102基于西门子PLC热电厂输煤控制系统的设计_第9章plc控制系统设计

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基于西门子PLC热电厂输煤控制系统的设计

邓必文

学院：信息工程学院 班级：电气2004-1班 学号：200440509102 摘要：目前在电力设备中，PLC得到了广泛的应用，调速器、保护、监控等都成功的使用了PLC可编程控制器，并且取得了很好的经济效益。本设计结合某热电厂中输煤监控控制系统来说明SIEMENS S7-200系列的PLC具有的稳定性好、可靠性高、操作维护方便、抗干扰能力强、很高的性价比等一系列的优点。

针对某热电厂输煤整个系统，设计了一套基于PLC控制网络和上位机的输煤程控系统，对其硬件构成和软件实现做了介绍。同时主要研究的是基于SIEMENS S7-200系列的PLC在某热电厂输煤控制系统（上煤部分）皮带跑偏监控系统中的运用。在软件设计中,分析了各模块的功能,给出了皮带跑偏监控流程框图，跑偏传感器模拟量输入的设计和相应的程序。在硬件设计中，分析了控制系统一般硬件的组成和扩展方法，给出了本设计PLC的输入输出配线示意图。关键词：S7-200；输煤系统；监控；抗干扰

Coal Handling Control System Design Based on Siemens PLC Thermal Power Plant

Abstract At present in the power equipment, PLC has been widely used, the governor, protection, surveillance and so succeful use of the PLC programmable logic controller, and achieved good economic benefits.The design of a thermal power plant in the coal handling monitoring control system to illustrate SIEMENS S7-200 series of the PLC has good stability, high reliability and easy operation and maintenance, anti-interference capability and a high price and a series of advantages.Against a thermal power plant coal handling system as a whole, designed a PLC-based control network and the host computer program-controlled coal handling system, its hardware and software was introduced.At the same time the study is mainly based on SIEMENS S7-200 series PLC in a coal handling thermal power plant control system(coal)belt deviation monitoring system in use.In software design, analysis of the functions of the various modules are given a belt deviation monitoring proce diagram, the deviation sensor analog input in the design and the corresponding procedures.On the hardware design, analysis of the general control system hardware components and expansion of methods, given the design of the PLC input and output wiring diagram.Key words: S7-200;coal handling system;monitoring;anti-interference 1前言

1.1 课题的来源及意义

火力发电厂燃料输煤系统是电厂的辅助系统，主要负责对发电机组燃煤的卸载、储存、上煤和配煤。输煤系统受控设备多，分布范围广，工艺流程复杂，环境恶劣。随着电力工业的飞速发展，以计算机为核心的电厂生产过程自动控制技术得到了大力的推广应用，并逐步普及到输煤系统。本设计根据目前火力发电厂燃料输煤控制系统发展的趋势，结合某热电厂燃料输煤系统采用的集中控制模式，对输煤控制系统技术改造方案的设计进行充分研究论证，提出了具体的系统升级改造方案：采用微机分级控制系统，充分利用计算机、可编程控制器PLC及以太网等先进控制技术，实现对输煤系统设备的数据采集、集中操作、实时监视、数据存储、故障报警、煤量统计、语音呼叫和电视画面切换等功能。该系统具有自动化水平高、控制和管理功能强大、操作简便、可靠性高等特点，能很好地适应燃料输煤系统的环境特点。系统经过升级改造后，自动化控制水平和可靠性都得到了明显提高，设备故障率大大降低，减轻了检修及运行人员的劳动强，加强输煤过程的运行管理和节能管理，实现状态检修具有非常重要的意义。1.2本课题所做的工作 本课题任务是以某热电厂的输煤系统为例说明基于SIEMENS S7-200系列的PLC在热电厂中小型控制系统中的运用，充分表明其具有的很强的性价比。为输煤系统的安全稳定的运行提供了很好的保障。输煤程控系统主要是以可编程控制器(PLC)为主，实现输煤监控系统的自动化控制。与强电集中控制相比，在技术上具有控制功能强，编程简单，实现工艺联锁方便，可省去大量的硬接线，维护方便，可在线修改等特点。PLC不仅能完成复杂的继电器控制逻辑，而且也能实现模拟量的控制，甚至智能控制；并能实现远程通讯，联网及上位机监控等。可为全厂实现计算机控制和管理创造条件。可编程序控制器PLC概述 2.1 PLC的产生与发展

1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出第一台PLC，在美国通用汽车自动装配线上试用，获得[6]了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工业领域推广应用。到1971年，己经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步。2.2 PLC的基本结构

1、CPU模块

在可编程序控制器控制系统中，CPU模块不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出，统一命令和协调整个PLC控制系统的工作过程。CPU模块的工作电压一般是DC 5V。CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。

2、微处理器

微处理器分为：通用微处理器、单片微处理器和位片式微处理器。其主要有如下功能： ①接收从编程器输入的用户程序和数据，送入存储器存储； ②用扫描方式接收输入设备的状态信号，并存入相应的数据区；

③监测和诊断电源、PLC内部电路工作状态和用户程序编程过程中的语法错误； ④执行用户程序、完成各种数据的运算、传递和存储等功能；

⑤根据数据处理的结果，刷新有关标志位的状态和输出状态寄存器表中的内容，以实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。

3、存储器

存储器分为：系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序存储器存放着系统程序，系统程序是由可编程序控制器生产厂家设计并固化只读存储器ROM中，能完成可编程序控制器设计者规定的工作，且用户不能读取；用户程序存储器存放着用户编制的控制程序，其容量以字为单位，用户程序由用户设计，使可编程序控制器完成用户要求的特定功能。

4、I/O模块

输入模块和输出模块简称为I/O模块，联系着外部现场和CPU模块之间的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。数字量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的数字量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。输出模块用来发送输出信号。数字量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备；模拟量输出模块用来控制调节阀、变频器等执行装置。I/O模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。

5、编程装置

编程装置是PLC不可缺少的一部分，用来生成用户程序，并对其进行编辑、检查和修改，还可以在线监视PLC的工作状态。编程装置通过接口与CPU模块联系，实现人机对话。使用编程软件不仅可以设置可编程序控制器的各种参数，还可以在屏幕上直接生成和编辑梯形图、指令表、功能块图和顺序功能图程序，并可以实现不同编程语言的相互转换。程序被编译下载到可编程序控制器，也可以将可编程序控制器中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，还可以通过网络实现远程编程和传送。

6、电源

可编程序控制器使用220V交流电源或24V直流电源。内部的开关电源为各模块提供DC 5V、±12V、24V等直流电源。驱动可编程序控制器负载的直流电源一般有用户提供。2.3西门子S7-200 PLC简介

2.3.1西门子S7-200 PLC的功能概述

西门子S7-200 PLC系列属于小型可编程序控制器，可用于简单的控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。由于它具有极强的通信功能，即使在大型的网络控制系统中也能充分发挥作用S7-200 PLC系统是紧凑型可编程序控制器。系统的硬件构架是由成系统的CPU模块和丰富的扩展模块组成。它能够满足各种设备的自动化控制需求。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床、印刷机械、中央空调、电梯控制、运动系统等等。

2.3.2西门子S7-200 PLC的特点S7-200系列具有鲜明的特点：①极高的可靠性；②极丰富的指令集；③数据安全性；④易于掌握，操作便捷；⑤丰富的内置集成功能；⑥实时特性；⑦强劲的通讯能力；⑧丰富的扩展模块。2.3.3西门子S7-200 PLC的硬件结构

[13]西门子S7-200系列PLC具有牢固紧凑的塑料外壳，通过安装孔垂直或水平地安装在板上或安装在标准DIN导轨上。利用总线连接电缆，可以把CPU模块和其他扩展模块，如数字量I/O模块、模拟量I/O模块、通讯模块等等，连接起来。采用可选的端子排作为固定的接线配件，易于接线。2.3.4 西门子S7-200硬件基本扩展及通讯方式

1985年，国际电工委员会IEC对PLC作了如下规定:可编程控制是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式模块式的输入和输出，制各种类型的机械或生产过程。PLC具有高可靠性，编程方便，易于使与外部控制器件接口方便，功能强大等优点。因此，PLC得到迅速的发和越来越广泛的应用。SIEMENS7-200控制器是当前小型PLC领域内技术先进、性能/价格比高、单元/模块。SIEMENS7-200由硬件系统和工业软件两大分构成。2.3.5西门子S7-200 PLC的工作原理

S7-200 PLC具有两种工作模式，分别是：运行（RUN）模式和停止（STOP）模式。在运行模式下，通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能；在停止模式下，S7-200 CPU不执行用户程序，此时可设置CPU系统的硬件功能，并将用户程序、数据以及硬件设置信息下载到S7-200 CPU。其中用户程序用编程软件创建和编辑。CPU模块上的模式开关用于改变和转换S7-200 PLC的工作模式。开关拨到RUN位置时，CPU运行，启动用户程序的运行；当开关拨到STOP位置时，CPU停止，用户程序的运行也停止；开关拨到TERM位置时，不改变当前操作模式。此外还可以通过Step7-Micro/MIN32编程软件控制S7-200 CPU的运行和停止。S7-200 CPU前面板上的LED显示着当前的工作模式。

1、分析设计法

这种设计方法主要依靠经验直接用PLC设计电气控制系统,来满足生产机械和工艺过程的控制要求。分析设计法多用于比较简单的控制系统的设计,它要求设计人员具有一定的实践经验,熟悉工业现场中最常用的典型控制环节,需设计大量的线路图并经多次修改后才能得到符合要求的梯形图,并且方案不是惟一的。

①系统原先无控制方案,现要求直接用PLC控制。此种情况下,设计梯形图程序大致可按下面几步进行：分析控制要求；设计主令元件和检测元件,确定输入输出信号；设计控制程序；检查、修改和完善程序。设计时,首先按所给的要求将生产机械的运动划分成各自独立的简单运动,分别设计这些简单运动的基本控制程序,然后将这些基本控制程序组合在一起；接下来,分析刚才组合的程序是否满足控制要求,若不满足时,在此基础之上继续对梯形图进行完善,直至满足功能；最后,根据制约关系,选择联锁触点,设计联锁程序并设置必要的保护措施。编程时要掌握长、短信号的作用,必要时须对两种信号时行转换。

②用PLC对原有继电—接触控制系统进行改造。此种情况下,系统本身提供了电气控制原理图,设计过程可相对简单一些,主要是确定输入输出,设计程序,完善程序。设计时将控制原理图中的硬继电器用PLC中对应的软继电器替代,对梯形图中出现的桥式结构进行改造,设置必要的联锁和保护措施即可设计出满足控制功能的梯形图。编程时要注意将输入设备统一按动合触点方式接入,梯形图中所采用触点和控制线路中触点形式一致,否则梯形图中所用触点要和控制线路中所用触点形式相反。

2、逻辑设计法

这种设计方法的基本含义是以逻辑组合的方法和形式设计梯形图,它既有严密可循的规律性和明确可行的设计步骤,又具有简单、直观和十分规范的特点。主要设计过程是分析要求,取得电气执行元件功能表；绘制系统状态转换表；进行逻辑设计；完善和补充程序。其过程类似于数字电子技术的电路设计,要求设计者具备一定的逻辑函数知识,因而对设计者的要求较高,所以不易掌握。

3、状态流程图设计法

这种方法主要用于大型顺序控制系统的设计,它具有简单、规范、通用的优点,不仅使梯形图设计变得容易,大大节约设计时间,而且初学者容易掌握,有一定的方法和步骤可遵循。设计时首先画状态流程图,然后将其改画为梯形图。

①状态流程图的画法。状态流程图主要由工步、有向连线、转换条件和动作四部分组成,它是状态流程图设计法的难度所在。画状态流程图时,先将整个工作过程根据系统状态划分为若干个独立的控制工步,在流程图中常用PLC内部辅助继电器对工步编号,系统处于某个状态时,可在程序中将代表该工步的内部辅助继电器线圈接通,则称此工步为活动工步,其它工步则称为不活动步；各工步根据动作顺序用不带箭头的直线连接,此直线称为有向连线,默认方向从上而上,当直线的方向向上时,需用向上箭头表示；相邻两上工步之间画一条短横线,表示转换条件,当转换条件满足时,上一步被封锁,下一步被激活；在每个步的右侧,画上要被执行的控制程序。②状态流程图转换为梯形图。画梯形图时,先将系统的第一个工步也就是初始工步激活,一般常采取系统所提供的初始化脉冲作为启动信号,然后根据状态流程图的工步发展,激活下一个工步,复位上一个工步,将所有工步的程序设计完成后,集中用代表各工步内部辅助继电器的动合触点去驱动各工步的动作。典型的转换方法有启—保—停法；置位复位法；移位寄存器法；步进指令法等。

4、计算机辅助编程法

计算机辅助编程可以把梯形图直接译成指令形式,可进行在线编程、远程编程、也可离线编程,同时还具备网络监控功能,是今后PLC应用程序设计的发展方向。3 输煤控制系统的组成及程控设计

输煤系统是火力发电厂中较为宠大的一个辅助系统。随着我国电力工业的迅速发展，火电厂的装机容量和单机容量都日益增大，输煤系统的规模也大幅度的上升。对其控制方式、运行水平的要求也越来越高。输煤程控系统主要是以可编程控制器为主，实现输煤系统的自动化控制。与强电集中的控制相比，在技术上具有控制功能强，编程简单，实现工艺联锁方便，可省去大量的硬接线，维护方便，可在线修改等特点。PLC不仅能完成复杂的继电器控制逻辑，而且也能实现模拟量的控制，甚至智能控制；并能实现远程通讯，联网及上位机监控等。对地域分布较广的实现计算机控制和管理创造条件，可为全厂实现计算机控制和管理创造条件。对地域分布较广的系统还可以增加远程控制站及闭路电视监视系统。目前，PLC在输煤系统中的应用基本上限于设备级，各设备或系统处于各自的PLC控制之下，相互间基本独立。与当初输煤设备的控制从就地走向集中一样，输煤系统的PLC控制也将从设备级发展到车间级，甚至工厂级，这是输煤系统降耗、增效的需要，也是生产管理和监控的需要。输煤系统实现程序控制和工业电视系统监视对提高输煤系统的可靠性、动化程度，减少岗位人员和他们的劳动强度，加强输煤过程的运行管理和节能管理，实现状态检修具有非常重要的意义。3.1 输煤系统组成 3.1.1卸煤系统

某热电厂燃煤采用火车运至电厂的电3和电4线，由2台桥式抓斗起重机将煤卸至能容纳20000吨贮煤场内储存，由桥式抓斗起重机或推煤机将煤卸落在2个地下受煤斗内，地下受煤斗下对应的2台电机振动给煤机将煤均匀配给l、2号甲、乙运煤皮带。3.1.2上煤系统1、2号皮带来煤至地下转运站后经三通挡板、落煤管、3号甲、乙皮带进入碎煤机室，来煤经甲、乙波动筛煤机、筛下细煤经甲、乙缓冲滚筒至4号甲、乙皮带；筛上大块煤经甲、乙环锤式碎煤机将大块煤砸碎后至4号甲、乙皮带。然后煤经高位转运站、三通挡板、落煤管、煤仓间，至5号甲、乙皮带。地下转运站落煤管下设2台仓壁振打器，碎煤机室落煤管下设4台仓壁振打器，高位转运站落煤管下设4台仓壁振打器，1号甲、乙皮带各设1台电子皮带秤，5号甲、乙皮带分别设l台电子皮带秤。3号甲、乙皮带尾各设1台喷淋电动阀门、4号甲、乙皮带尾各设l台喷淋电动阀门、5号甲、乙皮带尾各设1台喷淋电动阀门喷水降尘。3.1.3 配煤系统

煤仓间来煤落到5号甲、乙皮带，沿5号甲皮带设4台单侧犁煤器，沿5号乙皮带设4台双侧犁煤器，来煤依次落入#1a煤仓、#2a煤仓、#3a煤仓；#1b煤仓、#2b煤仓、#3b煤仓；煤至皮带末端直接落到终端煤仓。预留甲备用煤仓和乙备用煤仓各1个煤斗，并预留备用1台单侧犁煤器，1台双侧犁煤器。

3.3 输煤系统程控设计

综合分析OMRON,MODICON, SIEMENS三种品牌PLC组件及其软件功能后,从开发简单、使用方便、组态灵活、功能强大几方面考虑选用了SIEMENS SIMATIC S7系列PLC组件。3.3.1上位机监控系统

系统采用上位机监控方式取代原来的模拟盘控制方式，整个输煤系统的运行操作和监视全部由上位机实现。上位机不仅显示设备的运行状态、过程参数、故障报警等,也进行与运行有关的各种信息的收集、整理及存档管理。上位机还应具备与MIS系统联网的能力。该系统配置2台工控机作为上位机,1台作为工程师站, 1台作为操作员站,且2台互为热备用,并通过PROFIBUS-DP网与主PLC连接。监控软件选用SIEMENS公司的WinCC V4.02。

系统主PLC采用2台SIEMENS S7-300，CPU315-2DP，互为热备用，负责下级PLC控制器的控制和皮带机输送系统的控制。另外还有4台PLC选用SIEMENS S7-200，分别负责卸煤系统PLC3、上煤系统PLC4、配煤系统PLC5和皮带机监控系统PLC6的控制。3.3.3 远程I/O站

系统设置两个远程I/O站，分别负责圆筒仓和原煤仓的犁煤器配煤I/O控制。远程站的通信电缆采用光缆。设置远程站极大地减少了控制电缆的数量和长度，将大大减少因电缆接地或接线不良引起的故障；采用光缆作为通信电缆将消除电压、电流信号的干扰。3.3.4 一次仪表

系统取消所有一次仪表，现场测量信号经变送器后，直接送主PLC，在上位机上显示，当超过定值时，提示报警信息或直接控制停机。本设计中的皮带监控系统采用皮带跑偏传感器。当跑偏度≧12°时在上位机上显示报警信息，当皮带进一步跑偏达到≧30°时上位机显示报警，皮带机监控系统PLC6报警并连锁停机，同时上位机发出相应的控制信息控制其他系统的停机。3.4软件配置

1、上位机监控软件 系统上位机监控软件选用SIEMENS公司的W inCC V4.02作为开发平台。利用该软件的变量存档编辑器和报表设计器可以很方便地将过程数据生成用户档案库及报表。

2、PLC控制软件

PLC控制软件选用SIMATIC STEP7作为控制软件开发平台。STEP7编程软件是一个全集成的、标准统一的、采用全局关系型数据库的组态工具。它采用了现代化的软件体系结构，对项目进行管理、处理、归档和建立文件。3.5 PLC网络的组建

为提高控制性能，往往要把处于不同地理位置的PLC与PLC、PLC与计算机、PLC与智能装置通过传送介质连接起来，实现通讯，以构成功能更强、性能更好的控制系统。PLC联网之后，还可进行网与网相联，以组成更为复杂的系统。PLC网还可与计算机相联，成为它的一个子网。通过PLC的组网，可以实现控制规模的提高、控制过程的综合与协调以及计算机的远程监控等，在相关系统的布线、维护和资源共享以及联网管理方面也可以实现较大的改善。3.3.2 PLC系统

(1)整套网络采用SIEMENS的设备这样可以使用现场总线技术，实现完全的分布式结构；

(2)网络最上层为以太网, 2台PLC直接挂接在网上，实现双机热备，以便可靠地将输煤系统的状态和参数传送至全厂MIS（信息管理系统）是一个由人、计算机及其他外围设备等组成的能进行信息的收集、传递、存贮、加工、维护和使用的系统。同时通过以太网将化验站、皮带秤来的信息也送至MIS；

(3)网络第2层为PROFIBUS-DP网，4台PLC分别为卸煤子系统、上煤系统、配煤子系统、皮带监控子系统，它们在运行子系统的同时通过PROFIBUS-DP网络与PLC1和PLC2进行通信，以便接收参数或发送状态。操作员站和工程师站连接在PROFIBUS总线上作为监控站，可完成远程编程、修改参数及在线监控功能；

(4)网络第3层为远程I/O链路：AS-I接口层，远方现场的一些执行器、传感器或小型模块(LOGO)通过DP/AS-I链接器和PROFIBUS-DP网络进行通信，以便接收参数或发送状态；通常用简单的两芯电缆进行连接，造价很低，使用很方便。(5)具体配置如下：

PLC1,PLC2采用S7-300系列CPU315-2DP，外加以太网通信模块CP342-5；PLC3, PLC4, PLC5,PLC6采用S7-200系列CPU226；操作员站和工程师站采用功能强大的台式计算机，外加.MPI接口。选择CP5611网卡可连接到PROFIBUS-DP上。配置STEP7编程软件包可作为编程设备使用。.通常还要配置WinCC等软件包作为监控操作站使用。4 S7-200在输煤监控系统中的应用

上煤系统的组成可分为皮带运输机、碎煤、筛煤设备、三通挡板（除铁、除木）、除尘设备和计量设备等。皮带运输机在火力发电厂输煤系统中，承担了全厂来煤的运输、提升、分配等工作，是输煤系统的主线设备。因此，皮带运输稳定可靠及控制方式的合理选择，直接关系到整个输煤系统的安全运行。目前，在我国火力发电厂输煤系统中，皮带运输机的控制方式有三种:就地控制、集中单独控制、集中微机程序控制。同时对皮带的跑偏状况进行实时监控。包括采用跑偏传感器和工业电视监视。

4.1某热电厂现有的输煤上煤系统简介与控制要求

某热电厂要求在远离输煤走廊的主厂房控制室里,对2条输煤线的18台设备进行控制,并实时监测设备的运行状态及皮带跑偏的情况。我们采用PLC实现输煤设备的联锁控制以保证其可靠性和特殊性,工业控制计算机则作为上位机与PLC互相配合,共同完成输煤系统的监控功能,本设计将主要介绍PLC在热电厂输煤系统中的控制应用。该热电厂输煤系统有2条输煤线，包括给煤机、皮带机、振动筛、破碎机等共18台设备,在电厂中有着极为重要的地位,一旦不能正常工作,发电就会受到影响。为了保证生产运行的可靠性,输煤系统采用自动(联锁)、手动(单机)两种控制方式,自动、手动方式由开关进行切换。由于输煤走廊环境恶劣,全部操作控制都在主厂房的主控制室里进行,仪表盘上设有各个设备的启、停按钮,还有为PLC提供输入信号的控制开关。输煤设备控制功能由PLC实现,设备状态监测和皮带跑偏监测以及事故纪录功能则由上级工业控制计算机完成。

为了保证输煤系统的正常、可靠运行,该系统应满足以下要求: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)，启动延时统一设定为10s即给煤机启动之前所有的皮带机，碎煤机，筛煤机，梨煤器延时10s启动；停车延时按设备的不同要求而设定,分为10 s,20 s,30 s,40 s,60 s几种,以保证停车时破碎机为空载状态,各输煤皮带上无剩余煤；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,其前方(指供料方向)设备也立即停车,其后方的设备按一定顺序及延时联锁停车；④各输煤皮带设有双向跑偏开关,跑偏12°时发出告警信号,跑偏30°时告警并自动停车；停车要求：发生事故的皮带及之前的所有设备要求马上停机，而事故点后面的设备按顺序以一定的时延停机；⑤可在线选择启动备用设备,在特殊情况下可由2条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式；⑥上位机可显示各机电设备运行状况,并对输煤过程有关情况(报警、自动停机等)做出实时纪录。4.2 PLC控制系统设计 4.2.1 PLC选型

根据输煤监控系统的自控要求,我们选用了德国SIEMENS公司推出的S7-200型PLC,它具有可靠性高、体积小、扩展方便、使用灵活的特点。基本CPU单元选用的是CPU224,型号为6ES7 214-1AD23-0XB0 DC/DC/DC。性能如下：

2048程序存储器；2048数据存储器；14点输入,10点输出； 可扩展7个模块；128个定时器；128个计数器；4个硬件中断、1个定时器中断；实时时钟；高速计数器；

可利用PPI协议或自由口进行通信；3级密码保护； 扩展模块的选择：

①输出数字量扩展模块选用一块EM223, 因为系统输出量变化不是很频繁。型号为6ES7 223-1BL22-0XA0 16个DC输入点,16个继电器输出点。由于信号传输距离长，在输出模块上再外加一 DC 24V 直流电源，且单独接地，以免影响信号的正确输出。

②输入模拟量扩展模块选用三块EM231，型号为6ES7 231-0HC22-0XA0 每块4路模拟量输入。③皮带跑偏检测传感器选用立德公司生产的DPK-12-30皮带跑偏开关。两级输出，一级跑偏报警为12°，二级跑偏为30°。更多信息参看第五章第一节 传感器。4.2.2 硬件系统关系

在输煤自控系统中,工业控制计算机作为上位机和输煤控制PLC进行通信,对皮带跑偏信号和设备的运行状态进行实时采样,并在屏幕上显示输煤系统仿真画面,可以直观地察看设备的状态。当皮带跑偏(跑偏12°)时,在屏幕上显示报警画面；当设备发生故障或皮带严重跑偏(跑偏30°)时,在屏幕上显示报警画面并向PLC发送事故停车信号。输煤控制PLC则根据控制开关的输入信号,执行对应程序块,控制电机实现对应的功能:向上级工业控制计算机发送工作组态信息，接收上级工业控制计算机发送的事故停车信号,实现事故停车处理功能并启动报警设备。二者配合共同实现输煤系统的监测和控制功能。上级工业控制计算机同时实现对电厂其他系统的监控,由工业控制计算机、输煤系统PLC和其他系统的现场设备(PLC、监控仪表)共同构成分布式系统(DCS)。4.2.3 运行模式

根据输煤过程的要求,本系统在一般情况下设计了两种运行模式情况,采用并行模式,可根据需要独选用或同时运行输煤一线和输煤二线。交叉模式是由输煤一线和输煤二线的有关设备组成的,仅在特殊情况下选用。并行模式 ①并行一线：联锁开车顺序:#5a皮带机→#4a皮带机→甲筛煤机→甲碎煤机→#3a皮带机→#2a皮带机→#1a皮带机→甲给煤机。联锁停车顺序:与开车顺序相反,延时时间按上述要求设定。

②并行二线：联锁开车顺序:#5b皮带机→#4b皮带机→乙筛煤机→乙碎煤机→#3b皮带机→#2皮带机→#1b皮带机→乙给煤机。联锁停车顺序:与开车顺序相反,延时时间按上述要求设定。4.4 PLC程序设计

1、程序总体设计

本程序总体采用的模块化设计，各个模块采用状态流程图设计方法来实现，即用顺序功能图编程后转为梯形图，主要是状态量较多，适合采用步进控制来实现。步进指令的要点有： ⑴只有已激活的步的程序才被扫描、被执行。

⑵在已激活步中，如果激活了后续步，则自然处于非激活状态。⑶在程序中，可把任意某步激活。

⑷当某步激活后，原来激活它的条件变化，不再对其产生影响。

① 程序模块1:初始化子程序.在PLC加电时根据各个开关的位置设立标志位.它仅在第一个扫描周期执行。程序的开机扫描，程序运行方式的选择并判断事故停车信号以实现事故停车。② 程序模块2：并行一线程序。③ 程序模块3：并行二线程序。

④PLC的输出信号控制电机的接触器,启动送高电平,停止送低电平。但是,碎煤机功率达90kW,给煤机功率达110 KW,需要变频降压启动,所以启动时PLC送一个正脉冲,停车时PLC送一个负脉冲。

2、程序特点.①特殊标志位的使用:使用特殊标志位SM0.1,使得初始化子程序(子模块0)仅在第1个扫描周期执行,而在以后的扫描周期不再执行。

②程序模块化:程序由不同子模块构成,各子模块独立完成各自功能,互不干扰,因而程序结构清晰,便于修改。

③定时器的使用:程序中,利用不同的定时器来设定不同设备的延时时间,可以灵活地根据控制要求进行延时时间的设定。5 模拟量控制系统的设计 5.1传感器

5.1.1跑偏传感开关的原理与应用

跑偏开关是带式输送机中关键的控制元件，主要应用在冶金、电力、煤岩、矿山及化工等行业的输送系统中。结合PLC控制，为输送系统自动化控制提供了可靠的传感元件。5.1.2 DPK系列的两级跑偏传感开关

1、概述

DPK系列的跑偏传感开关是立德公司研制的新一代产品，可用于输送机胶带跑偏的检测，防止由于胶带跑偏而造成物料溢出等故障。是输送机自动化控制不可缺少的传感元件。

3、技术参数

①使用环境条件 a.环境温度：-30℃～70℃ b.相对湿度不大于85%

4、结构特点

6、产品安装使用注意事项 ①产品外壳设有接地端子，用户在安装使用时必须可靠接地。②安装现场应不存在对铝合金有腐蚀作用的有毒气体。③产品的维修必须在安全场所进行，或当现场确认无可燃性粉尘存在时方可进 行。④本拉绳开关外壳必须保持清洁，粉尘堆积厚度不大于3mm。5.2 模拟量的PLC设计

5.2.1 模拟量输入在PLC编程中的设计

模拟量控制系统是指输入信号为模拟量的控制系统。控制系统的控制方式可分为开环控制和闭环控制。开环控制是根据控制的设定值直接向控制对象输出控制信号。闭环控是使用控制的设定值与反馈值的差进行控制的，以求得设定值与反馈值的偏差最小。模拟量控制系统的设计中，应该注意抗干扰问题。解决干扰的办法有4个。其一是接地问题，这里包括PLC接地端的接地，要真接地不要假接地，即直接接大地。其二是模拟信号线的屏蔽问题，屏蔽线的始端和终端都要接地，信号线的屏蔽是防止干扰的重要措施。其三是对某些高频信号要解决匹配问题，如果不匹配，很容易在信号传输中引送中引进干扰，使信号失真。其四是对信号进行滤波，可以采用硬件滤波和软件滤波。软件滤波主要是数字滤波。本设计中的皮带跑偏30°报警并停机的模拟量输入设计采用的开环控制，因为实践证实可以满足要求。

MOVW AIW0,VW0 #5a皮带跑偏传感器检测到的跑偏值传送到PLC寄存器VW0。–I +6552,VW0 VW0的内容减去6552，送VW0。

/I +131,VW4 VW0的内容被131除，得出皮带跑偏结果送 VW4。MOVW +30,VW2 #5a皮带机跑偏报警并停机值设定为30°。

W≧ VW4，VW2 检测值与设定值进行比较，若成立则继电器M0.0输出。6 PLC的抗干扰、维护和故障诊断

由于输煤设备的运行环境十分恶劣，大多数电气控制柜置于地平线以下，其湿热、高粉尘环境大大增加了电气接线和继电器吸合方面的故障。火电厂辅助系统空间往往十分狭小,控制系统设备、配电装置往往同室布置；电缆通道十分有限,经常是电气设备高压、低压动力电缆与控制电缆以及PLC控制系统信号电缆同向并排敷设。高电压、大电流的电气设备在启动接通和停运断开时产生的强电干扰可能会在PLC输入线上产生很强的感应电压和感应电流,足以使PLC输入端的光电耦合器中的发光二极管发光,使光电耦合器的抗干扰作用失效,导致PLC产生误动作，造成偶然性的误信号。输煤系统运行中，各种干扰信号多，是影响输煤程控系统稳定运行的重要因素。要使输煤程控系统安全稳定运行，增加其抗干扰能力是十分重要的。由于输煤系统运行条件恶劣，各类干扰信号较多，使得抗干扰问题成为输煤程拴设计、调试及运行中的一大难题。许多电厂输煤程控系统不能长期稳定运行，抗干扰能力差是其最主要的原因。6.1 PLC控制系统抗干扰措施

一般来说，PLC系统故障可分为内部故障和外部故障两大类，内部故障指PLC本身的故障，外

[9]部故障指系统与实际过程相连的传感器、检测开关、执行机构等部分的故障。系统中只有5%的故障发生在PLC内部，说明PLC的可靠性远远高于外部设备，提高系统可靠性的重点应放在外部设备方面。因此我们从硬件和软件两方面考虑，对外部设备综合运用以下几种抗干扰措施，在实际运行中收到了良好效果。6.1.1硬件措施

1、信号隔离

目前在电厂输煤程控系统中，现场设备与I/0模块之间的开关量信号是否需经继电器隔离，一直是设计中争论的焦点。有观点认为不需经继电器隔离，可将现场信号直接送到I/0模块，理由是I/0模块本身具有一定抗干扰能力，模块内的光电隔离器使信号在其内部、外部电路上完全隔离，再加上阻容滤波电路，便可有效防止干扰的侵入。同时，由于省去了中间继电器，系统接线简化，系统故障点也随之减少。我们通过对我厂输煤系统外部环境、PLC装置内部电路的分析以及实地运用的考察，认为PLC自身有良好的抗干扰性能，但在输煤控制时采用继电器隔离仍是十分必要。

2、电缆选择与敷设

开关量信号一般对信号电缆无严格的要求,可选用一般的电缆,信号传输距离较远时,可选用屏蔽电缆。模拟信号和高速信号线应选择屏蔽电缆。通信电缆要求可靠性高,有的通信电缆的信号频率很高,一般应选用PLC生产厂家提供的专用电缆,在要求不高或信号频率较低时,也可以选用带屏蔽的双绞线电缆。

3、接地屏蔽 传送模拟信号的屏蔽线,其屏蔽层应一端接地。为了泄放高频干扰,数字信号线的屏蔽层应并联电位均衡线,其电阻应小于屏蔽层电阻的1/10,并将屏蔽层两端接地。如果无法设置电位均衡线,或只考虑抑制低频干扰时,也可以一端接地。不同的信号线最好不用同一个插接件转接,如必须用同一个插接件,要用备用端子或地线端子将它们分隔开，以减少相互干扰。

4、模拟信号采用直流输入/输出

如果模拟量输人/输出信号距离PLC较远,应采用4-20mA或0-10mA的电流传输方式,而不是易受干扰的电压传输方式。

5、PLC应远离强干扰源

如大功率可控硅装置、高频焊机和大型动力设备等。PLC不能与高压电器安装在同一个开关柜内,在柜内PLC应远离动力线(二者之间的距离应大于200mm)。与PLC装在同一个开关柜内的电感性元件,如继电器、接触器的线圈,应并联RC消弧电路。6.2 PLC的检修与维护

PLC的主要构成元器件是以半导体器件为主，考虑到环境的影响，随着使用时间的增长，元器件总是要老化的。因此定期检修与做好日常维护是非常必要的。[6]对检修工作要定个制度，按期执行，保证设备运行状况最佳。每台PLC都有确定的检修时间，一般情况下检修时间以每6个月至一年为宜，当外部环境较差时，可根据具体情况缩短检修间隔时间。参考文献: 1.陈立定等

电气控制与可编程控制器[M]，广州：华南理工大学出版社，2000.6 2.殷洪义

可编程控制器选择、设计与维护[M]，北京：机械工业出版社，2002.5 240～243 3.范永胜、王岷

电气控制与PLC应用[M]，北京：中国电力出版社，2007 4.李道霖

电气控制与PLC原理及应用[M]，北京：电子工业出版社，2004 10～16 5.赵春秀

浅析PLC的抗干扰维护[J]，东北电力学院学报，2000（2）

6.杨菊青

PLC在火电厂输煤控制系统中的应用[D]，西北化工研究院，2005.12 7.苏成斌

输煤程控系统的设计[D]，大庆石油学院，2003.6

8.陈在平，岳有军

工业控制网络与现场总线技术[M]，北京：机械工业出版社，2006 9.S7-200 PLC用户指南[M]，北京：西门子（中国）有限公司自动化部，2002 11～13 10.RSLogie5OOPLCUserManual，Roekwe11Internationa1Corporationl998 致谢:

本论文是在导师张继红老师的悉心指导下完成的。导师严谨的科研态度、渊博的知识、高尚的人格以及为人师表的风范使我受益匪浅。大学四年期间，在我的学习、课题设计中，张老师给了我大量的帮助和宝贵的意见，在这里谨向辛勤培育我的导师表示最真挚的感谢。在课题设计和完成论文的过程中，也得到了教研室其他老师和同学的帮助，在此一并表达我真诚的感谢!谢谢所有给过我帮助和鼓励的朋友！