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韩飞U
辽宁工业大学
电气控制与PLC技术课程设计(论文)
题目:
输煤机组控制系统设计
院(系):
电气工程学院
专业班级:
测控121
学号:
120301016
学生姓名:
韩飞
指导教师:
杨汇军
起止时间:
2015.6.22-2015.7.3
摘要
本设计是使用PLC编程控制输煤机组控制系统设计,输煤系统是热力系统的重要组成部分,是锅炉车间燃料供应的有力保证。
系统中PLC选择的是由西门子公司生产的CPU224,它有数字量的I/O输入和输出,最多可扩展7个模块,具有很强的模拟量和计数处理能力,应用广泛。
为了实现系统的控制功能,还使用了CPU的扩展模块EM222和EM223。
通过设计要实现输煤机组的逆序启动和顺序停止。
通过对系统的I/O分析设计了相应的梯形图及外部接线图并进行实验调试,证明该系统符合设计生产要求,系统具有自动化程度高、运行稳定、精度高、易控制等优点。
关键词:
自动输煤系统;PLC;自动化;可靠性
目录
第1章绪论1
第2章方案设计3
2.1概述3
2.1.1系统任务分析3
2.1.2确定方案4
2.2系统组成总体结构4
第3章硬件设计5
3.1机及其扩展模块的设计5
3.1.1系统I/O点分析5
3.1.2主机及其扩展模块的确定5
3.1.3主机及其扩展模块的连接和地址分配6
3.2电动机、控制按钮、指示灯和蜂鸣器的选择6
3.2.1电动机7
3.2.1按钮7
3.2.2指示灯8
3.2.3蜂鸣器9
3.3I/O分配及外部接线10
第4章软件设计12
4.1系统流程图设计12
4.2PLC内部继电器的分配13
4.3系统梯形图设计13
第5章系统模拟调试结果及说明20
第6章课程设计总结27
参考文献28
第1章绪论
随着生产过程的控制规模不断增大,运行参数越来越高,生产设备及其相应的热力设备和系统更加复杂。
输煤系统是热力系统的重要组成部分,是锅炉车间燃料供应的有力保证。
输煤机组工作效率的提高是整个工艺过程的关键因素,而整个输煤过程往往采用远程控制,这就对自动控制系统的设计提出了更高的要求,传统方法不能得到满意的测控效果。
因此,在输煤系统中往往选择比较有优势的PLC(可编程控制器)控制系统,使整个控制过程具有正常运行、事故处理、参数监测、故障报警、装置调控、危险保护等功能。
传统的发电厂输煤系统是一种基于继电接触器和人工手动方式的半自动化系统。
由于输煤系统现场环境十分恶劣,不仅极大损害了工人的身体健康,而且由于输煤系统范围大,经常有皮带跑偏、皮带撕裂及落煤管堵塞„等等麻烦,大大降低了发电厂的生产效率。
随着发电厂规模的扩大,对煤量的需求大大提高,传统的输煤系统已无法满足发电厂的需要。
在充分考虑输煤系统的作用和运行可靠性基础上,设计了一条两路多段互为备用的输煤系统,从结构上保证了输煤系统的运行可靠性。
根据输煤系统范围大、运行方式多,提出了基于美国AB公司PLC和工业控制网网络的输煤控制系统实现方案,该方案不仅降低了开发的工作量,而且降低了维护的工作量,同时也以后的升级提供了条件。
输煤系统的控制属于自动化的过程控制领域,且有大时延对象特征,本文对与过程控制系统相关的控制技术及控制系统。
在PLC中应用子程序的方式,不仅便于实现多种运行方式,而且大大提高了程序的可维护性和可靠性。
经过实验室输煤系统的运行,表明了该输煤控制系统运行的正确性、实用性。
输煤系统的主要特点有:
1.系统设备多。
设备种类多。
给煤机、翻车机、斗轮堆取料机、皮带输送机、碎煤机、筛煤机、犁煤器、三通挡板、除尘器、取样机、煤味监测装置、皮带秤等。
设备数量多。
电厂输煤系统设备数量一般均为100多台。
2.系统分部广。
输煤系统设备布设分散、作业线长、运行方式灵活多变,分部一般在几公里的范围内,有的大型火电厂甚至更远。
3.系统故障点多。
皮带的拉断、跑偏、超载、撕裂;碎煤机的超温、超振;三通挡板及犁煤器等的卡死或不到位;皮带、筛煤机的堵煤现象等。
4.工艺流程复杂。
多种煤源设备取煤通过电动三通挡板的切换经皮带输送机(一般均为双路)传送到原煤仓。
可以组成几十种甚至上百种工艺流程。
5系统运行环境恶劣。
输煤系统运行环境粉尘飞扬,水、灰、煤粉比比皆是,特别市夏日煤仓气温高达50℃。
在PLC问世之前,工业控制领域中是继电器占主导地位。
但继电器控制领域有着十分明显的缺点:
体积大、耗电多、可靠性、寿命短、运行速度慢、适应性差、尤其当生产工艺发生变化时,就必须重新设计、重新安装,造成时间和资金的严重浪费。
为了改变这一现状,PLC控制系统产生了。
继1969年美国数字设备公司研制出世界第一台PLC,并在通用汽车公司自动装配线上试用,获得了成功,从而开创了工业控制新时期,从此,可编程控制器这一新的控制技术迅速发展起来了。
在许多领域都有广泛的应用。
PLC的优点是:
可靠性高,耗电少,适应性强,运行速度快,寿命长等,为了进一步提高输煤机的功能和性能,避免传统控制的一些弊端,就提出了用PLC来控制输煤机组这个课题。
第2章方案设计
2.1概述
本课程设计任务主要是锅炉车间输煤机组系统的设计,有多个电动机带动,具体内容如下:
输煤机组控控制系统示意图如图1.1所示。
图1.1输煤机组控控制系统
输煤机组的拖动系统由6台三相异步电动机M1~M6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,SB4~SB9为6个控制按钮。
HA为开车/停车时讯响器,提示在输煤机组附近的工作人员物煤机准备起动请注意安全。
HL1~HL6为Ml~M6电动机运行指示,HL7为手动运行指示,HL8为紧急停车指示,HL9为系统运行正常指示,HL10为系统故障指示。
相关参数:
(1)控制按钮额定工作电压24V。
(2)指示灯和蜂鸣器的工作电压24V。
2.1.1系统任务分析
按任务要求可知,需要实现以下过程:
1)正常开车:
按下自动开车按钮SB1,音响提示5s后,电动机M6-M1逆序启动起动运行,并点亮指示灯HL6-HL1;10s后,点亮HL9系统正常运行指示灯,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,电动机M1-M6顺序停车并熄灭HL1-HL6指示灯,同时,熄灭HL9系统正常运行指示灯;并熄输煤机组全部正常停车。
3)过载保护:
发生过载故障立即全线停车并发出报警指示。
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,当按下红色蘑菇形紧急停车按钮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HL8连续闪亮直到事故处理完毕,回复正常生产。
5)系统正常运行指示:
输煤机组中,拖动电动机M1~M6和磁选料器YA按照程序全部正常起动运行后,HL9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,系统故障指示灯HL10点亮,输煤机组停车。
2.1.2确定方案
分析本设计题目可知,本控制系统有启动SB1、停止SB2等共11个输入,以及输送带电机、气缸电磁阀加三个八段数码管共21个输出,所以仅用一个CPU主机不能满足设计要求,必须带扩展模块。
可以选择CPU224继电器输出以及CPU226两个方案
方案一:
CPU224可以带7个扩展模块14输入10输出,需要扩展模块,本方案选择带一个EM222数字输出8模块和一个EM223来满足设计要求,而且有冗余和扩展通道。
因为该系统集成14输入10输出,程序存储容量扩大一倍,数据存储容量扩大了四倍,它最多可以有7个扩展模块,有内置时钟,有更强的模拟量和高速计数能力,是使用最多的S7-200系列产品。
方案二:
CPU226集成24输入16输出,需扩展一个EM222数字输出8模块,与CPU224相比,与程序存储容量扩大一倍,数据存储容量增加到10KB,它具有两个通信口,通信能力大大增强,经常用于点数较多,要求较高的小型或中型控制系统。
从电源供给、经济预算和系统功能三方面考虑,方案一满足本次课程设计的题目要求,本系统PLC及扩展模块的配置方案确定为方案一。
2.2系统组成总体结构
经过分析知道,输煤机在启动过程中是逆序启动每一个启动后都要有一个运行指示灯。
当所有的电机都启动后,进行正常运行指示。
在运行过程中,如果出现故障将全线停车。
正常停车时,将顺序停止。
第3章硬件设计
3.1机及其扩展模块的设计
根据系统所需的I/O点数对主机和扩展模块进行选择。
3.1.1系统I/O点分析
首先介绍下S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号中与本设计最接近的CPU224的简单知识:
本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。
可连接7个扩展模块,最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。
13K字节程序和数据存储空间。
6个独立的30kHz高速计数器,2路独立的20kHz高速脉冲输出,具有PID控制器。
1个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。
I/O端子排可很容易地整体拆卸。
是具有较强控制能力的控制器。
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由一个CPU224及两个扩展模块EM222,EM223,各模块各分配地址如下:
CPU224基本单元的I/O地址如下:
I0.0I0.1、IO.2、I0.3、I0.4、I0.5、I0.6、I0.7、I1.1、I1.2、I1.3、I1.4、I1.5、I1.6、I1.7、Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4、Q0.5、Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1
第一个扩展模块EM222的I/O地址:
Q2.0、Q2.1、Q2.2、Q2.3、Q2.4、Q2.5、Q2.6、Q2.7
第二个扩展模块EM223的I/O地址:
Q3.0、Q3.1、Q3.2
3.1.2主机及其扩展模块的确定
(1)输入/输出接口(I/O)数量;输入端口14个,输出端口10个,SIMATICS7-200系列PLC硬件配置灵活,既可以用一个单独的S7-200CPU构成一个简单的数字量控制系统,也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量I/O模块或智能接口模块的扩展,构成较复杂的中等规模控制系统。
西门子S7-200CPU224/AC/DC/RLY有输入端口14个,输出端口10个,符合要求;所以采用西门子S7-200CPU224/AC/DC/RLY完成PLC硬件结构配置。
(2)因为负载有直流供电有交流供电,所以采用输出形式为继电器。
(3)对于CPU224模块,本机输入地址为I0.0-I0.7和I1.1-I1.5,输出地址为Q0.0-Q0.7和Q1.0-Q1.1。
因为基本单元自带的I/O接口不能满足控制系统要求,因此需要数字量I/O扩展单元。
,与基本的单元相连,并使基本单元的寻址功能对模块上的I/O接口进行控制。
S7-200系列PLC目前可以提供的有3种类型的数字量输入/输出模块,即EM221,EM222,EM223,查阅数字量输入/输出模块各类型型号特点,首先采用一个EM222的8继电器输出;扩展模块EM222的I/O地址范围是Q2.0-Q2.7,不能满足控制要求,又因为CPU224能够扩展7个模块,因为控制要求输出有21个,另需一个EM223的DI4/DO4*DC24V/继电器;扩展模块EM223的I/O地址范围是Q3.0-Q3.3;满足系统控制要求。
3.1.3主机及其扩展模块的连接和地址分配
主机与扩展模块的连接如图3.1所示:
图3.1主机与扩展模块连接
地址编址如表3.1所示:
表3.1地址编址
主机CPU224
EM222
EM223
I0.0~I1.5
Q0.0~Q1.1
Q2.0~Q2.7
Q3.0~Q3.3
3.2电动机、控制按钮、指示灯和蜂鸣器的选择
主要是对电动机、按钮、指示灯和蜂鸣器的选择,并对其作简要介绍。
3.2.1电动机
根据设计要求每个工作部分的电动机的功率不同,而且破碎机和2#送煤机的功率较大,所以选用大功率电机。
但是这些大功率的电动机在厂家生产的时候是采用的是星角转化的电压启动方式。
因此选用了以下电机如表3.2所示:
表3.2电动机选择
名称
要求功率
型号
功率
M1、M2、M6
3KW
1LG0107-4AA20
3KW
M4
5KW
1LG0130-4AA70
5.5KW
M3
13KW
1LG0166-4AA70
15KW
M5
75KW
1LG0280-4AA70
75KW
实物图如图3.2所示:
图3.2电动机
3.2.2按钮
按钮开关是指利用按钮推动传动机构,使动触点与静触点按通或断开并实现电路换接的开关。
按钮开关是一种结构简单,应用十分广泛的主令电器。
在电气自动控制电路中,用于手动发出控制信号以控制接触器、继电器、电磁起动器等。
经过查找相关资料,与本课题的设计要求找到CP1-11R-01ABB复位型带灯按钮24v的额定电压。
相关参数如表3.3所示:
表3.3按钮参数
品牌
ABB
型号
CP1-11R-01
操作方式
不带灯
触点结构
常闭按钮
防护方式
保护式
工作电压
24V
工作电流
6A
额定发热电流
3A
触点电阻
6Ω
绝缘电阻
6MΩ
头部保护等级
一级
产品认证
COC
实物图片如图3.3所示:
图3.3按钮
3.2.3指示灯
经过查找相关资料,与本课题的设计要求找到CXH2-3红色指示灯24V的额定电压。
相关参数如表3.4所示:
表3.4指示灯参数
加工定制
是
型号
CXH2-3
类型
信号灯
长度
147mm
中心光强
40cd
工作电压
24V
颜色
红色
灯头型号
B15d
额定功率
25(W)
绝缘电阻
6MΩ
保护等级
IP55
实物图片如图3.4所示:
图3.4指示灯
3.2.4蜂鸣器
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器,采用直流电压供电,广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”(旧标准用“FM”、“ZZG”、“LB”、“JD”等)表示。
经过查找相关资料,与本课题的设计要求找到HND-421624V、36V间断音、断续音压电有源蜂鸣器的额定电压。
相关参数如表3.5所示:
表3.5蜂鸣器参数
加工定制
是
型号
HND-4216HND-4216W12V24V36V48V间断声断续声
类型
蜂鸣器
品牌
HNDZ华能电
驱动方式
压电式(晶体式
是否有源
有源
材质
ABS
规格尺寸
42*16(mm)
声道数
准立体声
实物图片如图3.5所示:
图3.5蜂鸣器
3.3I/O分配及外部接线
输入接口地址如表3.6所示:
表3.6I/O输入分配
序号
工作名称
文字符号
输入口
1
输煤机组手动控制开关
SA1-1
I0.0
2
输煤机组自动控制开关
SA1-2
I0.1
3
输煤机组自动开车按钮
SB1
I0.2
4
输煤机组自动停车按钮
SB2
I0.3
5
输煤机组紧急停车按钮
SB3
I0.4
6
给料器磁选料器手动按钮
SB4
I0.5
7
1#送煤机手动按钮
SB5
I0.6
8
破碎机手动按钮
SB6
I0.7
9
提升机手动按钮
SB7
I1.0
10
2#送煤机手动按钮
SB8
I1.1
11
回收机手动按钮
SB9
I1.2
输出接口地址如表3.7所示:
表3.7I/O输出分配
序号
工作名称
文字符号
输出口
1
给料器磁选料器接触器
KM1
Q0.0
2
1#送煤机接触器
KM2
Q0.1
3
破碎机接触器
KM3
Q0.2
4
提升机接触器
KM4
Q0.3
5
2#送煤机接触器
KM5
Q0.4
6
回收机接触器
KM6
Q0.5
7
2#送煤机Y形启动接触器
KM7
Q0.6
8
2#送煤机三角形启动接触器
KM8
Q0.7
9
破碎机Y形启动接触器
KM9
Q1.0
10
破碎机三角形启动接触器
KM10
Q1.1
11
手动运行指示灯
HL7
Q2.0
12
紧急停车指示灯
HL8
Q2.1
13
系统正常运行指示灯
HL9
Q2.2
14
系统故障运行指示灯
HL10
Q2.3
15
报警电铃
HA
Q2.4
16
输煤机组单机运行指示
HL1
Q2.5
17
输煤机组单机运行指示
HL2
Q2.6
18
输煤机组单机运行指示
HL3
Q2.7
19
输煤机组单机运行指示
HL4
Q3.0
20
输煤机组单机运行指示
HL5
Q3.1
21
输煤机组单机运行指示
HL6
Q3.2
外部接线如图3.6所示:
图3.6外部接线图
第4章软件设计
4.1系统流程图设计
本设计系统流程图如图4.1所示:
图4.1输煤机组程序设计流程图
4.2PLC内部继电器的分配
因为负载有直流供电有交流供电,所以采用输出形式为继电器分配如表4.1所示:
表4.1继电器分配
1
给料机接触器
M0.0
2
1#送煤机接触器
M0.1
3
破碎机接触器
M0.2
4
提升机接触器
M0.3
5
2#送煤机接触器
M0.4
6
回收机接触器
M0.5
4.3系统梯形图设计
梯形图主要分为三部分:
逆序自启动,顺序停止和手动启动部分,以下针对这三部分进行了详细的设计。
逆序启动:
自动启动时,首先按下自动启动转化开关I0.1,然后进入自动启动:
按I0.2,音响提示5s后,Q0.5起动运行并点亮Q3.2;10s后,Q0.4起动运行并点亮Q3.1;10s后,Q0.3运行并点亮Q3.0;10s后,Q0.2运行并点亮2.7;10s后,Q0.1运行并点亮Q2.6;10s后,Q0.0和Q2.5运行并点亮Q3.3;10s后,点亮Q2.2,输煤机组正常运行。
顺序停止:
正常停车按I0.3,音响提示5s后,Q0.0和磁选料器Q3.3停车并熄灭Q2.5,同时,熄灭Q2.2;10s后,Q0.1停车并熄灭Q2.6;10s后,Q0.2停车并熄灭Q2.1;10s后,Q0.3停车并熄灭Q3.0;10s后,Q0.4停车并熄灭Q3.1;10s后,Q0.5停车并熄灭Q3.1;输煤机组全部正常停车。
手动控制和调试与维修:
第5章系统模拟调试结果及说明
由于实验设备有限,进行调试的时候也能进行部分功能调试,观察类似过程的结果来分析系统设计的成果,本设计只给出相应的显示调试与传送带调试,调试结果的现象图片如下:
当按下启动按钮后,系统将按着逆序的过程自动启动,最后并保持正常工作状态。
M6启动并计时10秒,如图5.1所示:
图5.1M6启动
M5启动并计时10秒,如图5.2所示:
图5.2M5启动
M4启动并计时10秒,如图5.3所示:
图5.3M4启动
M3启动并计时10秒,如图5.4所示:
图5.4M3启动
M2启动并计时10秒,如图5.5所示:
图5.5M2启动
M1启动并计时10秒,如图5.6所示:
图5.6M1启动
当所有机器都进入正常工作状态后,M1计时10秒后正常运行指示灯亮,证明系统进入正常工作状态,如图5.7所示:
图5.7正常运行显示图
由于在顺序停止的过程中,与逆序启动的显示就是相反,没有太大区别就是启动的先后顺序不同。
所以在这里不做具体的显示实验,但是需要对每个控制器进行单独的手动控制和调试,做了以下的实验。
当按下手动按钮I0.0的时候,系统进入手动控制状态指示灯Q2.0亮。
当按下I0.1时,M1启动,如图5.8所示:
图5.8手动启动M1
当按下I0.2时,M2启动,如图5.9所示:
图5.9手动启动M2
当按下I0.3时,M3启动,如图5.10所示:
图5.10手动启动M3
当按下I0.4时,M4启动,如图5.11所示:
图5.11手动启动M4
当按下I0.5时,M5启动,如图5.12所示:
图5.12手动启动M5
当按下I0.0时,M6启动,如图5.1所示:
图5.13手动启动M6
第6章课程设计总结
传媒输送是锅炉运行的一个重要环节,如何保证设备运行的可靠,减少操作人员和维护人员劳动强度,提高经济效益,成为一个值得研究的课题。
可编程控制器(PLC)是近年来发展极为迅速,应用面极广,以微处理器为核心的通用工业控制装置。
它具有使用方便,通用性强,可靠性高等优点,以在工业各个领域得到极为广泛的应用。
本次课题是设计输煤组控制系统,采用PLC控制实现自动化。
本设计首先阐述了自动输煤系统的基本构成及特点,在硬件方面,着重对PLC主机模块,执行机构等选型进行了设计。
软件方面,提供了原理图,外部接线图和梯形图。
除此之外,设计是考虑到了成本,功耗,安全性,稳定性,等诸多问题,具有一定的合理性和可行性。
本设计采用PLC输煤控制系统,不但实现了设备运行的自动化管理和控制,提高了系统的可靠性和安全性,而且改善了工作环境,提高了企业经济效益和工作效率,因此,具有一定的工程应用和推广价值。
参考文献
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