基于PLC的称重给煤机控制系统方案设计书大学本科方案设计书.docx

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基于PLC的称重给煤机控制系统方案设计书大学本科方案设计书

随着火电厂规模和单机容量的扩大，给煤机在整个选煤系统中的作用越来越大，目前300MW及以上的大机组的锅炉一般采用直吹式制粉系统，即一台磨煤机配备若干台给煤机，磨煤机的煤粉直接进入锅炉燃烧器燃烧。

这样锅炉的給煤量就完全由给煤机决定，给煤机的控制性能就显得尤为重要。

给煤机给煤量过多会加大皮带电机负荷，增加皮带磨损程度，增加设备故障发生几率，影响生产效率；给煤机给煤量过少又会降低生产效率，影响效益。

称重式给煤机是一种可均匀、连续、定量地给煤到磨煤机中的设备，并且可以在给煤过程中对煤连续称重,同时根据燃烧系统需求的煤量信号，随时调节给煤量。

因此称重给煤机广泛适用于电力、冶金等各行业的工业锅炉的连续给煤。

可编程控制器PLC因具有高可靠性、易集中控制的优点，使其在工业控制中得到广泛应用。

本设计用S7-200PLC和MCGS监控软件实现称重式给煤机监控系统的设计、调试等。

通过上位机的监控画面，我们便可以对现场的机器运行状况一目了然。

本文重点介绍了可编程控制器在给煤机称重监控系统中的应用。

分析了目前给煤机在电厂中的重要地位，根据给煤机控制系统的现有状况，详细阐述了改造后系统的工作原理及方式、控制系统的组成、PLC应用领域、发展方向以及如何设计梯形图在本文中都一一进行了介绍。

并且经过模拟试验，证明了改造后系统运行达到了经济高效稳定的预定要求。

因此用PLC及上位机监控实现对给煤机的控制是现代化火电厂的需要。

关键词称重式给煤机，可编程序控制器，上位机，监控系统

Abstract

Withthescaleofthepowerplantandsinglecapacityexpansion,toploughinthewholeselectiontheroleofcoalsystemismoreandmorebig,Ofthe300MWandabovetheboilergenerallyUSESthestraightblowingpulverizingsystem,namelyamillisequippedwiththenumberofcoalfeeder,millcoaldirectlyintotheboilercombustionburner.Sothecoalboileriscompletelytothecoaltodecision,sotothecontrolperformancemeasurementcoalareparticularlyimportant.thecoaltogivetoomuchcanincreasetheamountofcoalbeltmotorload,increasebeltworndegree,increaseequipmentfailurerisk,affectstheproductionefficiency;Togivecoalstokerhadmeasuredandwillreducetheproductionefficiencyless,affectbenefits.Coalisakindofweighcanbeevenly,continuousandquantitativelytocoaltothemillequipment,andcanbeintheprocessofcoaltocoalforweighing,andaccordingtothedemandofthecoalcombustionsystemofsignal,adjustatanytimetocoalquantity.Toplowhassetupconvenient,environmentalprotection,andotherverymuch,widelyusedinelectricpower,metallurgyindustriesoftheindustrialboilercontinuouslytocoal.

PLCprogrammablecontrollerwithhighreliability,easyfortheadvantagesofcentralizedcontrol,sothatintheindustrycontrolhavebeenwidelyused.ThisdesignwithS7-200PLCandMCGSsoftwarerealizationweighingtypemonitoringtoploughthedesignofmonitoringandcontrolsystem,commissioning,etc.Byusingcomputermonitorscreen,thenwecanthemachinerunningsituationofthebeclearataglance.

Thispaperintroducesaprogrammablecontrollerinweighingsystem.Analysisofthecurrentcoalfeederinpowerplantinanimportantposition,accordingtothecoalfeedercontrolsystempresentsituation,elaboratedthetransformationsystem'sprincipleofworkandthestyle,thecompositionofthecontrolsystem,PLCapplicationdevelopmentdirection,andhowtodesigntheladderdiagraminthispaperoneoneareintroduced.Andthroughthesimulationtest,provedafterthetransformationoftheoperatingsystemtoachievetheeconomicefficientstabilityrequirements.

SowithPLCandPCmonitortothecontrolofthecoaltorealizethemodernizationconstructionofcoal-firedpowerplantsisneeded.

KeyWordsWeighingtypecoalfeeder,programmablecontroller,PC,monitoringsystem

目录

中文摘要I

AbstractII

1引言-1-

1.1选题意义-1-

1.2称重式给煤机国内外现状及发展趋势-1-

2称重给煤机软件简介-3-

2.1PLC概述-3-

2.2S7-200PLC性能简介-5-

2.3MCGS软件概述-6-

2.4变频器概述-7-

3称重给煤机控制系统硬件设计-9-

3.1称重式给煤机简介-9-

3.2称重给煤机的计量原理图-11-

4称重给煤机控制系统软件设计-12-

4.1称重给煤给煤机控制系统I/O表-12-

4.2称重给煤机控制系统梯形图-12-

4.3梯形图工作过程分析-20-

4.4称重给煤机组态设计-21-

总结-22-

致谢-23-

参考文献-24-

附录

1引言

1.1选题意义

在工业生产过程中，都需要对某种物料或多种物料进行连续的、高精度的定量计量，以保证稳定的生产过程或者精确的物料配比，其计量准确与否及计量精度的稳定与否无疑是各领域工艺系统能否正常运行的关键。

给煤机是火电厂燃烧系统的重要辅助设备，是锅炉系统的一个组成部分。

在火力发电厂的制粉系统中它与磨煤机配合实现锅炉燃烧系统中给煤量的连续均匀调节和给煤量的计量。

目前300MW及以上的大机组的锅炉一般采用直吹式制粉系统即一台磨煤机配备若干台给煤机。

磨煤机的煤粉直接进入锅炉燃烧器燃烧，这样锅炉的给煤量就完全由给煤机决定。

因此，给煤机的控制性能就显得尤为重要。

20世纪80年代初华能福州火电厂引进美国STOCK给煤机控制系统，该系统原来就缺少实时追忆功能，目前又存在设备老化、稳定性下降、计量精度差、故障增多等众多问题，给电厂生产带来了一定麻烦。

改造后的控制系统以PLC为核心，称重传感器为检测元件，变频电动机为执行元件，人机界面为监控手段，提高了系统的控制精度和稳定性。

开发了控制系统和人机界面程序，增强了系统的可扩展性，为企业创造了良好的经济效益。

1.2称重式给煤机国内外现状及发展趋势

给煤机是技术含量和集成化很高的装备，新设备的开发中不断将人类在各领域成果融合进来，随着材料科学、制造工艺、信息技术、计算机技术的进步，每一轮产品都有新的技术注入，零部件的更新周期越来越短、新设备换代越来越快，尤其是大型给煤机的开发，无成熟的经验可借鉴，而又不允许设计中出现任何失误，因此必须借助多学科技术的融合，提高设计效率和设计质量，提升企业自主创新能力和市场竞争力，液压件、电气控制、发动机等给煤机配套所需配套产品已成为我国发展给煤机的瓶颈，在这方面大家已有深刻体会，我国给煤机产业要在头十年高速发展的基础上更加注重进步发展质量，给煤机产业的工业结构调整虽已有一定进展，但总体看来工业结构不公道现象仍旧较为严峻。

平稳较快发展的基本前提和长期向好的基本趋势不会改变，给煤机产品市场需求总量仍将保持持续增长，但毋庸讳言，需求增长速度将比前十年趋缓。

称重给煤机用于电力行业及其他行业的工业锅炉连续給煤，煤机卸载上部煤仓的煤，通过出口使煤落在皮带上，连续均匀地把煤送到磨煤机里，并能够根据负荷的指令来调节输送原煤的速度。

目前国内新建电厂大多采用直吹式制粉系统，基于安全与经济角度，对于给煤机的要求是控制系统自动化程度高，维护和运行人员少，机组能够长期稳定运行，而能够实现这些主要还是依赖使用的控制系统可靠行，稳定行和具有的强大控制功能。

随着现代工业设备自动化，越来越多的电厂设备将采用PLC、变频器、人机界面等自动化器件来控制。

在电厂高温，多粉尘的恶劣环境下，将PLC应用在给煤机的控制中，不但可以保证系统正常运行，而且它维护量小，价格便宜，易于编程，且有一定的通讯抗干扰能力。

国外已大量采用称重式给煤机控制系统，针对我国火力发电厂锅炉辅机—给煤机制造的落后情况，我国从上个世纪90年代起相继从西方国家引进了称重式给煤机，沈阳华电电站装备有限公司、沈阳斯道克电力设备有限公司、上海发电设备成套设计研究所等公司以共计千台以上的设计、制造、安装运行业绩为引进及消化吸收国外技术作出了重要贡献。

经过10多年的努力，我国给煤机的选型、制造和运行可靠性都已经达到一个较高的水平。

配套的给煤机产品应用在我国600MW机组上，并已准备安装在国产1000MW机组上，同时也安装在几大锅炉厂制造的220t/h~480t/h循环流化床锅炉的给煤系统。

现国内火电厂运行的称重式给煤机主要是STOK-s200系列给煤机，其它产品与此类同。

这种类型的给煤机的特点：

a.对皮带张力、导向、驱动方面都采取了相应的技术措施。

b.保证给煤机处于最佳的运行状态。

如皮带测速装置--光电编码器安装于皮带驱动装置上，保证测速准确、可靠。

c.断煤信号发生装置安装于皮带上方，用以在给煤机停止时，防止总煤量继续累计；在给煤机标定时，如皮带上有煤时，终止标定工作。

可编程控制器（PLC）是八十年代发展起来的新一代工业控制装置，是自动控制与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。

鉴于电厂输煤系统的重要性，现多采用PLC实现给煤机设备的连锁控制以保证其可靠性和特殊性，工业控制计算机则作为上位机与PLC互相配合，共同完成给煤机系统的监控功能。

［1］

目前，机组以从早期的手动控制发展到现在的自动控制，从就地控制发展到现在的集中控制。

过去，运行人员通过手动操作执行机构和人工记录报表，如今，现代化大型机组普遍采用计算机控制、大屏幕显示和高分辨率的CRT监视操作，从而将复杂的机组运行参数集中处理，并以图表、文字形式实时显示，供运行人员操作指导。

实时在线校准称重给煤机利用实时在线技术，在给煤机运行过程中，实现了自动在线标定、在线比对、在线调零，使给煤机运行可靠性、稳定性、称重控制准确性得到大大提高，是现有技术的突破。

2称重给煤机软件简介

2.1PLC概述

可编程控制器（PLC）是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，鉴于电厂输煤系统的重要性，为了向国外无人化监控管理方向发展，以达到减员增效和提高管理水平的目的，输煤系统采用PLC控制。

可编程序控制器采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，其应用领域包括数字量逻辑控制、运动控制、闭环过程控制、数据处理等。

[3]

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。

图2.1PLC控制系统示意图

可编程序控制器的主要性能指标如下：

（1）可编程序控制器的存储器

可编程序控制器的存储器由两部分组成，一部分用来存放系统程序，在机器出厂前由生产广家将程序写入，用户无法改变也不能访问;另一部分用来存放用户程序及所需的数据。

存储容量一般指后者，包括程序存储器与数据存储器。

数字输入/输出量在数据存储器中建立的文件分别称为输入/输出映象文件，也叫输入/输出映象表。

模拟输入/输出量通常在数据存储器中建立块传送文件。

生产厂家在生产可编程序控制器时，已按照机器型号的不同，设置了不同容量的存储器，小在1k到几k，大至1M-2M。

用户可根据控制对象的复杂程度不同，预估所需容量，进而选择机型。

在16位可编程序控制器中，存储器容量通常以字（不是字节）为基本单位，1字等于2字节;而在介绍32位可编程序控制器处理器的资料中，存储容量常以字节计。

（2）可编程序控制器的控制容量

可编程序控制器的控制容量就是I/O容量，也叫I/O能力，通常以离散量（数字量）个数计。

不同的可编程序控制器I/O容量的差别很大，一些微型的可编程序控制器I/O能力在20点以下，而大型可编程序控制器的I/O能力可达10K以上。

由于I/O容量大小与存储容量的大小基本一致，生产厂家在生产可编程序控制器时，常常以I/O容量的大小来设置不同的存储器容量。

（3）可编程序控制器的扫描周期

可编程序控制器的扫描周期也叫处理器扫描时间。

机器上电后先进行初始化工作，如复位定时器、检查I/O组件连接等，然后在此基础上开始进入系统的扫描周期，通常将输入扫描与输出扫描合称为I/O扫描，因此处理器扫描时间为I/O扫描与程序扫描（逻辑扫描）之和。

I/O扫描时间是指处理器把其输出映象表的数据写到输出模块和把输人数据从输入模块读人到处理器输入映象数据表的时间。

当处理器完成了系统中所有I/O刷新之后，就开始逻辑扫描。

逻辑扫描是执行用户程序的时间，程序指令对某些条件进行检查并将其与输入映象表中的位相比较。

如果映象表中的位与被检查的条件相符，则逻辑为真，处理器就刷新输出映象表中相应的位（注意:

不是直接改变输出模块）。

这个过程将连续不断地进行，直至执行到逻辑扫描的结束语句为止。

这时就开始I/O扫描。

在I/O扫描期间，处理器将完成内务处理和离散数据传送两项工作。

内务处理时间（一般不大于4.5ms）包括处理器内部检查:

用输出映象表数据刷新处理器基本框架上驻留本地I/O输出模块;用输出映象表的数据刷新远程I/O缓冲区;用处理器基本框架内的I/O输入状态刷新输入映象表;用存放在远程I/O缓冲区的远程I/O输入状态刷新输入映象表。

在完成内务处理之后，处理器将进行扩展本地I/O框架（如果存在）的扫描:

扩展本地I/O的离散数据在处理器数据映象表和扩展本地I/O框架中的I/O之间进行交换；扫描扩展本地I/O框架所需要的时间加上内务处理时间就是总的I/O扫描时间。

[5]

可编程序控制器的主要功能有：

a.逻辑控制功能。

用PLC的与、或、非指令取代继电器触点串联，并联和其他逻辑连接，进行开关控制。

b.定时/计数控制功能。

用PLC提供的定时器，计数器指令实现对某种操作的定时完成后，才能进行下一道工序操作的控制。

c.数据处理功能。

PLC能进行数据传送，比较，移位，数制转换，算术运算与逻辑运算以及编码和译码等操作。

d.顺序控制功能。

用步进指令来实现在有多道貌岸然加工工序的控制中，只有前一道工序完后，才能进行下一道工序操作的控制。

e.扩展功能。

可能通过附加各种智能单元通过连接输入输出扩展单元模块来增加输入输出点数，也提高PLC控制能力。

f.过程控制功能。

通过PLC的PID控制模块实现对温度，压力，速度，流量等物理量进行闭环控制。

2.2S7-200PLC性能简介

西门子S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。

S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。

因此S7-200系列具有极高的性能价格比。

S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。

使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制，应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电梯控制、民用设备、环境保护设备等。

西门子S7-200系列PLC的具体数据如图2.2所示：

图2.2S7-200系列PLC中的CPU22X的基本单元框图

2.3MCGS软件概述

北京昆仑通态自动化软件科技有限公司出品的MCGS（MonitorandControlGeneratedSystem）全中文工控组态软件允许两个客户端用IE浏览器登录访问（当然MCGS也有无限点数和无线客户端的版本）。

经授权客户端通过IE浏览器向现场PC机一样，对设备和装置进行远程监控。

由MCGS生成的用户应用系统亦称组态工程，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗实时数据库好运行策略五个部分组成。

窗口是屏幕中的一块空间，是一个“容器”，直接供给用户使用，在窗口内用户可以放置不同的构件，创建图形对象并调整画面的布局，组态配置不同的参数以完成不同的功能。

MCGS用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交换图形界面。

组态配置各种不同类型和功能对象或构件，同时可以对实时数据库进行可视化处理，这样形成一个有丰富功能可以实际应用的工程。

然后把组态环境中的组态结果提交给运行环境，运行环境和组态结果就一起构成了用户自己的应用系统。

MCGS系统包括三种基本类型的构件：

设备构件、动画构件、策略构件以完成MCGS设备驱动、动画显流程控制的所有构造工作，开放式结构，广泛的数据获得和强大的数据处理功能。

MCGS提供多种高性能的I/O驱动，全面支持OPC标准，具有完善的安全机构、强大的网络功能、丰富的报表处理方式及显示多种趋势曲线功能。

MCGS是一套基于Windows操作系统可用来快速构造和生成上位机监控系统的组态软件包，他为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。

MCGS组组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用C++编程，通过OLE技术向用户提供VB编程接口，提供丰富的设备驱动构件、动画构件、策略构件，用户可随时方便的扩展系统的功能。

根据设定方案，应用MCGS组态软件对系统进行组态设计，具体组态过程可包括以下几个部分：

（1）用户窗口组态。

设置工程的人机交换界面，入系统的主控界面、动画、报警、趋势曲线等。

（2）主控窗口组态。

本窗口为工程主窗口，用户窗口组态完成后，在主控窗口中，通过对系统菜单和参数的定义和设置来调度，管理用户窗口的打开或关闭。

（3）实时数据库组态。

工程组态个数据交换处理的核心缤纷将MCGS的各部分有机的联合成一体，根据设计的要求，在MCGS的实时数据库窗口中对创建数据对象的基本属性、存盘属性、报警属性等进行定义和设置。

（4）设备构件组态。

这是链接和驱动外部设备的工作环境。

在本窗口内配，置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量，在基本属性中设置鸿格模块的通信方式等。

在通道连接窗口中，将DI输入计时器通道和实时数据库中的数据对象连接起来，添加虚拟通道，用于连接可在线调度的煤耗参数，在数据处理窗口，设置数据处理方法，如滤波、工程转换（即把采集进来的的数据或输出的数据转换为具有实际意义的工程数据），如工程转换处理煤耗计量时，因通道采用的是脉冲信号，而煤耗实际上是实型数据，则是用多项式的处理方法，对应通道进行转换，通过在设备窗口中对数据的前处理即可得到该时刻的煤耗。

（5）运行策略组态。

完成工程运行流程控制。

根据运行策略的不同作用和功能，MCGS把运行策略分为启动策略、退出策略、循环策略、用户策略、报警策略、时间策略、热键策略7种，每种策略都有一系列功能模块组成，噶系统侧重于煤耗的查询统计及监控功能，根据系统的监控流程和操作处理，在MCGS的运行策略窗口中，对以上运行策略分别进行组态设置，如在用户策略种，利用策略工具箱添加脚本构件，存盘数据提起构件等，采用类Basic语言命令编程。

昆仑通态组态软件是真正的客户/服务器软件，同时支持分布式服务器和分布式客户端。

一处定义，多处引用：

在服务器端定义的点，可以同时在多个客户端上引用，减少组态工作量和避免数据的不一致性。

全中文可视化组态软件，简洁、大方，使用方便灵活。

完善的中文在线帮助系统和多媒体教程，真正的32位程序，支持多任务、多线程，运行于Win95/98/NT/2000平台，提供近百种绘图工具和基本图符，快速构造图形界面。

支持数据采集板卡、智能模块、智能仪表、PLC、变频器、网络设备等700多种国内外众多常用设备，支持温控曲线、计划曲线、实时曲线、历史曲线、XY曲线等多种工控曲线。

支持ODBC接口，可与SQL、Server、Oracle、Access等关系型数据库互联。

支持OPC接口、DDE接口和OLE技术，可方便的与其他各种程序和设备互联，提供渐进色、旋转动画、透明位图、流动块等多种动画方式，可以达到良好的动画效果，上千个精美的图库元件，保证快速的构建精美的动画效果。

功能强大的网络数据同步、网络数据库同步构建，保证多个系统完美结合，完善的网络体