过程控制系统课程设计题 目/基于组态软件的锅炉车间输煤机组控制系统设计 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 自动化1304 学生姓名： 付成龙 学 号： 201323020414 指导教师： 张杰 设计地点： 31520 设计时间： 设计成绩： 指导教师： 本栏由指导教师根据大纲要求审核后，填报成绩并签名。29 / 32摘 要随着我国经济的发展，资源和环境矛盾同趋尖锐，使我国的现代化建设面临严峻挑战。作为供热系统重要能源转换设备的燃煤锅炉能耗巨大，占我国原煤产量的三分之一左右。然而，我国目前很多自动运行的锅炉控制系统自动化水平不高、安全性低，工作效率和环境污染普遍低于国家标准，因此实现锅炉的计算机自动控制具有重要的意义。本文基于西门子公司的S7-200 PLC设计了锅炉输煤机组控制系统。该系统包括下位机控制和上位机控制两部分，下位机控制系统采编用CPU224模块作为控制系统的核心。采用V4/0 STEP 7 Micro/WIN程软件，进行PLC程序设计；选用组态软件“组态王6/53”进行上位机监控画面设计。关键词：PLC 输煤 皮带传送 组态王目 录1 引言12 设计内容和要求13 设计方案23/1 设计信号说明33/2 输煤机组运行过程34 硬件电路设计44/1 系统控制主电路图设计44/2 电器元件的选择54/3 I/O地址分配64/4 PLC控制电路接线图75 软件设计85/1 顺序功能图85/2 程序设计96 系统组态设计106/1 组态软件简介106/2 定义设备变量116/3 建立动画连接136/4 配置运行系统15设计心得17参考文献18附录1：PLC梯形图程序19附录2：组态王应用程序命令语言271 引言锅炉是工业生产或生活采暖的供热源，按其供热的方式分为蒸汽和热水两种。前者主要用于发电、工业生产及间接供热；后者主要用于生活供暖和生活热水，多用于集中供暖地区及宾馆、饭店等。从80年代石横工程1全套引进第一台300MW机组1到至今，锅炉厂房控制系统、控制思路发生了很大的变化，其设计逐渐成熟。由原来的继电器实现控制功能转化为用PLC实现控制功能。随着电力系统市场的开放，减人增效越来越得到工厂包括各级领导的重视，如何优化车间的控制已成为每个工程所必须面临的问题。所谓锅炉输煤系统，是指从送煤开始，一直到将合格的煤块送到原煤仓的整个工艺过程，它包括以下几个主要环节：给煤生产线、选煤、皮带运输系统、破碎与提升、回收系统以及一些辅助生产环节。本设计中主要研究的是其中的输煤系统部分，即煤块从给煤机传输到原煤仓的过程。2 设计内容和要求本项目要求输煤机组主要由6台三相异步电动机M1M6和一台磁选料器YA组成，最终实现对锅炉的输煤机组的运行控制/具备开车、停车的自动和手动控制功能，需具备提醒、保护和紧急停车功能。此外要对供煤机组的运动过程实时监控，在突发故障或意外情况是给予显示以便操作人员对系统故障能够及时排除，此次设计基于以上控制目的。此外在操作台还将有一台触摸屏来监控电控系统运行的各个过程参数。输煤机组控制系统示意图如图2-1所示。图2-1 输煤机组控制系统示意图锅炉车间输煤机组控制设计是根据工业锅炉供煤工艺要求进行设计的，其在工业生产中的主要任务是：能够对电机进行启停，手/自动，紧急停车等基本控制要求。针对以上设计目标，为了保证输煤系统的正常、可靠运行，该系统应满足以下具体要求：（1）供煤时，各设备的启动、停止必须遵循特定的顺序，即对各设备进行联锁控制；（2）各设备启动和停止过程中，要合理设置时间间隔（延时）。启动，停车延时统一设定为10s。启动延时是为保证无煤堆积以发生故障；停车延时是为保证停车时***等为空载状态；（3）运行过程中，某一台设备发生故障时，应立即发出报警并自动停车，其整个输煤设备也立即停车。此外在现场也有控制系统装置运行的按钮；（4）可在线选择启动备用设备。在特殊情况下可开启另一套备用设备，由两条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式。3 设计方案本控制系统是基于PLC控制的设计，并且输煤系统的故障判断是建立在实时监控的基础上的。首先它的硬件部分属于电气控制，软件部分是利用PLC的软件编程对其进行控制6，同时利用组态软件建立上位机监测画面，通过与PLC的通信对运行系统进行实时监测和控制。系统总体设计框图如图3-1所示。图3-1 系统设计总体框图3/1 设计信号说明输煤机组的拖动系统由6台三相异步电动机M1M6和一台磁选料器YA组成。SA1为手动/自动转换开关，SB1和SB2为自动开车/停车按钮，SB3为事故紧急停车按钮，SB4SB9为6个控制按钮，手动时单机操作使用。HA为开车/停车时讯响器，提示在输煤机组附近的工作人员，输煤机准备起动请注意安全。HL1为手动运行指示，HL2为紧急停车指示，HL3为系统运行状态指示。为保证输煤机组输煤顺畅，开车采用逆煤流方向启动，停车时按顺煤流方向停车。输煤机组的控制信号说明见表3-1。表3-1输煤机组控制信号说明输 入输 出文字符号说 明文字符号说 明SA1-1输煤机组手动控制开关KM1给料器和磁选料器接触器SA1-2输煤机组自动控制开关KM21#送煤机接触器SB1输煤机组自动开车按钮KM3***接触器SB2输煤机组自动停车按钮KM4提升机接触器SB3输煤机组紧急停车按钮KM52#送煤机接触器SB4给料器和磁选料器手动按钮KM6回收机接触器SB5送煤机P1手动按钮HL1手动运行指示灯SB6***手动按钮HL2紧急停车指示灯SB7提升机手动按钮HL3系统运行状态指示灯SB8送煤机P2手动按钮HA报警电铃SB9回收机手动按钮FRM1M6，YA过载保护信号3/2 输煤机组运行过程1/手动开车/停车功能SA1手柄指向左45时，接点SA1-1接通，通过SB4SB9控制按钮，对输煤机组单台设备***调试与维护使用，任何一台单机开车/停车时都有音响提示，保证检修和调试时人身和设备安全。2/自动开车/停车功能SA1手柄指向右45时，接点SA1-2接通，输煤机组自动运行。(1) 正常开车 按下自动开车按钮SB1，音响提示5s后回收电动机M6起动运行；10s后送煤机P2电动机M5电动机起动运行；10s后提升电动机M4起动运行；10s后破碎电动机M3起动运行；10s后送煤机P1电动机M2起动运行；10s后给料器电动机M1和磁选料器YA起动运行并；10s后，点亮HL3系统运行状态指示灯，输煤机组正常运行。(2) 正常停车 按下自动开车按钮SB2，音响提示5s后给料器电动机M1和磁选料器YA停车，同时，熄灭HL3系统运行状态指示灯；10s后送煤机P2电动机M2停车；10s后破碎电动机M3停车；10s后提升电动机M4停车；10s后送煤机P1电动机M5电动机停车；10s后，回收电动机M6停车；至此输煤机组全部正常停车。(3) 过载保护 输煤机组有三相异步电动机M1M6和磁选料器YA的过载保护装置热继电器，如果电动机、磁选料器在输煤生产中，发生过载故障需立即全线停车并发出报警指示，HA电铃断续报警20s，到事故处理完毕，继续正常开车，恢复生产。(4) 紧急停车 输煤机组正常生产过程中，可能会突发各种事件，因此需要设置紧急停车按钮，实现紧急停车防止事故扩大。紧急停车与正常停车不同，当按下紧急停车按钮SB3时，输煤机组立即全线停车，HA警报声持续10s停止，紧急停车指示灯HL2连续闪亮10s，直到事故处理完毕，恢复正常生产。(5) 系统正常运行指示 输煤机组中，拖动电动机M1M6和磁选料器YA按照程序全部正常起动运行后，HL3指示灯点亮。如果有一台电动机或选料器未能正常起动运行，则视为故障，输煤机组停车。4 硬件电路设计4/1 系统控制主电路图设计按照设计方案，给料器M1、P1送煤机M2、***M3、提升机M4、P2送煤机M5和回收电动机M6由6台三相异步电动机拖动。磁选料器YA由两相电源提供。负载M2-M6由接触器KM2-KM6控制，给料器M1和磁选料器YA共同由KM1控制。由于***M3功率为13KW和2#送煤机M5功率为75KW都比7/5KW大，在实际使用中要采用星三角降压启动。其余负载均采用直接启动方式，本设计考虑实验室PLC I/O口数***，只做直接启动。主电路图见图4-1。电源回收机送煤机P1提升机***送煤机P2给料器及磁选料器图4-1 输煤机控制主电路图（1) 主回路中交流接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分别控制三相异步电动机M1给料电动机，M2送煤电动机，M3破碎电动机，M4提升电动机，M5送煤电动机，M6回收电动机。（2) 热继电器FR1、FR2、FR3、FR4、FR5、FR6的作用是对电动机M1、M2、M3、M4、M5、M6实现过载保护。（3) 熔断器FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6分别实现各负载回路的短路保护。 4/2 电器元件的选择设计该控制系统室考虑实验室调试方便，使用了最简的点数，输入点数有：2个输入开关分别控制手动/自动控制，9个输入按钮分别为SB1和SB2为自动开车/停车按钮，SB3为事故紧急停车按钮，SB4SB9分为6个电动机控制按钮。 输出点数有：6个输出接触器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分别控制三相异步电动机M1给料电动机，M2送煤电动机，M3破碎电动机，M4提升电动机，3个输出指示灯其中HL1手动运行指示灯、HL2为紧急停车指示灯、HL3为系统运行状态指示灯和1个输出HA电铃。继电-接触器系统虽然有较好的抗干扰能力，但使用了大量的机械触点，使得设备连线复杂，且触电在开闭是易受电弧的危害，寿命短，系统可靠性差；所以如果采用继电-接触器控制方式，控制电路将会很复杂，而且可靠性难以保证。本文按照本课题的控制要求，控制过程主要采用逻辑和顺序控制，PLC恰能满足此控制要求。所以用PLC进行控制，不仅能满足控制要求、控制方便简单，而且具有较高的可靠性。因此，本设计应采用PLC进行控制。（1）本设计采用西门子S7-200PLC/使用CPU224模块，其输入/输出接口（I/O）数量分别为输入端口14个，输出端口10个，刚好可以满足本设计的I/O使用需求。（2）为保证负载安全可靠的供电，所以采用输出形式为继电器。4/3 I/O地址分配I/O信号在PLC接线图端子的地址分配是进行PC控制系统设计的基础。对软件设计来说，分配I/O点地址以后才可以进行编程；对控制柜和PLC的外围接线来说，只有I/O点地址确定以后，才可以绘制电气接线图、装配图，让装配人员根据接线图和安装图安装控制柜。由上硬件系统的选择可知控制系统使用一个CPU224即可。CPU224基本单元的I/O地址如下：I0/0 I0/1、IO/2、I0/3、I0/4、I0/5、I0/6、I0/7、I1/0、I1/1、I1/2、I1/3、I1/4、I1/5；Q0/0、Q0/1、Q0/2、Q0/3、Q0/4、Q0/5、Q0/6、Q0/7、Q1/0、Q1/1PLC输入输出接口地址分配表见表4-1。表4-1 PLC输入输出接口地址分配表输入信号输煤机组手动控制开关SA1-1I0/0输煤机组自动控制开关SA1-2I0/1输煤机组自动开车按钮SB1I0/2输煤机组自动停车按钮SB2I0/3输煤机组紧急停车按钮SB3I0/4给料器磁选料器手动按钮SB4I0/5送煤机P1手动按钮SB5I0/6***手动按钮SB6I0/7提升机手动按钮SB7I1/0送煤机P2手动按钮SB8I1/1回收机手动按钮SB9I1/2M1-M6/YA过载保护信号FRI1/3输出信号给料器磁选料器接触器KM1Q0/0送煤机P1接触器KM2Q0/1***接触器KM3Q0/2提升机接触器KM4Q0/3送煤机P2接触器KM5Q0/4回收机接触器KM6Q0/5手动运行指示灯HL1Q0/6紧急停车指示灯HL2Q0/7系统正常运行指示灯HL3Q1/0报警电铃HAQ1/14/4 PLC控制电路接线图 根据上述硬件选型及工艺要求，绘制PLC控制电路接线图，如图4-2。在接线过程中要注意，在实验室的试验箱中输入公共端1M/2M要求连接24VDC电源的的正极“L+”处，此时输入端是低电平有效；输出公共端的1L/2L/3L要求连接24VDC电源的负极“M”处，此时输出端输出的是高电平有效。图4-2 I/O接线图5 软件设计本设计选用西门子公司的S7-200PLC刚好可以满足设计要求，程序是设计使用西门子公司的V4/0 STEP 7 Micro/WIN SP3编程软件。此软件具有汉化的语言，使用起来十分方便。该软件功能强大，界面友好，并有方便的联机帮助功能。可以使用此软件开发PLC应用程序，同时也可以实时监控用户程序的执行状态。西门子S7-200 PLC的编程语言有三种8，分别是：梯形图（LAD）和功能块图（FBD）是一种图形语言，语句表（STL）是一种类似于汇编语言的文本型语言。三种语言之间可以相互转化，本设计采用梯形图编程。5/1 顺序功能图输煤机组的控制过程分为自动和手动控制方式。在自动控制模式下，要求各负载从M6到M1逆序自动启动，并能从M1到M6顺序自动停止。同时，该输煤机组还能在手动控制模式下进行点动，以便调试和维修。而且，该系统还能实现过载保护、紧急停车和故障提醒功能，并有相应的指示报警功能。根据此要求，本设计采用SCR指令编写梯形图程序9。输煤机组的整个运行过程可以用顺序功能图来描述。锅炉车间输煤机组控制系统的顺序功能图如图5-1所示，该顺序功能图非常直观，清楚地面描述了锅炉车间输煤机组自动工作的过程。图5-1 输煤机组自动控制顺序功能图5/2 程序设计程序设计要根据I/O地址的分配和要实现的功能结合硬件电气的连接进行编程，来实现设计系统要完成的功能，PLC进入运行状态后，首先进行手动/自动的选择，所以程序的主流程图如图5-2所示。图5-2 控制程序主流程图当系统以手动方式运行时，是单个设备点动控制，较为简单，这里不再做程序流程图。当系统以自动方式运行时，PLC运行的程序流程图如图5-3所示。图5-3 输煤机组程序设计流程图6 系统组态设计6/1 组态软件简介组态的概念是伴随着集散型控制系统(Distributed Control System 简称DCS)的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。组态的概念最早来自英文Configuration，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到让计算机或软件按照预先设置自动执行特定任务、满足使用者要求的目的。监控组态软件是面向监控与数据采集（Supervisory Control and Data Acquisition/ SCADA）的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。监控组态软件最早出现时/主要解决人机图形界面问题。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容。组态王是北京亚控公司开发的一款工业组态软件，是中国最早的一款组态工具，在中国使用的监控软件中，组态王拥有国内最多的用户，也是目前国内的所有国产组态软件中最成熟的一款。组态王有着强大的硬件设备支持功能，几乎目前国内所有的PLC设备都能支持。它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。基于以上优点，因此我这次设计中的上位机的操作界面就使用组态王6/53来做。6/2 定义设备变量在组态王工程浏览器中提供了“数据库”项供用户定义设备变量11。数据库是“组态王软件”最核心的部分。在组态王运行时，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为核心，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。数据库中变量的***形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。数据词典中存放的是应用工程中定义的变量以及系统变量。变量可以分为基本类型和特殊类型两大类，基本类型的变量又分为内存变量和I/O 变量两种。基本类型的变量也可以按照数据类型分为离散型、实型、整型和字符串型。下面开始进行本设计的变量定义，首先在工程浏览器树型目录中选择“数据词典”，在右侧双击“新建”图标，弹出“变量属性”对话框，在对话框中添加：变量名：手动开关变量类型：I/O 离散连接设备：plc寄存器：M10/0数据类型：bit采集频率：1000 毫秒读写属性：读写其他默认如图6-1所示。设置完成后单击“确定”，即完成一个变量的定义。图6-1 变量定义由于变量的定义要根据监控画面的需要，同时要结合动画连接需要，它们之间不是按顺序进行，而是交替进行的。根据设计需要，继续添加不同变量，本设计的完整的变量如图6-2所示。图6-2 建立的变量6/3 建立动画连接所谓“动画连接”就是建立画面的图素与数据库变量的对应关系。在组态王开发系统中制作的画面都是静态的，它们要想反映工业现场的状况，必须通过实时数据库，因为只有数据库中的变量才是与现场状况同步变化的。这样，工业现场的数据，比如指示灯、没快动作等，当它们发生变化时，通过I/O 接口，将引起实时数据库中变量的变化。 给图形对象定义动画连接是在“动画连接” 对话框中进行的。在组态王开发系统中双击送煤机P1“皮带滑轮”图素对象（不能有多个图形对象同时被选中），弹出动画连接对话框如图6-3所示。图6-3 动画连接此动画连接是定义滑轮的旋转，点击“旋转”，弹出“旋转连接”对话框，点击右侧的“？”进行变量关联“本站点送煤机1滑轮”，如图6-4所示，单击确定完成动画连接。图6-4 关联变量通过“动画连接”的建立还不能完全表达实际的运行情况，这个时候就需要新建一些内部变量，然后双击组态王工程浏览器中树形目录中“命令语言”下的“应用程序命令语言”，进入“应用程序命令语言”编辑对话框，如图6-5所示，在此对话框中编写监控画面中元素的动作命令即可。点击“确定”完成命令语言编写，完整应用程序命令语言见附录2。图6-5 应用程序命令语言6/4 配置运行系统在运行组态王工程之前首先要在开发系统中对运行系统环境进行配置。在开发系统中单击菜单栏“配置运行系统”命令活动工具条或工程浏览器工程项目显示区“系统配置、设置运行系统”图标后，弹出“运行系统设置”对话框，单击“主画面配置”属性，则此属性页对话框弹出，同时属性页画面列表对话框中列出了当前应用程序所有有效的画面。如果希望将某个画面设为主画面即为当前运行的画面，例如本例将“锅炉输煤机组监控画面”设为运行时的主画面。配置完成后的监控画面如图6-6所示。图6-6 监控画面设计心得本文进行了控制系统模拟设计与仿真，在设计中主要做了以下工作：(1) 收集和整理了输煤机组设计方案及监控管理研究现状的资料，分析了输煤机组类型的原理，得出“安全、可靠、经济”符合我国现状的输煤机组供煤设计。(2) 通过对输煤机组运行原理的分析，设计了用可编程***PLC实现输煤机组控制系统，实现了对六电机模拟的控制，对PLC在复杂控制系统中的灵活应用有一定的理论意义和较大的实际价值。(3) 学习了基于组态王对控制系统虚拟仿真和与上位机通信的实现方法，明确了组态王实现上微机监控的方法和制作过程，作为上位机监控技术的应用，该软件较直观、真实体现了输煤机组的运行过程，并且为实际中的控制装置的开发与调试开辟一条经济、可靠的途径。 根据本次设计内容，本人认为还需要以下方面继续努力：(1) 关于控制方面的展望：在我国，输煤机组的发展还处在发展阶段，随着模糊控制、神经网络控制、专家系统控制等先进控制理论的不断发展，对现有的功能模块不断更新有助于控制系统向智能化方向发展。(2) 对组态软件组态王的展望：好的组态软件不但可以很好地模拟控制系统，并且支持实际控制过程中的数据通信远程监控形象直观。在工程中变量的互用方面，组态王有待进一步的努力。参考文献1 余菊香/石横工程***质量管理J/***技术/1990(04)/34-36/2 赵利军/皮带输送机启动特性分析J/机械研究与应用/2011/(03)/45-48/ 3 李蓄，郝明景/浅谈PLC控制在输煤系统中的使用J/科技信息/ 2006/(10)/ 120-121/4 张攀峰，张开生，郭国法/基于PLC控制的皮带输送机系统的应用J/微计算机信息/ 2005/(05)/ 50-51/5 贺廉云/用于PLC控制的皮带输煤系统J/农业装备与车辆工程/2008/(05)/41-43/6 张炳良/方宝生/PLC技术在带式输送机自动控制系统中的应用与研究J/煤炭工程/ 2004/(06)/69-70/ 7 孟祥忠/基于组态软件的PLC系统设计方案选取原则J/科技制造装备，2011/(10)/76-78/8 林小峰/可编程***及应用M/北京/高等教育出版社，1991/9 李军/组态软件在PLC实践教学中的应用J/教育创新/2011/(10)/263-264/10 刘璐，朱一凡/基于PLC与组态王的带式输送机控制系统设计J/煤矿机械，2010/(06)/20-22/11组态王中级教程 北京亚控科技发展有限公司 2004/12 邵裕森/ 过程控制工程M/ 北京/机械工业出版社/2000/附录1：PLC梯形图程序 子程序 附录2：组态王应用程序命令语言if(本站点给料和选料按扭接触器=1)本站点给料器煤块=本站点给料器煤块+50/if(本站点给料器煤块=100)本站点给料器煤块=0/本站点磁选料器煤快
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