（仪器科学与技术专业论文）配煤机控制系统的开发.pdf

j 独创性声明 m 砒哪 y 17 8 7 9 6 9 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：出& ：堡三z 摘要 摘要 配煤技术就是利用不同煤种各自组份、物理和化学性质的差异，相互取长补 短，使配出的产品煤在性能指标上满足用户对煤质的质量要求，实现煤的有效利 用。传统的配料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，需 要人员多，劳动强度大，而且配料设备经常会出现故障。由于一些故障的不能及 时发现和处理，常常导致生产停滞。本课题所要开发的配煤系统，在克服传统配 料系统诸多不足的基础上，提高配煤系统自动化程度，实现生产的高效率和高效 益。 本文开发了一套基于工控机和可编程序控制器( p l c ) 的配煤机自动控制系 统。根据配煤系统的整体设计方案，对配煤系统中各部电机和各类传感器等设备 进行了选型优化；设计了配煤机的供配电及电气控制系统，包括电气负荷的计算、 供配电和电机控制回路的设计等：采用模块化的思想，开发了p l c 控制软件，软 件程序具有清晰，可读性好，便于修改和调试等优点；使用组态王软件开发了上 位机监测控制软件，该软件运行于操作员工作站，具有良好的人机界面，画面直 观形象，能够对整个系统的运行状况进行监测，实现了配煤比例设置，皮带、比 例控制器的速度控制及原煤上料仓开口高度调整等功能，还具有实时报警和系统 的高级管理功能，如操作者权限设置和产量统计报表等；完成了整个配煤系统的 现场安装调试，为保证控制系统的可靠性，采取了有效的抗干扰措施，取得了良 好的效果。 本文开发的基于工控机和p l c 的配煤机自动控制系统，虽然涉及的环节多、 现场情况复杂、但由于在设计过程中的不断优化，简化了线路结构，优化了软件 程序，使系统便于安装，易于管理和维护，提高了配煤系统的可靠性、灵活性， 保证了控制的实时性。目前该系统已投入使用，系统性能良好。 关键词配煤系统；电气设计；p l c ；组态王：抗干扰 a b s t r a c t a b s t r a c t m a ：b n gl l s eo fd i 虢r e n tc o m p o n e i l t sa 1 1 dt h ed i c e sb e 附e e l le a c ho 也e ri i l p h y s i c a la i l dc h e m i c a l ，c o a lb 1 d i n gt e c l l i l 0 1 0 9 ym i x e s 廿1 er a wc o a l si no r d e rt om e e t m eq u a l i t yr e q u i r e m e n t so fu s e r s i tc a na c l l i e v ee 丘- e c t i v eu t i l i z a t i o n o fc o a l 。t h e 仃a d i t i o n a lc o a l b l e i l d i n gs y s t e m b a s e do nm er e l a yc o n t a c t o ri sm a l l u a l s 锄i a u t o m a t i cs y s t e m ，a 1 1 di t r e q u i r e sm o r ep e r s o r m e la 1 1 dla ：b o ri n t e n s i v e s o m e f a i l u r ec a i ln o tb ef o 如di nt i m es u c h 缎c 0 n v e y o r b e l td e v i a t i o i l 1 9 a d i n gt os t a 印a t i o n o fp r o d u c t i o n i i lt h j s p a p b l e n d i n gc o n 仃0 1s y s t e md e v e l o p e do v e r c o m e sm e d i s a d v 锄饵g eo ft 1 1 et r a d i t i o n a lc o a lb l e n d i n gs y s t e i t l i tc a ni m p r o v ea u t o m a t i o na i l d a c l l i e v el l i 曲e 伍c i e n c y 锄db e n e f i t 1 1 1t 1 1 i s p a p as e to fc o a lb l e i l d i n gc o n 仃d 1s y s t e i i ld e v e l o p e di s b a s e do n i i l d u s t r i a lm a c h j i l e 觚dp r o 铲a n m a b l el o 百cc o n 仃o i l e r ( p l c ) a c c o r d i n gt ow ，h o l e d e s i 铲s c h e m e ，s d e 甜o no fm o t o r sa n ds e n s o r so t l l c re q u i p m e i l t so ft l l eb l e n d i n g s y s t e mi s0 p t i m i z e d ；p o w e rs u p p l ya n dd i s t r i b u t i o n 锄dm ee l e c t r i c a ls y s t e m sa r e d e s i 朗e d ，i n c l u d i i l gc a l c u l a t i o no fe l e c t r i c a l1 0 a da n dm ed e s i 印o fm o t o rc o l l t r 0 1 c i r c u i t b yu s i n gm o d u l a rp r o 笋m u n i n gi d e 如p l cp r o 鲫ni sd e v e l o p e dw i mm e e x c e l l e i l c eo fc l a r i 吼r e a d a b i l i t y ，a i l dp r o 鲫ni s e 2 l s yt 0m o d i 母a n dd e b u g m o i l i t o r i n ga n dc o n n d ls o f t w a r em r l i l i n g i 1 1 u p p e rc o m p u t e ri sd e v e l o p e d w i 吐l k i n g v i e w t h i ss o f t 、) i ，a r er u 皿i n ga to p e r a t o rw o r k s t a 6 0 nh a sg o o dm m i ，w h i c hs c r e e ni s v i s u a la n d 血a g e i tc a nm o m t o rn l eo p e r a t i i l gc o n d i t i o no ft l l ew h o l es y s t e m i t 如l f i l l st l l e 缸1 c t i o n so fs e t t i n gt l l eb l e l l d i n gr a t i o ，c o n 怕l l i n gt l l es p e e do fb e l t sa n d p r o p o r t i o nc o n 缸1 1 e ra n da d j u s t i n gt l l eo p e nh e i 曲to ft h er a wc o a ls i l o ，i ta l s oh a sm e 如n c t i o n so fr e a l - t i m ea l a ma n ds e i l i o rm a j l a g 锄e n to ns y s t e ms u c h 觞s e 仕i n g o p e r a t o rp e 肌i s s i o n sa i l da c q u i r i n g 廿1 es t a t i s t i c so fo u t p u te t c f i n a l l mt l l ei n s t a l l a t i o n a 1 1 dd e b u g 酉n gp r o c e s si sa c c o m p l i s h e d a n t 巧a 瑚m i n gm e a s u r e sa r ct a l ( e i lt 0 锄s u r e r e l i a b i l i 够o fs y s t e m ，锄da c h i e v e dg o o de 虢c t b 1 d i n gs y s t 锄b a s e do ni n d u s t r i a lm a c t l i n ea i l dp l ci n “sp 印e ri so p t i m i z e d i nd e s i 四a 1 t 1 1 0 u 曲m a n yl i j l l ( sa r ei 1 1 v o l v e d ，a 1 1 dt h es c e l l ei 1 1 s t a n c ei s c o m p l i c a t e d ， m ed e s i g nm a l ( e st 1 1 ec i r c u i ts 仇l c t u r es i n l p l i f i e da 1 1 ds o 脚a r ep r o 蓼锄o p t i m i z e d ，a 1 1 d m a l ( e s 也es y s t e mb ee a s yi n s t a l l a t i o na n dm a i l a g 锄e n ta 1 1 dm a i n t e n a l l c e r e l i a b i l i t y a n d f l e x i b i l i t yo f b l e i l d i l l gs y s t e ma r e 确p r o v e da n dr e a l 一t 油ec o n 仰lc a i lb ee i l s u r e d c 1 l 仃e n t l y m es y s t e mi sp e r f o 册i n gw e l li np r a c t i c a l 印p l i c a t i o n 北京工业大学工学硕士学位论文 k e yw o r d s ：b l e i l d i n gs y s t 锄；e l e 嘶c a ld 酾伊；p l c ；地讥e w ；枷- i n t 砷溯1 c e i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 配煤系统的发展现状2 1 2 1 配料系统发展现状2 1 2 2 配煤系统介绍2 1 3p l c 技术的应用3 1 3 主要研究内容5 1 4 本章小结：5 第2 章配煤系统整体方案7 2 1 配煤系统生产工艺7 2 2 控制系统设计要求1 0 2 3 控制系统总体结构1 l 2 4 调速电机的选择1 2 2 3 1 常用的电机调速方式1 2 2 3 2y c t 系列电磁调速电动机1 3 2 3 3 调速控制器的选择1 3 2 5 本章小结：1 4 第3 章电气系统设计l5 3 1 电气负荷计算1 5 3 1 1 皮带机的功率计算1 5 3 1 2 电气负荷的计算1 7 3 2 供配电设计1 8 3 2 1 工程供电的基本方式1 8 3 2 2 配电方案2 2 3 3 电机控制回路设计2 2 3 3 1 电机控制设计要求2 2 3 3 2 电机启动方式的选择2 3 3 3 3 电机控制的设计2 4 3 4 本章小结2 7 第4 章硬件系统设计2 9 4 1 可编程控制器( p l c ) 的选用和配置2 9 4 1 1p l c 的选用2 9 4 1 2l k 大型p l c 配置2 9 4 2p l c 机柜设计31 4 2 2p l c 机柜电源分配31 4 2 1 模块接线及机柜布置设计3 3 4 3 传感器的配置3 7 4 3 ，1 皮带秤仪表3 7 4 - 3 2 料位开关3 9 4 3 3 跑偏开关4 1 北京工业大学工学硕士学位论文 4 3 4 拉线开关4 2 4 4 本章小结4 3 第5 章软件系统开发4 5 5 1p l c 软件设计4 5 5 1 1p o w e r p r 0v 4 编程软件概述4 5 5 1 2p l c 软件的控制要求：4 5 5 1 3p l c 软件的设计。4 6 5 2 监测软件设计5 2 5 2 1 组态软件概述5 2 5 2 2 组态王软件5 3 5 2 3 监控软件开发5 5 5 3 通讯设置6 0 5 3 1p l c 与上位机通讯6 0 5 3 1 皮带秤与组态王通讯6 3 5 4 本章小结6 3 第6 章设备安装调试6 5 6 1 模拟量的调试6 5 6 1 1p d 控制及参数整定。6 5 6 1 2 控制回路调试6 7 6 2 抗干扰措施6 8 6 2 1 硬件抗干扰措施6 8 6 2 2 软件抗干扰措旅6 9 6 3 参数测试7 0 6 4 本章小结7 0 结论与展望。7 1 参考文献一7 3 攻读硕士期间发表的学术论文及取得的研究成果7 7 至l 【谢7 9 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 第l 章绪论 我国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之二，煤炭的生产总量和消 费量在世界上都是最多的。然而我国在煤炭的消耗中，直接燃烧原煤一直是最主 要的消耗方式，煤炭的加工利用水平还处于低水平阶段，煤炭的平均利用效率也 只有2 0 ，所以我国的煤炭利用现状是高能耗、高污染、低效益，这己严重制约 了我国经济的持续发展【1 l 。 此外，由于我国煤炭分布不合理，质量不均衡，以及运输能力制约等原因， 在实际使用中存在着下列三个方面的严重问趔2 叫： 1 ) 煤炭热能利用率低。电厂的热能利用率仅为2 7 。3 0 ，工业锅炉仅为 5 5 、6 0 ，工业炉窖仅为2 0 3 0 ，利用率很低。原因除了燃烧设备及管理上的 因素外，主要是燃烧煤炭的设备在设计上对煤种有一定的设计要求，然而煤炭 用户所使用的煤来源渠道多，煤种比较杂，质量也不稳定，不能满足设备对煤 种的要求。 2 ) 煤炭燃烧设备安全性、可靠性低。由于燃烧煤炭设备长期使用不符合设 计要求的煤种，致使煤炭燃烧困难，不稳定，并且结渣严重，加快磨损和腐蚀 等问题，容易引起事故，据统计，有4 0 以上的事故都是由于煤种不符合要求造 成的，并且一般都是严重事故。 3 ) 煤炭燃烧使环境受到严重污染。煤炭燃烧时产生大量的有害物质，如硫 化物和氮化物等，即使使用净化装置进行净化，也很难达到理想的效果，容易 产生酸雨、温室效应等问题，严重危害了人类生存的环境。 中国的国情决定，在今后相当长的一段时间内，我国能源利用的结构不会 发生明显的改变，还要以燃用煤炭为主，在这种情况下，亟需改善煤种，提高 和稳定煤炭质量，提高用煤设备的热效率，节约煤炭资源，减少环境污染，合 理利用资源，提高煤炭企业的经济效益，满足用户的要求【5 】。配煤技术利用不同 煤种各自组成成分、物理和化学性质的差异，相互取长补短，使配出的产品煤 在性能指标上满足用户对煤质的质量要求，实现煤的有效利用1 6 j 。 配煤技术在国内外都有很多人在研究和实践，有很广的应用前景，钢厂、 电力公司、煤气公司及焦化厂都有配煤的需求，自动配煤系统可以按照设定的 配比来控制两种煤输送的瞬时流量，从而控制成品煤的质量和产量，实现生产 过程的自动化和智能化。 以前的配煤系统还是一种基于继电接触器和人工手动方式的半自动化系 北京工业大学工学硕士学位论文 统，需要的人员很多，劳动强度也很大，并且皮带运输机经常出现故障如跑偏 等，如果这些故障不能及时的发现，会导致生产停滞带来不必要的经济损失。 基于应用广泛的p l c 技术的配煤机控制系统，具有线路结构简单，安装和设备 维护方便，系统的整体风险小，能够远程控制，配煤系统的可靠性和灵活性高， 具有控制的实时性等优点【7 】。推广自动化配煤控制系统对减轻劳动强度、节约能 源、降低污染和提高企业的经济效益及我国的煤炭加工和利用有重要意义【剐。 1 2 配系统的发展现状 1 2 1 配料系统发展现状 配煤系统是配料系统的一种，配料生产控制系统的发展主要有人工手动控 制、继电器手动控制、单片机控制、工控机板卡控制等几个阶段睁n l 。 在人工手动控制阶段中，系统设备庞大，各设备之间互不联系，或联系很 少，是否要调整控制器主要由现场的操作人员来决定。一个操作人员只能监测 和操作一个至两个计量秤，并且配料的相关数据都是由手工记录的，产品的质 量在很大程度上取决于操作员的熟练程度，工作强度很大且可靠性较低。 继电器手动控制在上世纪6 0 年代非常流行，在很大程度上降低了劳动强度， 但是电控系统非常繁杂，有大量的中间继电器和时间继电器，可靠性很低，并 且调试、改装的难度很大，功能上的一点改动就要增加很多的费用。 单片机控制是随着大规模集成芯片技术的发展而得到应用的。单片机控制 的配料系统较之前两种配料系统设计电路复杂程度降低了，可靠性也提高了： 而且满足了用户实用性的要求。所以迄今为止，单片机控制配料系统在一些中 小型企业中还有很多的应用。 工控机板卡配料系统较单片机控制配料系统整体结构简单，人机界面更加 美观，交互功能更加强大，设计和调试难度相对降低。但是由于配料生产现场 和控制室的距离较大，在信号的传输过程中强、弱模拟信号混杂，为了保证系 统的稳定运行需要采取完善的屏蔽抗干扰措施。集中控制对主机及其测控电路 要求较高，成本较高，而且系统整体风险大，一旦主机出现故障，将造成整个 系统瘫痪，影响生产正常进行。 基于可编程控制器的自动配煤系统，可以简化线路结构，便于系统的安装 和维护，提高系统的灵活性，同时可分散配煤系统的整体故障风险，使数据管 理和过程控制分离，可实现管理人员远程实时监测和控制整个配煤系统的工作， 并进一步提高配煤系统的可靠性【1 2 l 。 1 - 2 2 配煤系统介绍 配煤机是一种集上料输送、筛分、比例控制、配制、出料输送、堆垛等作 2 第1 章绪论 业功能为一体的生产线，能够自动化完成连续配制作业。如图卜1 所示。 该机主要是将两种不同煤质的原煤进行优化配制，满足不同用户对燃煤的 发热量、灰分、挥发分、灰熔点以及含硫量等质量指标的要求，使其充分利用 燃烧热能，达到节能减排的要求。 幽卜l 配煤机运行现场 f i g 1 - 1 一c o a ib i e n d i n gs y s t e ms p o t 皮带输送设备是在配煤生产中使用最广泛的输送设备，在配煤生产线中联 接各个生产环节，使生产线能够有效的运转，它可完成煤炭的水平输送和堆高 输送。皮带输送机的优点是：具有较高的输送能力，输送距离长，动力消耗低， 结构简单，维修方便，工作平稳可靠。 1 1 3p l c 技术的应用 可编程控制器，简称p l c ( p r o g r a i i l m a b l el o g i cc o n t r 0 1 1 e r ) ，是指以计算 机技术为基础的新型工业控制装置。在1 9 8 7 年国际电工委员会颁布的p l c 标准 草案中对p l c 下的定义是：p l c 是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运 算操作的电子装置【n 】。采用专门编制程序的存储器，使在其内部存储执行逻辑 运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模 拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。在设计p l c 及其有关的 外围设备时，要按照易于与工业控制系统形成整体和扩展其功能的原则进行设 计【1 4 】。p l c 的特点可归纳成如下几点： 1 、配套齐全，功能完善，适用性强 发展到今天，p l c 可以应用到任何规模的工业控制场合。p l c 除了有基本的 逻辑处理功能以外，还具有强大的数据运算能力，能应用到各种控制领域中。 近年来，p l c 功能得到了进一步的扩展，涌现出了大量的功能单元，使p l c 在位 置控制、温度控制，c n c 等各种工业控制中也得到了应用。而且现代p l c 有很强 的通信能力，能很容易的组成各种工业控制系统。 2 、可靠性高，抗干扰能力强 3 北京工业大学工学硕士学位论文 由于p l c 采用现代大规模集成电路技术，使用优质的电子元器件，内部电 路采取了光电隔离、数字滤波、故障诊断等硬件措施，具有很高的可靠性和抗 干扰能力，然而电气控制设备的可靠性和抗干扰能力是十分关键的性能，这也 是p l c 得到广泛应用的原因之一。p l c 的冗余技术也是突出的优点，例如使用冗 余c p u 的p l c 平均无故障工作时间很长。p l c 系统在电路设计方面也有很明显的 优势，和相同规模的继电接触器系统相比，电气接线和开关的接点都有明显的 减少，甚至是减小到数千分之一，因此故障的发生率也大大的降低了。此外， p l c 还能自我检测，当出现故障时能够及时的发出报警，同时还可以通过软件编 程，对外围器件的故障进行监测和诊断，实现了自身和外围器件的自诊断保护， 这些都大大的提高了p l c 系统的可靠性。p l c 具有警戒时钟w d t ，可以通过定时 刷新，监测是否出现死循环，如果检测到死循环，立即自动重新启动p l c ，检查 软件程序和硬件，并给出报警，避免了计算机的死机现象。 3 、系统的设计工作量小，维护方便，容易改造 p l c 使用存储逻辑代替接线逻辑，可以减少硬件的接线，缩短控制系统的设 计和安装调试的周期，同时方便系统的维护。更重要的是使改造变得很容易， 当需要改变生产过程时，仅通过改变程序就能完成大部分的改造，节约了进行 改造的时间和成本。 4 、易学易用，深受工程技术人员欢迎 p l c 作为通用工业控制计算机，为面向工矿企业的工业控制设备。接口简单 容易，编程语言易于为工程技术开发人员接受。梯形图语言的图形符号与表达 方式和继电器电路图相当接近，只用p l c 的少量开关量逻辑控制指令就可以方 便地实现继电器电路的功能。 目前，p l c 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制 造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业l ，使用情况大致可 归纳为如下几类。 l 、开关量的逻辑控制 p l c 取代传统的继电器电路实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的 控制，也可用于多台设备群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、磨床、组 合机床、包装生产线等。 2 、运动控制 p l c 可以用于直线运动和圆周运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接 用于开关量i o 模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控 制模块【1 同。如可驱动步迸电机或者伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界 上各主要p l c 厂家的产品几乎都具有运动控制功能，广泛用于各种机械、机器 人、机床、电梯等场合。 3 、模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多模拟量如温度、压力、流量、液位和速度等 4 第1 章绪论 需要采集和控制。可编程控制器可以通过模拟量( a n a l o g ) 和数字量( d i g i t a l ) 之间的a d 转换及d a 转换实现模拟量的控制。 4 、数据处理 现代p l c 具有数学运算、数据转换、数据传送、排序、查表、位操作等功 能，可以完成数据的采集、分析及处理【1 7 1 。数据可以在存储器中进行处理，也 可以利用通信传送到其他的智能装置中进行处理。数据处理在大型工业控制如 无人控制的柔性制造系统及过程控制系统中有很多的应用。 5 、过程控制 过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制【l 引。p l c 作为工业控 制计算机能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。p i d 调节是闭环控制 系统中用得较多的调节方法之一。大中型p l c 一般都有p i d 模块，甚至许多小 型p l c 也具有了此功能模块。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场 合有非常广泛的应用。 。 6 、通信及联网 p l c 通信包括p l c 间的通信及p l c 与其它设备之间的通信。随着计算机控制 的发展，工厂自动化网络发展得很快，现在p l c 都具有串口通信等接口，实现 通信非常方便。如果需要远程控制，可以利用终端服务器进行远程控制。伴随 着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重 要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用【1 引。 1 3 主要研究内容 项目研究内容主要包括： ( 1 ) 配煤控制系统总体方案设计； 、 ( 2 ) 配煤控制系统硬件选型和电气设计； ( 3 ) 配煤控制系统p l c 软件和上位机软件设计； ( 4 ) 配煤控制系统的终端人机界面设计； ( 5 ) 配煤控制系统的安装和调试。 1 4 本章小结 本章阐述了配煤在国民经济发展中的重要性，指出配煤具有广阔的发展前 景，论述了本课题研究的目的和意义，对配煤系统的研究现状进行了分析，介绍 了p l c 技术的应用，最后说明了课题研究的主要内容。 5 北京工业大学工学硕士学位论文 6 第2 章配煤系统整体方案 第2 章配煤系统整体方案 2 1 配煤系统生产工艺 配煤生产线的工艺流程如图2 1 所示，一般包括原料煤的装卸、配煤原料的 取料输送、筛分、破碎、混合掺配、抽取检测、成品煤的贮存和外运等。此系 统是配制两种煤的配煤系统结构如图2 2 所示，主要包括的设备是2 台变速原 煤上料机，2 台筛分机，2 台破碎机，2 台变速上料机，2 台比例控制机，1 台主上 料机，1 台出料机，1 台配制机等，各部分实现的功能如下： 上料仓：分1 # 、2 # 上料仓，可分别储存1 5 m 。体积的l o o 衄以下的原煤。在 配制作业进行时，在上料仓仓口有斜度为4 0 ”的固定筛，把1 0 0 m 以上的大块状 原煤筛出，粒度小于1 0 0 咖的原煤则下落于斗内。按照配制的比例，由电动推 杆调节插板的升降高度。 变速原煤上料机：变速原煤上料机分别对应1 # 和2 # 上料仓，运行速度可以 随需要的配比而变化，当上料仓的放煤口控制了放煤量时，在这种情况下，就 由输送速度控制配比的输送流量。 筛分机和破碎机：分别对应于1 # 、2 # 变速原煤上料机的筛分机，它可以将 对应的原煤上料机输送的原煤进行分选，粒度小于3 5 姗的原煤排放到变速上料 机：粒度大于3 5 砌的煤粒排入到破碎机进行破碎，使其粒度达到3 0 姗以下， 再排放到变速上料机。 变速上料机：变速上料机分别对应1 # 、2 # 筛分机和破碎机，运行速度与变 速原煤上料机一致，主要是将筛分及破碎出来的符合要求的原煤分别送到对应 的比例控制器。 比例控制器：比例控制器上部接有过渡储料仓，过渡储料仓的作用是在配 制作业中临时停存物料，比例控制器要使配制比例精确，料仓的物料多少起到 决定性的作用。仓内设有高、低料位开关，物料只有在高低料位器之间，才能 保证配出配比准确的成品煤。储料仓内煤量达到要求时，比例控制器将储料仓 内的原煤，按照规定的配制比例排放到主上料机。这是配制作业中的重要环节。 主上料机：主上料机是恒速机，在配制作业的主要任务就是将各比例控制 器排出的煤，一起输送到下游的配制室。 配制室：配制室是起着将主上料机输送来的各原煤，通过配制室中的动静 叶片进行连续运行均匀混配成成品煤排出。该配制室是配制作业中的另一重要 环节，特点是连续作业，效率高。 出料机：它是恒速机，主要作用是将配制室连续排出的成品煤输送堆垛作 用。 7 北京工业大学工学硕士学位论文 图2 1 工艺流程 f i g 2 一lt e c h n 0 1 0 9 i c a ip r o c e s s 8 第2 章配煤系统整体方案 9 o13芑3j_蚺i_工|o一nn叫一k 寝姆螺峨n-z匝 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 控制系统设计要求 根据生产工艺及现代自动化控制的要求对配煤机控制系统提出以下几方面 的设计要求： 1 、设备的控制方式 ( 1 ) 就地方式：把选择开关打在就地控制方式的位置上，在设备的本地可以 使用就地按钮来控制设备的启停，在此种方式下，p l c 不能控制设备的启停，即 在上位机的人机界面上不能远程控制设备，但是还能报警和记录。 ( 2 ) 单机手动方式：此种方式需要手动操作，在上位机的人机界面上的虚拟 控制面板上可以进行设备的启停操作和给定速度操作，各个设备之间没有连锁 关系，单个设备的启停不和其它设备的运行情况发生关系。此种方式更主要应 用于设备调试或某种特殊情况下使用，默认情况下连锁运行的方式。 ( 3 ) 联锁手动方式：此种方式是手动操作，但要严格按照生产工艺所要求的 顺序启停设备，否则操作视为无效操作，从而防止了操作人员的误操作，增强 系统的安全性。 ( 4 ) 自动方式：自动运行方式是一键完成整个设备的启动运行和停止运行的 一种操作方式。此种方式是严格按照生产工艺要求的按照一定的时间间隔和顺 序来完成系统中所有设备的启停操作。 ( 5 ) 紧急停车：在遇到特殊情况下，需要及时的把整个系统的所有设备停下 来，为生产的安全设置紧急停车来应对突发事件。 2 、生产管理 运行于操作员工作站的人机界面，要求画面直观形象，能够对整个系统的 运行情况进行监控，可以实现配煤比例设置，皮带、比例控制器的速度控制及 原煤上料仓开口高度调整等功能，出现异常实时报警。同时系统具有高级管理 功能，如操作者权限设置、产量统计报表、违规操作记录等，易于生产的管理 和维护。 3 、设备的保护 电机的控制回路包括一次回路和二次回路，在设计时要考虑到电机的保护， 如断相、短路等的保护，确保电机安全的运行。皮带设备的保护是比较复杂的， 包括机械和电气设计方面的保护措施，在电气设计时设置一些传感器来监测故 障，并能得到及时的处理，一般是发现故障要及时的判断故障严重的程度，例 如跑偏一级时还可以继续观察是否会继续跑偏，如果不再继续跑偏，只观察和 记录就可以了，如果发生了二级跑偏时就必须立刻停机，并对相关的设备停机， 检查并处理故障。 4 、特殊设备 破碎机相对比较特别，因为设备不能够重载启动，在生产中要保证破碎机 1 0 第2 章配煤系统整体方案 在启动时内部无煤，为了下次启动无煤，在停止时要确保内部已经无煤。由于 设备的特殊性，设计时要求破碎机要在所有的设备里最先启动，确保煤还没有 运输过来时就已经完全启动起来了，在停止时也要在所有的设备停止后再延时 一会再停车，确定破碎机中已经没有煤了，为下次的启动做准备。 5 、料位的控制 比例控制器料仓中的煤位的控制是至关重要的环节，是整个系统互相配合 才能达到理想的效果，当出现高或低料位时，上料皮带的速度和原煤上料仓仓 门开口高度的调节要根据分析做出不同的处理。料仓中煤位的监测信号、皮带 的速度及原煤上料仓仓门开口高度都要及时的传送到操作室，在显示屏上显示 出来以便操作员能够及时观察到。 2 3 控制系统总体结构 配煤系统包括上位机监控层、p l c 控制层、现场仪表层、配电控制柜及现场 配煤设备，如图2 3 所示。 1 、上位机监控层 这层也称为中央控制中心，设在操作室中，是整个配煤系统自动化信息系 统的核心，负责管理整个监控系统的数据、生产过程的监控，通过上位机的人 机界面上的虚拟操作面板对设备进行远程控制，现场仪表层将数据信息通过通 讯传输到监控计算机上，系统能自动完成数据的存储、显示、分析、报警等。 2 、p l c 控带4 层 p l c 控制层也称现场控制层，负责对现场设备的自动监测和控制，包括控制 机柜、p l c 控制器、各种i 0 模块等。 3 、现场仪表层 现场仪表层位于系统的底层，是整个系统的数据来源。主要包括用于采集 现场数据的各种仪表传感器，负责数据的采集并传送到p l c 控制层和中央监控 中心。 4 、配电控制柜及现场配煤设备 控制柜中集成了电机的控制单元，用于配煤机系统电机的启停控制及速度 控制，同时具有短路保护功能和过载保护功能，并提供p l c 远程控制接口。现 场的设备主要包括皮带运输机、比例控制器、电动推杆电机等设备。 北京工业大学工学硕士学位论文 监控层 。_ 控制层 仪表屡 因 扣葺糍 i ；橱 | 圈i 2 4 调速电机的选择 图2 3 整体方案图 f i g 2 3w h 0 i es c h e m e 芝童固 澎“警誊蕴i 爹 爵f 2 4 1 常用的电机调速方式 调速电机的调速方式很多，但是最常用的是直流电机调速、电磁调速以及 变频调速三种方式【2 0 1 。 1 ) 直流电机调速 直流电动机采用可调电压的供电电源，输出可调的直流电，通常具有控制 和保护电路，能够改善电动机的特性，属于无级恒转矩调速，应用比较广泛。 以前，由于直流电机易于实现调压、调磁调速，能满足宽范围调速、高精度和 快速响应的要求，而得到了较为广泛的应用，但维护困难，单机容量、最高转 速和使用环境也有限制，近年来，随着电力电子技术和控制技术的发展，使得 交流调速性能提高，能够满足工业控制要求，并能降低成本，目前，交流调速 有取代直流调速的趋势。 2 ) 电磁调速 一般由异步电动机、电磁转差离合器、测速发电机、控制装置等组成，因 为这种方法电机本身并不调速，而是通过改变与它相连的电磁离合器的励磁电 流来实现调速的。电磁转差离合器控制简单，运行可靠，调速精确、价格便宜， 而且能平滑调速。优点是该技术也是国内最成熟的交流调速技术之一，适用于 容量在0 5 5 k w 6 3 0 k w 范围内的风机、水泵或压缩机【2 l 】。 3 1 变频调速 变频调速是通过改变供给电动机的供电频率，来改变电机的转速。随着控 第2 章配煤系统整体方案 制理论、交流调速理论和电子技术的发展，变频器技术也得到了充分的重视和 发展，目前，有高性能变频器和专用的异步电动机组成的控制系统在性能上已 经达到和超过了直流电动机伺服系统瞄】。此外，由于异步电动机还具有对环境 适应性强，维护简单等许多直流伺服电动机所不具备的优点，所以在许多需要 进行高速高精度控制的应用中这种高性能的交流调速系统正在逐步替代直流伺 服系统【2 3 1 。而且由于高性能的变频器的外部接口功能也非常丰富，可以将其作 为自动控制系统中的一个部件使用，构成所需的自动控制系统。 2 4 2y c t 系列电磁调速电动机 由于电磁调速电动机结构简单，运行可靠，使用维护方便，起动性能好，控 制功率小，易于自控和遥控，调速比宽，调速精度较高，得到了广泛的应用，结 合了实际情况，选择使用了电磁调速电机作为配煤系统的驱动设备【2 4 1 。 y c t 系列电磁调速电动机是一种控制简单的交流无级调速电动机，由交流 三相异步电动机，涡流离合器( 亦称电磁转差离合器) 和测速发电机组成。通常 与z t k 系列、z l k 系列( j z t 3 系列) 、巾k 系列控制器配合后组成一套交流调 速驱动装置，装有测速负反馈自动调速系统。能在比较宽广的转速范围内，进行 平滑的无级调速。 y c t 系列电磁调速异步电动机的无级调速是由电磁铁转差离合器来完成的， 它有两个旋转部分，圆筒形电枢和爪形磁极，两者没有机械联接，电枢由拖动电 机带动并与同步旋转，当激磁线圈通入直流电后，工作气隙中产生磁场，电枢切 割磁力线产生感应电势并形成涡流，由涡流产生的磁场与磁极磁场相互作用，产 生电磁力，使爪形磁极和电枢作同一方向旋转( 但始终保持一定的转速差) ，从 而输出转矩，输出轴转向与拖动电机方向一致，改变激磁电流的大小，可以方便 地调节输出转速】。 2 4 3 调速控制器的选择 电磁调速电机要配合调速控制器使用组成一套交流调速驱动装置，通常可以 与d i 系列、z l k 系列等控制器配合，控制器装有测速负反馈自动调速系统。 本系统选择了j d k 一1 a 型控制器。 j d k 一1 a 型控制器是电磁调速异步电动机的控制装置。它可以通过面板上 的指令电位器或外接信号对调速电动机进行宽范围的无级调速。切换可通过面板 上的“手动自动 转换开关实现。控制器的特点是测量测速发电机的三相信号 频率，将此频率信号线性转换成模拟信号( 电压或电流) ，用于数字显示、闭环 控制和提供转速输出信号。控制器通过后板接线端子同时输出0 5 0 0 h z 脉冲信 号和电压( d c o 一5 v 等) 信号或电流( 4 2 0 i i 认) 信号，精确地代表电机转速0 一1 2 5 0 印m 。控制器规范的输入、输出信号方便地与各型自动化仪表和微机连接。 北京工业大学工学硕士学位论文 控制器调速范围宽、校正速度快、控制精度高、稳速性能好、无需调整、具有优 良的互换性，特别适用于多台电机的同步运行和比例运行。控制器为嵌装式结构， 机身由一个固定支架固定在控制屏上，调试或检修时，旋松机箱后下角的锁定螺 钉，便可抽出机架。 2 5 本章小结 本章在详细介绍了配煤的生产工艺过程基础上，针对配煤过程的特点提出了 控制系统设计的要求。通过对生产工艺和设计要求的分析，设计了控制系统的整 体方案，并对系统中最关键的调速电机及控制器进行了选型。 第3 章电气系统设计 3 1 电气负荷计算 第3 章电气系统设计 “电力负荷”在不同的场合可以有不同的含义，它可以指用电设备或用电单 位的功率或电流的大小【2 6 1 。电力负荷的计算是否正确直接关系到是否能正确选