论文总字数：18070字

目 录

1 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 PLC概述 1

1.3 输煤系统概述 2

2 总体方案设计 3

2.1 设计目标 3

2.2 设计内容 3

3 系统硬件设计 6

3.1 PLC选型和结构 6

3.2 PLC的I/O口分配 7

3.3 PLC的外部电路设计 8

3.4 电机主电路设计 9

4 系统软件设计 10

4.1 PLC程序设计 10

4.2 PLC软件设置 10

4.3 控制程序梯形图 11

5 仿真调试 13

5.1 组态仿真 13

5.2 实物测试 15

致谢 21

附录：PLC程序 22

基于PLC的火力发电厂输煤系统设计

钱晗

，China

Abstract：The control and application technology of PLC have been widely applied to all aspects of industrial production, especially for the automation of large-scale equipment. As an important auxiliary engine system for thermal power plants, the coal handling system has always been lagging behind the main control system. This design incorporated the actual production of coal transportation and system security control measures. Firstly, the KingView6.55 software was used to simulate the operation of the coal conveying unit on the production line. Then the Mitsubishi FX2n-48MR was used to achieve the program control of some units of the thermal power plant coal conveying system. Finally the NMCL-II motor power electronics and electric drive experimental platform was used for simulation testing.The test results showed that the system can correctly complete the functions of the program control system of the coal conveying unit and meet the design requirements.

Key words：PLC; Coal Handling System; Automation; Production Line

1 绪论

课题背景

我国火力发电厂采用的主要是矿物燃料，且主力发电厂是凝气式火力发电厂。火力发电厂输煤系统是火电厂辅机系统的一个重要部分，其可靠地运行是实现电厂安全、环保、经济生产的重要保证，而火力发电厂的输煤系统是指从卸煤装置起直至把煤运到锅炉原煤仓的整个生产工艺流程。该系统具有控制设备多、系统设备分散、分布范围广、工艺流程要求复杂，环境恶劣（如烟尘、潮湿、振动、噪音、电磁干扰等）的特点。

现今信息技术已飞速发展到深入社会的方方面面，其中工厂车间的运行情况和设备状态是现代化工厂管理中不可或缺的一部分。厂及各行业都应对现实生产中各分子结构的情况充分掌握，以便及时调整战略战术、把握工作的重点、推动部门或车间的生产工作。因此建立自动化的输煤系统，不仅可以让工人从恶劣的环境、繁重的劳动中解放出来，而且可以通过控制网网络将相隔较远的各输煤机控制器相连，实现信息的传递，也保证了控制的实时性、可靠性，同时便于未来厂级、车间级的管理，提高了工作效率。

在21世纪，“能源，环境，发展”是人类面临的三大主题，能源的合理开发与利用将直接影响到经济运营和环境保护。火力发电厂燃煤趋势是我国经济发展十分关注的问题，是能源经济发展的战略重点。当前火电燃煤在我国社会生活中占有重要地位，在我国二次能源消费中占有很大比例。因此，降低燃煤成本、提高经济效益、减少污染排放已成为人们日益关注的问题。就火力发电厂而言，发电成本的70%来自于煤炭，随着时间的推移、能源的减少，这一成本的比重势必会越来越大。所以在输煤系统这一环节中，建立合理的运营管理系统，合理对系统环节作出调整方案，提高能源的利用率至关重要。

随着工业自动化水平的不断提高，大型火电厂发电机组主机设备均配备了先进可靠、协调统一、高度自动化的控制系统。其良好的人机界面，优越的控制性能，准确的故障诊断与显示，大大提高了机组的运行效率，简化了工业控制流程操作，降低了工人劳动强度，也提高了故障处理速度。与先进的主机控制系统相比，输煤控制系统则显得较为落后，其自动化水平和工作效率与经济发展的要求不相适应。针对上个世纪建造的火力发电厂，因为当时的技术水平与经济实力的局限，导致设备比较简陋，控制方式多采用强电集中就地控制方式，遇到紧急情况无法及时报警，因此也降低了发电厂生产效率。与程控系统相比，这种控制方式功能差、系统可靠性差，自动化程度低，需要运行人员数量多且劳动强度大。因此，提升输煤程控化是当今火电厂输煤系统的主要方向，也是火电厂提高市场竞争能力的必然要求。

PLC概述

继电器控制是之前工控行业的控制核心，且一直占据重要地位,直到PLC的出现打断了继电器在工控行业的垄断地位。继电器控制系统虽然结构简单、容易操作，但其体积过大、接线复杂、故障率高、可靠性和灵活性差的缺点与现代工业发展的需求逐渐不符。自1969年起PLC被研制成功，直到20 世纪后半段，如何将PLC运用于各种生产和操作已成为国内外研究的重点。目前，在欧美日本等国家PLC设计已达到相当完善的程度，各种在实际中的运用也随之发展起来。特别是三菱FX系列PLC更是最常见的一种。在运用PLC时只要确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线就可以投入运行。PLC可用来执行逻辑、顺序、计时、计数、演算等功能，还可以通过A/D、D/A模块来控制各种机械或工作程序。它既可以对开关量进行控制，也可对模拟量进行控制。

可编程控制器PLC具有较高可靠性：PLC本身适应工业现场环境，绝大多数PLC的工作温度为0～60摄氏度，湿度为5～95%（无冷凝）；PLC的接入电压可以承受较大的电压波动；其自身也有着非常优秀的抗干扰能力；此外，还有防尘、抗侵蚀、耐高温等特点；同时工作寿命较长，平均无故障间隔实践MTBF可达20万小时以上；PLC 主机和 I/O 模块都具有故障自我保护和自诊断功能，模块具有带电热插拔的功能。PLC 的这些优点，为火力发电厂输煤控制系统的安全可靠运行提供了坚实的保障。随着PLC技术的不断发展，并且在工业控制领域的应用逐步成熟，PLC在火力发电厂输煤系统的使用也越来越广泛。

对于PLC的通信模块而言，管理控制器、与PLC对话的其他终端系统具有相同的行为特征，它们都向上位机可编程控制器提出请求。对于PLC的软件模块而言，PLC采用顺序控制设计法，按照系统流程运行的顺序，输入模块接收到输入信号，PLC中的主控中心按照程序设置的流程读取相应的信号，这样可以保证PLC输入输出信号的有序性。PLC采用流水线式技术将一个模块内的流程划分成多个节点，每个节点是步。使程序继续执行的下一步条件是转移条件，转移条件的构成可以有很多因素，比如：设置好的中断、外部定时器、内部输入输出信号，还有若干信号的逻辑组合。顺序控制设计法师用输入量X控制代表各步的编程元件，如辅助继电器M，再用它们控制输出量Y。一般的逻辑关系都用顺序功能图表示。对于PLC的功能模块而言，就是编程模拟的过程。可编程控制器的功能描述可以概括为信号处理功能，传感器和执行器接口功能，通信功能，人机接口功能，编程、调试和测试功能及电源功能等。

1.3 输煤系统概述

虽然输煤系统的生产流程因锅炉容量、燃煤品种、运输方式及火电厂所处的地理位置的不同而有一定差异，但一般根据设备的功能可以分为卸煤部分、储煤部分、上煤部分、和配煤部分：

卸煤系统：该系统的功能是将燃煤从运输工具或煤矿卸载至电厂用于发电。电厂来煤分水路和陆路两种方式。为了保护系统设备，需进行煤质分析、煤量统计，在卸煤过程中一般还应对燃煤进行除大块、除铁件、取样及称重计量等工作。

储煤系统：为了预防不可抗力灾害，确保电厂稳定发电，火力发电厂必须储存不少于电厂满负荷运行 10 天所需要的燃煤。所以，电厂一般都是一次性大量进煤，除了满足当日锅炉所需燃煤外，剩余的燃煤将由皮带输送机、斗轮堆取料机堆放到露天储煤场里，或运至用于储存干煤的干煤棚、储煤筒仓里，作为备用。

上煤系统：将燃煤从卸煤码头或储煤场，通过皮带运输机等设备，经输煤转运站输送到锅炉上方原煤仓的过程叫做上煤。同时在上煤过程还应完成对燃煤的筛分、破碎、取样、除铁件、除杂物等工作。控制过程为在对应的联跳条件下，自动确立皮带运输机的运行方向及挡板的位置，实现皮带运输机的自动启动、停止和保护，具有逆煤流启动、顺煤流停止的特点。

4、配煤系统：配煤系统的作用是将燃煤按要求分配至位于锅炉磨煤机上方的原煤仓里，供锅炉燃烧。配煤系统设备数量较多，且操作频繁，主要设备有犁煤器（用于将燃煤从输煤皮带上卸至原煤仓里）、卸料小车、配煤皮带输送机、除尘器、用于检测煤位信号的煤位计等。

输煤系统的特点如下：

1. 系统地域分布范围较广、作业线长，运行程序复杂多变。输煤系统设备安装分散，设备布局一般在几公里或更远的范围内。
2. 多个系统事故点。其中包括皮带的牵引、运行超满载与撕裂；压煤机的温度与振动过大；皮带与筛煤机堵塞；三通挡板及犁煤器的卡死等故障现象。
3. 工业程序较多。煤炭从卸煤部分的来煤设备运输到配煤部分的原煤仓可通过多条电动三通挡板切换和皮带运输机（一般为双路）的路线。其中可组成几十种甚至上百种流程。
4. 输煤系统运作环境较差。输煤过程中煤屑、粉尘等空气颗粒物在环境中容量上升迅速，同时机械运行噪音较大，部分系统运行温度较高，夏日煤仓气温可高达50℃。

2 总体方案设计

2.1 设计目标

输煤系统主要负责输煤，碎煤，分筛等工作。而在火电厂输煤控制系统中可以通过自动联锁和手动互相切换的控制方式运行。由于系统运行环境较差，一般在主厂房的中心控制室进行系统控制操作，控制室的仪表盘上设有输煤系统中各个设备的启、停按钮，还有PLC可编程逻辑控制器控制开关传输信号。采用PLC可编程逻辑控制器实现运煤设备的控制功能，通过触摸屏完成设备安全性能监测、皮带运作偏差监测与事故记录性能。

一般输煤过程中，煤由给煤机通过皮带运输机送到碎煤机房，再经过滚轴筛分筛后最终将煤送到锅炉煤仓。输煤控制首先是选择自动或手动模式，自动模式下先确定输煤方向和顺序并在符合对应的联锁条件下完成皮带运输机的自动启动、停止。手动模式下可以单独开通输煤系统上的设备进行检修工作。在运行过程中对这些仪器的运行状态进行监控，对异常情况及时发送报警和连锁信号。上煤部分由与皮带运输机相连的犁煤器来实现，配煤部分锅炉的进煤量由锅炉温度决定，都必须参与系统的连锁运行。电机的启停及速度需要实时变化来改变传送带转速控制进煤量，所以通过对电机转速的控制实现对进煤量的调节。在监控系统中，PLC把输煤系统的仪器情况、运行状态发送到触摸屏上。可以用触摸屏编写指令并与各仪表、设备通信来控制它们的启动和停止。煤料在输送状态下，皮带秤利用重量传感器和速度传感器把皮带上的煤料重量与输送带速度转换成电信号反馈给PLC，由PLC处理输出控制。

为了达到输煤系统的安全、可靠工作，应实现以下目标：

（1）在大中型火力发电厂中，筛碎设备加入联锁系统，而老式火力发电厂不加入。输煤系统启动时按逆煤流反向依次启动各设备，停止时按照按顺煤流方向依次关闭各设备；

（2）根据火电厂各环节的需要合理设置各设备启停过程中的时间间隔。在本设计中输煤系统各设备启动时间间隔统一设定为10s。停止的时间间隔按设备的不同要求而设定，一般来讲可设定筛碎设备比其他设备延时2min停止，以实现碎煤机在停止过程中是空载的，并且每条煤流输送带上都没有剩煤；

（3）工作过程中，如果任何设备发生故障现象，应立即由故障点发出故障报警，故障点设备自动关闭，故障点沿逆煤流方向上的设备也联跳。故障点顺煤流方向上的设备按顺序延时联锁停止运行；

（4）皮带运输机的控制都由PLC系统完成，只需工作人员开启设备运行即可。系统设计时设置了启动按钮，停止按钮，急停按钮。

2.2 设计内容

本设计主要是锅炉车间输煤机组系统，机组设备包括：给料器、皮带运输机1、碎煤机机、提升机、皮带运输机2、回收机、煤仓，如图2-1所示，输煤装置的控制信号说明见表2-2。

磁选料器

输煤方向

M4

YA

输煤方向

送至煤仓

给料器

提升机

碎煤机

皮带运输机P2

皮带运输机P1

M5

M3

M2

M1

回收机

输煤回收方向

M6

图2-1 输煤机组系统示意图

输煤机组的电机部分由6台异步电动机M1～M6和一台磁选料器YA组成。SA1为输煤系统控制手动/自动切换开关，切换至自动模式后方可选择SB1和SB2分别为自动开车/自动停止按钮。SC为紧急停车按钮，SA4～SA9为手动模式时单机检修所对应的6个控制按钮，这6个按钮分别控制M1～M6的手动启动和停止。HA为装设在输煤路线上的报警电铃，用来提示在输煤机组附近的工作人员整个输煤系统即将起动请注意与各设备保持安全距离。HL1～HL6为Ml～M6电动机的运行指示灯用来指示六台电机是否顺利运行。HL7为手动运行模式指示灯，HL8为输煤机组紧急停止指示灯，HL9为系统运行正常指示灯，HL10为系统过载保护指示灯。

表2-2 输煤装置控制信号说明

输煤机组控制要求如下：

(1) 自动启动/停止功能：SA1手柄扳向右侧时，与SA1-2相连，输煤机组启用自动运行模式。

① 按下自动启动按钮SB1后输煤系统以自动模式正常启动，首先由HA5报警电铃通过音响提示输煤路线上附近区域5s后，回收电动机M6起动运行并打开HL6指示灯；延时10s后，2#皮带运输电动机M5起动运行并打开HL5指示灯；再10s后，提升电动机M4起动运行并打开HL4指示灯；10s后，碎煤电动机M3起动运行并打开HL3指示灯；10s后，1#皮带运输电动机M2起动运行并打开HL2指示灯；10s后，给料器电动机M1和磁选料器YA起动运行并打开HL1指示灯；最后再10s后，打开HL9系统正常运行指示灯，输煤机组正常工作。

② 按下自动停止按钮SB2后输煤系统以自动模式正常停止，首先也是通过报警电铃提示5s后，给料器电动机M1和磁选料器YA停止运行并关闭HL1指示灯，同时，关闭HL9系统正常运行指示灯；延时10s后，1#皮带运输电动机M2停止并关闭HL2指示灯；再延时10s后，碎煤电动机M3停止并关闭HL3指示灯；10s后，提升电动机M4停车并关闭HL4指示灯；10s后，2#皮带运输电动机M5停止并关闭HL5指示灯；最后再延时10s后，回收电动机M6停止并关闭HL6指示灯，至此输煤机组完成自动正常停止。

③ 在三相异步电动机M1～M6和磁选料器YA上装设了以热继电器为基础的过载保护装置。如果6台电动机、磁选料器中任一台单独设备在输煤过程中发生过载故障，过载保护立即让输煤系统全线停止运行并由过载故障点处发出报警指示。此时系统故障指示灯HL10打开，HA电铃将断续进行20s的报警以通知厂内工作人员系统出现故障。系统正常运行指示灯HL9将一直关闭直到事故处理完毕后，输煤系统可以继续正常启动后自动打开。

④ 火电厂输煤机组在正常工作流程中可能会突发各种系统无法自动处理的事件，因此有必要设置紧急停止按钮，在紧急情况发生时通过火力发电厂中心控制室的监控及时完成紧急停止并且防止事故扩大。当需要输煤机组紧急停车时，按下紧急停车按钮SB3，输煤机组立即全线停止，HA报警持续响铃10s后停止，紧急停车指示灯HL8将连续打开直到事故处理完毕，系统可以继续恢复正常运行。

⑤ 在输煤装置中，电机M1～M6与磁选机YA按自动模式依次正常启动运作后，打开HL9系统正常运行指示灯。如果电机或磁选料器不能一般开启，则被视是事故，系统正常运行指示灯HL 9被关闭，输煤机组停止工作。

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