【基于PLC的电厂输煤皮带控制系统设计16000字】

1绪论基于PLC的电厂输煤皮带控制系统设计摘要输煤系统是火力发电厂辅助控制系统中不能缺少的重要组成部分，输煤系统的运行是否安全、可靠、稳定影响着整个电厂的安全平稳运行。由于早期火电厂输煤系统存在自动化程度较低、设备布局分散、维护困难、作业环境恶劣、工人作业量大等各种缺点，与现代化工业需求不相符。因此，如何利用先进的控制技术和手段提高输煤系统的自动化程度，是输煤控制系统要解决的问题。本文设计的系统采用SIEMENS公司S7-200系列的PLC，基于PLC设计电厂输煤皮带控制系统。实现三台输煤皮带机的启动与停止和输煤皮带机的检测保护。首先，从输煤系统的工艺流程入手，对控制系统进行分析，设计合理的系统总体方案。其次，在硬件设计部分，设计并绘制主电路图和外部接线图，并通过分析选用符合设计要求的PLC及检测保护装置。最后，在软件设计部分，设计了系统流程图和火电厂输煤皮带系统控制程序。该论文有图15幅，表26个，参考文献160篇。关键词：PLC；火电厂；输煤系统；输煤皮带机1绪论1Introduction1.1火电厂输煤系统的背景（BackgroundofCoalTransportSysteminThermalPowerPlant）最近几年，各种清洁能源发电产业——如水力发电、风力发电、核能发电等在我国快速发展。即便如此，火力发电仍是我国现阶段电力行业中的主要发电方式。表1-1《2019年全国电力工业统计数据表》[1]和表1-2《2020年全国电力工业统计数据表》[2]，是由国家能源局发布的。由表1-1可知，截至2019年年底，2019年度全年全国全口径发电设备容量为201066万千瓦，比上年增加5.8％，其中火力发电量119055万千瓦，比上年增长4.1％，火力发电约占总发电量的59.2%，而水力发电、风力发电、核能发电、太阳能发电以及其他形式发电的发电量占总发电量的40.8%。由表1-2可知，截至2020年年底，2020年度全年全国全口径发电设备容量为220058万千瓦，比上年增加9.5％，其中火力发电量124517万千瓦，比上年增长4.7％，火力发电约占总发电量的56.6%，而水力发电、风力发电、核能发电、太阳能发电以及其他形式发电的发电量占总发电量的43.4%，由此可以看出火力发电设备机组的耗电量是相当大的。我国现阶段的电力生产方式主要是火力发电，在火力发电厂的发电过程中使用的燃料有煤、石油或天然气等化石燃料。根据中电联发布的《中国电力行业年度发展报告2020》，2019年火力发电中煤电为104063万千瓦，比上年增长3.2％，煤电占总体火力发电的87.5％[3]。目前，国内火电厂很大一部分使用的发电燃料仍以煤炭为主[4]，因而输煤系统是以煤炭为燃料的火电厂的发电过程中不可缺少的重要一环，可以说输煤系统是火力发电厂的一条生命线。传统的火电厂输煤系统，特别是二十世纪八十年代及其以前建设的火力发电厂，现场环境糟糕恶劣[5]，且整个输煤系统的自动化程度比较低，需要大量的工作人员且劳动强度很大，工作环境中充斥着大量的煤炭粉尘，同时机器运作所产生的噪音很大，对工人的身体健康造成了较为严重的损害。与此同时，因为火电厂输煤系统普遍规模比较大，其设备分布分散，作业线长，所包含得转动机械多，所以在系统运行过程中如果遇到紧急情况将无法及时报警，从而影响了发电厂的生产效率。受上述各种原因的影响导致传统的火力发电厂生产效率比较低。现代工业的快速发展使得工业用电量的需求也大大提高，因此需要发电厂提升发电效率与之适应，与此同时要求发电厂的设备平稳运行。通常火力发电厂的日耗煤量相当大，以一座百万千瓦的火力发电厂为例，一整天（24h）的耗煤量会超过一万吨，大量的煤炭需要一套完善且高效稳定的输煤系统来运输，所以燃料运输系统是火电厂最重要也是最基本的环节之一，传统的燃料运输系统已无法满足大量火力发电厂的需求，提高输煤系统自动化程度及可靠性程度的必然选择，火电厂输煤程控技术是也是火电厂提高市场竞争能力的必然要求。1.2国内外火电厂输煤控制系统发展现状（DevelopmentStatusofCoalTransportControlSysteminThermalPowerPlantsatHomeandAbroad）PLC（ProgrammableLogicController），它是一种以编程的方式来实现控制的工业控制器，其中文全称可称为可编程序逻辑控制器。PLC以CPU（CentralProcessingUnit)为核心，这一点与计算机相同，自动控制技术、通信技术、计算机技术以及监视显示技术等多种控制技术包含于PLC的产品研发，PLC是专业的用于工业企业生产现场的主要过程控制装置[6]。现如今，随着PLC在火力发电厂输煤控制系统中被广泛应用和快速发展，很多工业企业的生产过程自动化程度大幅提高且计算机控制技术的普遍应用[7]。因为PLC抗干扰能力强，在性能上可靠性高；编程方便，易于使用；易于扩展，控制系统结构简单；便于与其它工业控制系统连接；所以PLC是应用于火电厂输煤控制系统的重要的控制模块产品。目前为止，PLC控制仍然是火电厂输煤系统控制与管理的首选方案。1.2.1国外火电厂输煤控制系统发展现状在国外，自动控制系统应用较广泛且应用频率较高，同时国外对自动化水平要求相比于国内高出一截[8]，所以有一部分技术先进的国家首次应用开发了火电厂输煤控制系统。现阶段，大型DCS（DistributedControlSystem）系统或FCS（FieldbusControlSystem）系统、PLC、工控计算机和智能仪器仪表等普遍被应用于国外火电厂的输煤控制系统，这些系统和设备共同构成了自动化程度高且覆盖全部生产过程的火力发电厂输煤控制系统。国外火力发电厂输煤控制系统经过多年的进步发展，已经实现了信息化、集成化、智能化[9]。输煤系统不仅内部互相关联，而且融入了火电厂的总系统，使其与火力发电厂的其他子系统很好地联系和协调，形成了一套完整的火电厂自动控制系统。这套系统具有远程监测控制功能以及报警、指示等各种功能。国外火电厂输煤控制系统现阶段的研究重点有两个方面，其中一个方面是提高系统的信息化水平，另外一个方面是提高系统的可靠性，从而使整个控制系统更好地为火电厂服务。图1-1所示为某选用Rockwell公司ControlLogix系列PLC控制器的国外火电厂输煤控制系统的结构原理图[10]。1.2.2国内火电厂输煤控制系统发展现状从我国开始研究输煤控制系统的自动化应用，即从二十世纪六十年代开始，直至今日大体上经历了以下四个阶段[11]。首先，是继电器及接触器集中控制阶段，此为第一个阶段。控制系统采用了很多的继电器和接触器。现场的控制开关和控制按钮移动至控制室。设计了必要的联锁切换中心控制室的集中控制和现场的就地控制。其次，是弱电逻辑电路控制阶段，此为第二个阶段。采用晶体管、逻辑控制电路、集成电路等电路元件对互锁控制对象处理输煤系统进行自动控制。控制系统还需要很多数量的操作平台、控制柜和模拟显示屏幕，但此时系统的控制规模大幅度提升。然后，从上个世纪八十年代中期开始，进入PLC控制阶段，此为第三阶段。PLC控制技术在火电厂的应用开始逐步增加，为火电厂输煤控制系统的设计、使用和维护都带来了方便，使输煤自动化控制技术产生了质的飞跃。这一阶段仍然需要控制台、控制按钮开关、模拟显示屏等辅助设备。最后，从上个世纪九十年代到今天为止，便是PLC和计算机控制，同时辅以工业电视视频监控的阶段，此为第四阶段。火电厂输煤系统开始渐渐去除了控制台上的数量众多的操作开关按钮和繁琐的模拟屏，用鼠标和键盘来代替操作，开始采取计算机控制。同时在计算机控制之余辅以CRT（CathodeRayTube）显示器和工业电视进行监控，使得输煤系统技术的自动化程度增加。因为火电厂输煤系统在此阶段功能更加全面，操作更加方便，所以在火电厂里操作工人大幅减少甚至实现了无人操作，以达到电厂效益的提高。在传统的系统里，继电器触点的使用年限有限，当机器损坏时修理难度大，且日常维护的工作量也大，故障检修时间长。传统继电器集中控制方式的输煤控制系统在升级改造时，旧系统与新的控制方式很难相互适应，改造起来有很大的阻碍。而且为了使现场的情况呈现，设置了大量的使得整个系统变得又大又复杂信号电缆。由于机器运作所产生的噪音很大，同时工作环境中充斥着大量的煤炭粉尘，对工人的身体健康造成了较为严重的损害，且整个系统的故障率很高，一定程度上影响了电厂的平稳运行。除此之外，现场很大一部分控制不得不由操作人员完成，生产管理过程中所需的数据必须由人工清点。人员冗杂且劳动强度高，系统自动化程度低，给科学管理带来很大的不便。在中国，火电厂从二十世纪八十年代以来逐渐脱离继电器就地控制模式，我国开始渐渐引入输煤自动控制系统。在那个年代，我国电厂不似现在竞争激烈，整体上没有什么存活压力，且在当时使用自动控制系统的费用会很多。所以，长期以来，自动化技术在我国火力发电厂输煤系统的应用程度并没有得到很大的提高[12]。由于国内电力市场的快速发展造成发电厂之间竞争变激烈以及自动控制系统投资费用变低，现有火电厂很大程度上实现了输煤控制系统的更新换代，广泛将自动控制技术应用于新建火电厂的输煤系统。现阶段，我国大多数电厂利用新的设计改造和PLC集中控制模式的应用，实现了火电厂设备的远程操作和过程的自动控制。进入本世纪开始，PLC的网络通信越来越方便。PLC已成为火电厂生产过程管理系统中的重要环节，不再是一个局域控制器[13]。随着PLC功能丰富和工业组态软件的进步，我国火电厂输煤系统的控制也向着全过程自动化、智能化、信息化的方向靠近。整个输煤控制系统不仅实现了远程控制功能，而且还向着设备检测及诊断、历史数据采集等各种信息功能发展，同时为火电厂综合自动化系统的建设提供了牢固的基础。1.3课题研究的内容及意义（TheContentandSignificanceoftheResearch）火电厂中包含着几个大型系统，其中一个较大型的系统是输煤系统。火力发电厂的单机及装机容量伴随着国内电力工业的快速进步日渐增加，输煤系统的规模也在不断扩大，对输煤系统的控制方式和控制质量的要求都越来越严格。PLC（ProgrammableLogicController）是二十世纪六十年代末期发展起来的一种用于工业控制的基于集成电路和计算机技术的数字运算操作的电子系统，其中文全称可称为可编程序逻辑控制器。PLC结合了继电器控制易于学习、操作简单、抗干扰能力强、成本低廉等优势，同时又具有计算机的可靠性高、编程方便、灵活性高和功能丰富等优势。它是一个面向过程的控制器。在现代集散控制系统中，PLC已成为重要的基础控制单元，在工业控制领域有着非常广阔的应用前景。本项目以可编程序逻辑控制器为核心，设计了火力发电厂的输煤控制系统的皮带部分。该控制系统实现了对燃煤输送设备的启动控制及停止控制、发生事故时自动报警、运行状况实时监控的功能。火电厂中的几个大型系统的其中之一是输煤系统。火力发电厂的单机及装机容量伴随着国内电力工业的快速进步日渐增加，输煤系统的规模也在不断扩大，对输煤系统的控制方式和控制质量的要求都越来越严格。在控制领域，继电器控制在PLC出现之前占主要地位。继电器组成的工业控制系统存在体积大、功耗高、运行速度慢、可靠性差、使用年限短等缺点，特别是对生产过程多变的系统适应性差。当生产工艺或生产任务产生变化时，需要改变设计，调整硬件结构，这体现了对生产工艺经常变化的系统适应性很差，容易造成金钱和时间的双重浪费。PLC在火电厂输煤系统中的使用大体上限制于设备层面，每个设备或系统由各自的PLC控制，基本上是互相独立的。伴随着我国火电厂机组规模的扩大和PLC技术的快速进步，输煤系统的控制也将从设备层面向车间层面迈进，就像输煤设备的控制从局部向集中发展那样。与此同时，火力发电厂输煤系统依旧会朝着自动化程度更高的方向发展，对于火电厂输煤系统来说，许多设备与设备之间是独立工作的，不直接接受系统的控制，因此加入了很多人工。在将来，火力发电厂输煤控制系统朝着更强的自动化水平进步。

2火电厂输煤控制系统分析研究2AnalysisandResearchofCoalTransportControlSysteminThermalPowerPlant2.1火电厂输煤系统的简介（BriefIntroductionofCoalTransportSysteminThermalPowerPlant）当下，国内火电厂类型多种多样，火电厂在每一个地区中，在给煤环境条件和电厂给煤方式等方面有着一定差异。以上种种原因导致了火电厂输煤方式虽然在本质上有相似之处，但也有很多不同之处，体现了其多样性。2.1.1火电厂输煤系统的组成传统火力发电厂中输煤系统属于关键辅助控制系统。其控制系统的先进性和可靠性对火力发电厂安全又高效的运行起主要作用[14]。火电厂输煤系统众多涵盖了卸煤、堆煤、上煤和配煤。控制设备多，系统复杂[15]。来煤从卸料位运至储煤位，接着从储煤位送至锅炉煤仓间，完成输煤和过程控制。此系统的主要工作包括交卸煤、储煤、运输、配煤4个步骤，能准确保证对各个煤仓的供煤，完成机组按质按量平稳运行。卸煤一般来说通过自动卸煤机完成作业，有效的使程序简化了，提升了卸煤作业效率。堆煤是在特定地点将煤卸下，提升煤场空间利用率。上煤是把储存的煤由给煤仓送至煤仓进料系统，在这个程序中，设备分布不集中，同时对流程的标准也比较高，因此需要利用智能程序控制系统来完成每个子设备的调节与它们之间的配合。配煤是火力发电厂为保证日发电量，减少资源浪费，使煤仓内有足够的煤而需要的煤量。输煤系统的主要设备简介如下，其中本文主要涉及皮带机部分：2.1.2火电厂输煤系统的特点电厂输煤系统的主要特点如下：(1)系统设备具有广泛的布局。火电厂输煤系统各种设备一般安排放置于至少几千平方米的厂区里，工程线路分散、距离远，运行中控制方法种类多且复杂。(2)系统中设备众多且复杂。火电厂输煤系统由众多设备组成，且不同的设备之间控制关系联系紧密，对设备的控制需根据各种要求实现，同时需要使用必要的安全措施以使系统性能处于稳定状态[17]。(3)系统中存在许多故障点。由于火力发电厂的环境不好，系统在运行过程中容易发生故障，可能导致多处故障频繁发生。另外，设备频繁地启动和停止也容易使火电厂输煤系统发生故障。普遍发生的异常情况有皮带撕裂、皮带超载、皮带打滑和皮带跑偏等，有一部分输煤系统中的设备也容易发生故障，如犁煤机、碎煤器、筛煤器和电动三通调节阀等，皮带机上有些时候会出现堵煤或者堆煤的情况。(4)控制过程复杂。输煤路径由电动三通调节阀变换，通过多台带式输送机输送至煤仓，一般情况下至少有两条通道从煤源给煤在输煤系统中。通过选择不同的带式输送机和路径，可以形成几十个复杂的输煤过程。如果需要混合煤炭一起燃烧，控制过程会更加繁杂。2.2火电厂输煤系统工艺流程（ProcessFlowofCoalTransportSysteminThermalPowerPlant）2.2.1火力发电厂工艺简述火电厂是指使用煤炭、天然气或者石油作为燃料，用来发电的电厂的统一称呼。本文主要介绍的是使用煤炭作为燃料的燃煤发电厂。燃煤发电厂用煤作为燃料，其发电原理如下。首先在锅炉里将煤炭燃烧，锅炉中的水被加热汽化产生高温高压的水蒸汽，将煤炭中的化学能变成水蒸汽中的热能，紧接着带有高温高压的水蒸汽通过压力驱动汽轮机叶轮旋转，此过程中水蒸汽的热能转化为汽轮机旋转的机械能，然后驱动发电机的转子发电，汽轮机的机械能转变为电能。燃煤发电厂由锅炉、汽轮机、发电机这三大主要设备及相关联的辅助设备构成。这些设备之间，使用管道或线路连接形成主要的生产系统，即燃烧系统、汽水系统、电气系统等辅助加工设备。2.2.2火电厂输煤系统工艺流程输煤控制系统的设计是在分析输煤过程具体情况的基础上进行的。稳定的系统是火电厂可靠输煤的重要保证。只有明确输煤系统的流程和原理，所设计的输煤控制系统才能满足实际需要，使得火电厂的正常运行得到保证。火力发电厂规模、电厂里发电机组容量多少、存煤场地到原煤仓的距离远近、煤源到煤场的方式以及输煤方式和储煤方式等众多因素都在影响着火电厂输煤系统的工艺流程形式。同时输煤成套设备的选择也将决定火电厂输煤系统的工艺流程形式的选择。输煤系统工艺流程通常为卸煤、堆煤、上煤和配煤[18]。燃煤电厂输煤系统工艺流程图见2-1。(1)卸煤流程。使用火车、汽车和船舶等通过陆路运输或水路运输将煤炭送到发电厂。将燃煤从车厢中或船舶上卸下的机械设备统称为卸煤设备。通常状况下，卸车机用于陆上卸煤，卸船机用于电厂煤码头的水上卸煤。成套卸煤装置大多由独立系统控制。对这些设备的要求是：卸煤速度快（在非严寒地区，应不超过四个小时）、卸煤干净且彻底、卸煤过程中不能损伤车厢。本输煤控制系统的设计不包括此过程。(2)堆煤流程。堆煤机通过带式输送机将卸煤流程中卸下的煤送到堆煤场，以此来满足锅炉燃烧需求和备用。通过大型堆煤设备本身的系统独立控制来实现其设备的使用。输煤控制系统的堆煤作业通过装载机实现。所以此过程不包括在输煤控制设计范围内。(3)上煤流程。首先，使用给煤机从煤棚内取出煤；紧接着，取出的煤炭经过带式输送机的输送送到破碎室及转运室；最后，由皮带机将煤炭供应至煤仓室，此过程称作为上煤流程。上煤流程式是输煤过程的重要组成部分。在此期间，选择经转的带式输送机要由电动三通挡板的位置决定。利用带式输送机、碎煤机、筛煤机、电动三通挡板、除铁器等设备依照顺序进行控制，完成了各输煤设备与输送机的联锁、保护和事故救急处理的控制，进而实现原煤输送、筛分、破碎等各项任务，使煤炭满足发电工艺要求。(4)配煤流程。配煤流程是根据煤仓内煤位的实际变化，有序进行，是全部输煤过程的最终一个步骤。输煤系统通过对煤仓内煤位的实时监控，准确实施犁煤机的升降动作，将煤有序地分配到特别设定的煤仓内，直到自动配煤结束上煤控制和。配煤控制在完整的输煤系统中必须联锁。2.2.3火电厂输煤系统主要设备介绍输煤系统规模大，系统设备众多且复杂，控制要求高，系统中故障点多导致控制比较困难，连锁关系紧密。为了方便对输煤系统的分析与研究，一般将组成设备分为主设备、主设、预启动设备[19]、保护设备及辅助设备等。主设备。是输煤系统的枢纽设备。在整个系统中，设备的运行是相互联锁的。如果其中某一个设备发生故障，将使整个系统的正常运转受到影响。主设、预启动设备。预启动设备主要有电动三通挡板、犁煤机和警铃等。是在系统整体运行前提前执行的设备，一般由准备、工艺预置等控制。辅助设备。除铁器、皮带秤等都为辅助设备。辅助设备能够独立启动和停止，在输煤系统里有辅助控制的作用。辅助设备通常情况下不和主设备联锁，不正常时不需要联跳。保护设备。拉绳、堵煤、跑偏开关、速度及撕裂检测仪等都是输煤系统的保护装置。这些装置用于对输煤设备的各种保护，以实现输煤全过程的监控、联控报警和紧急停车的需要，保证系统的安全运行。以下就部分输煤设备做做简要说明。(1)给煤机：给煤机位于原煤仓与磨煤机的中间位置，适合应用在火电厂燃煤锅炉制粉系统中，负责把原煤仓中的煤通过带式输送机连续不断的运到磨煤机里。它能提高锅炉在负荷大范围变化时的性能，让燃料和所需风量更加合适，降低过量风量，连续给煤，工作平稳，测量精准，效率高，节省能源，经济效益显著。给煤机是燃煤炉制粉系统的重要组成部分，是同碎煤机配套的优秀计量给煤设备。(2)输煤皮带机：带式输送机分为两种，在各种行业的物件运输中使用广泛，其又称皮带机或胶带机，分为固定式与移动式，火力发电厂中使用的皮带输送机很大一部分是重型带式输送机。皮带机构成简单，驱动辊和反转辊周围环绕着环形传送带。它是一种连续输送机械，其物料承载和牵引部件为柔性输送带。两辊中间的上分支、下分支分别由若干托辊支撑。上支路上放置了物料，利用输送带和驱动辊间的摩擦力拖动输送带与输送带上的物料。颗粒物料或成品的水平或倾斜运送及某些工艺操作的流水线适合用带式输送机。皮带机有很多优点，输送速度极强，在恶劣的环境中依然可以稳定可靠的运行，结构简单便于维修，能运输多种物料，适用范围广，耗能低，与其他输煤设备合作共同实现燃煤输送的流水线作业。皮带输送机在火电厂实际应用中，至少采用两路配置，一路用来正常使用，一路用来备用。带式输送机的运行至关重要，是全部输煤系统的重要设备，它涉及到带式输送机的启停顺序。这个系统使用了三台带式输送机。本设计完成了PLC的编程，这对系统的PLC编程至关重要。带式输送机在启停过程中要用定时器延时，以保证每根输煤皮带停止时无残煤。此设计需要通过对皮带机PLC编程，实现皮带机在启动与停止过程中使用定时器对其进行必要延时，达到停车时各个带式输送机皮带上没有剩余的燃煤。(3)筛煤机：为了满足燃烧的需要，煤炭在运输过程中通过筛煤机进行筛选分类，其中比较大的煤块筛到碎煤机，比较小的煤粒落入下级皮带。(4)碎煤机：为一种带破碎环的冲击式转子破碎机。碎煤机对筛煤机筛选出的大煤块进行破碎处理。破碎环悬挂在随转子旋转的轴上，且随转子旋转并绕轴自动旋转。以供给锅炉磨煤机合格粒度的煤。因为磨煤机对磨出的原煤粒度要求严格，所以很大一部分火力发电厂设有碎煤机。碎煤机可以将煤块变小到所需出料粒度，以从碎煤机底部的出料口排出[20]，从而满足客户的要求。破碎环的两个部分实现了整个物料破碎过程。物料进入破碎室时，旋转破碎环冲击破碎是第一部分。接着，破碎环进一步破碎落在筛板上的初级颗粒，并利用筛孔排出，这是第二部分。一般情况下，碎煤机基本能够完成煤料的破碎，同时煤块中一小部分无法破碎的杂质将会被剔除掉，它们将进入废料室，然后定期清理废料室。供应煤炭时，设备的启动和停止都要按照一定的顺序。为了保证碎煤机停机时处于空载状态。(5)滚轴筛：滚筒筛的筛面由多个与筛板平行交错排列的滚筒组成。辊子通过链轮或齿轮传动转动，转动方向与物料流动方向一致。(6)除铁器：除铁器一般安置在皮带的中间或带式输送机尾部下料口的地方。它共有两种形式，即带式和盘式。在带式输送机上安装除铁器是十分必要的。因为电厂的有些煤会携带金属物体，这会使皮带输送不正常；如果严重，可能会损坏机器，形成系统事故，所以输煤过程中的杂质去除尤为必要。(7)电动三通挡板。是重要的煤路切换装置。内挡板由电力驱动，改变出煤通道，选择和改变输煤流方向。(8)犁煤器。犁煤器，别称为LK新型犁式卸料器。其卸煤方式多种多样，可以按照配煤控制的要求进行选择[21]。安装在煤仓顶部的配煤皮带上面，控制其升降，实现煤是否卸入煤仓。(9)电子皮带秤。电子皮带秤可以完成对输煤每个个环节煤量的实时监控和精确测量，它是输煤系统的重要组成部分。(10)保护设备。在带式输送机运转发生故障时，保护输煤系统避免造成严重影响的设备。常使用的有跑偏、双向拉绳、急停开关及皮带撕裂检测器。3火电厂输煤控制系统总体设计方案3OverallDesignofCoalTransportSysteminThermalPowerPlant3.1概述（Introduction）从前，火电厂输煤系统的继电器控制方式落后且复杂，故障查找及排查解除比较困难。因此，本设计里，对于火力发电厂输煤系统皮带机使用PLC进行整体控制。输煤皮带控制系统在程序的设计、功能的要求及系统控制方式等方面，需要全面考虑可靠、先进、易于维护与操作，保证设计的系统是全新的、成熟的、先进的[22]。本设计的主要目的是设计一种基于PLC控制的火电厂输煤系统皮带机。以带式输送机为控制对象，采用PLC实现输煤系统皮带机的启动和停止。同时采用PLC控制对输煤系统皮带机进行监控，完成输煤皮带机的检测与保护。最终实现火电厂输煤皮带机的自动控制。本设计系统需要实现输煤皮带机的启动及停止和检测保护。3.2设计原则(DesignPrinciples)(1)可靠性火电厂承担着发电的任务，我们的日常生活及工业生产都离不开电能，供电的稳定性对于火电厂来说必不可少。输煤系统是电厂生产系统中不可或缺的一个部分，其主要任务是承担着输煤发电的。火电厂的收益与输煤系统日常运转的可靠性密切相关。因为输煤系统设备很多且复杂，布广泛，控制过程繁琐复杂，工程规模庞大，同时电厂厂区内生产环境恶劣，含有煤尘、噪音、湿气以及抖振和电磁等影响因素[23]，这些都会对输煤皮带系统的可靠性产生直接影响。所以系统可靠性在总体设计和规划中是一个不能忽视的原则。(2)先进性在系统的设计中，应在满足需求和功能的前提下，采用当前先进的想法和已经成熟的技术，以保证系统在竞争激烈的市场中有较强的生存和发展能力，同时符合当下和以后的发展趋势。此外，还要考虑系统的开放性和适应性。(3)易维护性事实上，并不存在完美的无缺点的系统，所以系统的易维护性的好与坏将会影响到系统能否安全平稳的运作。若系统有着很好的维护性，则当系统出现故障时，能够较快的排除故障、解决问题，从而节省了时间并使工作量减少。(4)易操作性因为系统设计的最终目的是为用户提供良好的服务，所以设计的系统需要有较强的可操作性且便于工作人员学习和使用。若系统运行与操作困难，用户体验差，就会偏离系统设计的目的，不能充分发挥系统的优势。(5)符合总体技术要求要将总体意识落实到设计系统和规划系统的每一个环节上，全面考虑总体技术指标。在火力发电厂中输煤控制系统里的带式输送机控制系统，是将服务于整个火电厂的生产应用，因此整体的主导地位与局部的作用都不容忽视。3.3功能要求(FunctionalRequirements)本设计系统功能简介如下：三台输煤皮带机的自动启动和自动停止；三台输煤皮带机的手动启动和手动停止；输煤皮带机的检测，即当检测到输煤皮带机出现故障时立刻开始声光报警；输煤皮带机的保护，即出现烟雾或温度超标时洒水。3.3.1输煤皮带机的要求(1)输煤皮带机的启停所有带式输送机的运转，即正常的运行、正常的启停以及紧急停机等，皮带都朝单方向运行。一般情况下，无需运输燃煤时，带式输送机应空载。若此时火电厂的锅炉需要供给煤炭，则带式输送机将马上空载启动。即使煤把煤仓装满，也不能立马将皮带机停止，需要把带式输送机上的全部燃煤都运走直至输送带上无余煤。以保证带式输送机下一次再启动时，仍保持正常的空载启动。严格要求输煤皮带机不能带负荷启动的原因如下：当输煤皮带机启动时，靠摩擦力带动皮带转动起来，要给物体运动一个加速度，通常此时都是皮带负载最大的时候，所以此时皮带机是很费力的。若带式输送机带负荷启动，则会造成启动速度低的现象，等同于堵转，会增大电流，造成短路。控制系统某部分发生故障时，为了避免事故扩大，需要紧急停止。此时，皮带通常是被燃煤完全覆盖着的，在故障解决后，需要带负荷启动，这可能会造成电机过载，阻止其启动，重载皮带需要较大的转动力矩，可能会使启动时间过长，电动机过热，、导致皮带损坏甚至烧毁。如果必须从负载开始，就需要选择更大的电机，但是这不符合经济上的合理性。故而，带式输送机一般不允许带负载启动。输煤系统里的每一台设备都应该遵守要求进行操作，以保证系统的安全稳定运行。因此，带式输送机必须按照顺序且间隔少量的时间启动和停止，三台皮带机不能一起进行。在开始输煤流程时，皮带机从来煤顺序的反方向开始启动，在结束输煤流程时，皮带机依照来煤顺序的同方向依次停止。用这种启动方式可以大大降低系统里堆煤现象的发生和出现事故的概率。(2)输煤皮带机的检测与保护带式输送机设有保护检测装置，在满足工艺流程要求的前提下，保护检测装置应尽量合理且可靠。这些检测到的信号传输到监控系统，并参与整体的控制和保护。各台输煤皮带机均设有两个开关，拉绳急停开关和跑偏开关。每一台输煤皮带机都装配有五种传感器，即速度传感器、温度传感器、堆煤传感器、纵向撕裂传感器、烟雾传感器，完成对皮带机的监控和保护。当跑偏、速度、堆煤、纵向撕裂装置发出信号时，系统立即进行声光报警。以及每台输煤皮带都会安装有洒水装置。当温度传感器和烟雾传感器发出信号的时候，此时系统立即发出声光报警，并使洒水装置自动喷水以达到降低温度的效果。3.3.2控制方式(1)远程自动控制远程自动控制是在上位机上操作，通过上位机和PLC实现对系统种设备的监测控制，其是控制系统主要的工作方式。当收到启动指令时，系统自动按照逆煤流方向依次启动所有关联设备；当收到停止指令时，各设备按照顺煤流方向逐个停止。(2)远程手动控制上位机上实施的手动操作形式称为远程手动控制方式，其由上位机和PLC共同完成对设备的监测控制，设备的启停采用一对一的手动控制，这种控制方式相对灵活简单。任意一台设备均可由操作员起停，操作员可以使用各设备的启停按钮，手动实现控制系统里任何设备的启停操作。远程手动控制方式适合用于不带载启停场合，在上位机总体检修或调试设备时作为备用。(3)就地手动控制就地手动控制方式属于现场执行部分，需要操作员现场操作，直接在设备就地控制箱上操作。这种控制模式在一般情况下使用的机会并不多。通常用于系统设备的检测、调试以及维护，同时在产生危急情形时也会使用。这种控制方式与上位机控制不关联。3.4系统结构(SystemStructure)在遵循设计原则和工业现场及设备要求的前提下，符合经济效益的原则，提出以下设计方案：三台输煤皮带机是本次系统设计的被控对象。此系统使用上位机与PLC结合的组合，这种组合方式是比较常见的。需要控制系统实现输煤设备的启动控制和停止控制、发生事故时报警、设备运行时的实时监控功能以及过热或有烟雾时自动喷洒水的功能。PLC需要完成逻辑处理和系统的控制工作，其是系统的控制中心。PLC需要完成的具体任务为，控制工业现场设备，采集每个设备关于运行状态和故障信号等的相关信息，同时和上位机完成包括接收其控制命令及传递已采集到的信息等的信息交换。上位机是由计算机和鼠标组成，作为系统的管理层，使用人机交互界面，可显示设备的运行状态并报警。图3-1所示为输煤皮带机控制系统结构框图。

4控制系统硬件设计4ControlSystemHardwareDesign4.1系统主电路(SystemMainCircuit)在本文设计的系统中，总共有三台输煤皮带机被控制，所以本系统需要配备三台电机用来驱动输煤皮带机的运转。图4-1所示为控制系统的主电路图。在图4-1中，KM1、KM2、KM3为接触器，M1、M2、M3为三台皮带输送机的电机。接触器通过控制电机的运行来完成带式输送机的控制，进一步完成输煤工作。FR1、FR2和FR3是具有过载保护功能的热继电器。它主要应用于燃煤运输中，当带式输送机过载时，能立刻切断主电路。FU1、FU2、FU3是一种具有过电流保护功能的熔断器。QF1、QF2、QF3为空气开关。4.2皮带机保护检测装置的选择(SelectionofBeltConveyorProtectionDetectionDevice)保护检测装置的安装是输煤系统是否能实现自动控制的关键因素。在满足工艺要求的条件下，应尽量选用灵敏性高、可靠且安全的保护检测设备。本文中主要指对输煤皮带机的保护及信号检测装置，包括下列几种：(1)速度检测传感器本设计选用GSH5型速度检测传感器。其用以对皮带的打滑失速或超速进行检测保护的装置。当输煤皮带机速度异常并持续一定时间时，输出能保持故障报警信息。传感器的输出是一个开关量信号。当检测到皮带打滑时，报警信号送至PLC。(2)拉绳开关拉绳开关，又称急停开关，本设计选用SPS-2D型拉绳开关。其通过拉动绳线操作开关，通常用于紧急停止的情况。拉绳开关一般安装于沿输煤线分布，以方便工作人员在处理紧急情况时能就近及时操作。当出现紧急情况，操作员拉动开关两侧钢丝绳，使其动作锁定发出紧急停止的信号，需在故障排除后由操作员重新拉动复位。(3)跑偏保护传感器本设计选用GEJ30型（原型号KGP-2型）跑偏保护传感器。其作用为完成输煤皮带的跑偏检测及保护。跑偏保护传感器安装于皮带机双侧支架，跑偏杆初始时候位于允许位置。假如皮带运行时有跑偏的情形产生，使探杆偏动一定角度，传感器的两端输出接通，向系统发出停机信号。（4）堆煤保护传感器本设计选用GUJ35型堆煤保护传感器。其作用为完成输煤过程中的堆煤检测与保护，一般安装于皮带机头下方的合适位置。当落煤管未堵塞时，传感器的输出信号不会影响PLC的运行。当落煤管堵塞时，传感器动作，输出信号发出堆煤报警指示，输入PLC后延时停机，实现堆煤保护。(5)烟雾传感器本设计选用KGN1-B1型烟雾传感器。其作用为完成输煤过程中的烟雾浓度超标的检测与保护，一般安装于皮带机头风流方向后两到三米，以保证其及时性。当传感器检测到的烟雾浓度超过了设定的值时，系统会立即报警，同时开启洒水装置喷水降温。(6)纵撕保护传感器本设计选用GVD1200型纵撕保护传感器。其作用为皮带的撕裂检测保护，一般安装于皮带下方，靠近落料点的位置。皮带正常时传感器不动作，当皮带机出现撕裂状况后传感器动作，将撕裂信号传给PLC，控制系统立即停机，以防出现事故。(7)温度传感器本设计选用GW50A型温度传感器。其作用为完成输煤过程中的温度超标的检测与保护。该传感器可靠性高，能连续实时监测温度，响应速度快，安装简单，维护方便。(8)洒水装置本设计选用DFB4/7.5型电磁阀。其作用为在运行过程中，输煤皮带机温度超标或烟雾浓度超标时，立即启动洒水装置自动喷水降温，及时解决，避免事故的扩大。一般安装在皮带机的机头位置。4.3PLC简介及选型(PLCIntroductionSctin)4.3.1PLC简介PLC（ProgrammableLogicController），其中文全称可称为可编程序逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统。20世纪60年代末期，为了改进汽车生产流水线以适应汽车型号的更新及生产，第一台PLC由美国数字设备公司（DEC）研制完成，在美国通用汽车公司自动装配线上试用，取得了成功。PLC作为一种现代新型的工业用控制装置，专门为了应用于工业环境中而设计产生的，现阶段广泛应用在多种多样类型的工业控制行业当中。我国从1974年开始研制PLC，并于1977年开始应用于工业环境。目前，PLC主要是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展而来的一种新型工业控制装置，是工业控制的主要方式和重要的基础设备之一。PLC是工业生产的三大支柱之一，与机器人及CAM/CAD（计算机辅助制造/计算机辅助设计）并称为工业生产的三大支柱。PLC的类型多种多样，且有着很多优点。尽管各种类型的PLC各自的功能不尽一致，它们之间存在差异的，但是在PLC的工作方法和构造组成方面相差不大。通常由几个部分组成，即主机、I/O接口、电源、扩展通信接口、编程设备和其他部件等。(1)主机主机是由存储器和CPU一同构成的。控制器、运算器和寄存器是中央处理器的一般组成。中央处理器是PLC的核心部分，读取和执行存储器中的命令、中断处理等是其主要功能。存储器共有三种，系统存储器用于注册系统程序，用户不能更改它们。将用户根据实际控制需求所编写的应用程序放入用户程序存储器中，用户可以随意更改和更正。程序里使用的设备的开/关状态和数据信息存储在用户数据存储器里。(2)输入/输出接口I/O接口是PLC的一个部分，与工业控制现场的各种信号相连接。其要能与现场各种信号相匹配，且要求具有良好的抗干扰性能。固然，具体的PLC类型是根据现实需要选择的，继电器输出类型是这些类型里最常使用的。(3)电源在一个完整的系统中，供电是非常关键的任务。内部电路可采用PLC配置的开关电源来供电。它具有效率高、输入电压范围宽的优点。也有一些PLC为了供电给外部传感器的工作而使用，提供一个直流24V电源。整体结构的PLC，它的电源通常安装在机箱中，而模块化结构的PLC，大多会使用独立的电源模块。(4)扩展通信接口扩展接口作为PLC的总线接口。因为要实现各个工业控制场合的不一样需要，所以把扩展单元和功能模块与基本单元相连，可以充分发扬PLC灵活可靠的优点。通讯接口可完成PLC与计算机、触摸屏等设备的连接，实现人—机交互与机—机。(5)编程设备编程设备的功能有以下几种：（1）能够创建和编辑梯形图及语句表等程序。（2）能够实现各种编程语言之间的转换。（3）通过互联网可以上传、下载程序。（4）通过互联网实现远程编程及传输。（5）拥有非常实用的修改和调试功能，不仅能够对PLC里的各种数据和程序运行进行监测控制，除此之外还可以对故障实施判断。(6)其他部件除了上面提到的这些零件和设备之外，如有必要，还可以给PLC配备存储卡和电池卡等零件。4.3.2PLC的选型随着PLC技术的不停进步，其功能逐渐完备且种类越来越多。各种类型的PLC侧重于不同的方向，在挑选PLC的类型时，应全盘考虑数据量和模拟量的输入/输出点的个数多少；内存配置容量和通信功能等因素。(1)I/O点数的统计三台输煤皮带机作为本文设计的输煤皮带控制系统的主要控制设备。三台输煤皮带机分别为皮带机1、皮带机2和皮带机3。于此同时，三台皮带机的检测保护装置的信号也会传送到控制系统里。具体I/O点数统计如表4-1,4-2,4-3所示。在统计I/O点个数的过程中可能会存在一些因考虑步骤或计数错误而漏掉少算的情况，同时在将来设备可能需要扩展或者优化，因此应该预留有一些备用的I/O点。在选用PLC型号时，其I/O容量限制必须大于I/O点个数的估计值。I/O点数的估计值是，根据汇总统计后得到的I/O点数总个数，应在这个I/O点数总个数的基础上增加10%～20%的I/O点数。本文设计的系统选择增加15%的I/O点数，在遇到小数点时进一位。通过计算得出：DI点数的估计值为32×（1+15%）=37；DO点数的估计值为17×（1+15%）=20；AIAO通道估计值为6×（1+15%(2)存储容量的计算当考虑存储容量时，存储容量在系统设计的初步阶段是未知的。PLC容量的选择一般情况下借助经验公式。通常情况下，使用的经验公式如下：M=1.25×(DI×10+DO×5+式中：M为存储器容量；DI为数字量输入总点数；DO是数字量输出总点数；AIAO把上面计算出的数字代入公式中，通过计算得出：M=1.25×(37×10+20×5+7×100)÷1024≈1.43KB（3）PLC的CPU及扩展模块的选择通过对完整系统的分析和评估，依照高效、经济、满足要求的原则，最终决定该系统使用西门子S7-200系列的PLC产品。S7-200是一种小型PLC，适用于各行各业的检测、监控和自动控制，具有较高的性价比。S7-200PLC具有的优点如下：结构紧凑，集成了CPU、I/O接口和通信模块，具有多种功能。具有良好的扩展特性，能很好地使用扩展模块进行扩展，有利于系统优化升级。指令多种多样，编程简单，便于学习，易于使用。响应速度快，能够实现实时控制的需要；通信能力强，能适应监控系统要求。基于以上优点，S7-200系列PLC可以较好地满足控制自动化的要求。作为各种小型控制工程的良好选择，经历过了市场的考验，得到了广泛的应用。有多种S7-200系列PLC的CPU可以选择，根据本文设计系统的要求，PLC须设置有32个数字量输入，17个数字量输出，6路模拟量输入。所以本次系统设计确定选用CPU226，它的功能较强，能够较好的满足某些中小型控制系