课程设计（论文）-基于PLC的锅炉供暖输煤电气控制设计.doc

课 程 设 计 说 明 书学生姓名:刘旭学 号：0707250226学 院:自动化工程学院班 级:测控072班题 目:基于dcs的火电厂输煤控制系统设计指导教师： 田海军 职称: 高级工程师 2010年12月31日目录绪论.3第一章 工艺要求.51.1锅炉系统概况. .51.2输煤系统工艺简介.5 1.3控制原理.6第二章 控制器部分.7 2.1控制方式论证.7 2.2 plc选型.9第三章 执行器部分.11 3.1输煤机的选择.11 3.2破碎机的选择.113.3皮带机的选择.123.4熔断器、电缆截面的选择.123.5接触器的选择.15第四章 plc控制设计.17第五章 总结.23参考文献.24绪论大型锅炉输煤控制系统的主要任务就是卸煤、堆煤、上煤和配煤，以达到按时保质保量为机组（原煤仓）提供燃煤的目的。整个输煤控制系统是锅炉安全可靠运行十分重要的支持系统，它是保证机组稳发满发的重要条件。基于输煤控制系统在整个锅炉控制中心中的重要性，且煤场面积大、工作环境恶劣、人工作业通讯难以畅通，利用现代成熟技术plc和现代总线网络通讯实现其控制功能。可编程逻辑控制器（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、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。在现代集散控制系统中，plc已经成为一种重要的基本控制单元，在工业控制领域中应用前景极其广泛。在笔者参与开发的某锅炉供暖输煤自控系统中用于联锁控制的程序设计，系统要求在远离输煤廊的主厂房控制室里，对输煤线的8台设备进行控制，并实时监测设备的运行状态等情况。输煤系统设备多，工作环境恶劣。为保证系统运行的安全性和可靠性，选用高可靠性的继电器、接触器等组件，通过优化设计，大大减少了接点数，从而减少了故障点，使设备的可靠性、安全性和可扩展性都大大提高，实现了系统安全可靠的运行。本系统有程序控制、联锁手动、解锁手动三种控制方式。在现场设备状态正常的情况下，程序控制为系统的最佳控制方式，在此方式下，设备的空载运行时间最短，操作员的操作步序最少。联锁手动方式是对要启动的流程中设备按逆煤流方向一对一的启动，按顺煤流方向一对一停车，设备的保护动作处理均同自动控制方式。解锁手动是在设备间解除了联锁关系的情况下，一对一启动设备，此方式绝不可带负载运行，因设备已经不存在联跳功能。考虑到设备带负载停机等因素，流程启动时，只按逆煤流方向逐台启动，联锁手动方式下启动流程也须遵循此原则。流程按顺煤流方向逐台停机，在故障停机情况下，各设备均立即联跳，故障解除后，可将停掉的设备以自动控制再次启动。紧急情况下，可操作上位机的急停按钮或同时按控制台右侧红色的急停按钮，它将使现场所有运行中的受控设备立即停机。第一章 工艺要求1.1锅炉系统概况设备配置共有六大系统：（1）点火系统。锅炉点火，保护及控制。（2）燃料配给系统。给煤机、碎（粉）煤机、煤仓及输煤皮带运输机，燃油（汽）输送泵。（3）燃煤系统。炉排电动机（有些类锅炉不用），除渣机。（4）水循环系统。循环水泵往往是多台，且有备用。（5）补水系统。补水泵，往往为备用设置，以防断水。有时还有水处理系统的系列水泵，搅拌电动机。（6）送引风系统。送风机（有时还有一次、二次送风之分）又称配风机、引风机又称抽风机。1.2输煤设备工艺要求供暖锅炉输煤系统设计示意图如下：1、给煤间；2、1皮带；3、转运间；5、破碎机；6、除铁器；7、3皮带；8、受煤坑；9、给煤机，电磁铁门，堵煤振动器；10、受煤斗由于控制对象使用环境的特殊性和运行的长期连续性根据供煤系统要求，流程启动时，只按逆煤流方向逐台启动，联锁开车顺序：1皮带机破碎机除铁器3皮带机给煤机电磁铁门堵煤振动器。当系统停车时，流程按顺煤流方向逐台停机，联锁停车顺序：与开车顺序相反，延时时间按要求设定。另有一套上述设备备用。 1.3、输煤系统控制原理 由控制器运算并控制执行器件进行输煤动作，且由传感器件反馈信号，控制器、执行器、传感器构成控制回路。原理图如下：传感器件执行器件输煤控制器第二章 控制器部分2.1控制方式论证目前，就系统控制要求来讲。1.可以应用继电器控制来实现。其特点是价格便宜，电路简单，但是由于受外界环境的影响较严重，寿命短易误动作，且不易维护。以前工业中多采用此方案。2.一种是plc来做控制器。plc即可编程控制器（programmable controller 简称plc或pc）：它以微处理器为核心，有机地将微型机计算机技术、自动化技术及通信技术融为一体。可编程控制器作为一种通用的工业控制器，它可以用于所有的工业领域。当前国内外已广泛地将可编程控制器（plc）成功的应用到机械、汽车、冶金、石油、化工、轻工、纺织、交通、电力、电信、造纸、军工、家电等各个领域，并取得了相当可观的技术经济价值。plc出现后就受到普遍重视，其应用发展也十分迅速，原因在于与现有各种控制方式相比，它有一系列的手用户欢迎的特点，主要是：（1）可靠性高，抗干扰能力强 在恶劣的工作环境下工业生产对控制设备的可靠性提出很高的要求。plc是专为工业控制而设计，由于采用一系列措施，使plc控制系统的平均无故障间隔时间的一般能达到四五万h，远远超过传统继电器控制和计算机控制系统。可以说，到目前为止尚五任何一种工业控制系统的可靠性能达到和超过plc。保证plc工作可靠性高、抗干扰能力的主要措施是：采用循环扫描、集中采样，集中输出的工作方式。硬件设计采用模块式结构并采取屏蔽、滤波、隔离、联锁等一系列抗干扰技术，同时增加输出联锁、环境检测与故障诊断等提高可靠性电路。软件设计中设置事时监控、自诊断、信息保护与恢复等程序与硬件电路配合实现各种故障诊断、处理、报警显示及保护功能。因此plc优于微机控制的首要特点是它能适应恶劣的工作环境。（2）编程简单，易于掌握 这是plc优于微机的另一个特点。梯形图编程方式是plc最常用的编程语言，它与继电器控制原理图类似，具有直观、清晰、修改方便、易掌握等优点，即使未掌握专门计算机知识的人也能很快熟悉掌握，因而受到广大现场技术人员和操作者的欢迎。这种面向问题、面向控制过程的编程语言，即使plc内部增加了解释程序，延长执行时间，但对大多数机电设备而言是无关紧要的。（3）组合灵活使用方便 尽管plc内部是一台专用计算机，但由于它采用标准化的通用模块结构，其i/o电路设计又采用一系列抗干扰措施，因而用户无需进行硬件的二次开发，能灵活方便地组合成各种不同规模、不同功能的控制系统。控制系统接线简单，工作量小，使用、维护方便。（4）功能强，通用性好 现代plc运用了计算机、电子技术和集成工艺的最新技术，在硬件和软件上两方面不断发展，使其具备很强的信息处理能力和输出控制能力。适应各种控制需要的智能i/o功能模块，如温度控制、位置控制模块，高速计数、高速模拟量转换，远程i/o及各种通信模块等不断涌现，plc与plc，plc与上位机的通信与联网功能不断提高，是现代plc不仅具有逻辑运算、定时、计数、步进等功能，而且还能完成a/d、d/a转换、数字运算和数据处理以及通信联网、生产过程监控等。因此，它即可以对开关量进行控制又可以对模拟量进行控制；即可以控制一台单机、一条生产线，又可以控制一个机群，多条生产线；即可以现场控制，又可远距离控制；即可控制简单系统，又可控制复杂系统，其控制规模和应用领域不断扩大。5开发周期短，成功率高。大多数工业控制装置的开发研制包括机械、液压、气动、电气控制等部分，需要一定的研制的研制时间，也包含着各种困难与风险。大量实践证明采用以plc为核心的核心的控制方式，控制方式具有开发周期短、风险小和成功率高的优点。其主要原因之一是只要正确、合理选用各种各样模块组成系统无需大量硬件配置和管理软件二次开发，其二是plc采用软件控制方式，控制系统一旦构成便可在机械装置研制之前根据技术要求独立进行应用程序开发并可以方便地通过模拟调试反复修改直至达到系统要求，从而保证最终配套联试的一次成功。（6）体积小，重量轻，功耗低 由于plc采用了半导体集成电路，其体积小、重量轻、结构紧凑、功耗低，因而是机电一体化的理想控制器。2.2plc选型omron公司是世界著名的几大plc生产与开发的厂家之一，其大、中、小、微型机各有特色所长，在中国市场的占有率居前列。特别是它的小型p型机、中型机c200h，在用户中享有很高声誉。国内很多以p型机或c200h为背景机的教材。近年来，omron公司推出了p型机的后续机型cpm1a。本设计正是选用omron公司cpm1a型plc。cpm1a系列plc是omron公司生产的小型整体式plc，其在一小单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制，中断输入，脉冲输出，模拟量设定和时钟大亨功能。cpm1a cpu单元能处理广泛围的机械控制应用，所以是设备内装控制单元的理想产品。另外，完整的通信功能保证了与个人计算机和omron可编程终端的通信。这些通信功能使用户能设计一个经济的分布式生产控制系统。而基于cpm1a和个人计算机的pc/plc机电控制系统也具有一定的通用性。所以本文考虑设备数量及应用场合，选择cpm1a。因为它具有可靠性高、体积小、扩展方便，使用灵活的特点。选其型号为cpm1a-30cdr-a。i/o点为30点；电源类型为ac型，范围100v240v；输出方式为继电器输出型。性能如下：2048程序存储器；2048数据存储器；18点输入，12点输出；可扩展3个模块；对于大型控制工程，18点输入不能满足点数要求时，可以通过i/o扩展模块进行行输入点数的扩展。cpm1a最多可扩展到54个输入点。第三章 执行器部分3.1输煤机的选择选用gzg系列自同步惯性振动输煤机是一种经济技术先进的给煤设备，经济效益和社会效益十分显著，与普遍采用的传统的电磁振动给料机比较：（1）生产率提高50。（2）节电59以上。（3）整机功率因数可达0.98。（4）维修工时减少30。（5）噪声由180分贝减少到80分贝。（6）设备重量减少50以上。（7）提高工艺自动化水平、煤炭、电力、轻工等部门普遍推广这一高效节能型变频调速惯性振动给料机，以取代目前普遍采用的效率低、能耗大、维修困难的电磁振动给料机。（8）本设备在远超共振状态下工作，因而振幅稳定，运行可靠，对各种物料适应性较强。3.2破碎机的选择选用我国电力部推广rp型婉式中中速磨，其优点是粉碎电耗低、钢材耗量少、设备紧凑和噪声小。rp粉碎机的磨盘为碗形，有电动机带动旋转，粉碎轴绕固定轴在磨盘上滚动。磨棍用液压加载，在研煤表面之间产生所需要的压力。其出粉细度能满足烟煤或劣质烟煤着火与吻燃做需的细度。在粉碎机出力范围内其出粉细度与给煤速度无关。采用机械和空气双重密封，适用于锅炉制粉系统正负运行。其出力是给煤量和进风量来控制的，调节范围大，对载流大，对载荷变化反应迅速。rp碗式粉煤机配有完整的温度、压力检测和控制元件，在出现异常时能够及时报警并自动进行控制。rp碗式粉煤机具有连续作业率高、出力和细度稳定及研煤广泛等特点，被广泛应用在锅炉输煤系统中。3.3皮带机的选择选用大倾角挡边胶带输煤机，它是一种新型带式输煤机，即是在平型胶带输送带的两侧粘有泼型挡边，中间部按需要加上横隔板，使物料在一个匣状的容器中进行输送，与普通的胶带输送相比，输送能力提高22.5倍，输送倾角最大可达90，70以下最好。使用该设备可减少占地，提高运送量，且易变向输送、不洒落煤。波形挡边高度从60至240mm共八种。装在波形挡板边之间的横隔板有t型、c型两种基本形式，在输送机倾角小于40，使用t型横隔板；倾斜角大于40，使用c型横隔板。具体选哪种型号横挡板视实际现场而定。3.4熔断器、电缆截面积的选择3.4.1熔断器选择熔断器分为rm10系列、rt0系列，rl1系列和rc1a系列。在直接向电动机供电的电力支线中，由于要躲开电动机的启动电流，熔断器熔体的额定的电流ier（或自动开关脱扣器的整定电流）往往选得较大。各种熔断器都是由熔管和熔体两部分组成。熔管的作用一是安装和固定熔体，二是使熔体断开的电弧的过程在管内完成，以保护人身安全。为了加快灭弧的速度，有些型号熔断器在管内还装有灭弧填料（如石英砂等）。熔体也有两种类型：一种是高导电率的金属如铜或银制成，截面较小，称为小热容量熔断器；另一种是用电阻率较大的金属如铅、铅锡合金或锌制成，截面较大，称之为大热容量熔断器。熔断器熔体的额定电流ier的选择必需满足下列条件：（1）熔体在线路中或电动机正常工作时不应熔断需满足：ier ijs式中ijs为正常运行时流经熔体的工作电流。对于单台电动机支线，ijs就是电动机的额定电流（a）；对于干线，ier = i30（a）（2）熔体在电动机启动时不应熔断。对于单台电动机支线，电动机的启动情况一般有两种，一是轻载启动，又称正常启动，其启动时间为610s，其平均启动时间为8s。另一种是重载启动，又称困难启动，其启动时间为1520s。 对于轻载启动的电动机（其平均电动机启动时间为8s）来讲，若它在用的小容量（60a以下）rm10系列熔断器，只要满足iqd 2.5ier（iqd为电动机启动电流），或ier ，那么，熔体在电动机启动时间就不会熔断。因为熔体必需历时8s才能熔断，而此时电动机已经启动完毕。对于一般情况，上式可以改写成： ier 式中为躲开电动机启动电流的计算系数，其值与电动机的启动情况（轻载或重载启动）、熔断器的型号特性及熔体的额定电流ier值得大小因数有关。由于所选中型锅炉 蒸发量为30t/h，根据实际考察估算，所选设备技术参数表如下：设备名称型号功率（kw）in（a）un（v）皮带机y225m-24583.9380破碎机y132s1-25.511.1380给煤机y132s1-25.511.1380堵煤振动器y100l2-436.8380解： 根据上述条件，经查工业企业供电中表3-3，电力工程电气设备手册经计算所选相应熔断器如下表：设备名称in（a）尖峰电流（a）相应熔断器皮带机83.9587.3rt0 200/150破碎机11.177.7rl1 50/30给煤机11.177.7rl1 50/30堵煤振动器6.86.8rl1 50/203.4.2电缆截面积选择按导线或电缆的选择内容包括两方面，一是确定其结构、型号使用环境和敷设方式等，二是选择导线和电缆截面。在实际中跟据具体要求，选择原则考虑因素包括：（！）发热问题；（2）电压损失问题；（3）架空线路机械强度；（4）经济条件在本系统中，结合考虑锅炉房特定应用场合，选择电缆敷线方式。按发热条件选择电缆的截面积。在按发热条件选择导线或电缆的截面必需满足下列条件：（1）导线或电缆正常运行时，必须保证它不致因温度过高而烧毁，因此要满足： iy ijs式中 iy导线或电缆的长期允许电流，ijs通过线路的计算电流（2）导线或电缆的允许持续电流与熔断器熔体的额定电流或自动开关脱扣器的动作电流之间的配合关系。一般来说，对于支线，为了安全，必需考虑过载保护。此时导线或电缆的允许持续电流应大于熔体的额定电流，即要求2.5iy ier经计算验证，结合电力工程电气设计手册所选单台设备对应电缆型号如下表：电机设备名称电机ijs（a）熔断器型号电缆型号电缆iy（a）皮带机83.9rt0 200/150vlv29-132破碎机11.1rt0 50/30vlv29-30给煤机11.1rt0 50/30vlv29-30堵煤振动器6.8rt0 50/20vlv29-303.5接触器选择接触器选择sunworld cj20系列220v交流接触器，其正常工作条件为：（1） 海拔高度不超过2000m（2） 周围空气温度-5+40（3） 空气最大湿度不大于90%（4） 污染为三级安装类别为类（5） 安装面与垂直面的倾角度不大于5但攻煤矿下用产品在按15考核低位煤发生器位置示意图如下地位煤发生器与plc独立，自配电源，当受煤斗中的煤达到地位线时，地位煤发生器立即得电其自身警报铃立即发出报警，提醒工作人员进行相应操作。在集中控制室的控制面板也设有该设备相应控制及状态显示。压力传感器选用指针式电接点压力传感器，其输出信号为开关信号。按实际要求设定好预定压力值后即可。第四章 plc控制设计4.1.1plc型号输煤设备电动机的电压多为280/220v，其动力控制设备一般均采用磁力启动器或接触器，对它们控制出口回路可用可孔硅元件或继电器。本节介绍的接线重点为plc出口方式。本设计选用cpm1a-30edr plc机型，输出形式继电器形。此设计功能强大之处在于，可对整套系统中的每台装置都可监视，哪台设备出了故障，集中控制室的面板上都有相应显示。保护设施齐全。4.1.2输煤系统控制要求输煤系统输煤线，包括给煤机、皮带机、振动筛、破碎机、除铁器、堵煤振动器、电磁铁门、低位煤发生器，受煤斗共九台设备，在锅炉生产中有着极为重要的地位，一旦不能正常工作，供暖就会受到影响。为了保证生产运行的可靠性，输煤系统采用自动（联锁）控制方式。由于输煤廊环境恶劣，全部操作控制都在主厂房的集中控制室里进行，仪表盘上设有各个设备的状态显示指示器以监测设备状态并设相应控制按钮，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，由传感器件反馈信号做系统输煤运行信号。设备状态监视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：（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，各输煤皮带上无剩余煤；（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（指供料方向）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；（5）可显示各机电设备运行状况，在集中控制室即可控制系统设备启停。控制系统在上位机操作现场及集中控制室均可控制。在故障停机情况下，各设备均立即联跳，故障解除后，可将停掉的设备以自动控制再次启动。紧急情况下，可操作集中控制室中控制面板上的急停掉电按钮，它将使现场所有运行中的受控设备立即停机。4.1.3 i/o点分配输入点作用输出点作用00000皮带机m5热保护01000km000001破碎机m4热保护01001km100002除铁器m0热保护01002km200003皮带机m3热保护01003km300004给煤机m2热保护01004km400005电磁铁门m6热保护01005km500006堵煤振动器m1热保护01006km600007急停掉电开关01007系统故障指示灯l100008压力传感器信号00009启动开关00010停止开关4.1.4输煤系统流程图如下图，是延10s停止运行皮带机m5起动否压力传感器破碎机m4起动初始状态除铁器开启mo皮带机m3起动给煤机m2起动电磁铁门得电m7开堵煤振动器m1得电待机状态压力传感器到指定压值堵煤振动器m1掉电电磁铁门关给煤机m2停止皮带机m3停止除铁器m0关破碎机m4停止皮带机m5停止延10s延10s延10s延10s延10s延10s延10s延10s延10s延10s4.1.5输煤系统设备的接线控制面板上对系统运行情况是否异常均有相应显示，即系统中有设备运行异常时，系统立即自动停车，集中控制室控制面板上显示正常运行的绿灯l1迅速熄灭发出报警，提示工作人员该系统中设备发生异常属于故障停机。指示灯l1在正常运行时为常亮，它受plc输出继电器控制，外部电源经变压整流后输出