1、過程控制系統課程設計題 目:基于組態軟件的鍋爐車間輸煤機組控制系統設計 院系名稱： 電氣工程學院 專業班級： 自動化1304 學生姓名： 付成龍 學 號： 201323020414 指導教師： 張杰 設計地點： 31520 設計時間： 設計成績： 指導教師： 本欄由指導教師根據大綱要求審核后，填報成績并簽名。1摘 要隨著我國經濟的發展，資源和環境矛盾同趨尖銳，使我國的現代化建設面臨嚴峻挑戰。作為供熱系統重要能源轉換設備的燃煤鍋爐能耗巨大，占我國原煤產量的三分之一左右。然而，我國目前很多自動運行的鍋爐控制系統自動化水平不高、安全性低，工作效率和環境污染普遍低于國家標準，因此實現鍋爐的計算機自動控

2、制具有重要的意義。本文基于西門子公司的S7-200 PLC設計了鍋爐輸煤機組控制系統。該系統包括下位機控制和上位機控制兩部分，下位機控制系統采編用CPU224模塊作為控制系統的核心。采用V4.0 STEP 7 Micro/WIN程軟件，進行PLC程序設計；選用組態軟件“組態王6.53”進行上位機監控畫面設計。關鍵詞：PLC 輸煤 皮帶傳送 組態王I目 錄1 引言12 設計內容和要求13 設計方案23.1 設計信號說明33.2 輸煤機組運行過程34 硬件電路設計44.1 系統控制主電路圖設計44.2 電器元件的選擇54.3 I/O地址分配64.4 PLC控制電路接線圖75 軟件設計85.1 順序

3、功能圖85.2 程序設計96 系統組態設計106.1 組態軟件簡介106.2 定義設備變量116.3 建立動畫連接136.4 配置運行系統15設計心得17參考文獻18附錄1：PLC梯形圖程序19附錄2：組態王應用程序命令語言27II1 引言鍋爐是工業生產或生活采暖的供熱源，按其供熱的方式分為蒸汽和熱水兩種。前者主要用于發電、工業生產及間接供熱；后者主要用于生活供暖和生活熱水，多用于集中供暖地區及賓館、飯店等。從80年代石橫工程1全套引進第一臺300MW機組1到至今，鍋爐廠房控制系統、控制思路發生了很大的變化，其設計逐漸成熟。由原來的繼電器實現控制功能轉化為用PLC實現控制功能。隨著電力系統市場

4、的開放，減人增效越來越得到工廠包括各級領導的重視，如何優化車間的控制已成為每個工程所必須面臨的問題。所謂鍋爐輸煤系統，是指從送煤開始，一直到將合格的煤塊送到原煤倉的整個工藝過程，它包括以下幾個主要環節：給煤生產線、選煤、皮帶運輸系統、破碎與提升、回收系統以及一些輔助生產環節。本設計中主要研究的是其中的輸煤系統部分，即煤塊從給煤機傳輸到原煤倉的過程。2 設計內容和要求本項目要求輸煤機組主要由6臺三相異步電動機M1M6和一臺磁選料器YA組成，最終實現對鍋爐的輸煤機組的運行控制,具備開車、停車的自動和手動控制功能，需具備提醒、保護和緊急停車功能。此外要對供煤機組的運動過程實時監控，在突發故障或意外情

5、況是給予顯示以便操作人員對系統故障能夠及時排除，此次設計基于以上控制目的。此外在操作臺還將有一臺觸摸屏來監控電控系統運行的各個過程參數。輸煤機組控制系統示意圖如圖2-1所示。圖2-1 輸煤機組控制系統示意圖鍋爐車間輸煤機組控制設計是根據工業鍋爐供煤工藝要求進行設計的，其在工業生產中的主要任務是：能夠對電機進行啟停，手/自動，緊急停車等基本控制要求。針對以上設計目標，為了保證輸煤系統的正常、可靠運行，該系統應滿足以下具體要求：（1）供煤時，各設備的啟動、停止必須遵循特定的順序，即對各設備進行聯鎖控制； （2）各設備啟動和停止過程中，要合理設置時間間隔（延時）。啟動，停車延時統一設定為1

6、0s。啟動延時是為保證無煤堆積以發生故障；停車延時是為保證停車時破碎機等為空載狀態；（3）運行過程中，某一臺設備發生故障時，應立即發出報警并自動停車，其整個輸煤設備也立即停車。此外在現場也有控制系統裝置運行的按鈕； （4）可在線選擇啟動備用設備。在特殊情況下可開啟另一套備用設備，由兩條輸煤線的有關設備組成交叉供煤方式。 3 設計方案本控制系統是基于PLC控制的設計，并且輸煤系統的故障判斷是建立在實時監控的基礎上的。首先它的硬件部分屬于電氣控制，軟件部分是利用PLC的軟件編程對其進行控制6，同時利用組態軟件建立上位機監測畫面，通過與PLC的通信對運行系統進行實時監測和控制。系

7、統總體設計框圖如圖3-1所示。圖3-1 系統設計總體框圖3.1 設計信號說明輸煤機組的拖動系統由6臺三相異步電動機M1M6和一臺磁選料器YA組成。SA1為手動/自動轉換開關，SB1和SB2為自動開車/停車按鈕，SB3為事故緊急停車按鈕，SB4SB9為6個控制按鈕，手動時單機操作使用。HA為開車/停車時訊響器，提示在輸煤機組附近的工作人員，輸煤機準備起動請注意安全。HL1為手動運行指示，HL2為緊急停車指示，HL3為系統運行狀態指示。為保證輸煤機組輸煤順暢，開車采用逆煤流方向啟動，停車時按順煤流方向停車。輸煤機組的控制信號說明見表3-1。表3-1輸煤機組控制信號說明輸 入輸 出文字符號說 明文字

8、符號說 明SA1-1輸煤機組手動控制開關KM1給料器和磁選料器接觸器SA1-2輸煤機組自動控制開關KM21#送煤機接觸器SB1輸煤機組自動開車按鈕KM3破碎機接觸器SB2輸煤機組自動停車按鈕KM4提升機接觸器SB3輸煤機組緊急停車按鈕KM52#送煤機接觸器SB4給料器和磁選料器手動按鈕KM6回收機接觸器SB5送煤機P1手動按鈕HL1手動運行指示燈SB6破碎機手動按鈕HL2緊急停車指示燈SB7提升機手動按鈕HL3系統運行狀態指示燈SB8送煤機P2手動按鈕HA報警電鈴SB9回收機手動按鈕FRM1M6，YA過載保護信號3.2 輸煤機組運行過程1.手動開車/停車功能SA1手柄指向左45º時，

9、接點SA1-1接通，通過SB4SB9控制按鈕，對輸煤機組單臺設備獨立調試與維護使用，任何一臺單機開車/停車時都有音響提示，保證檢修和調試時人身和設備安全。2.自動開車/停車功能SA1手柄指向右45º時，接點SA1-2接通，輸煤機組自動運行。(1) 正常開車 按下自動開車按鈕SB1，音響提示5s后回收電動機M6起動運行；10s后送煤機P2電動機M5電動機起動運行；10s后提升電動機M4起動運行；10s后破碎電動機M3起動運行；10s后送煤機P1電動機M2起動運行；10s后給料器電動機M1和磁選料器YA起動運行并；10s后，點亮HL3系統運行狀態指示燈，輸煤機組正常運行。(2) 正常停車

10、 按下自動開車按鈕SB2，音響提示5s后給料器電動機M1和磁選料器YA停車，同時，熄滅HL3系統運行狀態指示燈；10s后送煤機P2電動機M2停車；10s后破碎電動機M3停車；10s后提升電動機M4停車；10s后送煤機P1電動機M5電動機停車；10s后，回收電動機M6停車；至此輸煤機組全部正常停車。(3) 過載保護 輸煤機組有三相異步電動機M1M6和磁選料器YA的過載保護裝置熱繼電器，如果電動機、磁選料器在輸煤生產中，發生過載故障需立即全線停車并發出報警指示，HA電鈴斷續報警20s，到事故處理完畢，繼續正常開車，恢復生產。(4) 緊急停車 輸煤機組正常生產過程中，可能會突發各種事件，因此需要設置

11、緊急停車按鈕，實現緊急停車防止事故擴大。緊急停車與正常停車不同，當按下緊急停車按鈕SB3時，輸煤機組立即全線停車，HA警報聲持續10s停止，緊急停車指示燈HL2連續閃亮10s，直到事故處理完畢，恢復正常生產。(5) 系統正常運行指示 輸煤機組中，拖動電動機M1M6和磁選料器YA按照程序全部正常起動運行后，HL3指示燈點亮。如果有一臺電動機或選料器未能正常起動運行，則視為故障，輸煤機組停車。4 硬件電路設計4.1 系統控制主電路圖設計按照設計方案，給料器M1、P1送煤機M2、破碎機M3、提升機M4、P2送煤機M5和回收電動機M6由6臺三相異步電動機拖動。磁選料器YA由兩相電源提供。負載M2-M6

12、由接觸器KM2-KM6控制，給料器M1和磁選料器YA共同由KM1控制。由于破碎機M3功率為13KW和2#送煤機M5功率為75KW都比7.5KW大，在實際使用中要采用星三角降壓啟動。其余負載均采用直接啟動方式，本設計考慮實驗室PLC I/O口數限制，只做直接啟動。主電路圖見圖4-1。電源回收機送煤機P1提升機破碎機送煤機P2給料器及磁選料器圖4-1 輸煤機控制主電路圖（1) 主回路中交流接觸器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分別控制三相異步電動機M1給料電動機，M2送煤電動機，M3破碎電動機，M4提升電動機，M5送煤電動機，M6回收電動機。（2) 熱繼電器FR1、FR2、FR3、F

13、R4、FR5、FR6的作用是對電動機M1、M2、M3、M4、M5、M6實現過載保護。（3) 熔斷器FU1、FU2、FU3、FU4、FU5、FU6分別實現各負載回路的短路保護。 4.2 電器元件的選擇設計該控制系統室考慮實驗室調試方便，使用了最簡的點數，輸入點數有：2個輸入開關分別控制手動/自動控制，9個輸入按鈕分別為SB1和SB2為自動開車/停車按鈕，SB3為事故緊急停車按鈕，SB4SB9分為6個電動機控制按鈕。 輸出點數有：6個輸出接觸器KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6分別控制三相異步電動機M1給料電動機，M2送煤電動機，M3破碎電動機，M4提升電動機，3個輸出指示燈其中HL1

14、手動運行指示燈、HL2為緊急停車指示燈、HL3為系統運行狀態指示燈和1個輸出HA電鈴。繼電-接觸器系統雖然有較好的抗干擾能力，但使用了大量的機械觸點，使得設備連線復雜，且觸電在開閉是易受電弧的危害，壽命短，系統可靠性差；所以如果采用繼電-接觸器控制方式，控制電路將會很復雜，而且可靠性難以保證。本文按照本課題的控制要求，控制過程主要采用邏輯和順序控制，PLC恰能滿足此控制要求。所以用PLC進行控制，不僅能滿足控制要求、控制方便簡單，而且具有較高的可靠性。因此，本設計應采用PLC進行控制。（1）本設計采用西門子S7-200PLC,使用CPU224模塊，其輸入/輸出接口（I/O）數量分別為輸入端口1

15、4個，輸出端口10個，剛好可以滿足本設計的I/O使用需求。（2）為保證負載安全可靠的供電，所以采用輸出形式為繼電器。4.3 I/O地址分配I/O信號在PLC接線圖端子的地址分配是進行PC控制系統設計的基礎。對軟件設計來說，分配I/O點地址以后才可以進行編程；對控制柜和PLC的外圍接線來說，只有I/O點地址確定以后，才可以繪制電氣接線圖、裝配圖，讓裝配人員根據接線圖和安裝圖安裝控制柜。由上硬件系統的選擇可知控制系統使用一個CPU224即可。CPU224基本單元的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、

16、I1.4、I1.5；Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1PLC輸入輸出接口地址分配表見表4-1。表4-1 PLC輸入輸出接口地址分配表輸入信號輸煤機組手動控制開關SA1-1I0.0輸煤機組自動控制開關SA1-2I0.1輸煤機組自動開車按鈕SB1I0.2輸煤機組自動停車按鈕SB2I0.3輸煤機組緊急停車按鈕SB3I0.4給料器磁選料器手動按鈕SB4I0.5送煤機P1手動按鈕SB5I0.6破碎機手動按鈕SB6I0.7提升機手動按鈕SB7I1.0送煤機P2手動按鈕SB8I1.1回收機手動按鈕SB9I1.2M1-M6,YA過載保護信號FRI

17、1.3輸出信號給料器磁選料器接觸器KM1Q0.0送煤機P1接觸器KM2Q0.1破碎機接觸器KM3Q0.2提升機接觸器KM4Q0.3送煤機P2接觸器KM5Q0.4回收機接觸器KM6Q0.5手動運行指示燈HL1Q0.6緊急停車指示燈HL2Q0.7系統正常運行指示燈HL3Q1.0報警電鈴HAQ1.14.4 PLC控制電路接線圖 根據上述硬件選型及工藝要求，繪制PLC控制電路接線圖，如圖4-2。在接線過程中要注意，在實驗室的試驗箱中輸入公共端1M/2M要求連接24VDC電源的的正極“L+”處，此時輸入端是低電平有效；輸出公共端的1L/2L/3L要求連接24VDC電源的負極“M”處，此時輸出端輸出的是高

18、電平有效。圖4-2 I/O接線圖5 軟件設計本設計選用西門子公司的S7-200PLC剛好可以滿足設計要求，程序是設計使用西門子公司的V4.0 STEP 7 Micro/WIN SP3編程軟件。此軟件具有漢化的語言，使用起來十分方便。該軟件功能強大，界面友好，并有方便的聯機幫助功能。可以使用此軟件開發PLC應用程序，同時也可以實時監控用戶程序的執行狀態。西門子S7-200 PLC的編程語言有三種8，分別是：梯形圖（LAD）和功能塊圖（FBD）是一種圖形語言，語句表（STL）是一種類似于匯編語言的文本型語言。三種語言之間可以相互轉化，本設計采用梯形圖編程。5.1 順序功能圖輸煤機組的控制過程分為自

19、動和手動控制方式。在自動控制模式下，要求各負載從M6到M1逆序自動啟動，并能從M1到M6順序自動停止。同時，該輸煤機組還能在手動控制模式下進行點動，以便調試和維修。而且，該系統還能實現過載保護、緊急停車和故障提醒功能，并有相應的指示報警功能。根據此要求，本設計采用SCR指令編寫梯形圖程序9。輸煤機組的整個運行過程可以用順序功能圖來描述。鍋爐車間輸煤機組控制系統的順序功能圖如圖5-1所示，該順序功能圖非常直觀，清楚地面描述了鍋爐車間輸煤機組自動工作的過程。圖5-1 輸煤機組自動控制順序功能圖5.2 程序設計程序設計要根據I/O地址的分配和要實現的功能結合硬件電氣的連接進行編程，來實現設計系統要完

20、成的功能，PLC進入運行狀態后，首先進行手動/自動的選擇，所以程序的主流程圖如圖5-2所示。圖5-2 控制程序主流程圖當系統以手動方式運行時，是單個設備點動控制，較為簡單，這里不再做程序流程圖。當系統以自動方式運行時，PLC運行的程序流程圖如圖5-3所示。圖5-3 輸煤機組程序設計流程圖6 系統組態設計6.1 組態軟件簡介組態的概念是伴隨著集散型控制系統(Distributed Control System 簡稱DCS)的出現才開始被廣大的生產過程自動化技術人員所熟知的。組態的概念最早來自英文Configuration，含義是使用軟件工具對計算機及軟件的各種資源進行配置，達到讓計算機或軟件按照

21、預先設置自動執行特定任務、滿足使用者要求的目的。監控組態軟件是面向監控與數據采集（Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA）的軟件平臺工具，具有豐富的設置項目，使用方式靈活，功能強大。監控組態軟件最早出現時,主要解決人機圖形界面問題。隨著它的快速發展，實時數據庫、實時控制、通訊及聯網、開放數據接口、對I/O設備的廣泛支持已經成為它的主要內容。組態王是北京亞控公司開發的一款工業組態軟件，是中國最早的一款組態工具，在中國使用的監控軟件中，組態王擁有國內最多的用戶，也是目前國內的所有國產組態軟件中最成熟的一款。組態王有著強大的硬件設備支持功能，幾

22、乎目前國內所有的PLC設備都能支持。它融過程控制設計、現場操作以及工廠資源管理于一體，將一個企業內部的各種生產系統和應用以及信息交流匯集在一起，實現最優化管理。采用組態王軟件開發工業監控工程，可以極大地增強用戶生產控制能力、提高工廠的生產力和效率、提高產品的質量、減少成本及原材料的消耗。它適用于從單一設備的生產運營管理和故障診斷，到網絡結構分布式大型集中監控管理系統的開發。基于以上優點，因此我這次設計中的上位機的操作界面就使用組態王6.53來做。6.2 定義設備變量在組態王工程瀏覽器中提供了“數據庫”項供用戶定義設備變量11。數據庫是“組態王軟件”最核心的部分。在組態王運行時，工業現場的生產狀

23、況要以動畫的形式反映在屏幕上，操作者在計算機前發布的指令也要迅速送達生產現場，所有這一切都是以實時數據庫為核心，所以說數據庫是聯系上位機和下位機的橋梁。數據庫中變量的集合形象地稱為“數據詞典”，數據詞典記錄了所有用戶可使用的數據變量的詳細信息。數據詞典中存放的是應用工程中定義的變量以及系統變量。變量可以分為基本類型和特殊類型兩大類，基本類型的變量又分為內存變量和I/O 變量兩種。基本類型的變量也可以按照數據類型分為離散型、實型、整型和字符串型。下面開始進行本設計的變量定義，首先在工程瀏覽器樹型目錄中選擇“數據詞典”，在右側雙擊“新建”圖標，彈出“變量屬性”對話框，在對話框中添加：變量名：手動開

24、關變量類型：I/O 離散連接設備：plc寄存器：M10.0數據類型：bit采集頻率：1000 毫秒讀寫屬性：讀寫其他默認如圖6-1所示。設置完成后單擊“確定”，即完成一個變量的定義。圖6-1 變量定義由于變量的定義要根據監控畫面的需要，同時要結合動畫連接需要，它們之間不是按順序進行，而是交替進行的。根據設計需要，繼續添加不同變量，本設計的完整的變量如圖6-2所示。圖6-2 建立的變量6.3 建立動畫連接所謂“動畫連接”就是建立畫面的圖素與數據庫變量的對應關系。在組態王開發系統中制作的畫面都是靜態的，它們要想反映工業現場的狀況，必須通過實時數據庫，因為只有數據庫中的變量才是與現場狀況同步變化的。

25、這樣，工業現場的數據，比如指示燈、沒快動作等，當它們發生變化時，通過I/O 接口，將引起實時數據庫中變量的變化。 給圖形對象定義動畫連接是在“動畫連接” 對話框中進行的。在組態王開發系統中雙擊送煤機P1“皮帶滑輪”圖素對象（不能有多個圖形對象同時被選中），彈出動畫連接對話框如圖6-3所示。圖6-3 動畫連接此動畫連接是定義滑輪的旋轉，點擊“旋轉”，彈出“旋轉連接”對話框，點擊右側的“？”進行變量關聯“本站點送煤機1滑輪”，如圖6-4所示，單擊確定完成動畫連接。圖6-4 關聯變量通過“動畫連接”的建立還不能完全表達實際的運行情況，這個時候就需要新建一些內部變量，然后雙擊組態王工程瀏覽器中樹形目錄

26、中“命令語言”下的“應用程序命令語言”，進入“應用程序命令語言”編輯對話框，如圖6-5所示，在此對話框中編寫監控畫面中元素的動作命令即可。點擊“確定”完成命令語言編寫，完整應用程序命令語言見附錄2。圖6-5 應用程序命令語言6.4 配置運行系統在運行組態王工程之前首先要在開發系統中對運行系統環境進行配置。在開發系統中單擊菜單欄“配置運行系統”命令活動工具條或工程瀏覽器工程項目顯示區“系統配置、設置運行系統”圖標后，彈出“運行系統設置”對話框，單擊“主畫面配置”屬性，則此屬性頁對話框彈出，同時屬性頁畫面列表對話框中列出了當前應用程序所有有效的畫面。如果希望將某個畫面設為主畫面即為當前運行的畫面，

27、例如本例將“鍋爐輸煤機組監控畫面”設為運行時的主畫面。配置完成后的監控畫面如圖6-6所示。圖6-6 監控畫面設計心得本文進行了控制系統模擬設計與仿真，在設計中主要做了以下工作：(1) 收集和整理了輸煤機組設計方案及監控管理研究現狀的資料，分析了輸煤機組類型的原理，得出“安全、可靠、經濟”符合我國現狀的輸煤機組供煤設計。(2) 通過對輸煤機組運行原理的分析，設計了用可編程控制器PLC實現輸煤機組控制系統，實現了對六電機模擬的控制，對PLC在復雜控制系統中的靈活應用有一定的理論意義和較大的實際價值。(3) 學習了基于組態王對控制系統虛擬仿真和與上位機通信的實現方法，明確了組態王實現上微機監控的方法

28、和制作過程，作為上位機監控技術的應用，該軟件較直觀、真實體現了輸煤機組的運行過程，并且為實際中的控制裝置的開發與調試開辟一條經濟、可靠的途徑。 根據本次設計內容，本人認為還需要以下方面繼續努力：(1) 關于控制方面的展望：在我國，輸煤機組的發展還處在發展階段，隨著模糊控制、神經網絡控制、專家系統控制等先進控制理論的不斷發展，對現有的功能模塊不斷更新有助于控制系統向智能化方向發展。(2) 對組態軟件組態王的展望：好的組態軟件不但可以很好地模擬控制系統，并且支持實際控制過程中的數據通信遠程監控形象直觀。在工程中變量的互用方面，組態王有待進一步的努力。參考文獻1 余菊香.石橫工程焊接質量管理J.焊接

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