PLC控制的焦化备煤系统设计（毕业论文）

PLC控制的焦化备煤系统设计PAGEPAGE3PLC控制的焦化备煤系统设计系别：自动化控制班级：xxxx1绪论 31.1研究背景及意义 31.1.1焦化生产工艺简述 31.1.2研究目的及意义 41.2现状研究与研究方法 51.3论文主要内容 62控制系统总体设计 72.1备煤工艺流程描述 72.2方案设计与论证 82.3系统硬件结构 102.4本章小结 123控制软件设计与实现 123.1控制软件设计 133.1.1运转控制功能 133.1.2故障处理功能 153.1.3通信功能 153.2控制软件实现 163.2.1软件开发工具 163.2.2系统运行实现 173.2.3故障处理实现 213.2.4通讯功能实现 223.3本章小结 234系统抗干扰措施 244.1硬件措施 254.2软件措施 264.3本章小结 27第五章结论 27参考文献 28致谢 30附录：备煤程序 302控制系统总体设计2.1备煤工艺流程描述备煤系统的任务是将外来精煤进行卸车、储存并加工配合成符合焦炉生产要求的煤料，它包括输煤系统和配煤系统。具体工艺流程是：原煤由火车运入厂区卸车场，卸车场采用门市螺旋卸车机将煤卸入两侧的导料槽，由皮带机送至煤场分类堆放起来；按生产需要，煤再由煤场经过堆取料机和皮带机送至配煤室，各种不同种类的煤在配煤室按一定比例配合后，由皮带机送至粉碎机室，粉碎后的粉煤由皮带机送至煤塔作为焦炉生产用煤[2]。工艺流程如图2.1所示。图2.1备煤过程工艺流程图本次设计主要是针对煤由卸车场-煤场和煤场-配煤室这两条料线过程进行研究。详细流程图如图2.2所示：M3M1M6煤场M4M5堆取料机配煤室火车卸料场M2M3M1M6煤场M4M5堆取料机配煤室火车卸料场M2备煤系统的计算机网络控制系统主要由两级控制器构成：上位监控级和下位控制级。(1)上位监控级包括网络操作站、打印机等,监控备煤过程中的所有信息，进行显示、操作、记录、数据处理、报表输出，并且可以按照一定权限进行控制回路的组态和参数修改等操作。其主要是监视系统各设备的运转状态、过程数据、报警及引导内容的显示、设备操作、参数设定、报表打印等。(2)下位控制级是通过控制单元所连接的检测和控制设备对生产过程实施控制，并通过通讯电缆与操作站相连，接受操作管理信息并传递实时数据。本文采用可编程序控制器组建PLC控制网络，对设备进行分散控制，集中管理。PLC控制网络的主要任务是实现对备煤生产过程的自动控制，因此它需要能够自动采集有关的各种工艺参数以及设备的运行状态生产信息，然后按照事先编好的控制程序进行大量的数值计算，最后输出4～20MA标准模拟信号去驱动阀门、电机等执行机构，调节工艺参数，实现生产过程的自动控制；除此之外，还要通过通讯部件与操作站进行实时通讯，将采集到的各种生产信息传送到操作站供操作人员使用，同时接收操作人员通过操作站发出的各种指令实时调整自动控制方案、优化生产过程，因此PLC需要具有标准化的通讯接口[3]。图2.3备煤系统框图本课题主要完成的是下位机控制级的实现，系统具有良好的开放性和安全性。下位控制级以PLC为核心，完成对现场设备的控制与数据采集。备煤控制系统框图如图2.3所示。备煤系统的工艺过程多以顺序控制为主，基于PLC对于顺序控制所具有的独特的优势，控制系统以遵循现场总线通讯协议的PLC为优选对象。PLC的通信包括PLC各站点之间、PLC与上位计算机之间以及PLC与其它智能设备间的通信。PLC系统与通用计算机可以直接或通过通信处理单元、通信转接器相连构成网络，以实现信息的交换，并可构成“集中管理、分散控制”的分布式控制系统，满足工厂自动化(FA)系统发展的需要，各PLC系统或远程I/O模块按功能各自放置在生产现场分散控制，然后采用网络连接构成集中管理的分布式网络系统[4]。目前在工业现场中，Profibus是目前最成功的现场总线之一，已得到广泛地应用。它是不依赖生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接口交换信息。Profibus系列中的Profibus-DP是一种经过优化的高速和便宜的通信连接，它的设计是专门为自动控制系统与分散的I/O设备级之间进行通信使用的，使用Profibus-DP可取代24伏或0-20毫安的并行信号传输，Profibus具体规定了串行现场总线的技术和功能特性，它可使分散式数字化控制器从现场底层到车间及网络化[5]。2.3系统硬件结构在本文中，控制级选由西门子的S7-300系列PLC控制器等构成。S7-300是模块化中小型PLC系统，它能满足中等性能要求的应用，模块化、无风扇结构使系统构成灵活，易于实现分布，易于用户掌握。控制量模块包括数字量输入/输出、模拟量输入/输出，模块的数量和配置由当地工作站的所需控制和采集的点数所决定[6]。(1)根据预测现场的控制点数及控制回路的数量采用CPU315作为中央处理单元，存贮空间为64K，满足控制需要。另一方面基于本系统控制工作站较多的特点，主要利用CPU315的DP通讯口实现网络架构。(2)数字量输入模块采用SM321类型，用于采集现场设备的状态信号。(3)数字量输出模块采用SM322类型，用于发送指令到设备控制回路，从而在现场产生动作。(4)模拟量输入模块采用SM331类型，用于采集现场温度信号、流量信号、压力信号、瞬时料量信号、位置信号以及阀门状态等。(5)模拟量输出模块采用SM332类型，直接输出模拟信号用于控制现场藕合器执行机构的位置以及电动阀开、关状态。根据我们所设计的备煤系统的所需输入、输出点的数量和对PLC功能的基本要求，列出设备清单如下表：表2-1S7-300的设备清单序号名称型号数量1CPU模块CPU31512数字量输入模块SM321：DI1623数字量输出模块SM322:DO1614电源模块PS30715接口模块IM3601输煤系统具有一个中央操作单元，备煤系统共有的控制点数：数字量输入30点，数字量输出15点。以Profibus-DP的协议形式组成通讯网络。共用了3个信号模块：2个数字输入模块，1个数字输出模块。如图2.4所示备煤系统网络结构图。图2.4PLC硬件结构图2.4本章小结本章首先给出备煤系统的工艺流程图，然后提出了备煤系统IPC+PLC模式的总体设计方案，并给出了系统的总体结构和PLC系统硬件结构。3控制软件设计与实现IPC+PLC模式的过程控制系统的控制器选用STEP7联锁、逻辑控制，在进行软件编制之前，需要依据实际的控制模块在操作站上进行硬件组态配置，硬件组态也是一种图形化的组态方式，硬件组态的所有模块都可以从STEP7提供的元件库中找到相应的型号将其拖放到相应的位置，并将其属性设置成与实际硬件一致。硬件组态后下载到相应的过程控制站，这样使得实际硬件安装模块和硬件组态一致，从而I/O模块上的每一点的点号地址就得以确认[7]。3.1控制软件设计为了保证备煤系统的正常、可靠运行，应满足以下控制要求：(1)系统的控制设备具备中央联动运转(自动)和机侧单独运转(手动)两种控制方式，在中央控制室可对中央联动运转控制方式下的设备进行联动操作，对机侧单独运转的设备进行监视。(2)设备在启动和停止过程中，要根据设备完全启动或停止的时间合理设置间隔(延时)，以保证无堆料、压料的现象。(3)逆料流启动料线，运行过程中，若某一台设备发生严重故障，其上流设备立即停止，下流设备延时净化停止。(4)实现配煤系统、堆取料机系统之间的点对点通信。在整个控制系统中，采用可编程序控制器作为下位机和工业控制计算机通信，对设备的运行情况进行实时采样，并在屏幕上显示系统的仿真画面，兼作故障报警，报表等。PLC作为前端执行机构，具体负责自动开关机，并将前端采集回来的模拟量和数字量处理后传送给上位机，由上位机进一步进行处理。PLC的I/O部分主要由输入模块和输出模块两部分组成，输出部分可直接驱动外部继电器的通断来实现外部对象的控制；输入模块可接收与其相连的输入设备的数据，并应用这些数据去监视被控系统，当程序请求某动作时，PLC发送指令给与其相连的输出设备以产生动作。3.1.1运转控制功能考虑到联动生产的安全性以及控制的有效性，本系统提供了两种控制方式：中央联动控制，机旁单独控制。在设备的控制电机旁安装操作箱，操作箱上的转换开关有两个位置信号：自动、手动。(1)中央联动控制设备的转换开关置于“自动”位置，断路器合上，表示该设备处在中央操作状态即中央联动运转状态，系统联动运转准备完成，可以启动联动PLC程序。(2)机旁单独控制设备的转换开关置于“手动”位置，断路器合上，表示设备处于机旁单独操作状态。对应手动位置，操作箱上安装两个按钮分别为启动按钮和停车按钮，作为设备单独运行的控制按钮。启动控制按钮，设备机旁操作，这种控制方式主要用于单个设备检修或联动系统出现故障不能正常运行的情况。如图3.1所示设备的控制系统接线图。图3.1设备控制系统接线图根据系统总体设计的控制要求，将系统大致设定为三种工作状态：集中启动、净化停止、紧急停止。(1)集中起动完成运行方式选择后，选择“集中起动”模式。系统起动命令发出后，现场电笛响起起动预示信号，20秒后，首先起动被选择的除尘系统，经延时后被选择的系统设备按顺序逆料流起动，系统处于“起动中”,该系统内全部设备运转后，完成起动过程，系统处于“运转中”。(2)净化停止系统净化停止命令发出后，由于皮带输送系统不能堆料，必须先停止给料设备，系统处于“净化停止中”，经过一段时间净化后，完成净化停止过程，该系统的全部设备一齐停止，再延时一段时间（20秒），除尘系统停止，系统处于“停止中”。联锁系统上因为一台设备故障造成停机，其上流设备停止，下流设备经过一段净化时间后一齐停止。(3)紧急停止按动集控室中央操作台上的紧急停止按纽，系统联动设备全部停止，设备运转指示消去，并故障报警指示。3.1.2故障处理功能系统故障分为重故障、轻故障两类，所有故障均要求在集控室监视。现场的检测仪器针对每台设备有四种故障状态：重跑偏、事故开关、重故障、轻跑偏。(1)重故障：若联锁系统发生重故障，该设备停止，其上流设备一齐停止，下流设备经过一段净化时间后一齐停止。遵循这条原则进行设备的故障模块的设计。重故障包括以下故障：过负荷、断路器跳闸、皮带拉线故障、皮带重跑偏、模拟量超过上限设定值等。(2)轻故障：故障点设备继续运转，不影响其他设备的运行情况。轻故障包括以下故障：皮带打滑、皮带轻跑偏，模拟量超过上限设定值等。3.1.3通信功能备煤PLC系统与上位机、堆取料机系统、自动配煤系统之间以通信方式互相传递信息，实现与堆取料机、配煤室的点对点通信[10]。堆取料机处于煤场中，有一个控制室可进行独立的操作，有堆煤、取煤、直通三种运行状态，启动前下位机需要接收到堆取料机的“备妥信号”。以卸车到煤场方式为例，堆取料机属于堆煤操作，逆料流启动到堆取料机时，中央控制室发出“堆取料机堆料信号”至堆取料机控制室，堆取料机接收后启动内部的一套PLC系统将悬臂皮带开起来进行堆煤操作同时反馈一个“堆取料机悬臂正转信号”给中央控制室作为料线上的下一台设备的启动信号。备煤系统的中央控制室与配煤系统的点对点(PTP)通讯。以配煤后方式为例，按照启动顺序当所有设备都运行后才启动配煤系统。中央控制室发出“备煤系统启动信号”，自动配煤系统接收该信号启动圆盘给料机并反馈“自动配煤运转信号”在上位机画面进行显示。若出现故障首先停止自动配煤系统给料，中央控制室发出“备煤系统紧急停止”信号，配煤系统进行内部的紧急停止处理并取消“自动配煤运转信号”。3.2控制软件实现3.2.1软件开发工具在PCS7过程控制系统中，下位机采用软件STEP7对控制系统进行设计和程，STEP7[16]是一个对S7-300和S7-400PLC进行编程的应用软件包，是用SIMATIC可编程控制器组态和编程的标准软件包，它是SIMATIC工业软件的组部分。标准软件包运行在Windows95/98/NT4.0/2000/XP下，并与Windows的图和面向对象的操作原理相匹配。STEP7中集成的SIMATIC编程语言和语言表达式符合EN61131-3或IEC1131-3标准。STEP7标准软件包提供了多种功能[11]:(1)硬件、通讯组态(2)符号管理器(3)编程语言(LAD/STL/FBD)(4)SIMATIC管理器(5)NETPRO通讯组态(6)系统自诊断(7)建立变量表为通讯存储器赋值(8)建立和管理项目资源(9)定义绝对地址和符号地址等使用S7-300软件包除了可以编制S7程序块以外，还可以设定各种参数，线监测，查询故障等。本项目采用模块化编程，创建不同的系统项目，组成工重庆学硕士学位论文3软件设站，加入硬件和通讯组态，在SIMATIC工作站添加不同的功能模块。备煤过程制系统根据工艺流程，按照不同的联锁关系组成多种运行方式，在集控室集中锁控制设备运转。在编程实现的过程中又可根据运行方式的不同编写不同的功(FC)，然后在组织块(OB1)中，调用各个功能(FC)，从而满足不同控制要求[9]。3.2.2系统运行实现输煤系统具有三种工作状态：集中启动，净化停止，紧急停止。在系统的设计中根据不同的起点、中间点、终点划分为不同的运行方式。如图3.2所示为输煤系统各运行方式，其中M1-M6表示不同的输送皮带。图3.2输煤过程图本课题采用STEP7标准软件包进行模块化编程，创建不同的系统项目，组工作站，加入硬件和通讯组态，在SIMATIC工作站添加不同的功能模块[10]。控制统软件分为几个模块：启动模块、停止模块、故障处理模块、通信模块。在主序OB1中实现对相应功能块FC的调用，对应每一条料线编写相应的功能块，据上位机发出的操作指令执行相应的功能块FC。通过判断调用条件实现上、下机的接口，从而启动正确的功能块。控制程序首先判断设备的启动、联锁条件是否满足。由以上可知，系统运方式繁多，且相互之间存在着互锁关系，因此在PLC中给每个运行方式分配一“方式位”，每种运行方式包括多条单料线且这些单条料线不能同时运作。程序现时给每条料线分配互不相同的集中启动位，当上位机选择方式成立并启动料时，相应的“方式位”和“集中启动位”为1，下位机接收到启动信号对启动模进行调用。同样，每条料线都分配“停止位”以便在进行正常停止时作为条件用停止模块。如图3.3所示控制系统模块。图3.3控制系统模块图3.4所示为系统联锁启动条件，图3.5所示为系统联锁停车条件。图3.4系统联锁启动条件图3.5系统联锁停车条件控制系统程序流程图如图3.6所示。图3.6控制系统程序流程图系统在三种运行方式下的实现如下：(1)启动模块系统启动后，判断中央操作和故障情况，若不在中央操作状态或该料线上有故障存在，那么料线不能启动且处于等待再次启动状态。准备条件具备，现场响起电笛发出预示启动信号，为防止皮带压料的情况，要求经延时后按顺序逆料流启动。下流设备在接到上一台设备的“运转信号”后延时一段时间启动。启动完毕系统处于运转状态中，集中启动复位，使净化停止有效，等待上位机发出停止指令。如图3.7所示为料线的启动流程。图3.7料线启动流程(2)停止模块完成任务后，正常情况下系统需停止工作。按照料流的方向顺序停止，即先停给料设备，再停止受料设备。在程序中使上流设备的“运转指令”消失，外部继电器动作，无“运转信号”送至PLC利用这样的条件依次停止下流设备，当所有的设备停止后，PLC送出“备煤系统正常停止”信号。这样系统处于停止中，设备运转指示消去，等待下一次的启动命令。如图3.8为料线停止流程。图3.8料线停止流程紧急情况，可以操作控制室内的外部紧急停止按钮。下位机接到停止命令就调用一起停止模块，那么所有设备将无条件的一起停止，并发出故障报警信号。3.2.3故障处理实现(1)故障点上流设备处理由于设备逆料流启动，下流设备的运转信号是上流设备的启动信号。若某台设备发生重故障，在外部继电器工作正常的情况下，无“运转信号”送到PLC中，因此上流设备没有收到启动信号，实现上流设备的一齐停止。(2)故障点下流设备处理下流设备依次顺序停止，在PLC中给料线分配故障位，利用故障位实现对故障程序段的引导，实现对故障点以下的设备延时净化停止。故障处理模块放在集中启动FC中进行，运行过程中控制模块采集到故障信号，中断直接跳转到料线故障位引导的故障处理程序。从而上流设备因运转指令取消而立即停止，下流设备的停车指令在故障处理程序中延时给出。设备启动过程中发生的任何故障都可在FC中及时进行处理。故障处理完毕，等待下一次的集中启动。故障处理流程框图如3.9所示。图3.9系统故障处理框图3.2.4通讯功能实现SIMATICPCS7具有ODBC，OLE等标准接口，并且应用以太网、Profibus现场总线等开放性网络，从而具有很强的开放性，可以很容易的连接上位机管理系统和其他厂商的控制系统。采用S7-300作为整个控制系统的控制级，实现对开关量输入、输出：模拟量输入信号的处理，采用国际通用的Profibus-DP现场总线标准协议与上位机进行通讯[14]。如图3.10所示信号传递情况。图3.10备煤系统与自动配煤、堆取料机之间的通信根据控制点数及要求，控制级的中央处理单元选用CPU315-2DP，CPU315-2DP上除了MPI编程口之外还集成有DP口，利用集成在其内部的DP接口连接各个主站和从站，本地站和远程站，从而实现以Profibus-DP的协议形式组成通讯网络，实现数据的交互。4系统抗干扰措施备煤设备的运行环境十分恶劣，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，控制电缆接地也是经常发生的故障，同时，由于控制电缆与高压动力电缆在一个电缆沟内远距离传输产生较高的感应电压，造成偶然性的误信号，系统应尽可能地缩短电缆敷设距离和尽量少地使用电缆。备煤系统运行中，各种干扰信号多，是影响备煤控制系统稳定运行的重要因素。要使控制系统安全稳定运行，增加其抗干扰能力是十分重要的。作为一种应用于工业控制的自动装置，PLC本身具有一定抗干扰能力，比较适应工业现场环境，尽管如此由于焦化厂备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备煤控制设计、调试及运行中的一大难题。许多备煤控制系统不能长期稳定运行，抗干扰能力差是其最主要的原因[15]。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。PLC系统的故障分布情况如图4.1所示：图4.1PLC系统的故障分布情况图由图可知，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。4.1硬件措施(1)信号隔离目前在备煤控制系统中，现场设备与I/O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/O模块，理由是I/O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。我们通过对备煤系统外部环境、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，但在备煤控制时采用继电器隔离仍是十分必要。(2)接地屏蔽在控制系统中，良好接地可消除各电路电流经公共地线阻抗时产生的噪声电压，避免磁场及电位差的影响，使其形不成地环路。接地是抑制干扰使系统可靠工作的重要方法，和屏蔽结合起来使用即可解决大部分干扰问题[16]。在低频电路中，布线和元件间的电感并不是大问题，而接地形成的环路干扰影响却很大，因此通常采用单点接地的方式。PLC控制系统属于低频范畴(1MH以下)，也应遵循单点接地的原则。为防止不同类型地线之间的干扰，设计时将系统中的数字地、模拟地、屏蔽地分别相连，然后汇集到总的接地点，接入备煤系统接地网。在控制系统中，PLC模块、电源设备、继电器都放在控制柜内，对电磁场的屏蔽较好。噪声主要由传输导线引入，因此对导线采取屏蔽措施也十分必要。对I/O信号采用完全屏蔽的信号电缆，并且电缆的金属屏蔽层采用一点接地。若接地点过一个，接地点之间的电位差将产生噪声电流，形成噪声干扰源。(3)采用两路电源分别供电配煤控制两路电源都取自配煤综合楼MCC上，而配煤综合楼MCC电源取自配煤段，配煤系统中的碎煤机电源也取自配煤段，在控制状态下启动碎煤机，因碎煤机启动电流大(380V，1000A左右)，对系统冲击大，电压瞬间降低大，经常造成PLC主机死机，导致碎煤机不能启动。通过多次现场试验和实际操作，单独取一路电源(与碎煤机不在同一电压系统上)，就会消除这一问题，保证了控制系统的稳定运行。(4)电缆选择与敷设信号传输线之间的相互干扰主要来自导线间分布电容、电感引起的电磁祸合防止干扰的有效方法首先是注意电缆的选择，应选用金属铠装屏蔽型的控制信号电缆，一方面减少了噪声干扰，另一方面也增强了电缆的机械强度；其次，电缆的敷设施工也是一项重要的工作，施工时应将动力电缆和控制电缆分开，控制电缆中将强电电缆和弱电电缆分开。同时还要注意尽量把模拟量信号线开关量信号线、直流信号线和交流信号线分开布线，以减少不同类型信号间的干扰。抗干扰示意图如图4.2所示。图4.2抗干扰示意图4.2软件措施在PLC控制系统中，除采用硬件措施提高系统的抗干扰能力外，我们还利用其计算速度快的