垃圾焚烧炉液压站HMIPLC控制系统设计方案.docx

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垃圾焚烧炉液压站HMIPLC控制系统设计方案

毕业设计（论文）

题目垃圾焚烧炉液压站HMI-PLC控制系统的设计

院（系）电气与信息工程学院

专业班级测控普2007-01

学生姓名孙良磊学号2007440782

指导教师胡文金职称教授

评阅教师职称

2011年6月6日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

学生毕业设计（论文）原创性声明

本人以信誉声明：

所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。

与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业设计（论文）作者（签字）：

年月日

摘要

随着城市经济建设的持续发展和市民生活水平的不断提高，城市生活垃圾源不断大量产生，生活垃圾已成为一个污染环境、影响人们生活和经济发展的社会问题。

通过垃圾焚烧发电是实现垃圾减量化、资源化和无害化的主要方法之一。

垃圾焚烧炉驱动控制系统是垃圾焚烧发电厂的核心部分，其运行状况直接影响垃圾的燃烧过程及其效率和二次污染的排放。

因此，对垃圾焚烧炉驱动控制系统的研究具有重要的现实意义。

本文以成都九江环保发电厂液控系统为依托，在分析垃圾焚烧技术现状的基础上，根据垃圾焚烧控制系统的工艺要求，结合现场实际情况，提出了基于PLC和WinCC实现焚烧炉控制系统的基本方案，设计了整个系统的电气连接图、端子接线图等。

采用西门子STEP7、PLCSIM和WinCC完成了PLC控制程序和WinCC人机界面程序的设计，并为远程DCS控制系统提供接口。

通过仿真调试，本课题的设计结果能够达到预期的目标，可以实现焚烧炉液压站就地控制、HMI控制和DCS远程控制。

关键词：

PLCHMI液压站垃圾焚烧发电驱动控制

ABSTRACT

Withthecontinuousdevelopmentofcityeconomyandthepeople'slivinglevel,asourceofurbanlivinggarbageisproduced,thishasbecomeaenvironmentproblem,whichinfluencespeople’slifeandeconomicdevelopment.Throughwasteincinerationisoneofthemainmethodandisharmless.WastesincineratordrivingcontrolsystemisthecoreofMSWincnerationpowerplant,theoperationstatusofdirectlyaffectedtrashburningprocessanditsefficiencyandsecondarypollutionemissions.Therefore,thewastesincineratordrivecontrolsystemhasanimportantpracticalsignificance.

ThispaperforincineratordrivingcontrolsystemdesignandresearchisbasedonChengDuJiuJiangpowerplant,underanalyzinggarbageincinerationtechnologybasedonthepresentsituationofMSWcontrolsystem,accordingtothetechnicalrequirements,WinCCisproposedbasedonPLCandrealizethebasicschemeofincineratorcontrolsystem.Secondly,designthesystemelectricaldiagram,terminalhookup,etc.Finally,PLCSIMandSTEP7,bySiemensWinCCfinishedwithPLCcontrolprogramandWinCChuman-computerinterfaceprogramdesign,andprovideinterfacesforremoteDCScontrolsystem.Throughthesimulationdebug,thistopicdesigncanachievethedesiredgoals,andcanachieveincineratorhydraulicstationlocalcontrolandHMI,DCSremotecontrol.

Keywords:

PLC;HMI;Hydraulicstation;Wastetoenergy;Driverandcontrol

1绪论

1.1垃圾焚烧发电技术现状与发展趋势

焚烧法处理城市生活垃圾已有100多年的历史，但出现有控制的焚烧（烟气处理、余热利用等）只是近几十年。

20世纪90年代，由于全球经济的飞速发展和城市生活垃圾处理技术的不断提高，各国城市生活垃圾处理方式的比例也发生了明显的变化，用于生活垃圾处理的技术多种多样，包括回收利用技术、填理技术、焚烧技术和堆肥技术。

近年来，世界各国纷纷开发多种生活垃圾资源化技术，通过回收生活垃圾中的有用成分实现生活垃圾的减量化和资源化。

生活垃圾的再生利用包括啤酒瓶等玻璃容器的再利用，废纸、废塑料、废金属容器等的再生利用。

利用生活垃圾中的有机物进行堆肥，利用可燃性物质燃烧产生热能，实现热电联供也是生活垃圾综合利用的形式[1]。

由于经济水平的限制，长期以来焚烧法处理垃圾在我国的应用还相对较少。

20世纪80年代，深圳垃圾焚烧发电厂从国外引进成套焚烧处理设备建成了我国第1座现代化的焚烧厂。

该厂1998年投入运行，日处理垃圾300t，并配有发电设备，装机容量为3000KW，多年来运行良好，为垃圾焚烧发电积累了一定的经验[2]。

目前，我国在生活垃圾焚烧技术方面正处于快速发展阶段，我国的生活垃圾焚烧技术主要应用于经济发达、人口密集的城市，包括直辖市、东部沿海经济发达城市和中西部省会城市。

其中80%以上的生活垃圾焚烧厂是在近5年建设的，若干从事生活垃圾焚烧厂投资或供货的龙头企业已经开始形成，生产垃圾通过焚烧发电进行处理的比重已接近国际平均水平。

由于城市固体废弃物数量急剧增加而且产生周期不断缩短，我国城市正面临着固体废弃物处理的巨大压力[3]。

焚烧是一种对城市生活垃圾进行高温热化学处理的技术。

垃圾燃烧产生的热量可用来发电，性质稳定的残渣可直接填埋处理。

经过焚烧处理，各种恶臭气体得到高温分解，烟气中的有害气体经过处理达标后排放。

因此，可以说焚烧处理是实现城市生活垃圾无害化和资源化的最有效手段之一[4]。

1.2课题的目的及意义

随着垃圾日益增长与处理能力有限之间的矛盾不断加剧，通过垃圾焚烧发电，是实现垃圾减量化、资源化和无害化的主要方法。

由于生活垃圾焚烧减容效果显著、无害化程度彻底，在垃圾热值较高、处理达到一定规模时，可以回收废热发电，而且占地面积小，对周围环境的影响较小，近十年来生活垃圾焚烧处理在我国发展很快，特别是在城市化进程快、经济较为发达、人口密集、人均可利用土地资源少的大城市以及南方和沿海地区更是如此[5]。

目前，国内用于焚烧处理生活垃圾的焚烧技术主要是机械炉排炉技术，机械炉排炉技术较为成熟，运行较为稳定，性能得到保证，我国在炉排炉焚烧技术方面现在还主要是靠引进国外的生产技术，但总的来说，对引进的技术消化吸收不够，运行结果不理想，归纳起来主要还有以下几个问题：

①对热值低、水分高、成分复杂的生活垃圾适应性不好。

引进的炉排炉一般适应处理国外成分相对简单、低位热值高的生活垃圾，不适应中国垃圾的主要组成成分。

②工程投资大。

目前国内利用国外先进焚烧技术建造的焚烧厂普遍建设工程投资大，折合吨工程投资约50～75万元，而引进技术，关键设备国内生产的吨工程投资约35～45万元，技术和设备全国产化的吨工程投资只要25～30万元。

③运行成本高。

我国目前运转基本正常的国外技术建造的焚烧厂的运行费用为180～300元/吨[6]。

综上所述，开发出具有自主知识产权，符合中国国情的垃圾焚烧炉控制系统具有重要的现实意义。

1.3课题的主要内容

本课题旨在设计一套基于S7-300PLC垃圾焚烧炉液压站人机界面（HMI）控制系统，实现液压站、给料器、炉排、隔离门、捞碴机、冷却泵电机、主油泵电机等设备的启停逻辑控制和状态监测，以及炉排和给料器的运动速度控制和状态监测等。

1.4本章小结

本章通过对垃圾焚烧发电的国内外现状的分析对比，阐述了开发符合我国国情的垃圾焚烧控制系统的重要意义。

2焚烧炉液压站控制系统方案设计

2.1工艺需求分析及控制方案

本课题旨在设计一套基于S7-300PLC垃圾焚烧炉液压站人机界面（HMI）控制系统，实现液压站、给料器、炉排、隔离门、捞碴机、冷却泵电机、主油泵电机等设备的启停逻辑控制和状态监测，以及炉排和给料器的运动速度控制和状态监测等。

整个焚烧炉液压站控制系统由主油泵电机、冷却泵电机、电加热器、4列上、下炉排、4列给料器、4个隔离门、2个料层和2套除渣机等设备组成，其运动分别由8只炉排油缸、8只给料器油缸、2只料层油缸、4只隔离门油缸和2只除渣机油缸驱动，其驱动源来自液压系统，控制系统必须有效的控制液压站和油缸的运行，并具有故障联锁、故障识别和自动投切两台主油泵和两台冷却泵的功能以及完善的状态显示功能及其监控功能。

其次，在实际控制中，主要是由DCS远程控制，因此必须确保通信具有实时性和可靠性，并且配备有人机界面或状态监控系统。

同时，为了方便修护和故障排除，必须设置就地控制箱，以方便整个系统的调试。

2.2控制系统结构

该系统的结构关系如图2.1所示，该系统具有三种控制方式：

就地控制（现场控制箱）、人机界面控制方式（WinCC监控）、远程DCS控制，模式可以通过PLC控制柜上的模式切换旋钮来选择，三种控制系统都可以对整个液压系统进行控制。

图2.1控制系统结构框图

2.3主要器件选型设计

2.3.1PLC电源容量计算与选型

与国内电网电压一致，一般PLC系统的电源应选用220VAC电源。

重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。

对于没有零线的控制现场，应通过隔离变压器将380VAC转换为220VC。

对于有模拟量的PLC系统，可以选用直流供电的PLC，配备相应的线性电源，这样可以提高数据采集的精度，减小开关电源高频噪声对模拟量的影响。

PLC系统的输入和输出最好采用不同的电源供电，既可避免输入回路和输出回路之间的交叉影响，又可以防止外部高压电源因误操作而引入PLC[7]。

电源模块的选择主要考虑电源输出额定电流和电源输入电压。

电源模块的输出额定电流必须大于CPU模块、I/O模块和其它特殊模块等消耗电流的总和，同时还应考虑今后I/O模块的扩展等因素；电源输入电压一般根据现场的实际需要而定[10]。

在本系统中PLC电源模块为CPU，DI，AI和远程模块供电。

在本系统中总共数字量输入点位为128点，但留有冗余量，所以设计为160点，模拟量输入为1路，由于数字量需要接接近开关，液位开关等，它们的输入最大电流为10mA，为了计算方便，数字量输入电流按最大值进行计算为10mA，数字量输入点数总共为160点，所以

（2.1）

由此得PLC系统的数字量输入电流容量为：

（2.2）

315-2DP模块的额定电流为0.85A,SM321数字量输入模块供电电流为0.015A，则5块输入总电流为

，SM322数字量输出模块额定电流为0.16A，模拟量模块SM331额定电流为0.08A，模拟量输出模块SM332额定电流为0.34A，两块总电流为0.68A，CP342-5的额定电流为0.25A，所以PLC电源模块的最大电流为

（2.3）

由于PS307有2A、5A和10A三种型号，根据计算结果选择PS307-5A的PLC电源，该电源已经能够满足控制要求。

2.3.2电机空开容量计算与选型

当线路、电器发生严重的过载、短路及失压等故障时，空开能够自动切断故障电路或电器，有效地保护供电线路和电气设备安全。

有些型号的产品还兼有漏电脱扣功能，可用作触电和漏电保护之用。

所以空开的选择对系统的安全保护具有很大的作用。

如果空开的容量选择过大，在故障时就不能及时的切断主电路，不能起到保护系统的作用。

如果容量选择过小则在系通过工作的过程中经常会发上跳闸现象，所以空开的容量大小选择对系统的工作非常重要。

空开选用原则：

①低压断路器的额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。

②低压断路器的极限分断能力应大于或等于电路最大短路电流。

③欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压。

④过电流脱扣器的额定电流大于或等于线路的最大负载电流[8]。

55KW电机正常工作时电机电流为：

（2.4）

其中

按0.75取，则算出

由于电机的启动电流很大，电机启动电流为：

（2.5）

为电机启动倍数

因此取值

满足设计要求。

启动电流是工作电流的

倍，所以还要考虑电机的启动电流,由此可得：

由于电机采用Y/△启动，星形启动为三角形启动电流的1/3，所以启动冲击将会比计算值更小，所以

（2.6）

由此可得：

但启动电流的时间不是很长，一般在选择时只按

倍的而定电流的系数考虑。

我这取1.5，那么电流

:

（2.7）

由此可得：

。

此电流为选择空开及其连接电缆的最小电流。

查施耐德低压电器选型表所可知，型号为NS160N--TM160D3P3T的空开可以满足要求，其额定电流为160A。

2.3.3电机接触器容量计算与选型

接触器作为通断负载电源的开关设备，接触器的选用应按满足被控制设备的要求进行，除额定工作电压与被控设备的额定工作电压相同外，被控设备的负载功率、使用类别、控制方式、操作频率、工作寿命、安装方式、安装尺寸以及经济性是选择的依据。

不同负载下交流接触器的选择为了使接触器不会发生触头粘连烧蚀，延长接触器寿命，接触器要躲过负载启动最大电流，还要考虑到启动时间的长短等不利因数，因此要对接触器通断运行的负载进行分析，根据负载电气特点和此电力系统的实际情况，对不同的负载启停电流进行计算校合。

绕线式电动机接通电流及分断电流都是2.5倍额定电流，一般启动时在转子中串入电阻以限制启动电流，增加启动转矩，使用类别AC-2，可选用转动式接触器。

当电动机处于点动、需反向运转及制动时，接通电流为6Ie，使用类别为AC-4，它比AC-3严酷的多。

根据电动机保护配合的要求，堵转电流以下电流应该由控制电器接通和分断。

大多数Y系列电动机的堵转电流≤7Ie，因此选择接触器时要考虑分、合堵转电流。

规范规定：

电动机运行在AC-3下，接触器额定电流不大于630A时，接触器应当能承受8倍额定电流至少10秒。

对于一般设备用电动机，工作电流小于额定电流，启动电流虽然达到额定电流的4～7倍，但时间短，对接触器的触头损伤不大，接触器在设计时已考虑此因数，一般选用触头容量大于电动机额定容量的1.25倍即可。

对于在特殊情况下工作的电动机要根据实际工况考虑。

如电动葫芦属于冲击性负载，重载启停频繁，反接制动等，所以计算工作电流要乘以相应倍数，由于重载启停频繁，选用4倍电动机额定电流，通常重载下反接制动电流为启动电流2倍，所以对于此工况要选用8倍额定电流[9]。

根据以上原则主油泵电机不是频繁启动，因此在次按系数1.25选取接触器。

则电流IM：

（2.8）

由此可得：

。

由于星三角启动的冲击电流将会大大减小,查施耐德低压电器选型表所可知，型号为LC1-D15000M7C的接触器可以满足设计要求，其额定电流为150A，可以配辅助触点，按照相似的计算，可以选出其三角形接触器和星形接触器。

2.3.4电机热继电器容量计算与选型

在电动机实际的运行中，常会遇到过载或欠电压情况，但只要不严重、时间短，电机绕组不超过允许的温度，这些情况是允许的。

但若出现长期带负载欠电压运行、长期过载运行及长期断相运行等不正常情况时，就会加速电动机绝缘老化过程，缩短电动机的使用寿命，甚至会导致烧毁电动机绕组。

为了充分发挥电动机的过载能力，保证电动机的正常启动和运转，当电动机一旦出现长时间过载等情况，需要自动切断电路，从而出现了能随过载程度而改变动作时间的电器，这就是热继电器。

与电流继电器和熔断器不同，热继电器中发热元件有热惯性，在电路中不能做瞬时过载保护，更不能做短路保护。

常用的热继电器为JRS1系列和JR20系列热继电器选用原则为：

①原则上热继电器的额定电流应按电动机的额定电流选择。

对于过载能力较差的电动机，其配用的热继电器（主要是发热元件）的额定电流可适当小些。

通常，选取热继电器的额定电流（实际上是选取发热元件的额定电流）为电动机额定电流的60%～80%。

②在不频繁启动场合，要保证热继电器在电动机的启动过程中不产生误动作。

通常，当电动机启动电流为其额定电流6倍以及启动时间不超过6s时，若很少连续启动，就可按电动机的额定电流选取热继电器。

③当电动机为重复短时工作时，首先注意确定热继电器的允许操作频率。

因为热继电器的操作频率是很有限的，如果用它保护操作频率较高的电动机，效果很不理想，有时甚至不能使用。

④在三相异步电动机电路中，对定子绕组为Y连接的电动机应选用两相或三相结构的热继电器；定子绕组为△连接的电动机必须采用带断相保护热继电器[9]。

按照原则①，按照电机额定电流的

进行选取，所以

（2.9）

所以选择在100A左右的热继电器均能满足设计要求。

在此选择施耐德LR2-D4367-C，电流范围为

满足设计要求。

2.3.5双电源容量计算与选型

双电源系统主要用在紧急供电系统，将负载电路从一个电源自动换接至另一个（备用）电源的开关电器，以确保重要负荷连续、可靠运行。

因此，双电源系常常应用在重要用电场所，其产品可靠性尤为重要。

在本系统中主油泵为55KW,电加热器为3KW,冷却泵为4KW，所以三个总容量为：

（2.10）

再加上液压系统的部分功率则

，又因为电机启动电流为公式（2.6）为222A。

所以电源容量应大于70KW,电流大于220A,在设计时应具有一定的余量，因此所选择双电源投切装置型号为：

飞腾W2-250A3PFⅡ。

具体参数为：

二段式自动转换开关，电流为250A,额定工作电流为AC380V，前板接线，全自动转换型。

该投切装置的工作情况如下：

①双路三相交流380V供电。

②功率:

125kW。

③双路输入电源实现负载电源的无扰切换。

④双路输入电源实现控制电源的在线切换，且对控制系统无任何影响。

⑤主电机采用降压启动方式，严防对电网电压的冲击。

2.3.6直流电源容量计算与选型

在本系统首先得为输出模块供电驱动中间继电器和模拟量模块供电输。

驱动一个中间继电器按10mA计算，则总共为32路输出，则需直流电源总量为：

（2.11）

模拟量输出最大值为20mA，由于实际只有13路模拟量输出，但配有余量总共为16路模拟量，其输出总电流为

（2.12）

由此可得：

则总输出电流为：

在为模块供电，所以在此用2A的直流电源足够。

在驱动比例阀时比例阀的驱动电流为每路1.5A,则12路比例阀为：

（2.13）

所以：

为了便于以后的扩展则选取直流电源的电流为30A足够。

在驱动1#，2#主油路电磁溢流阀，冷却水阀，1#、2#捞渣机油缸前进后退电磁阀时，需要直流电源供电源，每个电磁阀驱动电流1.5A计算，总共为：

（2.14）

由于主油泵两个不可能同时工作，捞渣机前进后退不可能同时工作，所已选择10A的直流电源满足设计要求。

同时对电源的质量要求为：

①输入电压：

AC220V±10%，50Hz。

②输出电压：

24V。

③电压调整率：

≤0.5%。

④电流调整率：

≤1%。

⑤纹波系数：

≤1%。

⑥工作温度：

-25℃—50℃。

⑦全密封，具有过热、过流和短路保护，耐潮湿和盐雾，耐高热和高寒。

⑧绝缘电阻：

≥200MΩ。

⑨隔离电压：

输入对输出AC1000V/分钟，漏电流小于10mA；输入对外壳AC1500V/分钟，漏电流小于10mA。

⑩控制回路、输出回路、比例阀电源分别配置独立的直流电源，容量分别为2A，10A和30A。

经过查手册，得出以下选型满足设计要求。

如表2.1所示：

表2.1直流电源选型表

电源

电源类型

型号

个数

品牌

DC24V—2A

DC1

4NIC-K48

1

朝阳电源

DC24V—10A

DC2

4NIC-K240

1

朝阳电源

DC24V—30A

DC3

4NIC-K720

1

朝阳电源

2.4控制系统开发平台

2.4.1PLC开发平台

在中国市场上，主流的PLC大致有德国的西门子、日本的三菱和欧姆龙、美国的罗克韦尔和通用电气等品牌。

其中西门子的PLC系统在中国的市场占有率较高，拥有良好的技术服务和资源体系，同时根据自己所学的知识体系和实验室能够满足的条件，本次设计选用西门子的PLC作为垃圾焚烧炉控制系统的控制级。

2.4.2HMI开发平台

此次垃圾焚烧炉控制系统的监控级选用西门子的WinCC进行组态，WinCC集成了SCADA、组态、脚本语言和OPC等先进技术，为用户提供了Windows操作系统环境下使用各种通用软件的功能，继承了西门子公司的全集成自动化（TIA）产品的技术先进和无缝集成的特点。

作为SIMATIC全集成自动化系统的重要组成部分，WinCC确保了与SIMATICS7系列PLC连接的方便和通信的高