基于PLC的刮板给煤机控制系统设计.doc

摘 要可编程序控制器简称PLC，由于PLC的可靠性高、环境适应性强、灵活通用、使用方便、维护简单等优点，PLC的应用领域在迅速扩大。目前已经成为当代工业自动化的主要控制设备之一。对于早起的PLC，凡是有继电器的地方，都可采用。而对于当今的PLC几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC。尤其是在近几年来，PLC的生产成本下降，功能又不断增强，所以，目前PLC在国内外已被广泛应用于各个行业。 随着现代化电力工业的不断发展，自动化水平不断提高，安全生产和经济节能受到了人们的广泛关注，刮板给煤机因为系统简单，维护工作量小，工作稳定、寿命长和煤种适应性强等特点受到了众多火电厂的青睐，但由于刮板给煤机的内部构造原因，给煤量在实际测量中测量困难，致使电厂制粉系统增加不安全因素，原料浪费。本设计根据刮板给煤机的结构特点，以旋转编码器作为传感器，以PLC作为计量装置，以触摸屏为监控界面，研制了一套适合刮板给煤机煤量监测装置。该装置操作方便，运行稳定，使给煤机安全度增加，经济度增加。本文介绍了可编程控制器构成及原理，刮板给煤机的组成和应用，阐述了刮板给煤机给煤量控制系统，并完成了该控制系统的梯形图和组态图的设计。关键词 PLC，监测系统，刮板给煤机，角位移传感器AbstractProgrammable logic controller is referred to as PLC, PLC reliability, environmental adaptability, versatile, easy to use, easy maintenance advantages of PLC applications is rapidly expanding. Has become one of the contemporary industrial automation control equipment. Early PLC, any place of the relay, can be used. Can almost be said to those who need to control the system for todays PLC will need to PLC. Especially in recent years, the PLC production costs fell, function and continuously enhance the current PLC at home and abroad has been widely used in various industries.With the continuous development of modern electric power industry, the automation level of continuous improvement, production safety, and economic energy efficiency has been widespread concern scraper coal feeder system is simple, less maintenance, and job stability, long life and coal adaptability, and other characteristics by the number of thermal power plants of all ages, but increase insecurity scraper coal feeder the internal structure of reason, to the amount of coal in the actual measurement, measurement difficulties, resulting in power plant pulverizing system, raw material waste. The design according to the scraper to the structural characteristics of the coal feeder, a rotary encoder as a sensor, PLC as a metering device, touch screen control interface, developed a suitable monitoring device scraper to the amount of stoker coal. The device is easy to operate, stable operation, so that increase the safety of the coal feeder, economic increases.This article describes the composition of the programmable controller and principles, composition and scraper coal feeder, described to the amount of coal scraper coal feeder control system, and completed the design of the ladder and configuration of the control system diagram.Keywords PLC, The monitoring system, Scraper stoker, Angular displacement sensor目录摘 要IAbstractII1 引言11.1 研究目的11.2 研究背景11.3 研究方法22 可编程控制器PLC概述32.1 可编程逻辑控制器简介32.2 可编程逻辑控制器分类42.3 可编程逻辑控制器构成42.4 模拟量输入扩展模块EM23152.5 可编程逻辑控制器软件系统及常用编程语言63 刮板给煤机简介73.1 给煤机概述73.2 刮板给煤机83.3 刮板给煤机结构特点84 刮板给煤机控制系统设计104.1 可编程逻辑控制器机型选择104.2 旋转编码器114.3 刮板给煤机控制系统设计思路124.4 给煤机煤层厚度的测量134.5 给煤机煤层运行速度的测量145 刮板给煤机控制系统梯形图设计165.1 刮板给煤机控制系统流程图165.2 刮板给煤机控制系统I/O表165.3 刮板给煤机控制系统梯形图166 刮板给煤机控制系统组态图设计176.1 嵌入版组态软件MCGS176.2 刮板给煤机控制系统组态图画面21结论24致谢25参考文献26附图271 引言1.1 研究目的随着我国近几年经济的发展，现代化电力工业水平也在不断提升，自动化水平不断提高，在确保安全生产和质量的情况下经济环保节能等问题越来越受到人们的关注。我国的燃煤需求量很高，且煤炭价格在近几年不断上涨，在有些火电厂输煤过程中，由于节能设备的不完备，造成了对生产原料的浪费，这直接影响了电厂的经济效益。随着现代化电力工业的不断进步和发展，自动化水平不断提高，安全生产和经济节能越来越受到人们的广泛关注，刮板给煤机因为其系统简单，维护工作量小，工作稳定、寿命长和煤种适应性强等特点受到了众多火电厂的青睐，但由于刮板给煤机内部结构的构造等原因，给煤量在实际测量中测量困难，致使电厂制粉系统增加不安全和不稳定因素，原料浪费。本文对装有刮板式给煤机的系统进行设计，刮板给煤机不同于其它给煤机，由于它仅由一条长链和若干个挡板组成，不能靠电子秤的方法来测量煤量大小，在本次设计中利用高度传感器和弦切角的数学理论来对煤量进行测算，并多采用监视系统与PLC程序相结合的方法，对给煤量进行限制。本设计根据刮板给煤机的结构特点，以旋转编码器作为传感器，以PLC作为计量装置，以触摸屏为监控界面，研制了一套适合刮板给煤机煤量监测装置。该装置操作方便，运行稳定，可以使给煤机安全度增加，经济度增加。1.2 研究背景随着火电厂中机组容量的不断增大，系统变得越来越庞大和复杂，对自动控制水平的要求也越来越高。在火电厂的很多系统中，由于控制对象数量较多，且又需要经常启动和停止，并要求在各种运行方式之间进行切换，还必须有一定的连锁保护。因此，为了减少运行人员操作和监视项目，防止误操作事故，保证机组的安全运行，采用PLC进行控制已是势在必行。火电厂输煤系统的主要任务是卸煤、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，使其按一定的顺序运行，以便完成上述任务。输煤系统的控制方式从就地手动控制发展到集中控制，再到PLC控制。目前，我国火电厂输煤系统大多数采用集中控制方式。近年来，随着引进机组的增加和大型机组的投产，有越来越多的火电厂输煤系统采用了PLC控制，这已经成为输煤控制系统的发展趋势。PLC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、程序设计简单、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。可以预言，随着PLC控制技术的不断进步，PLC在火电厂的应用将越来越多，在给煤机系统上的应用也会日趋完善。目前，采用刮板给煤机作为制粉系统磨煤机的给煤设备是非常普遍的。刮板给煤机适用于对煤的长距离输送，由于在给煤机运行使用的过程中，煤的粒径及外表水的影响，或有时煤中混杂的大石头、大木块等异物堵塞等原因，会出现给煤机煤层变厚、变薄、堵煤等状况，这会降低锅炉系统运行的安全性。因此刮板给煤机需要有准确的在线监测装置。现在电厂中输煤系统和给煤系统中煤量计量应用相对较为成熟的计量设备主要有电子皮带秤和核子秤。目前的电子皮带秤采用了非接触式测量方式，具有防震、防尘、防位移，秤架结构简单，无传力机构和抗偏载能力等优点，而且具备了通过RS-232总线同计算机通讯的功能，但是电子皮带秤的安装和计量要求条件却不适合刮板给煤机的具体结构，因而电子皮带秤无法在刮板给煤机上得到实际应用。核子秤测量给煤量采用的是容积法，这种方法适合刮板给煤机的具体结构，可以在刮板给煤机上得到具体应用；但是由于给煤机给煤的煤层表面不是一个平面，煤层表面峰谷差较大，因而核子秤容积法所测煤层高度不具备代表性，而且由于核辐射的问题，人们对核子秤的应用存在恐惧心理。鉴于上述问题，核子秤至今也没有在刮板给煤机上得到实际应用。许多曾经在刮板给煤机上安装核子秤的电厂，都因上述问题而拆除了该装置，因此目前没有真正合适的检测刮板给煤机的给煤量装置，所以研制开发适合刮板给煤机结构的给煤量在线监测系统的构想。通过理论分析，本文采用监视系统与PLC程序相结合的方法来测量给煤量，这可以有效对给煤机系统进行监督控制。1.3 研究方法刮板给煤机控制系统主要由PLC、紫金桥组态软件、变频器、测位机构、测速反馈机构、位角换算机构以及各执行机构等组成，PLC和紫金桥组态软件设计主要工作有针对多需工艺要求的PLC进行程序的设计，通过PLC程序的梯形图，运用数字逻辑，来对系统进行操控，最后通过紫金桥组态软件来进行画面设计布局，与实际的系统相联系。在本次的挡板给煤机系统设计中，我们采用的控制点采用的是接地和远程控制方式，这样可以保证机组在正常和出故障情况下可以安全运行。给煤机电控系统PLC中央处理器对测位传感器和位角换算机构送来的重量信号以及测速装置反馈的电动机转速信号进行相乘与积分，求出物料输送率，同时与集控系统输入的实时给煤率进行比较后对驱动电动机转速控制系统进行PID调节，以达到控制皮带输送煤料速度的目的，实现对给煤率的精确控制。2 可编程控制器PLC概述2.1 可编程逻辑控制器简介PLC全称PROGRAM LOGIC CONTROL，中文名称“可编程逻辑控制器”，是基于计算机技术发展起来的一种工业控制设备，专为在工业环境下应用而设计。它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，通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC与以往所讲的机械式的顺序控制器在“可编程”方面有质的区别。由于PLC引入了微处理机及半导体存储器等新一代电子器件，并用规定的指令进行编程，所以能灵活地修改程序，即它是用软件方式来实现“可编程”的目的。在目前世界上已经有200多生产厂家生产300多种PLC产品，比较著名的厂家有美国的AB、GE、MODICON，日本的MITSUBISHI、OMRON、FUJI、松下电工，德国的SIEMENS和法国的SCHNEIDER公司等。图2.1 可编程逻辑控制器外观图现代工业生产过程复杂多样，它们对控制的要求也各不相同。PLC专为工业控制应用设计，可编程逻辑控制器有很多特点，受到广大工程技术人员欢迎。其主要特点如下：1）抗干扰能力强，可靠性高；2）控制系统结构简单，通用性强；3）编程方便，易于使用；4）功能强大，成本低；5）设计、施工、调试的周期短；6）维护方便。2.2 可编程逻辑控制器分类2.2.1 按I/O点数容量分类小型机：一般以处理开关量逻辑控制为主，价格低廉、体积小巧，适用于控制单击设备和开发机电一体化产品。中型机：不仅具有极强的开关量逻辑控制功能，其他的通信联网功能和模拟量处理能力更强大，适用于复杂的逻辑控制系统和连续生产线的过程控制场合。大型机：不仅具有计算、控制和调节功能，还具有强大的网络结构和通信联网能力，适用于设备自动化控制、过程自动化控制和过程监控系统。2.2.2 按结构形式分类整体式：PLC体积小，成本低，安装方便，通常为微型和小型PLC。模块式：由一些模块单元构成，这些标准模块有CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块等，像堆积木一样，使用时将这些模块插在框架上或基板上，通常中大型PLC为模块式结构。2.3 可编程逻辑控制器构成可编程逻辑控制器结构图如下图所示：编程器输出电路输入电路中央处理单元（CPU）用户程序存储区系统程序存储区图2.2 可编程逻辑控制器结构图整体式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。1）CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。2）I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。3）PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。4）大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。5）编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。6）最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。7）依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口(MPI)的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。 2.4 模拟量输入扩展模块EM231本次设计的模拟量输入模块选择的是EM231。此模拟量扩展模块提供了模拟量输入/输出的功能，具有很高的实用性和便捷性。可适用于复杂的控制场合。可以直接与传感器和执行器相连，12位的分辨率和多种输入/输出范围能够不用外加放大器而与传感器直接相连。同时具有很好的灵活性，当实际应用变化时，PLC可以相应地进行扩展，并可非常容易的调整用户程序。扩展模块具有与基本单元相同的设计特点，S7-200 CN PLC的扩展模块种类很多，固定方式与CPU相同。如果需要扩展模块较多时，模块连接起来会过长，这时可以使用扩展转接电缆重叠排布。在标准导轨上安装模块卡装在紧挨CPU右侧的导轨上，通过总线连接电缆与CPU互相连接。图2.3模拟量模块EM231端子图2.5 可编程逻辑控制器软件系统及常用编程语言2.5.1软件系统PLC软件系统由系统程序和用户程序两部分组成。包括监控程序、编译程序、诊断程序等，主要用于管理全机、将程序语言翻译成机器语言，诊断机器故障。用户程序是用户根据现场控制要求，用PLC的程序语言编制的应用程序（也就是逻辑控制）用来实现各种控制。STEP7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，也就是用户程序，我们就是使用STEP7来进行硬件组态和逻辑程序编制，以及逻辑程序执行结果的在线监视。2.5.2 常用编程语言标准语言梯形图语言是最常用的一种语言，它有以下特点：1）它是一种图形语言，沿用传统控制图中的继电器触点、线圈、串联等术语和一些图形符号构成，左右的竖线称为左右母线。 2）梯形图中接点（触点）只有常开和常闭，接点可以是PLC输入点接的开关也可以是PLC内部继电器的接点或内部寄存器、计数器等的状态。 3）梯形图中的接点可以任意串、并联，但线圈只能并联不能串联。 4）内部继电器、计数器、寄存器等均不能直接控制外部负载，只能做中间结果供CPU内部使用。 5）PLC是按循环扫描事件，沿梯形图先后顺序执行，在同一扫描周期中的结果留在输出状态暂存器中所以输出点的值在用户程序中可以当做条件使用。3 刮板给煤机简介3.1 给煤机概述给煤机由机体、输煤皮带及其电动机驱动装置、清扫装置、控制箱、称重装置、皮带赌煤及断煤报警装置、取样装置和工作灯等组成，是火电厂中制粉系统的主要设备,能在很大的负荷变动范围内改善锅炉性能,使过热温度、再热温度和压力温度的控制更为稳定,使燃料与所需空气量更为匹配,所需的空气过剩量减少,连续给煤,称量准确,工作稳定,节能高效,是燃煤锅炉制粉系统中与磨煤机相配的先进的计量给煤设备。给煤机主要技术参数包括：额定出力、给煤机距离、进煤口、落煤口、带宽、主驱电动机型号/功率、清扫电动机型号/功率、给煤机计量精度、给煤机控制精度。图3.1 铁岭电厂给煤机给煤机分为很多种，常见的有圆盘式给煤机、皮带式给煤机、刮板式给煤机、振动式给煤机、电子重力式皮带给煤机等。给煤机运行中需要实时监视瞬时煤量和累计煤量。监测给煤量的目的有三个，其一是用瞬时煤量与锅炉负荷要求煤量对比去控制给煤机电机速度，从而精确调节给煤机的给煤量，实现锅炉稳定运行；其二可以通过DCS以正平衡方式计算锅炉的燃烧效率，提高机组运行经济性；其三是为锅炉耗煤量的分炉统计。本设计主要研究刮板给煤机控制系统，设计出一套适合刮板给煤机煤位的动态测量装置。3.2 刮板给煤机刮板给煤机是利用可改变运动速度的刮板的运动，定量供煤的设备。是在刮板输送机的密闭壳体内，通过刮板链条的传动，物料受挤压产生的内摩擦力大于物料与刮板间的外摩擦力时，物料即反链条一起运动，来连续输送散状物料的输送设备。它是火力发电厂锅炉制粉系统中的主要设备之一。刮板给煤机输送物料时,物料受到刮链条在运动方向的推力使物料间产生了内摩擦力保证了料层之间的稳定状态,当它大于物料与槽壁之间的外摩擦力时物料就形成连续整体的料流,随着刮板链条向前输送。刮板给煤机广泛应用于电厂磨煤机前的给煤、煤粉配仓及除灰渣系统输送飞灰和底渣，是火力发电厂燃煤锅炉制粉系统中的重要辅机之一。其主要作用是将燃煤连续、均匀地送入磨煤机中。图3.2 刮板给煤机外观埋刮板给煤机工作原理：由给煤机主体和驱动装置组成。其中给煤机主体包括：头部箱体、进煤口箱体、标准节、调整节、出煤口箱体、闸门、刮板链条组和落煤接管。驱动装置包括：减速器、电动机、电磁或变频调速装置。给煤时，驱动装置通过链条带动刮板运动，原煤在刮板推力和自身内摩擦力作用下，形成一股高于刮板自身高度的连续物料流，不断地从入料口输送到出料口，实现物料的输送。其给煤量与电机转速基本成线性关系，可通过电磁或变频调速装置调整电机转速，实现出力结构特点本机采用全封闭箱式结构，箱体与箱体之间采用全焊接形式，适于正负压力状态下运行，并设有断链报警装置。3.3 刮板给煤机结构特点刮板给煤机结构简单、重量轻、体积小、密封性强、装置维修比较方便;给煤量调节范围大，适应煤种广，不易堵煤；密封性能好，可在正压下工作在厂房内布置方便,长度可根据需要改变。刮板给煤机不但能水平输送，也能倾斜或垂直提升输送，也能单机输送，而且能组合布置，串联输送；能多点加料，刮板给煤机也能多点卸料，给煤机工艺布置较为灵活，由于刮板给煤机壳体是封闭的,输送易飞扬的有毒的易爆的高温的物料时，刮板给煤机对改善工人的操作条件和防止环境污染等方面都有较突出优点。图3.3 刮板给煤机结构图不过,刮板式给煤机也有其自身的缺点，在给煤机运行使用过程中，由于煤的粒径及外表水的影响，或有时煤中混杂的大石头、大木块等异物堵塞等原因， 经常出现给煤机煤层变厚、变薄、断煤、堵煤，严重时甚至导致给煤机刮板被弄弯曲、撕裂，板链被拉断，严重影响设备正常运行，降低了锅炉系统运行的安全性。另外，在运行过程中，给煤机给煤量依靠变频器调节电机转速来控制，但由于没有给煤量测量装置，无法知道煤量的准确数值，只能靠运行操作人员经验调节电机转速来调节给煤量，无法准确调节给煤量，使送入锅炉的燃煤与负荷所需相匹配，降低了锅炉系统运行的经济性。4 刮板给煤机控制系统设计针对刮板给煤机监控要求，我们采用软测量方法，以旋转编码器作为传感器，以PLC作为计量装置，以触摸屏为监控界面，研制了一套适合刮板给煤机煤量监测装置，该系统可以有效测量刮板给煤机给煤量，保证给煤机的安全运行。4.1 可编程逻辑控制器机型选择在本设计中我们将采用S7-200 PLC，S7-200 PLC是德国西门子公司生产的一种小型PLC，其许多功能达到大、中型PLC的水平，而价格却和小型PLC一样，它适用于各种行业、各种场合中的检测、监测及控制自动化。编程工具通信模块功能模块扩展模块CPU主机模块触摸屏 工业现场总线图4.1 S7-200 PLC 系统组成图主机单元：又称基本单元或CPU主机模块。它由CPU、存储器、基本输入输出点和电源组成，是S7-200 PLC的主要组成部分，实际上它就是一个完整的控制系统，可以单独完成一定的控制任务。扩展单元：扩展单元也称扩展模块。当主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可以根据需要扩展各种I/O模块。根据I/O点数的数量不同、性质不同、供电电压不同，I/O扩展模块有多种类型。每个CPU所能连接的扩展单元的数量和实际所能应用的I/O点数由多种因素共同决定。功能模块：当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块。相关设备：相关设备是为充分和方便利用系统的硬件和软件资源而开发、使用的一些设备，主要有编程设备、触摸屏和网络设备等。软件：软件是为管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序。对S7-200 PLC来说，与其配套的软件主要有编程软件STEP7-Micro/WIN和HMI人机界面的组态编程软件ProTool、WinCC foexible。4.2 旋转编码器4.2.1 旋转编码器简介在下文的给煤机厚度测量中，我们将用到旋转传感器，旋转编码器是集光机电技术于一体的速度位移传感器。当旋转编码器轴带动光栅盘旋转时，经发光元件发出的光被光栅盘狭缝切割成断续光线，并被接收产生初始信号。该信号经后继电器处理后，输出脉冲或代码信号。旋转编码器主要有两种，一种是增量型，另一种是绝对型。 增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。 旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。旋转编码器在实际应用中有许多优点。信息化：除了定位，控制室还可知道其具体位置；柔性化：定位可以在控制室柔性调整；安装方便和安全、编码器使用寿命长。一个旋转编码器，可以测量从几个微米到几十米几百米的距离。多个工位，只要选用一个旋转编码器，就可以避免使用多个接近开关、光电开关，解决现场机械安装麻烦，容易被撞坏和遭高温、水气的困扰等一系列问题。由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长；多功能化：除了定位，还可以远传当前位置，换算运动速度，对于变频器，步进电机等的应用尤为重要；经济化：对于多个控制工位，只需一个旋转编码器，安装、维护、损耗成本降低，使用寿命增长。4.2.2 旋转型编码器工作原理由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。 由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。4.3 刮板给煤机控制系统设计思路4.3.1 刮板给煤机控制系统设计概要在国内的电厂应用中，目前大约有百分之三十的给煤机采取的是刮板式给煤机，由于给煤机是火力发电厂燃烧系统的重要的辅助设备，所以对给煤机运行中瞬时煤量和累计煤量的测量尤为重要，准备的检测给煤量，可以通过瞬时煤量与锅炉负荷要求煤量相对比，控制给煤机电机速度的方法，来精确的调节给煤机的给煤量，从而实现锅炉的稳定运行。目前电厂给煤系统中煤量计量主要应用电子皮带秤，但是其安装和计量要求条件不适合刮板给煤机的具体结构，在刮板给煤机上无法得到实际应用。目前刮板给煤机没有煤量测量装置，只能靠运行人员根据经验调节电机转速来控制给煤量。由于煤的粒径不同造成给煤机煤层变厚、变薄，瞬时煤量不均匀，致使锅炉燃烧系统运行不稳定，因此，需要采用一种新的测量方法来检测煤量。针对第三章中刮板给煤机的优缺点，为了提高锅炉运行安全性，节约原料，经过铁岭电厂的实习考察研究分析，本文在原给煤机设备上采用角位移传感器作为主要测量元件，并采用变准信号传输，将以此测量元件信号上传至就地PLC，PLC内部计算出瞬时值和累计值后传送给DCS系统。硬件结构图如下图所示： DCS控制系统 信号上传 控制指令就地PLC控制柜 给煤机设备本体 角位移 电机转 电机转 传感器 速反馈 速控制 图4.2 刮板给煤机给煤量监测系统硬件结构图4.3.2 刮板给煤机控制系统给煤量测量原理由于刮板给煤机的组成结构特点，在现场应用中无法通过称重的方法直接测出给煤量，皮带秤无法在刮板给煤机中无法得到广泛应用，因此，我们采取数学的方法，利用角度和速度测量，通过公式计算，来对瞬时给煤量进行测量，同时根据积分，进而求出累计给煤量。给煤量的流量计算公式如式（4.1）所示G=hvb （4.1）式中 G 单位时间内通过的给煤量，kg/s； h 煤层厚度的测量，m； b 给煤机中煤层的宽度，m； 给煤机中煤层的密度，kg/ m。通过测出煤层厚度、煤层运行速度、煤层的宽度和煤层的密度来算出给煤量，由于煤层的宽度,煤层的密度为已知量，事先已存储在plc内部程序中，当须有的时候从plc程序中选择调用，所以只需测的煤层厚度和运动速度即可算出单位时间内的瞬时给煤量，进而求出累计给煤量。4.4 给煤机煤层厚度的测量4.4.1刮板给煤机控制系统中角位移传感器工作原理角位移传感器是把对角度测量转换成其他物理量的测量, 该传感器采用特殊形状的转子和线绕线圈，模拟线性可变差动传感器(LVDT)的线性位移，有较高的可靠性和性能，转子轴的旋转运动产生线性输出信号，围绕出厂预置的零位移动60(总共120)度。此输出信号的相位指示离开零位的位移方向。电位计2 1- 5V + 3插头、 1 3 2图4.3角位移传感器简化原理图根据刮板给煤机的组成结构特点，由于我们无法在现场实际应用中通过称重的方法直接测出给煤量，因此，我们结合刮板给煤机的结构，采用了软测量的方法，对刮板给煤机通过测量某些参数间接算出给煤量。在给煤机煤层上方安装一个煤流挡板，上端固定一个自由转动轴，下端靠重力下垂，安装时让下端垂入煤层。在挡板上方安装一个角位移传感器，在传感器转动轴上安装高精度编码器，当煤层触动挡板转动时，通过角位移传感器测出挡板偏离的角度，使编码器输出的脉冲随角度成比例变化，继而用PLC高速计数输入端和高速计数器计量脉冲数，通过PLC程序计算出角度。4.4.2 给煤机煤层厚度测量方法在给煤机煤层上方垂直安装一块挡板，在挡板的上方顶端安装一个轴，使挡板可以沿着轴转动，下图为给煤机煤层厚度测量方法示意图： 挡板 H L 煤层 刮板 h图4.4 煤层厚度测量方法示意图当煤层在刮板的带动下向前运动时，挡板在煤层的带动下沿着顶端的轴旋转，和顶端垂直的方向产生了一个夹角，通过余弦原理，可求出煤层厚度。煤层厚度的计算如式（4.2）所示h=H-LCOS （4.2）式中 h 给煤机煤层的厚度，m； H 挡板顶端据刮板底端的距离，m； L 挡板的长度，m； 给煤机挡板偏转的角度。4.5 给煤机煤层运行速度的测量在驱动链条的电动机上装上旋转编码器，让S7-200的PLC中的高速脉冲卡中接受编码器信号，继而转成转速信号，再通过运算，求出变速齿轮变比，则可得到链条的移动速度。煤层的运动速度等于给煤机链条的运动速度减去煤层与链条的相对速度，由于煤层与链条的相对速度可以从实际经验或反复试验中获得，所以可以通过旋转编码器求出链条速度，并用其相减链条的相对速度来求出给煤机煤层运行速度，继而求出单位时间内给煤机给煤量的多少。由于旋转设备的工作环境相当恶劣，振动剧烈，所以使用接近开关作为传感器。因为它具有不怕灰尘，工作温度范围宽，检测距离大，使用方便，内置灵敏度调节电位器和补偿电极，输出状态 LED 显示，且体积小，价格低。如果旋转设备主轴上没有适合检测齿轮，则需增设一个专用齿轮，只需保证测速齿轮与旋转设备同轴同步转动。为保证测量精度建议测速齿轮齿数为偶数(本例取100个齿)，且齿隙尽可能小。接近开关对测速齿轮材料要求不高，只要是导磁材料，齿厚大于2mm就可。把接近开关固定在距齿轮齿顶圆2mm的导引固定架上 ,当测速齿轮随主轴转动，每个齿经过接近开关的正前方时，产生磁通量的变化，通过故态磁性传感元件获得信号，经内置放大整形电路，输出幅度稳定的方波信号。接近开关电路原理图如下图所示：图4.5 接近开关电路原理图采用高速计数器对接近开关输出的脉冲进行计数。给煤机转速的计算如式（4.3）所示n = 60f/Z （4.3）式中 n 给煤机齿轮的转速，r/m in； f 出信号频率，HZ； Z 测速齿轮齿数。如果每15ms(在1255ms可任取)读取一次高速计数器的话。设15ms输出脉冲数为N ,则转速与15m s输出脉冲数的关系为 : n = 60f/Z =60/100 * N*1000/15 = 40N假设旋转设备额定转速为1000r/min时，两次读数值的差为：100*1000/60 * 15/1000=25（脉冲）此时，测量精度为4r/min。 5 刮板给煤机控制系统梯形图设计5.1 刮板给煤机控制系统流程图角位移传感器角度信号煤层厚度h=H-LCOS皮带转速v瞬时给煤量G=hvb请求给煤量GoPID自定整控制测速传感器给煤机启动给煤机主电动机上电起动系统初始化 远程 就地工作方式选择转速调节PID转速调节PID校验否？ 停机 是 否校验结束 图5.1 刮板给煤机控制系统流程图5.2 刮板给煤机控制系统I/O表5.3 刮板给煤机控制系统梯形图5.3.1 刮板给煤机梯形图程序主程序SBR_0SBR_1INT_05.2.2刮板给煤机控制系统梯形图工作过程分析6 刮板给煤机控制系统组态图设计6.1 嵌入版组态软件MCGS6.1.1 嵌入式组态软件MCGS简介MCGS嵌入版是在MCGS通用版的基础上开发的，专门应用于嵌入式计算机监控系统的组态软件，MCGS嵌入版包括组态环境和运行环境两部分，它的组态环境能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，运行环境则是在实时多任务嵌入式操作系统WindowsCE中运行。适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。此外MCGS嵌入版还带有一个模拟运行环境环境，用于对组态后的工程进行模拟测试，方便用户对组态过程的调试。6.1.2 主控窗口MCGS嵌入版的主控窗口是组态工程的主窗口，它相当于一个大的容器，可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责这些窗口的管理和调度，并调度用户策略的运行。同时主控窗口又是组态工程结构的主框架，可在主控窗口内设置系统运行流程及特征参数，方便用户的操作。 在MCGS嵌入版中，一个应用系统只允许有一个主控窗口，主控窗口是作为一个独立的对象存在的，其强大的功能和复杂的操作都被封装在对象的内部，组态时只需对主控窗口的属性进行正确地设置即可。6.1.3 设备窗口设备窗口是MCGS嵌入版系统的重要组成部分，在设备窗口中建立系统与外部硬件设备的连接关系，使系统能够从外部设备读取数据并控制外部设备的工作状态，实现对工业过程的实时监控。在MCGS嵌入版中，一个用户工程只允许有一个设备窗口。运行时，由主控窗口负责打开设备窗口，而设备窗口是不可见的，在后台独立运行，负责管理和调度设备构件的运行。对已经编好的设备驱动程序，MCGS嵌入版使用设备构件管理工具进行管理。单击在MCGS嵌入版组态环境中“工具”菜单下的“设备构件管理”项，将弹出如下图所示的设备管理窗口：图6.1 昆仑组态设备管理图设备管理窗口中提供了上百种的设备驱动程序，方便用户快速找到适合自己的设备驱动程序，还可以完成所选设备在Windows中的登记和删除登记等工作。6.1.4 用户窗口MCGS嵌入版系统组态的一项重要工作就是用生动的图形界面、逼真的动画效果来描述实际工程问题。在用户窗口中，通过对多个图形对象的组态设置，建立相应的动画连接，用清晰生动的画面反映工业控制过程。用户窗口是由用户来定义的、用来构成MCGS嵌入版图形界面的窗口。用户窗口是组成MCGS嵌入版图形界面的基本单位，所有的图形界面都是由一个或多个用户窗口组合而成的，它的显示和关闭由各种功能构件(包括动画构件和策略构件)来控制。用户窗口相当于一个“容器”，用来放置图元、图符和动画构件等各种图形对象，通过对其组态设置，建立与实时数据库的连接，来完成图形界面的设计工作。图形对象放置在用户窗口中，是组成用户应用系统图形界面的最小单元。MCGS嵌入版中的图形对象包括图元对象、图符对象和动画构件三种类型，不同类型的图形对象有不同的属性，所能完成的功能也各不相同。图形对象可以从MCGS嵌入版提供的绘图工具箱和常用图符工具箱中选取，如下图，在绘图工具箱中提供了常用的图元对象和动画构件，在常用图符工具箱中提供了常用图形。图6.2 原件库管理图6.1.5 动画构件所谓动画构件，实际上就是将工程监控作业中经常操作或观测用的一些功能性器件软件化，做成外观相似、功能相同的构件，存入MCGS嵌入版的“工具箱”中，供用户在图形对象组态配置时选用，完成一个特定的动画功能。动画构件本身是一个独立的实体，它比图元和图符包含有更多的特性和功能，它不能和其它图形对象一起构成新的图符。MCGS嵌入版目前提供的动画构件有：1）输入框构件：用于输入和显示数据；2）标签构件：用于显示文本、数据和实现动画连接相关的一些操作；3）流动块构件：实现模拟流动效果的动画显示；4）百分比填充构件：实现按百分比控制颜色填充的动画效果；5）标准按钮构件：接受用户的按键动作，执行不同的功能；6）动画按钮构件：显示内容随按钮的动作变化；7）旋钮输入构件：以旋钮的形式输入数据对象的值；8）滑动输入器构件：以滑动块的形式输入数据对象的值；9）旋转仪表构件：以旋转仪表的形式显示数据；10）动画显示构件：以动画的方式切换显示所选择的多幅画面；11）实时曲线构件：显示数据对象的实时数据变化曲线；12）历史曲线构件：显示历史数据的变化趋势曲线；13）报警显示构件：显示数据对象实时产生的报警信息；14）自由表格构件：以表格的形式显示数据对象的值；15）历史表格构件：以表格的形式显示历史数据，可以用来制作历史数据报表；16）存盘数据浏览构件：用表格形式浏览存盘数据；17）组合框构件：以下拉列表的方式完成对大量数据的选择；6.1.6 实时数据库1）数据对象的概念在MCGS嵌入版中，数据不同于传统意义的数据或变量，以数据对象的形式来进行操作与处理。数据对象它不仅包含了数据变量的数值特征，还将与数据相关的其它属性（如数据的状态、报警限值等）以及对数据的操作方法（如存盘处理、报警处理等）封装在一起，作为一个整体，以对象的形式提供服务，这种把数值、属性和方法定义成一体的数据称为数据