（控制理论与控制工程专业论文）火电厂输煤控制系统模型的设计与实现.pdf

中文摘要 摘要 随着我国电力行业的迅速发展，火电在整个装机容量中所占比重已达7 0 之 多，一个高出力、高可靠性、高灵活性的燃料输送系统是机组乃至整个电厂稳定 运行的重要保证。作为火电厂热工控制系统中最大的辅控系统，对它的控制要求 也越来越高，其运行的好坏直接影响主控系统的工作。对于传统的继电器控制方 式，由于控制方法陈旧，需要工作人员深入环境恶劣的现场进行巡检、调试和维 护，并且效率低下，因此目前已被以可编程逻辑控制器为主的程序控制方式取代， 基于此，火电厂输煤控制系统模型应运而生。 本系统的硬件部分包括以罗克韦尔三层网络为架构的p l c 集成架构控制部分 和以传送带、模拟煤仓及模拟锅炉组成的被控对象。前者包括两套c o n t r 0 1 l o g i x 控制系统和一套c 0 m p a c t l o g i x 控制系统，分别装有以太网、控制网和设备网的通 讯模块；后者包括分别由三台p o w e r f l e x7 系列变频器和交流电动机组成的变频 调速系统进行驱动的传送带，带有四组光电传感器的模拟煤仓以及装有热电阻及 温度仪表的模拟锅炉。在下位机中，利用r s l o g i x5 0 0 0 对p l c 和变频器进行编程、 利用n e t w o r k s 网络组态软件进行规划、通过r s l i n k 实现网络通讯，控制整个系 统按照火电厂实际的输煤控制策略运行。上位机采用f a c t o r y t a l k 设计监控界面， 实时跟踪p l c 状态位的变化，监控三条传送带的运转情况、锅炉温度及煤仓煤位 的实时数据。如出现异常情况，上位机将产生报警信号并进行必要处理，如顺序 停车等。另外，为更加贴近现场情况，整个系统还利用p a n e l v i e w 触摸屏进行现 场的实时监控，通过p a n e l b u i l d e r 软件设计界面，显示系统当前的所有参数，并 带有相关报警处理。 整个网络完全实现了通信要求，系统运转正常，上位机的监控与现场情况完 全符合，触摸屏的监控数据准确无误，成功模拟了火电厂输煤控制系统。 关键词：输煤控制系统，可编程逻辑控制器，三层网络架构，组态监控 英文摘要 t h e d e s i g na n da p p l i c a t i o no f c o a ld e l i v e 叫s y s t e mi np o w e r p 1 a n t a b s t r a c t a sm ed e v e l o p m e n to fc l l i n a se l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yg r o w sr 印i d l y ，t h ec a p a c i t y o fc o a l - b u m i n gp o w e rp l a n t sr 印r e s e m so v e r7 0 o ft h ee n t i r ep o w e rp l a n tc a p a c i t y a h i 曲l yp m d u c t i v e ，r e l i a b l ea l l d n e x i b l ec o a id e l i v e r ys y s t e me n s u r e sn o to n l yt h e s t a b i l i t yo fap o w e r - g e n e r a t i n gu n i t ，b u ta l s ot h es t a b i l i t yo ft h ee n t i r ep o w e rp l a n t a s t h eb i g g e s ts l a v es y s t e mi nap o w e rp l a i l th e a t i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h ec o n t r o l l i n g r c q u i r e 】m e n tf o rad e l i v e r ys y s t e mb e c o m e sm o r ea 1 1 dm o r es t r i c t i t sp r o p e ro p e r a t i o n d i r e c t l ya f - f e c t st h ep e r f 0 m a n c eo ft h em a i nc o n t r o ls y s t e m a sf o r t h et r a d i t i o n a lr e l a y c o n t r o lm e t h o d ，f i e l ds t a f fn e e d st oi n s p e c t ，t e s ta j l dm a i n t a i ne q u i p m e n tu n d e rd r e a d f u l c o n d i t i o n sd u et oo b s o l e t ec o n t r o l l i n gm e t h o dw h i c hp e r f o 肌sw i t hv e r yl o w e f - f e c t i v e n e s s t h u s ，s u c hm e t h o dh a sb e e i lr 印l a c e db yp l c 七a s e dp r o c e s sc o n t r o l m e t h o d b a s e du p o nm ea b o v ec o n s i d e r a t i o n s ，t h ec o a l - b u m i n gd e l i v e r yc o n t r o l s y s t e mw a sd e s i g n e da n dp r o d u c e d t h eh a r d w a r eo fm es y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t s ：p l cc o n t r o l l e ru s i n g r o c k w e l l st h r e e t i e rn e 觚o r k 丘a m e w o r ka i l da i lo b j e c tc o n t r o ls y s t e mw i t ha s i m u l a t e dc o a lca b i na n db o i l e r t h e 五引m l e ri n c l u d e st w os e t so fc o n t r o l l o g i xc o n t r o l s y s t e m sa n do n es e to fc o 眦p a c t l o g i xc o n t r o ls y s t e m t h el a t t e ri sc o m p o s e do fa c o n v e y o rb e l td v e nb ya 行e q u e n c yc o n v e i r t i n gs p e e dc o n t r o ls y s t e mw i t h t h r e e p o w e r f l e x7 行e q u e n c yc o n v e r t e r sa n dm o t o r s t h ee n t i r es y s t e mi so p e r a t e da c c o r d i n g t ot h ep o w e rp l a n t sa c t u a ld e l i v e r ) rc o n t r o ls t r a t e g yb yu s i n gr s l o g i x 5 0 0 0t op r o 伊锄 p l ca i l df r e q u e n c yc o n v e r t e r ，n e 觚o r k ss o 肌a r et op l a n ，a n dr s l i n kt oc o m m u n i c a t e f a c t o r y t a l ks o 胁a r ei su s e dt od e s i g l lm o n i t o “n gs c r e e na 1 1 dt r a c k sm ep l c s t a t u si n r e a lt i m e ，w h i c hm o n i t o r st h ed e l i v e r ys t a t u so ft h et 1 1 r e ec o n v e y o rb e l t s ， t h e 英文摘要 t e m p e r a t i l r ei nm eb o i l e ra sw e l la st h ea c t u a lc o a l l e v e l i nm ec a b i n i ta l s oc a ns e n d w a m i n gs i 伊a l sa j l dt a 玉【en e c e s s a r ya c t i o n s ，s u c ha ss e q u e n c eo fs t o p ，i ft h e r ea r ea n y a b n o m l a ls i t u a t i o n s h la d d i t i o n ，i no r d e rt om o s tc l o s e l ys i m u l a t et h ef i e l ds i t u a t i o n s ， t h es y s t 锄u s e sp a n e l v i e wt 0m o n i t o rm ef i e l di nr e a l t i m e ，p a n e l b u i l d e rs o 胁a r et o d e s i g nt l l es c r e e ns oa st od i s p l a yt h es y s t 唧se n t i r ec u r r e n td a t a t h es y s t e ma l s oh a s t h en m c t i o nt op r o c e s sw 锄i n gs i 印a l s t h ee n t i r en e t 、) r o r ko fm es y s t e mm e e t sa l lc o 删 i l u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t s ，a n dc a l l o p e r a t ep r o p e r l y a 1 s o ，m o n i t o n n gd a t aa c c o r d sc o m p l e t e l yw i t ht h ef i e l ds i t u a t i o na n d t h em o n i t o r i n gd a t ai sa c c u r a t e i ti ss a f et oc o n c l u d et h a tt h em o d e ls u c c e s s m l l y s i m u l a t e dt h ec o a ld e l i v e 巧s y s t e mi np o w e r p l a n t k e yw o r d s ：c o a ld e n v e r yc o n t r o ls y s t e m ；p l c ；t h r e e - t i e rn e t w o r kf r a m e w o r k ； c o n f i g u r a t i o nm o n i t o r i n g 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文竺么电 箍堪撞剑丕统槿型的遮让墨塞现：。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 不保密( 请在以上方框内打“”) 拗鹾：砥7 日期：d 莎年乡月乡日 火电厂输煤控制系统模型的设计与实现 第1 章绪论 1 1 课题的研究目的及意义 输煤系统是火力发电厂中较为庞大的系统。随着我国电力工业的迅速发展， 火电厂的装机容量和单机容量都日益增大，输煤系统的规模也大幅度上升，对其 控制方式、控制质量的要求也越来越高。p l c ( 可编程序控制器) 问世以前，工业 控制领域中，继电器控制占有主导地位。这种由继电器构成的控制系统有着十分 明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度不高，尤其是对生 产工艺多变的系统适应性更差，如果生产任务或工艺发生变化，就必须重新设计， 并改变硬件的结构，造成了时间和资金的严重浪费( 。在我国7 0 。8 0 年代建成 的火电厂中，大多数的开关量控制系统都是采用继电器控制，就是在9 0 年代建 成的火电厂中，也有相当一部分辅机系统是采用继电控制。但是，继电器本身固 有的缺陷给火电机组的安全和经济运行带来了不利影响，用可编程序控制器对火 电厂的继电器式控制系统进行改造已是大势所趋。 p l c 是6 0 年代发展起来的基于集成电路和计算机技术基础上的一种用于逻 辑控制的专用计算机。它把计算机功能全、灵活性与通用性强的优点与继电器控 制简单易懂、操作方便、抗干扰能力强、价格便宜的优点结合起来，是一种面向 过程控制的控制器。 虽然p l c 问世时间不长，但是随着微处理器的出现、超大规模集成电路技 术的迅速发展和通讯技术的不断进步，p l c 技术迅速发展，结构不断改进，功能 大大增强，应用范围迅速扩大。可编程序控制器系统一般都具有如下特点【2 】： 编程简单； 控制系统构成简单，通用性强； 抗干扰能力强，可靠性高； 体积小，维护方便，便于安装； 缩短了设计、施工、投产调试的周期。 第1 章绪论 除了上述特点，p l c 功能也非常齐全。在软件方面除了保持原有的逻辑运算 之外，还增加了算术运算、数据处理和传输、通信、自诊断等功能；硬件方面， 除了保持原有的开关量以外，增加了模拟量、远程o 和各种特殊功能模块，例 如高速计数器模块、p d 控制模块、定位控制子模块和通信模块等等，并扩大了 存储器的容量。正是基于p l c 上述的优点和可提供的持续改进空间，把它应用 到输煤系统控制是非常合适的。 电厂输煤系统的任务主要是卸煤、储煤、上煤和配煤。输煤控制系统就是对 输煤系统的设备进行控制，使其能按一定的顺序运行，以便完成上述任务。输煤 系统传统的控制方式是用继电器和开关按钮组成的简单逻辑，对工艺设备进行联 锁或就地控制。随着电力工业的迅速发展，输煤系统的规模也愈来愈庞大，传统 的控制手段已很难适应。从九十年代初引进工程开始，电厂的输煤系统逐步采用 以p l c 为主机的程控技术，实现自动化控制f 3 】。p l c 在技术上具有控制功能强、 编程简单、可靠性高、实现工艺联锁方便、适应恶劣的工业环境能力强、维护方 便、可在线修改等特点。p l c 不但能完成复杂的继电器逻辑控制，而且能完成模 拟量控制及智能控制，并能实现远程通讯、联网、上位机监控等，完全适应输煤 系统多种控制功能的要求，并为全厂实现计算机管理和控制创造条件。对地域分 布较广的系统还可以增加远程控制站及闭路电视监视系统【4 】。 总的来说电厂输煤系统，历来是电厂电气故障多发区之一。原因之一是电厂 输煤系统设备较多，相互联锁繁杂；二是现场环境恶劣，对电气设备运行及检修 都带来不便【5 】。全集成化的输煤过程控制器网络是能够满足对输煤设备的管理与控 制要求的较好途径。采用网络配置，以期达到各设备之间的协调和统一管理。p l c 在火电厂应用的实践证明：p l c 是实现火电厂热工自动化的理想控制器，具有体 积小、功能强、程度设计简单、灵活通用、维护方便等一系列的优点，特别是它 的高可靠性和较强的适应恶劣环境的能力，更是得到用户的好评。 2 火电厂输煤控制系统模型的设计与实现 1 2 火电厂输煤控制系统概述 火力发电厂的输煤系统是辅机系统的重要部分。输煤系统承担从煤码头或卸 煤沟至储煤场或主厂房原煤仓的运煤任务。输煤系统的安全、可靠运行是保证电 厂安全、高效运行的重要环节【6 】。 大型火力发电厂输煤系统主要由轮斗机、翻车机、皮带输送机、碎煤机及犁 煤器等设备组成，用于完成从煤场到原煤仓按计划定时上煤工作。任何一个燃煤 电厂的输煤系统，通常都由卸煤系统、储煤系统、上煤子系统、配煤子系统和辅 助系统等几个子系统组成【7 】。其中卸煤子系统将从煤矿运来的煤卸入电厂收煤场 ( 卸煤沟) ，通常采用专用火车运输和水上轮船运输两种方式；而储煤系统中储备燃 煤的方式随电厂地理环境和条件的不同而异，大多采用斗轮堆取料机为储备煤场 的堆煤和取煤设备，也有的使用布袋式储煤场或圆筒煤仓作储煤场；上煤子系统 中的上煤是指煤输送到锅炉煤仓间的工艺运行过程。上煤设备除皮带机外，还有 碎煤机、转运站和挡板等。上煤系统的运行方式有以下几种：卸煤沟煤仓、储备 煤场煤仓、卸煤沟+ 储备煤场煤仓；在配煤子系统中一般一台锅炉都设置多个 煤仓，配煤方式有以下几种：优先配煤、顺序配煤、定时配煤、跨越配煤；辅助 系统包括取煤样器、除尘设备、洒水设备、消防系统等。通常电厂输煤系统是将 翻车机、卸船机、斗轮机等设备运输的燃煤，经过皮带给煤机、叶轮给煤机等给 煤设备，由皮带机、碎煤机等送到煤仓问，由卸煤器给每个煤仓卸煤。输煤系统 的主要受控设备为给煤机、皮带机、碎煤机。整个系统主要包括：上煤程控、配 煤程控、上位机监控三大部分。 由于电厂输煤系统粉尘和噪声比较大，设备运行环境恶劣，由传统的常规电器 构成的控制系统运行可靠性差。而可编程控制器具有可靠性高、抗干扰能力强、 扩充方便、组合灵活、控制程序改写方便、体积小、重量轻、施工工作量减少、 功能完善的特点，因此由其构成的输煤控制系统目前得到普遍应用【引。由于输煤系 统的设备多、传输距离长、故障因素多、现场及时发现故障比较难，而且每台设 备都拥有各自的控制系统，因此如何组织和管理好这些设备，实时直观、清晰地 第1 章绪论 监视现场情况，及时发现输煤系统中的各种故障，使整个输煤系统在最高效率状 态下运行，是国内火电厂输煤专业发展中需要解决的首要问题。 不同的火电厂，根据自身的特点以及不同的工艺流程，对辅助控制系统功能 都有不同的要求。但是总体来讲，都包含典型功能要求。每台设备的控制分为就 地控制和程控控制两种方式。就地控制方式为安装和调试设备时使用，与程控无 关；程控控制方式由p l c 来控制各台设备的运行【9 】。程控控制方式分“自动方式”和 “手动方式”。“手动方式”是指在各设备无联锁关系下一对一控制各设备，此方式为 调试设备、程控系统和应急时使用，不作为j 下常工作方式。“自动方式”是按编制好 的程序，根据工艺要求按逆煤流方向顺序延时启动各设备，按顺煤流方向顺序延 时停止各设备。各设备之间根据工艺要求互相联锁【1 0 】。当某台设备出现故障时， 立即停止该设备，同时按联锁要求停止上游所有设备。“自动方式”下的配煤系统所 用传感器数量比较多，主要为高低煤位信号。为保证个别传感器失灵时仍能在“自 动方式”下配煤，不至于对每台设备都要手动控制，系统在操作台上特设了一些钮 子开关，每个犁煤器对应一个钮子开关。在“手动方式”下，钮子开关控制每台犁煤 器的抬落；在“自动方式”下，用于强制对应犁煤器的抬落，而其他犁煤器仍然为自 动配煤。自动配煤主要顺序如下： ( 1 ) 强制低煤位配煤：如果有钮子开关置为“强制落”，则立即强制向该犁煤器 配煤。 ( 2 ) 低煤位配煤：没有“强制落”时，根据现场低煤位信号按煤仓顺序给低煤位 的仓配一定数量的煤，直至消除所有低煤位信号。如果某犁煤器被设为“强制抬起”， 则不管现场低煤位信号，强制将该犁煤器抬起。 ( 3 ) 高煤位配煤：消除所有低煤位之后，按顺序将所有煤仓配至高煤位。配至 尾仓时，发“配煤完毕”信号，声光报警通知运行人员。 ( 4 ) 余煤配煤：高煤位配煤完毕后，从煤源开始顺序延时停机，同时将余煤均 匀分配给各仓。 4 火电厂输煤控制系统模型的设计与实现 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 现场调研火电厂输煤控制系统，设计并开发输煤控制系统模型； ( 2 ) 学习罗克韦尔三层网络构架，针对火电厂输煤系统的任务，结合被控对 象设计p l c 控制网络； ( 3 ) 学习d e v i c e n e t 网络的搭建，将变频器p o w e r f l e x7 0 ，手动开关 r e d i s t a t i o n 和f l e xi o 挂接到d e v i c e n e t 网络下，并学习使用r s n e t w b r xf o rd e v i c e n e t 软件对d e v i c e n e t 网络上的设备进行配置和映射i o 对应关系； ( 4 ) 通过r s l i n x 通讯软件，建立上位机与p l c 控制器的通信通道； ( 5 ) 将f l e xi 0 挂接到火电厂输煤辅控模拟系统的c o m r o l n e t 上，使用 r s n e t w 6 f o rc o n t r 0 1 n e t 软件规划控制系统的控制网； ( 6 ) 学习p o w e r f l e x7 0 的使用，重点学习p o w e r f l e x7 0 的p l c 控制方法，控 制传送机的顺序启停及变速； ( 7 ) 学习p l c 编程软件r s l o g i x5 0 0 0 ，编写程序实现火电厂输煤辅控模拟系 统的p l c 控制策略； ( 8 ) 调试整个火电厂输煤辅控模拟系统，根据试验的结果分析p l c 控制策略 的实现情况并进行软硬件的整改； ( 9 ) 利用r s v i e ws e 软件对火电厂输煤辅控模拟系统进行上位机监控界面 的设计，实现了所有参数的显示和报警设置： ( 1 0 ) 利用p a l l e l b u i l d e r 软件设计p a i l e l v i e w 本地监控界面，并且通过d h + 网 络与p l c 进行通讯。 第2 章火电厂输煤辅控系统模型的设计方案 第2 章火电厂输煤辅控系统模型的设计方案 2 1 火电厂输煤辅控模拟系统整体设计方案描述 火电厂输煤控制系统一般包括：卸煤、储煤、上煤和配煤四个主要子系统。 实际的火电厂输煤车间为了顺利的实现以上四个子系统，还需要大量的设备及器 材，控制系统也非常复杂。由于实验室条件的限制，模拟所有的子系统难以办到， 所以只考虑模拟其主要环节一上煤和配煤控制系统。 火电厂输煤辅控模拟系统的主要控制对象是由三个皮带传送机构成的传送带 系统，即用传送带系统模拟火电厂输煤控制系统的上煤子系统和配煤系统。传送 带系统如图2 1 ： 图2 1 传送带系统实物图 f i g 2 1c o n v e y e rb e l ts y s t e mg r 印h 三个皮带传送机和模拟粉碎机连接成首尾相连的传送系统，并使得模拟煤块 可在系统中循环传递。图2 1 的右上侧为模拟煤仓，上口和下口附近各有一对光电 传感器，下口附近的传感器在煤仓中没有物料时输出高电平；而上口处的传感器 在煤仓的物料未达到上限时，输出高电平。根据两对传感器的输出即可确定煤仓 火电厂输煤控制系统模型的设计与实现 的物料是否达到上下极限。在煤仓的下口处设有挡板，由步进电机进行驱动，用 以控制下开口的大小，进而控制物料下漏的速度。该步进电机的工作情况通过p l c 数字量输出模块的脉冲及状态位进行控制。 上传感器表示煤仓上口附近的光电传感器，下传感器表示煤仓下口附近的传 感器；步进挡板表示煤仓下口由步进电机驱动的挡板；传送机1 表示图下侧的传送 带，传送机2 表示图上侧的传送带，传送机3 表示图右侧的传送带。 图2 2 可控漏斗实物图 f i g 2 2c o n t r 0 1 l a b l ef i l l e rg r 印h 传送机2 模拟输煤控制系统的配煤机，可控漏斗模拟煤仓，传送机3 模拟实际 输煤系统中负责将煤仓的煤送往锅炉的传送机。配煤机( 传送机2 ) 将煤送到煤仓 中，再由锅炉传送机( 传送机3 ) 将煤仓的煤送往锅炉中，这样就完成了配煤子系 统的模拟。 第2 章火电厂输煤辅控系统模型的设计方案 传送机1 模拟火电厂输煤系统的上煤机，回料漏斗模拟粉煤机。上煤机( 传 送机1 ) 将煤送往粉煤机中，煤块粉碎后直接落在配煤机( 传送机2 ) 上，这是对 上煤子系统的模拟。 三条传送带分别由三台交流电动机驱动。控制电动机的运行，可以通过控制 继电器从而控制电机的起停。但这样做的缺点是难以在线控制电动机的转速，而 且控制起来也不方便，接线繁琐并且稳定性差。因此采用a b 公司的p o w e r f l e x7 0 变频器进行驱动，直接调节变频器的输出频率，从而调解电动机的转速和正反转。 2 2 本系统所采用的罗克韦尔三层网络介绍 网络技术在工业上的应用成为工业控制的一种趋势。利用网络实现现场设备 的控制，现场连线明显减少。人们可以在办公室甚至家里实现远程控制，及时准 确地了解生产设备的运行情况，对生产过程进行综合的判断，从而实现生产过程 的最优控制。在这一领域，罗克韦尔自动化推出了世界领先的符合微软公司提出 的工业网络平台方案- n e t “n x 平台。n e t l i n x 主要由以太网、控制网、设备网 构成，各层网的功能非常清晰，n e t l i l l ) ( 三层网络机构如图2 3 所示【1 l 】。 火电厂输煤控制系统模型的设计与实现 i i 糕l i 州 4 圜蹬 翠阜甲甲 图2 3 罗克韦尔实验室三层网络结构图 f i g 2 3r o c k w e l lt h r e e t i e rn e m o r kf r a m e w o r kg r a p h 以太网( e t h e r n e t ) 上可设有系统主控设备。系统管理员可在这层网络上对系统 进行监控，对控制器中的程序进行修改。连接数据高速公路、d h 4 8 5 和厂区通信 网络，执行t c p d 协议。它利用罗克韦尔和微软公司的成熟技术和数据库实现系 统信息的集成。在信息层已经组成可以通过以太网t c p 口协议连通可编程序控制 器、网关、人机接口和软件至信息系统，使计算机实现系统存取生产现场的数据， 达到实时监控的目标，并提供对可编程控制器的支持。 控制网( c o m r 0 1 n e t ) 能够完成智能化的高速实时控制，并共享数据和信息，用 于p l c 与计算机之间的通信网络【眩】。它可连接拖动装置、串并行设备、p c 、人 机界面等，还可以沟通逻辑控制和过程控制系统，传输速率为5 m b p s 。控制网网 络是一种高速确定性网络，用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输【13 1 。它 为对等通信提供实时控制和报文传送服务。它作为控制器和i o 设备之问的一条 9 第2 章火电厂输煤辅控系统模型的设计方案 高速通信链路，综合了现有各种网络的能力。控制网是一种最现代化的开放网络， 它提供如下功能：对在同一链路上的i o 、实时互锁、对等通信报文传送和编程 操作，均具有相同的带宽；对于离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和 可重复性功能。 设备网( d e v i c e n e t ) 是一种低成本的通信链接。它是一个开放的网络标准，规 范和协议都是开放的【1 4 】。供应商将设备连接到系统时，无需为硬件、软件或授权 付费。设备网将工业设备( 如：限位开关、光电传感器、电动机起动器、变频驱 动器、条形码读取器、面板显示器和操作员接口) 连接到网络上，通过这一开放 的网络，将底层的设备直接和车间级控制器相连，而无需通过硬接线将其与i o 模块连接，从而消除了昂贵的硬接线。传输速率为1 2 5 5 0 0 k b p s 。这种6 4 节点、 多支线的网络，允许用户用一根电缆去连接5 0 0 m 以内的设备并远至用户的可编 程控制器，无需用导线把每个设备和一个i o 机架连接起来，总之这一切可以减 少接线的费用并方便安装【1 5 】。 由于以太网、控制网、设备网具有兼容的网络协议，三层网路之间无需特别 的转化设备就能实现无缝的通畅的连接。 2 3 基于罗克韦尔三层网络的p l c 控制网络设计方案 火电厂输煤辅助控制模拟系统p l c 控制网络采用罗克韦尔的三层网络构架。 通过c o n t r o l l o 百x 系统及c o 唧a c t l o g i x 系统上面的e t h e r n e t i p 模块，c o n t r o l n e t 模块，d e v i c e n e t 模块设计并实现了火电厂输煤辅控模拟系统的p l c 控制网络【1 6 】。 d e v i c e n e t 用于控制、配置和采集数据的网络化简单设备。在火电厂输煤辅 控系统中，采用d e v i c e n e t 网络将三台变频器，f l e xi 0 ，手动按钮r e d i s t a t i o n 组织起来。考虑到一个d e v i c e n e t 网络最多可以挂接6 3 个设备，为了以后扩展的 方便，本次课题中使用了两个d e v i c e n e t 模块，构建两个d e v i c e n e t 网络，并在 随后的实验中成功的实现了两个d e v i c e n e t 网络之间的相互通讯，这一突破性的 创新受到了罗克韦尔自动化公司研发部门的高度重视。 c o n t r o l n e t 具有很高的实时性，如果整个火电厂输煤控制系统都运行在 c o n 昀l n e t 上，将会取得很好的实时效果，由于考虑到网络的多样性以及目前实 l o 火电厂输煤控制系统模型的设计与实现 验室大多数设备都只有d e v i c e n e t 网络接口，因此只将用于采集要求实时性较高 的传感器信息的f l e xi o 挂接在c o n 仃0 1 n e t 网络上。因而在c o n t r o l n e t 网络上挂 接两套f l e xi o ，一方面可以采集实时要求较高的传感器信息，另一方面方便以 后的扩展。 鉴于e t h e r n e t 具有高速的数据传输速率，采用e t h e r n e t i p 模块建立上位机与 控制器的连接，系统管理员可在这层网络上对系统进行监控，对控制器中的 程序进行在线修改。 2 4 用于传送带调速驱动系统的变频器 p o w e r f l e x 7 0 ( 见图2 4 ) 采用新一代体积更小、导通损耗更低的功率元器件， 大大减小了变频器的尺寸。覆盖功率范围o 3 7 k w 二1 5 k w ，紧凑封装功率和控制 部件及操作界面，满足0 e m 和最终用户对空间、简便性可靠性的要求。可以 选择作v f 控制或无传感器矢量控制，功能丰富，满足大多数应用的需求。标准 内置制动单元，满足一般应用制动要求，更高的制动功率只须另加电阻。多种内 置通讯卡的选择使得该变频器可以满足大多数网络通讯要求，标准内置数字i o 和模拟i o 满足多数应用控制的要求。在a b 传统传动产品的基础上开发出更高 通讯和处理速度的通讯接口，使得包括p o w e r f l e x7 0 在内的p o w e r f l e x 变频器家 族能够分享同样的通讯和控制接口及附件，同时也与早期的产品兼容。p o w e r f l e x 7 0 有五种控制方式：面板控制、模拟输入控制、预置频率控制、s c a n p o r t 控制、 网络适配器控制f 1 8 】。与a b 公司的其他同类型变频器相比，其特点有： ( 1 ) 灵活的变频器调试 多种语言的液晶显示屏( l c d ) 操作面板( h i m s ) 提供了s m a r t 起动， 简便快捷地让用户设置最常用的参数，使得用户不用深入地了解参数结构就可对 变频器进行简单的设置；l c d 操作面板上提供另一种完整引导式起动程序以完成 复杂的设定；优化的用于满足全世界标准的全球性电压设定值，使其可以在世界 上任何地方快速设定；基于p c 的工具如d r i v e e x p l o r e r t m 用于编程、监控和故障 诊断。 第2 章火电厂输煤辅控系统模型的设计方案 ( 2 ) 灵活的应用方案 p o w e r f l e x7 0 可设定作电压频率控制( v f ) 或无速度传感器矢量控制，适 用于广泛的应用；标准的晶体管和可选的装配为变频器( 或分开装配) 的制动电 阻器提供性价比更高的动态制动选择；无须增加其他硬件，比例积分( p i ) 功能 可提供简单的过程控制；滑差补偿速度调节可以满足很多的应用的灵活性要求； p o w e r f l e x7 0 的i 0 端子可以选择1 1 5 v a c 或2 4 vd c 以满足多数应用的需要。 ( 3 ) 卓越的网络通信 a b 的p o w e r f l e x 变频器家族使用罗克韦尔自动化的n e t “n x 开放网络体系。 它为d e v i c e n e t 、c o n t r 0 1 n e t 和e t h e r n e t i p 网络提供一系列通用的特性和服务， 并降低成本。当用户进行控制、组态和采集数据的时候，可以很容易地管理从车 间底层到顶层的信息，并无缝地将它们集成为一个完整的系统；p o w e r f l e x 变频 器提供一个专用的内部通信选择，以帮助用户高性价比组合高度集成的应用，这 些应用，基于如下网络：d e v i c 6 n e t 、c o n t r o l n e t 、通用d f l 和其他开放通信网络 包括p r o 舶u s 和1 1 1 t e r b u s s ，通过罗克韦尔自动化的n e t “n x 开放体系将变频器与 制造过程链接起来；所有内部通信选择的状态指示器在面板都是可见的，易于设 置和监控变频器通信。 图2 4p o w e r f l e x7 0 实物图 f i g 2 4p o w e r f l e x7 0g r 印h 1 2 火电厂输煤控制系统模型的设计与实现 整体来讲，p o w e r f l e x7 0 具有很好的网络功能和灵活的控制方式，并且属于 a b 公司新变频器家族的杰出代表，因而采用p o w e r f l e x7 0 作为传送带电动机的 驱动。驱动系统的异步电动机额定功率为6 0 0 瓦，而传送带上的用于模拟煤炭的 物料重量较轻，异步电动机的转差率很小，基本等于其同步转速，所以不需要为 了更好的负载特性采用速度反馈构成闭环控制的方式，认为转速等于其同步转速。 p o w e r f l e x7 0 本身带有d e v i c e n e t 网络接口，可以方便的挂接在d e v i c e n e t 网络上， 实现在线控制停起，通过改变输出频率，从而改变电动机的转速【1 9 】。p o w e 币l e x 7 0 在接受程序控制的同时也可以接受手动控制，因而方便的实现了对传送带的手动 控制【2 0 】。 第3 章三层网络的的设计与应用 第3 章三层网络的设计与应用 3 1e t h e r n e t 以太网的实现 火电厂输煤控制系统p l c 控制网络e t h e r n e t 实现上位机对p l c 控制器的访 问，为上位机和p l c 控制器的通讯提供通道【2 i 】。建立e m e r n e t 通信通道采用的 软件是r s l i 似。a b 可编程序控制器的r s l i l l ) 【( 以下称r s l i n x ) 是在m i c r o s o r w i n n t 、w i n 9 8 以及w i n 2 0 0 0 操作系统下建立工厂所有通信方案的工具 2 2 】。它为 a b 的可编程控制器与各种r o c k w e l l s o 肌a r e 及a b 应用软件，如r s l o g i x 5 0 0 5 0 0 0 、r s v i e w 3 2 、r s b a t c h 、p l c 一5 系列、l a d d e rl o 西s t i c s 以及p a n e l b u i l d e r 等 软件之间建立起通信联系，如图3 1 ，r s l i n x 支持处理器与m m i ( m a j l m a c h i n e m t e r f a c e ) 和组态软件进行通信，也可与d d e 兼容软件，如m i c r o s o re x c e l 、a c c e s s 及其它用户定制的d d e 应用软件通信。它的c 应用程序编程接口( a p i ) 支持用 户充分利用w i n d o w s 操作系统的多处理性能【2 3 j 。 图3 1r s l i n x 结构图 f 培3 1r s l i 似胁m e w o r kg r 印h 火电厂输煤控制系统模型的设计与实现 操作过程如下： ( 1 ) 如图3 2 所示为改变上位机的口设置： 图3 2 口设置图 f i g 3 2i pc o n f l g u r a t i o ng r a p h ( 2 ) 打开r s “n x 软件，指定相关驱动： 如“l “l eb r i v e rt y p r s 一2 3 2d f id e v lc e 5 e t h e r n e td e v lc e 5 l t 8 4 一k r 盯x 血) ，p k r x 血】p c 胝f o rd h + d m - 4 8 sd e v ic e s 1 t 8 4 i c r c0 【) f o rc o n t r o l n e td e v lc e s d f lp o u i n zm a s t e rd r i v e r l t 8 4 一p c cf o rc o n t r o l n e td e v ic e s 1 7 8 4 。p c 工c6 ) f o rc o n t r o l n e td e v ic e = 1 7 盯一p i c a 工c + d r l v e r d f ls l w ed r i y e r s ss d s d 2f o rd h + d e v lc e s v i r t u a lb a c k p l “eg o f t l og i x 5 8 x x ) d e v ic e n e td r i y e r s ( 1 7 8 4 叶c d p c i d s 1 7 t 0 一研d s n p td r i v e p 工c 一5 删f + ) z m u l t t o rd r i r s l c5 0 0 伽t 4 8 5 ) e m n a t o rd r i v e r s o f t l o g l x 5d r i v e r r e m o t ed e v lc e s “al i l g a t e w a v s t a t u s 剧篾 图3 3 选择通道类型 f 培3 3s e l e c tc h a n n e l t y p e 1 5 型 一一割。到一一圈 ( 3 ) 点击a d d n e w 控件后弹出一系列对话框，默认对话框中的设置，点击确 定，建立了e t h e r n e t 通道。点击r s w h 0 控件，即可以查看网上挂接的在 线设备，如图3 4 ： 弓，宴璺w o r k s ta c l o n ，粕t u d 8 3 珥7 7 e 5 b e 阁吉i 百 l i n x6 a t e w a y s je t h e r n e t 自古苦a b e t h i p l ，e t h e r n e t e 3 酉1 9 2 。1 6 8 。o 1 ，1 7 5 6 - e n b t a ，1 7 5 6 - e n b t a 囝囊一b a c k p i a n e j17 5 6 a10 a 圉嚣o o ，17 5 6 - l 5 5 f al 0 6 i 5 5 5 5 ，p o w e r p l a n t a j ，| | | |0 2 1 7 5 6 o b l 6 d ，a 1 7 5 6 0 8 1 6 d 7 ad c o u td i a 6 圜，舟0 3 ，1 7 5 6 - d n b ，1 7 5 6 - d n b f ad e v i c e n e t5 c a n r i e r 日 墓 耍 富 吉旨a jc o 呲r o i n e t 0 6 ，17 5 6 一e n b t a 0 7 ，17 5 6 - o f 8 a ，17 5 6 - o f 8 a 0 8 。1 7 5 6 一d n b 1 7 5 6 一d n b ad e v i c e n e t5 c a n n e r 舌台ajd e v i c e n e t 0 9 17 5 6 l 6 2l 0 6 i 5 5 6 2 ，17 5 6 一l 6 2 al 0 6 i 5 5 6 2 蚓3 4 r s l i n x 扫描图 f i g 3 4r s l i n xs c a 肌i n g