动机M1和磁选料器YA起动运行并；10s后，点亮HL3系统运行状态指示灯，输煤机组正常运行。(2) 正常停车 按下自动开车按钮SB2，音响提示5s后给料器电动机M1和磁选料器YA停车，同时，熄灭HL3系统运行状态指示灯；10s后送煤机P2电动机M2停车；10s后破碎电动机M3停车；10s后提升电动机M4停车；10
9、s后送煤机P1电动机M5电动机停车；10s后，回收电动机M6停车；至此输煤机组全部正常停车。(3) 过载保护 输煤机组有三相异步电动机M1M6和磁选料器YA的过载保护装置热继电器，如果电动机、磁选料器在输煤生产中，发生过载故障需立即全线停车并发出报警指示，HA电铃断续报警20s，到事故处理完毕，继续正常开车，恢复生产。(4) 紧急停车 输煤机组正常生产过程中，可能会突发各种事件，因此需要设置紧急停车按钮，实现紧急停车防止事故扩大。紧急停车与正常停车不同，当按下紧急停车按钮SB3时，输煤机组立即全线停车，HA警报声持续10s停止，紧急停车指示灯HL2连续闪亮10s，直到事故处理完毕，恢复正常生产
10、。(5) 系统正常运行指示 输煤机组中，拖动电动机M1M6和磁选料器YA按照程序全部正常起动运行后，HL3指示灯点亮。如果有一台电动机或选料器未能正常起动运行，则视为故障，输煤机组停车。4 硬件电路设计4.1 系统控制主电路图设计按照设计方案，给料器M1、P1送煤机M2、破碎机M3、提升机M4、P2送煤机M5和回收电动机M6由6台三相异步电动机拖动。磁选料器YA由两相电源提供。负载M2-M6由接触器KM2-KM6控制，给料器M1和磁选料器YA共同由KM1控制。由于破碎机M3功率为13KW和2#送煤机M5功率为75KW都比7.5KW大，在实际使用中要采用星三角降压启动。其余负载均采用直接启动方式
11、，本设计考虑实验室PLC I/O口数限制，只做直接启动。主电路图见图4-1。电源回收机送煤机P1提升机破碎机送煤机P2给料器及磁选料器图4-1 输煤机控制主电路图（1) 主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分别控制三相异步电动机M1给料电动机，M2送煤电动机，M3破碎电动机，M4提升电动机，M5送煤电动机，M6回收电动机。（2) 热继电器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6的作用是对电动机M1、M2、M3、M4、M5、M6实现过载保护。（3) 熔断器FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6分别实现各负载回路的短路保护。 4.2 电器元件的选择设计该控
12、制系统室考虑实验室调试方便，使用了最简的点数，输入点数有：2个输入开关分别控制手动/自动控制，9个输入按钮分别为SB1和SB2为自动开车/停车按钮，SB3为事故紧急停车按钮，SB4SB9分为6个电动机控制按钮。 输出点数有：6个输出接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分别控制三相异步电动机M1给料电动机，M2送煤电动机，M3破碎电动机，M4提升电动机，3个输出指示灯其中HL1手动运行指示灯、HL2为紧急停车指示灯、HL3为系统运行状态指示灯和1个输出HA电铃。继电-接触器系统虽然有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使得设备连线复杂，且触电在开闭是易受电弧的危害，寿命短，
13、系统可靠性差；所以如果采用继电-接触器控制方式，控制电路将会很复杂，而且可靠性难以保证。本文按照本课题的控制要求，控制过程主要采用逻辑和顺序控制，PLC恰能满足此控制要求。所以用PLC进行控制，不仅能满足控制要求、控制方便简单，而且具有较高的可靠性。因此，本设计应采用PLC进行控制。（1）本设计采用西门子S7-200PLC,使用CPU224模块，其输入/输出接口（I/O）数量分别为输入端口14个，输出端口10个，刚好可以满足本设计的I/O使用需求。（2）为保证负载安全可靠的供电，所以采用输出形式为继电器。4.3 I/O地址分配I/O信号在PLC接线图端子的地址分配是进行PC控制系统设计的基础。
14、对软件设计来说，分配I/O点地址以后才可以进行编程；对控制柜和PLC的外围接线来说，只有I/O点地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据接线图和安装图安装控制柜。由上硬件系统的选择可知控制系统使用一个CPU224即可。CPU224基本单元的I/O地址如下：I0.0 I0.1、IO.2、I0.3、I0.4、I0.5、I0.6、I0.7、I1.0、I1.1、I1.2、I1.3、I1.4、I1.5；Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1PLC输入输出接口地址分配表见表4-1。表4-1 PLC输入输出接口地址分配表输入信号输
15、煤机组手动控制开关SA1-1I0.0输煤机组自动控制开关SA1-2I0.1输煤机组自动开车按钮SB1I0.2输煤机组自动停车按钮SB2I0.3输煤机组紧急停车按钮SB3I0.4给料器磁选料器手动按钮SB4I0.5送煤机P1手动按钮SB5I0.6破碎机手动按钮SB6I0.7提升机手动按钮SB7I1.0送煤机P2手动按钮SB8I1.1回收机手动按钮SB9I1.2M1-M6,YA过载保护信号FRI1.3输出信号给料器磁选料器接触器KM1Q0.0送煤机P1接触器KM2Q0.1破碎机接触器KM3Q0.2提升机接触器KM4Q0.3送煤机P2接触器KM5Q0.4回收机接触器KM6Q0.5手动运行指示灯HL1Q0.6紧急停车指示灯HL2Q0.7系统正常运行指示灯HL3Q1.0报警电铃HAQ1.14.4 PLC控制电路接线图 根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路接线图，如图4-2。在接线过程中要注
