火电厂除灰阀门PLC控制系统的设计.docx

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火电厂除灰阀门PLC控制系统的设计

吉林大学网络教育

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火电厂除灰阀门PLC控制系统的设计

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摘要

阀门作为火电厂除灰系统中的重要装置,由于车间环境恶劣,因而需要高标准的部件和先进的控制方法。

本文在引入国产化Moller需要的控制方式入手,提取了一种结合PLC的小型控制系统的模型,并探讨了系统的设计思路、结构特点、软硬件实现及应用;自行设计了由电气和气动元件及PLC组成的控制系统,实现Moller阀门的自动开闭;最后总结了该系统的特点及其应用前景,实践证明,这套系统提高了设备的利用率,增加了除灰系统的可靠性;集散的系统构成方式,使生产过程中的危险分散化;远离现场的自动控制方式也保证了操作人员的人身安全,值得大力推广和应用。

关键字集散控制系统;Moller阀门;电气控制;可编程控制器

Abstract

Asimportantequipmentintheashremovingsysteminpowerplants,valveneedsfinecomponentsandadvancedcontrolmethodbecauseofthesordidenvironmentoftheworkshop.Basedonthehome-madeworkofMollervalveandrequisitecontrolmethod,thepaperputsforwardasmallmodelofcontrolsystemofPLC;discussesthedesignwaystructurecharacteristic,software,hardwareandtheapplicationofthesystem.Wedesigntheauto-controlsystemforMollervalveindependently,whichiscomposedofpneumaticandelectricelementsandPLC;atlastsumupthecharacteristicofthesystemanditsapplicationprospect.Itisprovedbythepracticethatthiscontrolsystemenhancestheusingrateofequipments,andincreasesthereliabilityoftheashremovingsystem;thedistributedstructureofthesystemdispersesthedangerinproductionprocess;thelong-distancecontrolmodeensuresthesecurityofoperators.ThereforetheDCSofPLCisworthgeneralizingandapplyinginpowerplants.

KeywordsDCS;Mollervalve;electriccontrol;PLC

摘要i

Abstractii

第1章绪论………………………………………………………………1

1.1火电厂除灰系统的现状………………………………………………1

1.2集散控制系统的概貌2

1.3可编程控制器概述4

1.4国产化Moller阀门简介5

第2章系统的整体设计7

2.1小型PLC控制系统的构建7

2.2小型PLC控制系统硬件的搭配10

2.3PLC控制系统的软件安排12

第3章系统的硬件结构15

3.1Moller阀门15

3.2气动电气系统的设计17

3.3通信系统的硬件设计19

3.4气动元件与辅助设备22

第4章结论40

致谢42

参考文献43

第一章绪论

1.1火电厂除灰系统的现状

火力发电厂以煤作为燃料,燃烧后会产生大量的煤灰,需要每隔一定时间进行一次排放。

电厂的除灰系统通常是这样安排的:

煤灰从锅炉进入灰斗,在灰斗中积累到一定量时,监控装置就会发出一个控制信号打开除灰管道中的阀门和灰斗下部的排灰口,然后用强气流将煤灰从灰斗中吹出,沿除灰管道排放到指定地点,完毕后再依次关闭灰的排灰口和除灰阀门。

在生产方式上,通常有湿除灰和干除灰两种方式,火电厂的除灰车间主要采用干除灰,这主要是因为这种生产方式较为简单,得到的煤灰还可以进行再利用。

干除灰带来的问题在于,煤灰由于颗粒极其细微,很容易发生泄露,因此绝大部分火电厂除灰车间的环境温度较高,污染严重,很不利于生产人员的现场操作。

在控制方式上,除灰系统主要采用电气控制,但是传统的继电器控制方式本身有较大的缺点:

继电器长期使用后容易老化,易受不稳定电流的冲击而产生误动作;设备一旦固定后,修改就比较困难;在大规模生产中电气设备的利用率低,投入成本相对来说就比较高;多个生产单元的控制系统难以方便地联系起来,缺乏应付意外情况的能力和整体协调的功能。

由此可见,传统的除灰控制系统已经无法满足环保和自动化集中管理两个方面的要求,因此在控制方式上必须进行革新以适应现代化工业生产的需要。

随着现代工业生产的自动化要求日益提高,集散控制系统所具备的独特优势使之得到了极为广泛的应用。

目前在火电厂除灰系统这个领域二集散控制系统也开始逐渐地被重视起来,但是由于设备成本和生产条件等因素的制约,集散控制系统的特点未能得到充分的体现。

虽然有些电厂在除灰系统中采用了集散控制系统,但由于除灰生产规模较小,相对的系统构建成本过高,控制方式过于复杂,因此,集散控制系统在电厂的除灰系统中始终未能得到有效的应用。

论文试图借鉴集散控制系统的先进经验,从以上两方面入手,结合除灰生产中的实际问题,设计一套崭新的控制系统,以期在火电厂除灰生产中解决环保和生产自动化两方面的问题。

集散控制系统的概貌

集散控制系统的基本概念

集散控制系统或者称作分散控制系统DistributedControlSystem,简称DCS,是随着当代工业生产中过程控制的日益复杂化而发展起来的,是现代工业生产自动化技术发展的新成就。

它本着功能分散、管理集中的思路开发,以分散的控制适应分散的过程对象;以集中的监视、操作和管理达到控制全局的目的。

集散控制系统具有功能完备、技术先进、应用灵活和运行可靠等特点,是实现工业生产自动化集中综合管理、功能和位置分散的过程控制系统。

集散控制系统的“散”字包含着两层含义,一是由于工艺过程中各种生产设备地理位置的分散,相应地要求控制设备地理位置的分散,而整个控制系统本身的各种功能也会随着控制设备的分散而分散;二是随着设备与功能的分散,生产过程中危险的分散。

集散控制系统的“集”了字,就是强调如何集中地控制那些地理位置分散的设备,也可以理解为管理的集中。

这种“集中”了的要求正是在强调控制系统分散性的同时,对口益发展的大型工厂需要综合管理生产、办公自动化的情况之下提出的,使生产过程更具柔性化,缩短生产运行的周期,提高经济效益,达到最佳管理、最优控制的目标。

简单地说,集散控制系统就是为满足大型工业生产和日益复杂的过程控制的要求,从综合自动化的角度出发,按照功能分散、管理集中的原则构建,以微处理器、微型计算机技术为核心、与网络、数据通信、人机接口、输入输出接口等新技术相结合的,用于生产管理和各种过程控制的新型控制系统。

集散控制系统的基本构成

集散控制系统本身综合了多种高新技术,而由各个公司和企业自主开发的集散控制系统所具备的具体结构也会有很大程度上的差别。

但是从一般构成来说,集散控制系统通常都有五个组成部分:

现场控制单元（FCU）;

人机接口（MMI）;

通信网络（CNE）;

通用计算机接口（GCI）;

通用计算机系统（GC）;图1-1集散控制系统基本结构图

如图1-1所示,是一个比较完整的集散控制系统的框图,其中的通信网络设备可以采用不同的形式如现场总线、串行总线等以构成不同规模的集散控制系统。

但是,构建一套性能完善的集散控制系统的造价十分昂贵,这对不少规模较小的企业来讲,由于资金方面的短缺,集散控制系统的购置是相当困难的。

相对于小规模的生产过程来说,如果能够根据系统的组成原则及其具体的使用要求来组建小型的集散控制系统,则不但可以满足企业生产、管理与自动化的要求、又能够节省大量的资金,这无疑是一种切实而又可行的技术方案。

如图1-2所示的控制系统实例,即是一套利用工控

图1-2小型集散控制系统结构图

置计算机和现场环形总线构建的小型集散控制系统。

论文力图从简化集散控制系统的结构入手,构建一套适合于火电厂除灰生产的自动控制系统。

由于火电厂除灰现场的生产规模不大,故无需复杂的现场总线介入,而只是采用了更为简单的串行通信线路,在控制单元部分摒弃传统的继电器控制方式、采用了先进的可编程控制器作为控制核心,使得整个控制系统成为一个有机的整体。

可编程控制器概述

可编程控制系统的概念和现状

可编程逻辑控制器ProgrammableLogicController,简称PLC,是一种采用微机技术的通用控制器,专为工业环境下的应用而设计。

可编程逻辑控制器采用可编程存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等等面向用户的指令,并通过数字式或模拟式输入输出方式控制各种类型的机器或生产过程。

可编程逻辑控制器的出现,彻底改变了工厂自动控制的面貌,使传统的继电器接触式控制方式受到了巨大的挑战。

随着微电子技术的迅猛发展,可编程逻辑控制器也开始采用通用的微处理器,它的功能就不再局限于当初的逻辑运算,同样也具备诸如算术运算,简单的编程、数据的输入输出、网络通信等等功能。

因此,人们更确切地称之为可编程控制器ProgrammableController,简称为PC,但是为避免与个人计算机PersonalComputer习惯上也简称为PC相混淆,人们通常仍旧沿用可编程控制器的传统简称--PLC。

多年来,微机化的可编程控制器得到了惊人的发展,在概念、设计、性能价格比以及应用等方面都有了新的突破,不仅控制功能增强,编程和故障检测也更为灵活方便,而且远程I/O和通信网络、数据处理以及图像显示的发展,使可编程控制器向连续生产过程控制方向发展。

特别值得一提的是,可编程控制器替代传统的继电器接触控制方式,取得了相当好的收效。

目前可编程控制器主要应用于开关逻辑、闭环过程控制、机械加工中的数字控制、机器人控制以及用来组成多级的控制系统,它已经成为实现工厂自动化的一大支柱。

可编程控制器的基本特征

目前国际上生产可编程控制器的厂家很多,主要有美国,欧洲和日本三个派别,虽然各自的产品并不能相互兼容,但他们采用的技术总体而言都是大同小异。

对于可编程控制器,概括来讲都有如下几个特点:

机型系列化;

采用多个处理器;

具有较强的存储能力;

强大的输入输出接口;

功能很强的智能外围接口;

便于实现网络化;

紧凑型、高可靠性和保密性;

通俗化的编程语言。

可编程控制器的这些特点决定了它比较容易与工业控制系统组成一个整体,在工业生产中可以应付大部分意外情况的发生。

机型系列化的特点使得用户可以根据自己的需要进行选择,而且对可编程控制器功能的扩充也非常容易方便,因而可编程控制器在工控领域得到了极为广泛的应用。

可编程控制器在集散控制系统中的应用

可编程控制器与集散系统都是自动化控制设备,分别由两个不同的古典控制设备发展而来。

在发展过程中,二者始终互相渗透、互为补充。

构成网络的可编程控制器可以作为集散系统中的一部分,实现集散系统所完成的功能。

很明显,把可编程控制器与集散控制系统有机地结合起来,形成一种新型的全分布式计算机控制系统,是集散控制系统未来的发展方向之一。

如果从集散控制系统的层次来看,则可分为:

生产现场层、工业控制层、数据控制层和数据管理层四个层次。

在工业控制层,通常采用单片机或可编程控制器作为控制单元;而在数据控制和管理层,通常采用监控工业机和中央计算机来完成预定的任务。

具体到较小规模的集散控制系统,可以适当简化某些层次,力求降低系统的构建成本。

例如可以设计集散控制系统的三层方案为:

过程控制级、过程管理级操作站和工厂管理级,如果需要更高层次的管理,可以增加公司管理级,以构成灵活简便又适合生产要求的集散控制系统。

论文所涉及到的是由可编程控制器作为过程控制单元而构成的自动控制系统,它的控制对象是除灰管道中的开关装置?

?

阀门,能否按照预定的顺序完成除灰阀门的开闭动作是控制单元设计成功与否的主要标准。

国产化Moller阀门简介

控制系统的一个设计目标是减少除灰生产车间环境的污染。

目前国内电厂的除灰车间所采用的阀门设备比较落后,不但降低了生产的效率,而且容易造成生产环境的严重污染。

除灰阀门大都采用蝶形阀瓣,且缺乏必要的密封装置,因此即使在除灰管道闭合的情况下也无法避免细微的煤灰发生泄露。

由Moller公司设计生产的Moller阀门是用于干燥、自由流动和无粘性散装物料输送线的通断装置,非常适合在火电厂除灰管道中作为管道的开关装置。

它的阀体是一个可旋转的球形盖构件,有0°和90°两个极限位置,阀瓣旋转到开启位置时流出物流,排至整个输送管道的横断面。

Moller阀门可以在火电厂的除灰管道中充分发挥其优良性能,当有煤灰需要排放时,打开阀门,用强气流将煤灰吹出除灰管道;无需排放时,则将阀门严密地关闭。

Moller阀门采用气动控制方式,并具有独特的密封结构,从而保证了电厂除灰现场的环境干净整洁。

论文内容简介论文从两个设计目标出发,主要完成现场生产单元和控制单元的设计及PLC控制系统的高层设计,最终从硬件和软件上建立小型的PLC控制系统,并使之具备自动控制、网络通信和集中管理的功能。

现场生产和控制单元部分的工作主要是设计气动和电气控制系统以配合Moller阀门实现除灰管道开闭的控制,而控制系统的高层设计则主要是实现网络通信与集中管理的功能。

全部论文工作分为系统的整体设计、系统的硬件设计、系统的软件设计及系统的调试与结论四大部分:

1系统的整体设计以一般集散控制系统的基本构成为依据,着力简化集散控制系统的层次结构,构建适合小规模生产需要的PLC自动控制系统的模型,工作重点在于简化的控制系统层次的实现方法和系统软硬件的搭配;

2系统的硬件设计是在引入国产化Moller阀门的基础上,自行设计气动和电气控制系统,采用先进的可编程控制器作为控制系统的核心,实现阀门开闭动作的完全自动化。

此外,对系统高层通信和集中管理功能的实现做了深入的探讨;

3系统的软件设计主要完成系统软件编程环境的安排及可编程控制器控制程序和网络通信程序的编制工作;

4系统调试部分详述了系统安装与调试过程的步骤及其注意事项,在结论部分对整个设计工作做了总结。

全部论文工作的具体内容将在后续章节进行详细阐述。

系统的整体设计

控制系统在过程控制层采用了可编程控制器PLC作为现场的核心控制单元,因此又将该系统形象地称为小型PLC控制系统。

本章将从整体上叙述小型PLC控制系统构建的思路,并对系统各层次软硬件的设计及功能安排进行一些讨论。

小型PLC控制系统的构建

简化的集散控制系统模型

在“引言”一章中已简单地讨论了集散控制系统的一般构成,主要有现场控制单元、人机接口、通信网络、通用计算机接口和通用计算机系统五个组成部分。

如果对集散控制系统按功能的实现进行纵向分解,就可以得到集散控制系统的分级结构。

在生产中常常把集散控制系统分为过程控制级、过程管理级（操作站）、工厂管理级和公司管理级四个级别。

图2-1就是这种分级结构的简单示意图。

图2-1集散控制系统分级结构图

一般来讲,完整的分级结构对于小型的集散控制系统是不必要的。

为了节省系统的构建成本,需要对上述的结构进行适当的简化,并力求使用现有的设备来具体实现每一级别的功能。

针对于系统的设计目标,可以摒弃复杂的分级结构,构想一个层次结构来代替每一级别所应具备的功能,使整个控制系统得到了相当程度的简化,从而能够大大降低所需的构建成本。

该系统模型在过程控制级PLC控制层使用了可编程控制器作为核心控制单元,在生产管理级数据管理层和数据控制层使用了微型计算机来负责完成监控任务,因此把这种层次结构称为小型PLC控制系统模型,其结构框图如图2-2所示。

图2-2PLC控制系统层次图

系统的总体连接结构

控制系统包括现场工作单元、现场控制单元、监控单元和管理单元四大部分。

其中的现场工作单元是阀门和配套的气动控制器（气缸）;现场控制单元则由自行开发的气动元件板及控制电气元件的可编程控制器构成,此外还包括作为动力源的气泵装置;数据控制层的上位监控机采用微型计算机,它必须具备两个以上的串口;数据管理层的主机需采用高性能的微型计算机,要求具备多个串口及较高的运算处理速度和良好的稳定性。

图2-3系统总体连接示意图

图2-3所示的就是控制系统一条支线的连接示意图。

除灰阀门安装在除灰管道中,气动控制器（除灰阀门配套的气缸）与除灰阀门的驱动轴连接,小电气箱（内装有小型可编程控制器、行程开关及接线端子排）固定在气动控制器转轴的凸轮处,使凸轮与电气箱内的两个行程开关能够在转动过程中接触。

气动元件板固定在气缸的通气孔处,保证气路的通畅。

气动通路从气泵引出后,经过气动元件组,最后连接至气缸的两个通气口（A口和B口）以及格兰的充气口。

监控站的上位监控机通过串口连接可编程控制器,保证操作人员能够远离生产现场。

主机与上位监控机也通过串口相连,主机操作人员能够在主监控室与下层监控人员进行对话并实施管理。

系统各层次的功能安排

由PLC控制系统的框图可以看出,在生产现场层、控制目标即Moller阀门。

Moller阀门安装在火电厂除灰管道中,起着开通和关闭除灰通路的作用。

当燃煤燃烧后,煤灰从锅炉排至灰斗中,达到一定量时灰斗上的监控装置发出控制信号给可编程控制器,打开阀门和灰斗的排灰口。

当阀门打开后,在设定的阀门开启时间内,使用强气流将煤灰从除灰管道中吹出,然后关闭灰斗的排灰口和阀门。

与阀门相连的气缸是阀门的气动驱动装置,它可以利用两个通气孔分别进气和排气来实现转轴正反两个方向的转动,并通过阀门的驱动轴带动阀瓣旋转以实现阀门的开闭。

电气元件板上安装了电气控制系统所有的元件,包括过滤器、单向阀、换向阀、行程开关和压力开关（压力继电器）等元件。

电气控制系统连接气缸,完成气源处理、气路的转换及阀门限位等任务,分别实现气缸的进气与排气,使阀门产生正向和逆向的转动。

在PLC控制层,控制系统采用了可编程控制器作为现场控制单元（FCU）的核心。

在这一层,可编程控制器取代了传统的继电器控制设备,实现完全的数据控制。

可编程控制器与电气元件板上的各电气元件连线,按照已编制好的控制程序接通或断开输出触点,以达到控制电气元件得电或失电的目的。

可编程控制器同样也可以得到电气元件的反馈信号（在电气控制系统中主要是压力继电器的响应信号和行程开关通断信号及煤灰量监测信号）作为输入,实现自动化控制。

该层是PLC控制系统能否实现分散控制的关键所在。

在数据控制层,考虑到资金的投入,安排了个人计算机替代工控机。

个人计算机在该层次主要起监测控制单元和生产数据的作用,操作人员可以使用针对于可编程控制器软元件的读写命令,从而人为地改变可编程控制器已存储的控制程序,并随时检查控制程序的运行状况,及时纠正和避免生产过程中可能出现的各种错误和意外情况。

这部分功能其实就是通过上位机进行控制运算,下位的控制单元（可编程控制器）输出操作信号来实现的。

在该层次上,通信功能完备与否是至关重要的,因为可编程控制器本身只能完成控制程序中的各种命令,而并不能直接报告发生错误的情况,所以这个任务就只能交给具备人机对话能力的个人计算机来完成。

由于可编程控制器与个人计算机之间的通信必须经过通信协议的转换,这是编制通信程序时必须考虑周全的要点。

在数据管理层,只需要一台主机即可完成所有管理数据的任务。

一台主机与其下层多台监控机通过串口相连、形成集中管理的最高级别?

?

公司管理级。

同其下层一样,通信是该层次必不可少的一环。

由于依然采用了个人计算机作为主机,因此它与其下层的监控机之间的通信就比较简单,无需进行通信协议的转换。

该层次主要完成的功能是对其下层监控机收集到的数据进行集中分析和处理,如接收数据文件,数据报表的保存与打印,主机与监控机之间的对话、自动发送报文等等。

该层次与其下层大体相似,都要使用串行异步通信接口,实现并行数据与串行数据之间的转换,通过标准接口与通信链路相连。

小型PLC控制系统硬件的搭配

现场控制层的硬件设置

现场控制单元一般要远离控制中心,安装在靠近过程区的地方,也可称为现场控制站,主要功能是分散地实现过程数据的采集与实时控制,包括对过程输入/输出数据的扫描,检测与处理;过程数据的保持与存储;用最新信息更新数据库;输入信号与某一算法运算处理产生输出信号送给执行设备;对各报警条件的扫描监测等。

在PLC控制系统中,现场控制单元采用可编程控制器,它结合电气元件一起来实现预设的控制功能。

由于系统的控制单元比较小,设备也比较少,并不需要单独的机柜装置,在此只是使用了一块铝板作为底板,然后将气动元件和电气元件都固定在这块底板上,再做一个小型的电气箱替代机柜安装可编程控制器和行程开关,而电气元件通过小电气箱内的接线端子排与可编程控制器连接。

元件板上的元件主要有空气过滤器、单向阀、两个二位五通电磁换向阀、压力继电器。

气动元件负责接通或转换压缩空气的通路,使具有一定压力的压缩空气能够按照要求进入气缸,实现阀门的开启与闭合;行程开关是一个限位装置,它能与气缸转轴端的一个凸轮接触,告知可编程控制器阀门开闭的过程是否完成。

可编程控制器作为主控制单元,顺序执行已编制好的逻辑控制程序,并接受由气动元件和电气元件送来的反馈信号,实现阀门开闭的自动控制。

控制系统电路的供电电源有两部分,一是给可编程控制器供电的电源,根据要求应采用交流120V~240V,我们使用了交流220V电源;二是给电气元件供电的电源,一般由直流电源供电,由于可编程控制器的输出触点电路与二位五通换向阀的电磁铁要求的电源均是24V直流电源,为保证电压稳定,使用了一个可调节的直流电源发生器。

为防止发生短路而造成可编程控制器输出触点寿命的损耗,应为每组电气元件串联5A的熔断器。

过程管理层的设备安排

为了便于全面防调和监控,实现过程状态的显示、报警、记录和操作,必须为控制系统提供一个操作站,这一层通常也称为过程管理级,在简化的PLC控制系统中把实现这部分功能的层次称为数据控制和管理级,它应当具备以下几个部分:

主机系统、显示设备、键盘输入设备、信息存储设备及打印输出设备等。

操作站的设备比较昂贵,且本身无法承受恶劣的环境,所以应当远离生产现场而设置在专用的控制室中。

系统的主机与监控机全部采用个人计算机,个人计算机可以提供实现数据控制和管理功能的全部需要。

显示设备是人?

机对话的重要输出设备,也是操作站不可或缺的组成部分。

显示设备一般为CRT显示器,这是微机系统的重要外围设备。

可编程控制器通过串行通信接口与微机通信,即可在CRT屏上直观地显示数据、字符和图形,并利用微机的各种软硬件功能,随时完成增删,修改和变换显示内容。

集散控制系统的操作站大