锅炉车间输煤机组控制设计毕业论文
锅炉车间输煤机组控制设计
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；选用组态软件“组态王6.53”进行上位机监控画面设计。本文先对锅炉输煤系统做了简单介绍，接着给出本系统设计的总体方案；然后是对系统硬件设计做了说明，紧接着是详细介绍系统的软件设计方法和步骤。然后对组态软件作简单介绍和再给出具体设计的操作方法及步骤。最后是对整个设计进行调试，通过上位机与PLC的通信，最终实现了上位机对PLC系统的实时监控。
关键词：PLC；输煤；皮带传送；上位机
Design of Boiler Shop Coal Handling Unit Control
ABSTRACT
With the development of Chinese economic, resource and environmental conflicts with the increasingly sharp, so that China's modernization is facing severe challenges. The coal-fired boiler which uesd as energy conversion devices for heating system consumpts large energy.It accounts for about one- third of China's coal output. However,the automation level of the boiler control system running automatically is not high, low security, efficiency and environmental pollution are generally lower than the national standard, so the computer automatic control of the boiler is of great significance.
Boiler coal handling unit control system is designed based on Siemens S7-200 PLC. The system includes two parts of the control and PC control ,the under the position control system uses CPU224 module as the core of the control system. Using the V4.0 the STEP 7 Micro / WIN programming software, and the PLC program to design; the software Kingview 6.53 "PC is used to monitor screen design.At first, this article gives a brief introduction on the boiler coal handling system, then gives the general design scheme of the system .finally，it describes hardware design of the system, followed by details of software design methods and procedures. And configuration software for a brief introduction and then given the specific design of the operating methods and procedures. Finally,the debug of the entire design.According to the communication of PC and PLC , and ultimately complete the real-time monitoring of the host computer to the PLC system.
Keywords: PLC; coal handling; belt transmission; the host computer
目录
第一章前言 (1)
1.1 锅炉系统概述 (1)
1.2 锅炉输煤研究意义 (1)
第二章系统方案设计 (3)
2.1 设计内容及目标 (3)
2.2 设计要求 (3)
2.3 设计方案 (4)
2.3.1 设计信号说明 (4)
2.3.2 输煤机组运行过程 (5)
2.3.3程序流程图 (6)
2.3.4 上位机监控 (8)
第三章下位机设计 (9)
3.1 硬件电路设计 (9)
3.1.1 系统控制主电路图设计 (9)
3.1.2 电器元件的选择 (10)
3.1.3 I/O地址分配 (10)
3.1.4 PLC控制电路接线图 (11)
3.2 软件设计 (12)
3.2.1 顺序功能图 (12)
3.2.2 程序设计 (13)
第四章上位机界面设计 (19)
4.1 组态软件简介 (19)
4.2 上位机监控画面的设计 (19)
4.2.1 新建工程 (20)
4.2.2 通道连接 (24)
4.2.3 定义设备变量 (28)
4.2.4 画面设计 (30)
4.2.5 建立动画连接 (33)
4.2.6 配置运行系统 (35)
第五章调试 (35)
5.1 设置PLC通信 (35)
5.1.1 设置PG/PC接口 (35)
5.1.2 设置通信 (37)
5.1.3 系统块参数设置 (37)
5.2 设置组态王通信 (38)
5.3 调试中的问题 (39)
5.4 调试结果 (40)
结束语 (41)
参考文献 (43)
致谢 (44)
附录1：PLC梯形图程序 (45)
附录2：应用程序命令语言 (53)
第一章前言
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。
1.1 锅炉系统概述
锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备，它所产生的高压蒸汽，既可作为风机、压缩机、大型泵类的驱动的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大、生产设备的不断革新，作为动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高效率发展。为了确保安全、稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得更加重要。
输煤系统是整个系统的第一关。燃料是工厂安全经济生产，全面完成任务的物质基础，没有了燃料，一切将无从谈起。燃料费用占成本的75%左右，这就奠定了输煤系统是工厂经营管理的重要组成部分，也是安全生产管理的主要环节。随着能源供需矛盾的发展变化，输煤系统的地位显得更加重要。
1.2 锅炉输煤研究意义
所谓锅炉输煤系统，是指从送煤开始，一直到将合格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[2]、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。
传统的输煤系统是一种基于继电接触器和人工手动方式的半自动化系统。由于输煤系统现场环境十分恶劣，不仅极大损害了工人的身体健康，
而且由于输煤系统范围大，经常有皮带跑偏、皮带撕裂及落煤管堵塞等等麻烦，大大降低了发电厂的生产效率。随着发电厂规模的扩大，对煤量的需求大大提高，传统的输煤系统已无法满足发电厂的需要。
随着生产过程的控制规模不断增大，运行参数越来越高，生产设备及其相应的热力设备和系统更加复杂。输煤系统是热力系统的重要组成部分，是锅炉车间燃料供应的有力保证。输煤机组工作效率的提高是整个工艺过程的关键因素，而整个输煤过程往往采用远程控制，这就对自动控制系统的设计提出了更高的要求，传统方法不能得到满意的测控效果。因此，在输煤系统中往往选择比较有优势的PLC（可编程控制器）控制系统，使整个控制过程具有正常运行、事故处理、参数监测、故障报警、装置调控、危险保护等功能。由于PLC控制器优越的控制性能和高度可靠性,使得其在工业自动化生产领域的应用越来越广泛[3]。通过对PLC的应用，对锅炉的配煤系统进行了设计，对原有的传统手动配煤方式进行了优化和改进。本课题的主要目标是改变以往配煤系统的传统手动配煤方式，提高运行人员工作效率，从煤源上进行筛选比控制，解决锅炉的配煤问题，提高锅炉的燃煤效率和经济效益。通过利用PLC实现锅炉输煤机组的自动控制[4]，可以提升输煤技术的自动化水平，尽可能的降低煤损耗，提高煤的利用率，从而提高生产效益。.
第二章系统方案设计
2.1 设计内容及目标
本项目要求输煤机组主要由6台三相异步电动机M1～M6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[5]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；能够对对电控系统的各个运行环节进行监控；能够对突发故障进行报警显示。
2.2 设计要求
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。
2.3 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2-2所示。
图2-2 系统设计总体框图
2.3.1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M1～M6和一台磁选料器YA组成。SA1为手动/自动转换开关，SB1和SB2为自动开车/停车按钮，SB3为事故紧急停车按钮，SB4～SB9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2-1。
表2-1输煤机组控制信号说明
2.3.2 输煤机组运行过程
1.手动开车/停车功能
SA1手柄指向左45o时，接点SA1-1接通，通过SB4～SB9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45o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；10s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M1～M6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。
(5) 系统正常运行指示输煤机组中，拖动电动机M1～M6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。
2.3.3程序流程图
软件部分即程序的设计，程序设计要根据I/O地址的分配和要实现的功能结合硬件电气的连接进行编程，来实现设计系统要完成的功能，PLC 进入运行状态后，首先进行手动/自动的选择，所以程序的主流程图如图
2-3所示。
图2-3 控制程序主流程图
当系统以手动方式运行时，是单个设备点动控制，较为简单，这里不再做程序流程图。当系统以自动方式运行时，PLC运行的程序流程图如图2-4所示。
图2-4 输煤机组程序设计流程图
2.3.4 上位机监控
监控部分是利用组态软件建立监控画面，通过建立通道连接、动画连接和控制策略实现PLC与上位的行通信后的运行动画，对输煤系统的运行状态进行实时监控和故障报警[7]。
第三章下位机设计
3.1 硬件电路设计
3.1.1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，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3-1。
图3-1 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。
3.1.2 电器元件的选择
设计该控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，SB4～SB9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，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。
3.1.3 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。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、Q1.1
PLC输入输出接口地址分配表见表3-1。
表3-1PLC输入输出接口地址分配表
3.1.4 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2-3。在接线过程中要注意，在实验室的试验箱中输入公共端1M/2M要求连接24VDC电源的的正极“L+”处，此时输入端是低电平有效；输出公共端的1L/2L/3L要求连接24VDC电源的负极“M”处，此时输出端输出的是高电平有效。
SA1-1SA1-2SB1SB2SB3SB4SB5SB6SB7SB8SB9FR
图3-2 I/O接线图
3.2 软件设计
本设计选用西门子公司的S7-200PLC刚好可以满足设计要求，程序是设计使用西门子公司的V4.0 STEP 7 Micro/WIN SP3编程软件。此软件具有汉化的语言，使用起来十分方便。该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机帮助功能。可以使用此软件开发PLC应用程序，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。西门子S7-200 PLC的编程语言有三种[8]，分别是：梯形图（LAD）和功能块图（FBD）是一种图形语言，语句表（STL）是一种类似于汇编语言的文本型语言。三种语言之间可以相互转化，本设计采用梯形图编程。
3.2.1 顺序功能图
输煤机组的控制过程分为自动和手动控制方式。在自动控制模式下，要求各负载从M6到M1逆序自动启动，并能从M1到M6顺序自动停止。同时，该输煤机组还能在手动控制模式下进行点动，以便调试和维修。而且，该系统还能实现过载保护、紧急停车和故障提醒功能，并有相应的指示报警功能。根据此要求，本设计采用SCR指令编写梯形图程序[9]。
输煤机组的整个运行过程可以用顺序功能图来描述。锅炉车间输煤机组控制系统的顺序功能图如图3-3所示，该顺序功能图非常直观，清楚地面描述了锅炉车间输煤机组自动工作的过程。
图3-3 输煤机组自动控制顺序功能图
3.2.2 程序设计
完成以上内容紧接着即可对控制系统的运行过程进行相应的梯形图设计[9]，V4.0 STEP 7 Micro/WIN编程软件的界面如图3-4所示。下面介绍编程的具体步骤。
图3-4 V4.0 STEP 7 Micro/WIN编程软件主界面
1.新建项目
编写PLC程序，首先创建一个项目文件，单击菜单“文件”中的“新建”项或工具条中的“新建”按钮，在主窗口将显示新建的项目文件主程
序区。图3-5所示为一个新建程序文件的指令树，系统默认设置如下：
REL02.01”是系统默认的PLC的CPU型号。
一个项目文件包含九个相关的块。其中程序块
中包含一个主程序（OB1）、一个可选的子程序SBR
＿0和一个中断程序INT＿0。
一般小型开关量控制系统只要主程序，系统规
模较大，功能复杂时，除子程序外，可能
还有子程序、中断程序和数设计因采用了手/自动选
择，故使用子程序。
2.确定PLC的CPU型号
右击项目1下的“CPU 221 REL02.01”图标，
在弹出的菜单中单击“类型”，或者直接双击在对
话框中选择所用PLC型号“CPU 224 CN”。图3-5 新建程序结构
3.编写程序
使用V4.0 STEP 7 Micro/WIN编程软件编辑和修改程序是本设计的主要内容之一，设计只采用了梯形图编程，其语句表和功能图可以相互转化。下面介绍本设计中梯形图程序的编辑过程。
（一）输入编程元件
梯形图的编程元件（编程元素）主要有线圈、触点、指令盒、标号及连接线。输入方法有两种：
（1）用指令窗口中所列的一系列指令，把光标放在需要放置的位置，双击要输入的指令，就可以在举行光标处放置一个编程软件，如图3-7所示的“位逻辑”指令。
（2）用工具条上的一组编程按钮，如图3-6所示。单击触点、线圈、或指令盒按钮，从弹出的窗口下拉菜单所列出的指令中选择要输入的指令，单击即可。
图3-6 编程按钮
（二）编写自动选择程序
使用上述方法编写主要程序，程序的开始段如图3-7所示。
图3-7 选择自动运行程序
启动过程中的梯形图如图3-8所示。其中的I1.3和I0.4分别是过载保护和紧急停车按钮。
图3-8 启动电机M6
以这种方法，结合左侧的指令树和程序要完成的功能，按照顺序控制的方式对每个网络进行编辑。因为本设计使用子程序的调用，所以在主程序编辑完成后，要转入子程序SBR＿0编写子程序，如图3-9所示。所有程序完成后最终做一个完整梯形图程序。选择“文件”中“另存为”将程序保存为“锅炉车间输没机组控制PLC程序”，编程完成。
图3-9 子程序编辑
（二）插入和删除
在编辑过程中经常遇到网络用完和需要删除一行、一列、一个网络的情况，可以在编辑区右击要进行操作的位置，弹出下拉菜单，单击要插入和删除是项，然后进行编辑。如图
图3-10 插入和删除
（三）注释
梯形图编辑过程中的“网络n ”表示每个网络或梯级，同时又是标题栏，可以再在此为每个网络加标题或必要的说明，使程序清晰易读。用光标点击如图3-9所示的“子程序注释”，此时即可在文本框中键入相关标题和注释。
（四）编译用户程序
程序编辑完成，可用菜单“PLC ”中的“编译”项或通过如图3-11所示的编译按钮进行离线编译。
图3-11编译和下载按钮