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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 PLC 的火电厂输煤系统设计杨建华，黄飞，安震鹏，迟文龙* （大连理工大学电子信息与电气工程学部，辽宁大连 116024）摘要：本文以大连某火力发电厂输煤系统升级改造为背景，详尽分析了火电厂的输煤工艺流程，选用西门子 S7-400 PLC 作为火电厂输煤程控系统的核心。通过 STEP7 对火电厂输煤系统下位机程序进行研究与设计，通过 WinCC 软件开发上位机控制界面。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。关键词：火电厂输煤系统；S7-400PLC；STEP7；WinCC 中图分类号：TP29 A Power Plant Coal Transport System Based On PLC Yang Jianhua, Huang Fei, An Zhengpeng, Chi Wenlong (Faculty of Electronic Information and Electrical Engineering DaLian University of Texhnology, LiaoNing DaLian 116024) Abstract: In this paper ,a power plant coal transport system’s upgrade and improvement is taken as background and a detailed analysis of the coal thermal power plant process is presented. The siemens S7-400 PLC is determined as the core of this control system..The program of PLC is researched and designed by the STEP7,and host computer procedure is presented by the WinCC. Therefore, a two-way system which has multiple backup segments is introduced in this paper based on the consideration of the system’s operation reliability and functions, so from the mechanical view the system’s operation reliability is ensured. Keywords: Power Plant Coal Transport System; S7-400PLC; STEP7; WinCC 5 10 15 20 25 0 引言 30 35 电厂输煤系统是电力生产过程中非常重要的外围辅机系统。输煤控制系统具有控制设备多、工艺流程复杂、设备分散等特点。输煤系统主要承担将燃煤从地下卸煤槽运至主机煤仓的上煤任务，以及将煤运至煤场的储煤任务。一个高可靠性和灵活性的燃料输送系统是机组乃至整个电厂稳定运行的重要保证，其运行的好坏直接影响到电厂的安全运行[1]。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。实践证明沿线环境条件恶劣，粉尘、潮湿、振动、噪音、电磁干扰等都比较严重，传统的强电集中控制方式已不能适应大型火电厂输煤系统自动化的要求[2]。PLC 程控方式由于其自身优点，目前在国内大型火电厂输煤系统中已逐渐取代常规的强电集中控制方式，成为大型火电厂输煤程控系统的核心。正是在这种背景下本文提出一种基于西门子 S-400PLC 的火电厂输煤系统。本文通过 STEP7 对火电厂输煤系统下位机程序进行了研究与设计，得到了满足输煤工艺要求的下位机程序，通过 WinCC 编写功能强大的上位机监控软件。目前，该系统的良好运行也为其他火电厂输煤系统升级改造提供了参考。 1 火电厂输煤系统工艺分析火电厂输煤系统的工艺流程见图 1-1。该输煤系统由 3 个转运基站和十三条皮带相连接完成输煤的。这三个转运站的输煤原理是完全一样的，都是机架上的皮带运输机，在电机正 40 转时带动皮带机，正向送煤进入下一级输煤机架，由于两条路径的各段都互为备用，因此该输煤系统有很多路径可以选择，大大提高了输煤系统的可靠性。输煤系统由皮带、转运站、作者简介：杨建华，男，教授，复杂工业过程先进控制技术研究及应用. E-mail: 492398696@qq.com - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 梨煤器、煤仓等组成。首先由汽车和叶轮给煤机将煤输送到 C-1A，C-1B 皮带上，煤经由皮带进入 1 号转运站，1 号转运站由电机、除铁器、三通挡板组成，除去铁质等杂物，及防止落煤口堵塞。从落煤口落下的煤，经由 C-2A，C-2B 进入 2 号转运站，2 号转运站也由电机、除铁器组成，经由 2 号转运站出来的煤有两个方向的出处，分别为 C-3，C-4A，C-4B 皮带。一部分煤经过 C-3 皮带的煤经由电动刮水器进入干煤棚，以作备煤用。另一部分煤经由 C-4A，C-4B 皮带，进入粗碎机室，经过除铁，滚轴筛，400t/h 环锤式碎煤机，进行粗碎然后经由 C-5A，C-5B 皮带进入细碎机室。细碎煤机室由齿型筛分除杂物机、布料机、细碎煤机组成，在此进一步将煤细碎，然后细碎后的煤经由 C-6A，C-6B 皮带进入采制样间，符合工艺要求的煤将进入 3 号转运站，除铁后的煤将经由 C-7A，C-7B 皮带进入煤仓间。煤仓间的分煤功能是通过位于每个煤仓上方的皮带机上的犁刀相应动作实现，当此犁煤器进刀动作时，况且转运站上有煤，又皮带机正在输煤时，分煤机架上的煤将被送入对应的煤仓，对应煤仓获煤。总之，输煤系统最基本的工艺流程可概括为“逆煤流启动，顺煤流停止”[3]。 2 基于 STEP7 的下位机程序设计本系统采用西门子 S7-400 PLC 作为控制核心。使用 profibus 总线搭载冗余结构。 2.1 硬件选型 S7-400 PLC 采用模块化设计，在一块机架底板上可安装电源、CPU、各种信号模板、通信处理器等模块，其中 CPU 上有一标准化 MPI 接口，它既是编程接口，又是数据通信接口[4]。系统涉及的 I/O 点很多，控制系统模块选型可见表 2.1： - 2 - 45 50 55 60 65 70

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 表 2.1 控制系统模块选型表型号 PS 407 CPU 416-2 DP CP 443-5 Basic MPI/DP SM 331 SM 332 SM 321 SM 322 UR ER 数量 1 1 1 1 9 1 24 14 1 7 描述电源 CPU 通讯模块连接模块 8 位模拟量输入模块 8 位模拟量输出模块 32 位数字量输入模块 32 位数字量输出模块主机架扩展机架 2.2 STEP7 环境下的硬件组态 75 80 西门子 S7-400 是典型的分布式 I/O 系统。分布式 I/O 指主系统，其包含通过总线电缆相连、通过 PROFIBUS-DP 协议互相通信的 DP(分布式 I/O)主站和 DP 从站。PROFIBUS 现场总线按“主从令牌通信”访问网络，只有主动节点才有接受访问的权利，通过从一个主站将令牌传输到下一个主站来访问网络。图 2-1 为本输煤系统基于 STEP 7 平台的最终硬件配置画面。在画面下方系统会自动分配 I/0 地址，这是软件编写时需注意的。后面软件编写所用的 I/O 地址既是采用了系统默认的 I/O 地址。图 2-1 在软件上主从站的硬件配置 85 在图 2-1 中，左上窗口是带有插槽号的机架组态，在 Hardware Catalog(右上)窗口中查找所需要的模板。如图所示，本文设计的控制系统中各分站与主站之间通过 PROFIBUS 总线通讯，两条总线与主站构成了冗余系统，这样在一个主站出现故障时，另一个可以作为备份保障系统的运行。依据工艺要求，设计系统总的控制流程图如图 2-2： - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 2-2 控制流程图 2.3 梯形图程序设计举例 2.3.1 主程序块 OB1 OB1 块是 S7 程序的主程序。按程序流程图的要求，主程序中只是对各子程序逐一进行了调用。主程序画面如图 2-3 所示(本文在引用梯形图程序时删除了其中不必要的注释部分，故画面中的程序与 STEP7 中的程序略有区别)：图 2-3 主程序块梯形图主程序调用了预开始子程序块、配煤子程序块、开关机复位子程序块、主设备管理子程序块和故障处理子程序块。这六个子程序块分别完成了运行模式选择，管理犁煤器运动，在不重启 CPU 的情况下进行不同运行模式的切换，皮带机除铁器等主设备的顺序启动停止，以及故障情况下对系统的处理。这些子程序完全可以实现对火电厂输煤系统的控制。 - 4 - 90 95 100

105 110 115 120 125 中国科技论文在线 2.3.2 变频器程序块 http://www.paper.edu.cn 在整个下位机程序设计中唯一涉及到模拟量控制的是变频器模块，因此下面对该模块进行介绍。在输煤系统中常常需要改变煤流的大小，改变叶轮给煤机的转动速度可以达到这个目的。用变频器可很容易改变叶轮给煤机的转动速度。变频器设置由外面模拟量输入控制输出频率，并选择模拟量输入范围是 0 − V10 ，输出。假设输出模拟量为Y ， 5 − 80 Hz 频率设置当模拟量输入时，对应的输出频率为输对应的频率值为 X ，则二者之间的关系见公式 1： 0 − V10 Y = ( ( 27648 − 0 ) ( 80 − 5 ) X ) × (公式 1) 变频器程序块实际就是实现公式 1 的运算，梯形图程序可见图 2-4： 3 基于 WinCC 的上位机程序设计图 2-4 变频器程序块 SIMATIC WinCC 是第一个使用最新的 32 位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。本输煤系统的控制器是西门子 S-400PLC，因此上位机组态软件选择 WinCC。 3.1 上位机设计思想监控系统结构示意图如图 3-1：图 3-1 上位机系统结构图监控系统应包含的主要功能有: 对工业控制机的数据进行实时采集；趋势图、报警图、设备状态、运行工况的动态显示；报表按组态的公式实时计算，动态更新数据；故障自动报警及记录；图形、报表的即时打印；对下位机(PLC)进行控制。 - 5 -

中国科技论文在线 3.2 主要监控画面 130 系统监控主画面如图 3-2 http://www.paper.edu.cn 图 3-2 主监控画面图上为通用操作按钮和通用显示画面，包括控制方式转换开关、常用操作按钮、报警显 135 示、光字牌、时钟等；中部显示所要监控的画面如输煤系统的整个动态流程图、配煤画面、报警查询、设备检修画面等等；下部为主操作菜单。菜单项包括主画面、运行方式、报警查询、报表管理、电流趋势、辅助设备等。通过选择这些菜单项，屏幕中部将切换到相应的画面。 3.3 上位机与下位机的通讯 140 上位机与下位机之间的通讯通过 Profibus 实现，上位机上加装 CP5613 数据采集卡，通过其支持的 Profibus 协议，可进行上下位机之间的通信，到了远程控制。应用 WINCC 对该系统进行组态设计，使上位机的监控画面更直观，在组态设计中，上位机参数的设定与系统的下位机 PLC 的程序编写有着很重要的联系。通过组态设计，使操作员能够直观的、及时的对输煤现场进行远距离控制，并把现场反馈回来的信息通过显示和 145 打印报表的形势体现出来，这样既可以做到实时控制，又可以做到在出现问题的时候可以通过历史数据对出现的问题进行判断。 - 6 -

中国科技论文在线 4 结论 http://www.paper.edu.cn 输煤控制系统所要实现的目标就是各个煤仓既不空仓也不满仓。本文所设计的输煤系统 150 是双线互为备用的皮带运输系统。控制对象主要包括皮带运输机，犁煤器、电动三通挡板等。由于实际的输煤皮带路线极长，所要求的运行方式较多，因此采用基于 PROFIBUS 总线的分布式 I/O 控制。多段皮带互为备用，大大提高了输煤系统的可靠性，从硬件上保证了煤仓既不空仓也不满仓目标的可能性。本文得到的上位机和下位机程序可读性强、通用性好，因此本文所作的研究也为粮食储运、行李传输等类似工程项目提供了思路。 155 [参考文献] (References) [1] 詹成军,丘纪燕.PLC 在电厂输煤系统中的应用[J].机械工程与自动化.2006,5：119 [2] 高亮,张兰绪,高瑜.火电厂输煤程序控制和检测保护系统设计[J],1998(3):52 [3] 李志刚,刘媛.发电厂输煤控制系统的研究与改进[J].现代电力,2002，12:23 [4] 徐行健,吴盘龙,吴恒.西门子 S7-400PLC 在电厂输煤程控系统中的应用.PLC 控制技术 160 - 7 -

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