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1、1引言1.1 课题简介 11.2 燃煤发电厂除灰概述 11.3 气力除灰技术简介 22大仓泵正压气力除灰系统简介42.1 系统流程 42.2 系统布置 53控制系统设计 73.1 上引式仓泵的工作过程 73.2 PLC 设计 83.2.1 西门子 S7-300PLC 简介83.2.2 PLC的工作原理 143.2.3 PLC的硬件设计及选型 163.2.5 PLC 的 I/O 表 203.2.6 PLC 设计梯形图 243.2.6.1 自动操作梯形图 243.2.6.2 手动操作过程 23中国矿业大学2007届本科生毕业设计第24页1引言1.1 课题简介仓泵进料、出料过程是燃煤电厂气力除灰的很
2、重要的一个生产过程， 主要包括三种工作情况：进料、出料和堵灰。本课题研究的主要是仓泵进 出料的PLC控制系统以及其上位机组态系统的设计。 在PLC系统中分为手 动和自动两部分操作，手动操作是在测试和排出故障时才使用。PLC硬件是采用的是西门子公司的S7-300。上位机组态设计也分为手动和自动两种 操作，软件是采用的北京昆仑自动化软件科技有限公司的MCGS。本系统的上位机系统与以往的上位机设计最明显的改进是：语音报警系统，视频 监视功能，互联网远程监视功能，可以完全实现现场无人操作，有效避免 了对员工的身体危害。1.2 燃煤发电厂除灰概述煤炭是由各种物质组成的，其中有一部分为不可燃烧的矿物质。这
3、种 不可燃烧的矿物质，一般通称为煤的成分。煤经燃烧后，灰分被分解析出， 冷却后成为灰渣。它是由硅、铝、钙、镁、铁等氧化物组成的矿物残渣。煤的成分来源于生成煤的植物所固有的矿物杂质，以及因地壳变化随 植物带入的泥沙杂质，并在碳化过程中与可燃物质化合在一起，只有经过 高温燃烧才能分解析出，这是煤的灰分的主要部分。另外，煤在开采和运 输过程中，还混入一些什石、页岩、岩石等杂质，这些杂质也是煤中灰分 的一部分。煤的灰分含量是衡量媒质优劣的主要指标之一。煤的灰分含量越高， 煤的发热量越低。对于灰分含量在12%；下的各种原煤或洗混煤，称为高灰 分的低质煤。另外，灰分含量为 1640%勺煤泥、水采煤泥和灰分
4、含量在 32%；上的洗中煤，亦称为低质煤。目前，我国动力用煤，一般为未经洗选 或筛选的原煤，灰分含量多在25位右，高者达4050%燃用低质煤的电 厂，宜烧含灰量较低的原煤或经过筛选加工的煤。送入锅炉内的燃煤所含的灰分没，在煤燃烧后都要通过不同的形式排 除出来，从锅炉排出来的灰渣量，为送入炉内燃煤量的灰量。实际上，煤 在燃烧过程中，还会有一部分固态的可燃物质没有燃烧，并化合于灰渣中， 因此锅炉实际排出的灰渣量，就还包括这部分可燃物质。在锅炉排出的灰 谓量中，除有一部分灰量随烟气排至大气外，其余都将由除灰系统排出。燃煤发电厂的除灰，大体上可分为水力除灰、气力除灰和机械除灰三种方式。采用哪一种除灰方
5、式，要从电厂的实际情况出发，根据灰渣量、 灰渣性质、排灰去向和自然条件等方面来选择确定。一般电厂多采用水力 除灰方式，当有部分或全部灰要供给综合利用时，宜采用气力除灰方式。 如采用一种除灰方式不能满足送灰要求时，可以采用两种或者三种联合的 除灰方式。1. 3气力除灰概述气力除灰是以空气为介质，通过压送或抽吸设备及其管道，输送粉粒 状灰的一种干式除灰方式。干灰呈松散状态，流动性好，易于装卸和吹送。气力除灰输送设备比 较简单，除尘器集灰斗与输送设备之间，有的是通过螺旋给料(干灰)机 或空气斜槽连接，有的则是把输送设备或抽灰装置直接装在除尘器的集灰 斗下部。由于气力除灰输送单位重量干灰所需要的空气量
6、少，与输送同样 灰量的一般水方式除灰系统相比，输送管道直径要小的多，所以管道的布 置、敷设都比较方便灵活，除灰管道既能把各个排灰点集中往一个方向输 送，又可以把灰分别送往各个用灰点或转运点。另外，气力除灰系统从进 灰到排灰的全部输送过程容易控制，可按输送的程序采用自动起停，运行 管理比较方便。主要缺点是输送距离短，管道磨损快，易堵灰不适于干渣 的输送。有的电厂为了满足灰渣综合利用的工厂连续用灰，还配备了运输 干灰的槽罐车，作为除灰系统故障时的备用。气力除灰系统分为正压和负压两类系统。简言之，管内压力大于大气 压力者称为正压，反之则为负压。近20年来，气力输送技术在我国燃煤电厂中的应用进入了快速
7、发展阶 段。这主要得益于三大有利背景：(1)国家经济发展的需要。80年代以来国家经济的全面复兴推动了 国内建材工业的高速发展，从而为干灰在建工、建材等领域的应用开辟了 前所未有的市场。(2)环保需要。传统水力除灰技术存在耗水量高、水体污染严重、灰 场占地大、湿度利用效益低等一系列缺陷，随着我国水资源、土地资源的 日益紧缺以及国家环境保护法律、法规的出台，气力除灰技术日益得到重 视。(3)电除尘技术的广泛应用。电除尘器在国内燃煤电厂大面积推广应 用始于70年代。电除尘器对于粉灰煤的综合利用具有不可替代的三大优势：干式收尘，使粉灰煤得以保持原有的良好活性；收尘效率高，可以最 大限度地将利用最高的细
8、微灰粒收集下来；自身的多电场收尘结构具有 相对干灰进行粒径分级的特点，可以实现粗、中、细灰分除、分储和分用。可以预见，随着我国可持续发展战略的实施和环境保护、粉煤灰综合 利用的发展，燃煤电厂气力除灰技术应用前景将会越来越好。2大仓泵正压气力除灰系统简介大仓泵正压气力除灰系统是以压缩空气作为输送介质，将干灰输送到 灰库或其它指定地点，成为国内燃煤电厂应用最早、最广泛的一种气力除 灰方式。像其他气力除灰系统一样，大仓泵正压气力除灰系统由供料设备、气 源设备和集料设备三大基本功能组分以及管道、控制系统等构成。不同类 型的气力除灰系统采用的功能设备的类型、性能以及布置形式是不同的。 大仓泵正压气力除灰
9、系统的核心设备是仓式气力输送泵，电动锁气器是与 之相配套的前置供料器；气源设备采用较多的是空压机组、罗茨风机或其 他高压风机；集料设备是结构较为简单的布袋收尘，布袋收尘器通常安装 在灰库的库顶，也可以根据需要直接安装于用灰现场。根据仓泵配置方式的不同，大仓泵正压气力除灰系统分为集中供料式 和直联供料式两种类型。集中供料系统是指多只灰斗共用一台仓泵，俗称 大仓泵系统，本文设计的对象就是该系统；直联供料式系统是指每一只灰 斗单独配置一台仓泵，这种系统因仓泵的容积较小，因而习惯上称之为小 仓泵系统。2.1 系统流程大仓泵正压气力除灰系统的工艺流程：干灰从电除尘器（ EP）灰斗流 出，经闸板阀、电动锁
10、气器，进入干灰集中设备，干灰集中设备将来自若 干不同灰斗的干灰集中输送给一台仓泵。在仓泵内干灰与压缩空气混合， 使干灰呈悬浮状态，并经输灰管道直接打入灰库。大部分干灰直接落入库 底，少量会随乏气进入安装于库顶的灰袋收尘器，细灰被收集下来重新落 入灰库，清洁空气直接排入大气。大仓泵正压气力除灰系统除仓泵外，还应包括前置给料设备一一电动 锁气器和干灰集中设备。电动锁气器的主要作用一是连续定量给料。二是 隔绝上下空气。干灰集中设备将多只灰斗的灰汇集一起，达到多灰斗共用 一台仓泵的目的。燃煤电厂常用的干灰集中设备有空气斜槽、螺旋输送机 和埋刮板机等。2.2 系统布置下图是一套典型的燃煤电厂大仓泵正压气
11、力除灰系统。该系统为单炉 双电除尘器配置，每台电除尘器为双室三电厂结构。该系统共有两条除灰 管路，采用粗细灰分输、分储方式。一电场干灰为粗灰，二、三电场为细 灰。两台电除尘的一电场8只灰斗共用一条输灰母管，二、三电场的 16只 灰斗共用另一条输灰母管。系统共配有两座储灰库，其中一座用于存储一 电场的粗灰，另一座用于存储二、三电场的细灰。以一电场粗灰为例：干灰分别从 1、2号两台电除尘器的灰斗下来。1 号电除尘器4只灰斗的干灰经闸板阀、电动锁气器进入一只空气斜槽，2号 电除尘器4只灰斗的干灰经另外的闸板阀、电动锁气器进入另一条空气斜 槽。两条斜槽共用一只大仓泵，当干灰进入仓泵并与来自空压机的压缩
12、空 气混合后，形成具有较高压力的灰气流，灰气流沿输灰管道被送入粗灰库， 库内乏气通过安装于库顶的布袋除尘器，细灰被过滤下来，清洁空气被排 入大气。细灰输送管路布置与上述粗灰输送管路略有不同。由于电除尘器二、 三电场收集的干灰量较小，总共只占干灰总量的20%左右，因此二、三电场的细灰先分别进入各自的仓泵和相应的分支除灰管道，然后汇合于同一 条母管打入细灰库。粗灰库 细灰库TT打包机接灰罐车揖湿式搅拌器灰罐车1灰斗 2标板门3电动锐气器 4一交，斜槽5出料狷 6压力探放悯7乏气布袋收尘蠹8-库底气化板9大仓泵3控制系统设计仓泵正压气力除灰系统中包括对仓泵进出料的控制、灰斗气化风机、 灰库气化风机以
13、及管道切换等的控制。由于对仓泵进出料的控制最为复杂，其它控制过程较为简单，因此本文选择该控制过程为研究对象。仓泵依不 同的标准有不同的分类方式，本论文以CB型（上引式）仓泵为研究对象。3.1 上引式仓泵的工作过程CB型仓泵可分为单仓泵和双仓泵两种。CB型单仓泵是由缸体及附件、 进料阀、钢底进风阀、伞形透气阀、伞形阀、止回阀、直角考克、自动料 位指示器等组成。双仓泵是由两台单仓泵加上饲料机、出料阀等组成。缸体由钢板焊接而成。缸体内有环形吹送管，它的作用是通过压缩空 气把缸体内物料气化，以增加物料的流动性和便于输送。进料阀由锥阀、连杆和活塞开关等部分组成，当活塞缸的活塞被气压 推至上部时，连杆带动
14、摇臂杆试锥阀落下，进料阀开启；反之，当活塞开 关的活塞处于下部时，靠活塞开关内的弹簧的压力把锥阀推至上方，并于 橡胶圈压紧，此时就是进料阀的关闭状态。缸底进风阀是压缩空气进入缸体的主要通道。其工作原理是：由阀上 的上下气流压力差与弹簧之间的平衡作用维持一定的开度，让一定量的压 缩空气进入缸体，使缸体内物料气化后，借缸体与管道的压力差，将气化 的物料送至输送管道。伞形阀与伞形透气阀的工作原理：当控制管路通气时，阀的橡胶膜上 受压推动阀杆，使弹簧压缩，并顶开阀芯，从而阀门开启工作。伞形透气 阀的作用是将缸体内的大气排出，使仓泵顺利出料。伞形阀的开启作用事 将缸底进风阀打开，便于送料。自动料位指示器
15、的作用是当料位到达规定的高度时即发出指示信号， 从而使仓泵达到自动控制。 如图就是一个典型的CB型仓泵控制系统图。为了便于后面的控制系统设计，图中只画出了仓泵的主要组成部分， 有些零部件譬如排气阀、料位计、环形吹松管等没有画出。下面简述一下 其工作工程：打开透气阀DQC将罐内的空气排出，再将进料阀 JLJ打开, 向罐内供料。这两个阀门的启闭均靠启动执行。当罐体内料位达到预定高 度时，料位计动作，并发出信号将控制气源的电磁阀HJ关闭，气源切断后透气阀和进料阀同时关闭。当进料阀关闭后，其限位开关将电气信号传递 给电磁阀HJG将进风阀DQCF启，通过环形吹松管和缸底进风阀将压缩空 气送至罐体内，使罐
16、体内的粉料受到均匀的搅拌，并从排料管随压缩空气 一起排出。3.2 PLC设计3.2.1 西门子S7-300PLC简介S7-300 是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。- SIMATIC S7-300可编程序控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间 可进行广泛组合以用于扩展。一、系统组成中央处理单元(CPU)各种CPU有各种不同的性能，例如，有的 CPU上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有PROFIBUS-DP通讯接口等。信号模块（SM）用于数字量和模拟量输入/输出通讯处理器（CP）用于连接网络和点对点连接功能模块（FM）用于高速计数，定位操作（开环或闭环定位）和闭环控制。负
17、载电源模块（PS）用于将SIMATIC S7-300 连接到120/230 伏交流电源，或 24/48/60/110 伏直流电源。接口模块（IM）用于多机架配置时连接主机架 （CR）和扩展机架（ER）。S7-300通过分布 式的主机架（CR）和3个扩展机架（ER）,可以操作多达32个模块。运 行时无需风扇。二、SIMATIC S7-300适用于通用领域：高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有最高的工业环境适应性。三、类型S7-300有两种类型： 标准型 温度范围从0 C到60 C环境条件扩展型温度范围从-25 C到+60 C更强的耐受振动和污染特 性。四、功能SIMATIC S7-300的大
18、量功能支持和帮助用户进行编程、启动和维护高速的指令处理0.60.1 pS的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的 应用领域。浮点数运算用此功能可以有效地实现更为复杂的算术运算：方便用户的参数赋值一个带标准用户接口的软件工具给所有模块进行参数赋值，这样就节省了 入门和培训的费用。人机界面（HMI）:方便的人机界面服务已经集成在 S7-300操作系统内。因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（hmi）从S7-300中取得数据，S7-300 按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的 传送。诊断功能:CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能
19、是否正常、记 录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）。口令保护：多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防 止未经允许的复制和修改。操作方式选择开关：操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔 出时，就不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序。五、SIMATIC S7-300具有多种不同的通讯接口：多种通讯处理器用来连接AS-I接口、和工业以太网总线系统串行通讯处理器用来连接点到点的通讯系统多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机 界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。六、CPUJ持下列通讯类型：过程通讯通过
20、总线（AS-I或PROFIBUS ）对I/O 模块周期寻址（过程映象交 换）数据通讯：在自动控制系统之间或人机界面 （HMI）和几个自动控制系 统之间，数据通讯会周期地进行或被用户程序或功能块调用。七、结构DIN标准导轨安装：只需简单地将模块钩在DIN标准的安装导轨上， 转动到位，然后用螺栓锁紧。集成的背板总线：背板总线集成在模块上，模块通过总线连接器相连， 总线连接器插在机壳的背后。更换模块简单并且不会弄错：更换模块时，只需松开安装螺钉。很简单 地拔下已经接线的前连接器。在连接器上的编码防止将已接线的连接器插 到其他的模块上。可靠的接线端子：对于信号模块可以使用螺钉型接线端子或弹簧型接 线端
21、子TOP连接：采用一个带螺钉或夹紧连接的1至3线系统进行预接线。或者 直接在信号模块上进行接线。确定的安装深度：所有的端子和连接器都在模块上的凹槽内，并有端盖 保护，因此所有的模块都有相同的安装深度。没有槽位的限制：信号模块和通讯处理模块可以不受限制地插到任何一个槽上，系统自行组态。SIMATIC PCS 7过程控制系统详细介绍SIMATIC PCS7是西门子公司基于全集成自动化思想的面向未来的过程 控制系统。经过六年的发展，SIMATICPCS7凭借极高的可靠性和优越的性 价比成为了新一代DC繇统的典范。已经发布的SIMATIC PCS 7的最新版本6.0版将会极大地提高系统的 各项性能指标
22、，大大地扩展系统的应用范围，更适合于在苛刻领域中的应 用，并且促进了从仪表到系统的纵向集成。这将使得SIMATIC PCS 7无论从产品质量还是性能指标都达到全新的高度。尽管先前版本的SIMATIC PCS 7过程控制系统已经拥有了优越的系统 功能，6.0版本仍有其突出的贡献：极大地提高了系统容量（网络能力和控制/监控站的数量）整体硬件性能和编程环境的提高系统免疫能力和抗超载能力提高可用性增强工程工具得到优化，大大地减少了组态工作（如消除了等待次数）符合FDA标准的生产数据查帐索引（确保数据安全）创新的SIMATIC批处理的功能更强系统范围的在线可更换性（硬件、通讯、自动化系统和操作员站）工程
23、师站、操作员站和SIMATIC批处理系统的操作平台将升级为Windows 2000全集成自动化的高度集成使得我们的客户能够在企业级的自动化解决 方案中达到全新的境界。SIMATIC PCS 7 一实现全集成自动化的过程控制系统通过全集成自动化（TIA）,西门子公司实现了基于单一平台提供用于 全过程链的通用自动化技术的目标，从输入物流，到生产或所有流程，直 到输出物流。这种通用自动化技术还可用于优化一个企业的所有业务流程， 从企业资源计划（ERP级，到管理执行系统（MES级和控制级，直到现 场级。横向集成横向集成意味着所有生产流程，从输入物流，到生产或所有流程，直 到输出物流，都可使用统一的 S
24、IMATIC系列标准硬件和软件部件。作为企业范围内全集成自动化系统中的过程控制系统，SIMATIC PCS 7采用TIA系统中的标准硬件和软件。借助于其通用的数据维护、通讯和设 计功能，可以提供一种基于开放式平台的先进的、面向未来的经济自动化 解决方案，用于过程工业、加工工业以及综合工业的所有领域（连续 /批量 过程以及分散式加工，例如在玻璃工业和制药工业）。在过程工业和综合工业的辅助流程和物流过程中，经常通过运动控制 系统和SIMATIC部件实现自动化，其主要流程通过过程控制系统SIMATICPCS 7来完成。通过全集成自动化理念，SIMATIC PCS 7不仅可以承担过程控制技术 相关任务
25、，而且还可以完成一个生产平台的辅助流程（例如装料，包装） 或输入输出物流（例如物料输送和贮存）的自动化。纵向集成：纵向集成将实现从ERP平台，到MES平台和控制台，直到 现场平台的通用和透明化数据通讯。通过不断融入自动化技术和信息技术 以及标准化技术，可以实现公司范围内的信息网络的自动化。由此可以实 现整个工艺流程的模块化和标准化，显著提高生产的灵活性。SIMATIC PCS 7在公司范围内的纵向集成包括两个方面与全公司范围内的信息网络集成现场技术集成通过将自动化平台连接到IT环境，可以将过程的数据在整个公司范 围内应用于设备运行、生产流程以及业务流程的评价、规划、协同和优化。 同时，还可满足
26、公司的全球化战略要求。强大的系统结构借助于其面向未来的理念、基于最先进SIMATIC技术的模块化和开放 式架构、工业标准的继承性使用以及配合使用的高性能控制功能，使用过 程控制系统SIMATIC PCS 7,可以实现所有项目阶段中控制技术设备的高 性价比实现和经济运行。从规划、工程、调试和培训，到运行、维护和保 养，直到扩展和完善。同时，SIMATIC PCS 7以及最高的舒适性，简单安 全的运行，可以实现较高的性能和可靠性。SIMATIC PCS 7充分利用了 PROFIBUS技术的分布式现场技术集成功 能。PROFIBU为一种简单、坚固和可靠的总线系统，已在全球应用于过程、 加工和综合工业
27、的所有领域以及主要流程和辅助流程的输入输出物流。该 总线系统支持冗余和故障安全以及在线扩展功能，既可安装在标准工业环 境中，也可安装在具有爆炸危险的场合。这为具有传统信号输入输出以及 带有最先进集成现场设备的分布式外围设备 ET 200 （远程I/O ）所无法比 拟。采用SIMATIC PCS 7过程控制系统的全集成自动化主要具有以下优显著节约开发、实施和寿命周期成本降低工程造价过程优化功能自适应应用要求变化使用SIMATIC标准部件的优点：降低硬件和工程成本可靠的质量和稳定性简单快速地系统部件的选型较低的备件成本显著缩短的备件和扩展部件供货周期全球通用显著节约物流、检修和培训成本通用而协同的
28、完整系统作为现代化的过程控制系统，SIMATIC PCS 7可单独，也可与运动控制系统和SIMATIC结合使用，形成一个通用而协同的完整系统。随着对无 缝通用自动化技术的要求不断提高，竞争和价格压力的不断增加，以及对 生产设备柔性度的要求和对生产效率的期望越来越大，SIMATIC PCS 7的优势越来越明显。在复杂性越来越大的背后，尤其是自动化技术与信息技术的融合，将 是越来越多的通用系统平台的纵向和横向集成，实现所谓的 “ Best-of-Breed 产品”自动化解决方案。采用全集成自动化理念的SIMATIC PCS 7即可最佳满足这种高要求，前瞻未来。卓越的性能和优秀的系统特性，保证了可靠
29、的数据维护、通讯和设计， 符合过程控制系统的所有要求：简单而且安全的过程控制；方便的操作和可视化；功能强大、快速、统一的全系统范围的工程；系统范围内的在线更改功能；开放性系统；灵活性和可扩展性；冗余性；故障安全自动化解决方案；丰富的现场总线集成；灵活的批量过程解决方案；灵活性和可扩展性直接连接IT环境。借助于其模块化的设计，基于甄选的SIMATIC标准程序以及硬件和软 件的架构，SIMATIC PCS 7可以灵活适配不同的客户要求和设备规格，将 来的容量扩展和技术工艺更改都毫无问题。SIMATIC PCS 7的可扩展性表现在，从具有大约160个测量点的较小的单一系统（例如：PLT点，MSR点）
30、，例如用于实验室自动化或工业学校中的应用，直到具有60000个测量点、客户机/服务器架构的分布式多站系统，用于大型生产设备的自动化。因此，SIMATIC PCS 7可以适配所有设备规格，并随着设备的不同而 柔性扩展！面向未来SIMATIC PCS 7基于全集成自动化系统系列的模块化硬件和软件部件， 可以相互完美协同。该系统可以无缝、经济的进行扩展和创新，通过其长 期稳定的接口，而面向未来。因此，尽管创新速度越来越快，生产寿命周 期越来越短，仍能优秀保护客户的投资。SIMATIC PCS 7采用连续性强、全新、功能强大的先进技术以及国际 工业标准，例如 IEC、XML PROFIBUS 以太网、
31、TCP/IP、OPC aGlance ISA S88或S95,无与伦比。SIMATIC PCS 7的开放性更是使其可以运行在所有平台和自动化系统 以及过程外围设备中，以及操作员和功能系统、工业通讯或SIMATIC ITFramework,并以连接到公司范围内的信息工具、协同工具和规划工具。其开放性不仅表现在系统架构上，纵向集成和横向集成以及通讯上， 而且还表现在用户程序的编程和数据切换接口，图形、文本和数据的导入 导出，例如从CAD/CAE环境中导入和导出数据。由此，SIMATIC PCS 7也可以与来自其它制造商的部件一起使用，连接到 现有基础架构中。3.2.2 PLC的工作原理最初研制生产
32、的PLC主要用于替代传统的由继电器接触器构成的控制 装置，但是这两者的运行方式是不一样的：继电器控制装置采用硬逻辑并 行运行的方式，即如果一个继电器的线圈通电或断电，该继电器的所有触 点不论在继电器控制线路的哪个位置上，都会立即同时动作。然而 PLC的 CPU则采用顺序逐条地扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或 逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点不会立即动作，必须等扫描到 该触点时才会动作，PLC的这种“串行”工作方式避免了继电器控制系统 中触点竞争和时序失配的问题。考虑到继电器控制装置中各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均少于 100ms,为了
33、消除二者以上之间由于 运行方式不同而造成的差异，PLC采用了一种不同于一般微机的运行方式 扫描技术。循环扫描的工作方式是在系统软件控制下，顺序扫描各输入点的状态， 按用户程序进行运算处理，然后顺序向输出点发出相应的控制信号的整个 工作过程可分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行和输出处 理五个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。每次扫描用户程序之前，都先进行内部处理，PLC检查I/O部分、存储器、CPU等硬件是否正常，复位监视定时器。通信操作服务阶段，PLC检查是否有编程器、计算机等的通信请求， 有则进行相应处理，接收由编程器送来的程序、命令或各种数据，并把要 显示的状态、数据
34、、出错信信等发送给编程器进行显示。如果有计算机等 的通信请求，也在这段时间完成数据的接收和发送任务。当PLC处于“STOP状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。 在PLC处于“RUN”状态时，从内部处理、通信操作，到程序输入、程序 执行、程序输出，一直循环扫描工作。输入处理又叫输入采样。在此阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有 输入状态和数据，并将它们存入内存中所对应的映像寄存器。输入采样结 束后，进入程序执行阶段。在程序执行时，即使输入状态和数据发生变化， 输入映像寄存器的内容也不会发生变化，只有在下一个扫描周期的输入处 理阶段才能被读入信息。如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须
35、 大于一个扫描周期，才能保证输入被读入。在程序执行阶段，PLC的CPU总是按先左后右、先上后下的顺序依次 扫描程序（梯形图）。但对于跳转指令，则根据跳转条件是否满足来决定程 序的跳转地址。当用户程序涉及到输入输出状态时，PLC从输入映像寄存器中读出上一阶段采入的对应输入状态，从输出映像寄存器读出对应映像 寄存器的当前状态，根据用户程序进行逻辑运算，运算结果再存入有关器 件的寄存器中。当程序执行阶段结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU 按照映像寄存器内对应的状态和数据刷新所有的输出电路，并驱动相应的 外设。这时，才是PLC的真正输出。PLC的扫描既可按固定的顺序进行，也可按用户程序
36、所指定的可变顺 序进行。这不仅因为有的程序不需要每扫描一次就执行一次，而且也因为 在一些大系统中需要处理的I/O点数多，通过安排不同的组织模块，采用分 时分批扫描的执行方法，可缩短循环扫描的周期和提高控制的实时响应性。 3.2.3 PLC的硬件设计及选型根据仓泵的工作原理，对仓泵的进料、出料过程可采用如下设计：传感器传感器控制对象备注位置传感器X0继电器KM1仓泵满时闭合压力传感器X1继电器KM2仓内压力小于某设定值时闭合压力传感器X2继电器KM3仓内压力大于某设定值时闭合压力传感器X3继电器KM4出料管压力大于某设定值时闭合压力传感器X4继电器KM5出料管压力小于某设定值时闭合工作过程说明:
37、在该设计中，PLC的输入为数字模块，它是受设置在炉内的各种传感器所控制线圈的相应开关控制，只有开和关两种状态。本设计所用到的传 感器主要是两种：一是位置传感器，它主要是检测炉内料的高度；另一种 为压力传感器，它主要检测炉内和出料管的压强，进而对各开关进行控制。如图所示，炉内传感器有5个，设定编码为X0-X4,它们分别控制的 继电器线圈为KM1-KM5 ,功能简述为：X0为位置传感器，它检测炉内料 的高度，当炉内的料到达一定高度时（预设为料满），则由它控制的线圈KM1带电，该线圈相应控制的开关要动作；X1-X4都是压力传感器，其中X1是检测炉内低压的传感器，当出料到一定值时（预设值）时，就认为此
38、 时压强为料空时的压强，此时该传感器所控制的继电器线圈 KM2带电，相 应的开关动作；X2与X1正好相反，它是检测炉内高压的传感器，即当进 料到预设值时的压强，当认为料满时（此时认为炉内压强高），该传感器控 制的继电器线圈KM3带电，相应开关动作；X3、X4为控制出料管的压强， 防止出料管堵塞，其中X3检测管的高压，当管压强到达预设值时，它控制 的线圈KM4带电，同时相应线圈动作；X4是管的低压检测，它是解除高 压设置，当管子在不断的控制下压强降低到一定值（认为管子不堵）时， 该传感器控制的继电器线圈KM5带电，相应的开关动作。卜面对PLC的控制原理进行解释：（如PLC控制I/O图及梯形图）进
39、料过程：当炉内的料少或空时，KM1不带电，炉内压强低，KM2带 电，因此它们控制的开关 KM1常闭节电保持闭合，KM2常开节点闭合。 对应于梯形图为：I0.1闭合，辅助继电器M1带电，形成记忆电路，输出接 点Q4.0、Q4.1、Q4.2带电，分别使所控制的透气阀、进料阀、进料指示灯 工作，实现进料过程。出料过程：出料过程实现的前提是进料已满。当料满时，进料位置控 制传感器所控制的线圈KM1带电，其相应的常闭开关断开，常开开关闭合， 此时炉内压强认为高，即 KM3带电，它控制的KM3开关闭合。对应于梯 形图为：I0.0闭合，I0.2闭合，辅助继电器带电，形成记忆电路，使输出接 点Q4.3、Q4.
40、4带电，它控制的进风阀、出料指示灯工作，实现出料过程。以上两过程不能同时工作，所以在上面两过程的梯形图中采用了互锁 电路。下面对堵灰过程进行解释：当出料管压强大的一定值时，线圈 KM4带电，它控制的KM4常开接 点闭合，对应在梯形图上为I0.3闭合，辅助继电器 M3带电，形成记忆电 路，使输出接点Q4.5、Q4.6带电，使吹风开关动作，对管子吹风，吹走管 子中的堵塞物，并同时报警。为了保护设备，此时使进料过程停止，并强 制出料过程工作。当管子的压强降到一定值时，线圈KM5带电，对应的KM5开关闭合， 在梯形图中为：I0.4闭合，使辅助继电器带电，同时形成记忆电路。该电路 与堵灰高压控制电路形成
41、互锁，当压强低时，会强制关断堵灰高压控制电 路，使进出料过程正常进行。根据控制系统中输入信号和控制量的多少，选取PLC个模块如下：(1)CPU 单元:CPU315-2DP,RAM48KT扩展 EEPROM512K(2)DI 模块：SM321,16 路/块,1 块;(3)DO模块:SM322,16路晶体管/块,1块；(4)电源:PS307,10A,1 块；CPU315-2DPM有48KB RAM 80KB (RAM的装载存储器，可用存储卡 扩充装载存储器容量最大到512KB,每执行1000条二进制指令约需0.3ms. 最大可扩展1024点数字量I/O或128路模拟量通道。CPU31咕装硬件实时
42、时钟，如安装后备电池，则在电源关掉时CPU勺时钟仍28续工作。CPU315-2DP 是唯一带现场总线(PROFIBUS)SINEC L2-DPI口 的 CPU块。CPU315-2DP勺操作系统是事件驱动的用户程序扫描过程。CPU响应那 些事件，操作系统自动调用I事件的组织块 OB例如，用于循环扫描的OB1用于再启动的OB100时间/日期中断OB10延时中断（16000m OB20 硬件中断OB35诊断中断OB82M昔误/故障组织块OB80 OB81 OB85 OB87 OB121等。CPU314M用128个功能块FB （0127）; 128个功能调用FC （0127）; 127个数据块DB （
43、0127, 0保留）;OB,FB,FC,DB的容量均不大于8KR除此之外，有34个系统功能SFC集成在操作系统中供用户调用， 有九个系统数据块SDBg载S7-300的系统参数。SM321数字量输入模块将现场过程送来的数字信号电平转换成S7-300内部信号电平。数字量输入模块分为直流输入方法和交流输入方法，对现 场输入元件，仅要求提供开关触点即可。输入信号进入模块后，一般都经 过光电隔离和滤波，然后才送至输入缓冲器等待CPU采样。采样时，信号经过背板总线进入到输入映象区。数字量输入模块SM321有四种模块型号可供选择，即直流16点输入、 直流32点输入、交流16点输入、交流8点输入模块本系统因为
44、考虑手动 操作,所以数字量很多所以采用直流32点输入模块。SM322数字量输出模块将S7 300内部信号电平转换成过程所要求的外 部信号电平，可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机 启动器等。按负载回路使用的电源不同分为：直流输出模块、交流输出模 块和交直流两用输出模块。按输出开关器件的种类不同又可分为：晶体管 输出方式、可控硅输出方式和继电器触点输出方式。晶体管输出方式的模 块，只能带直流负载，属于直流输出模块；可控硅输出方式属于交流输出 模块；继电器触点输出方式的模块属于交直流两用输出模块，从影响速度 上看，晶体管响应最快，继电器最慢；从安全隔离效果及应用灵活性角度 看，以继
45、电器触点输出型最佳。本系统因为考虑手动操作，所以数字量很多所以采用直流32点输出模块。PS307是西门子公司为S7 300专配的24V DC电源。PS307系列模块 除输出额定电流不同外（有2A,5A,10A三种），其工作原理和参数都不一样。本系统选用PS30710A模块电源。PS30710A模块的输入接单相交流系 统，输入电压120/230V,50/60HZ,在输入和输出之间有可靠的隔离。如果 正常输出电压24V,则名色LED点亮；如果输出电路过载，则LED闪烁，输 出电流长期在10A到13A之间时，输出电压下降，电源寿命缩短，电流超 过13A时，电压跌落，跌落后可自动恢复；如果输出短路，输
46、出电压为0V,LED变暗，在短路消失后电压自动恢复。输出电压允许范围24V 5%,最大上升时间2.5S,最大残留纹波150Mvpp.电源效率89%,功率输入270W功 率损耗30W PS307 2A模块的功率损耗10W, PS307 5A模块的功率损耗18WPS307 可安装在S7 300专用导轨上，除了给 S7 300CP3电，也可 给I/O模块提供负载电源。3.2.4 PLC的I/O功能表3.2.4.1 输入端口功能表输入端口实现功能I0.0仓泵内灰料位置控制I0.1仓泵内压力控制I0.2仓泵内压力控制I0.3出料管内压力控制I0.4出料管内压力控制I0.5仓泵内灰料位置控制3.2.5.2
47、输出端口功能表输入端口实现功能Q4.0透气阀动作输出Q4.1进料阀动作输出Q4.2进料指示灯输出Q4.3进风阀动作输出Q4.4出料指示灯输出Q4.5吹通阀动作输出Q4.6堵灰报警器输出3.2.6 PLC设计梯形图3.2.6.1 自动控制梯形图梯形图（LADDER DIAGRA Mt达式是在原电器控制系统中常用的控制 器，继电器梯形图基础上演变而来的。它与电器操作原理图相呼应，形象， 直观和适用，为广大电气技术人员所熟知，是PLC的主要编程语言。本设计就是才用梯形图编程的。1 .梯形图的格式每个梯形图网络由多个梯级组，每个输出元树可构成一个梯级，每个 梯级可由多个支路组成。通常每个支路可容纳的编程元素个数和每个网路 最多允许的分支路数都有一定的限制。最右边的元素必须是输出元素。简 单的编程元素只占用1条支路(例如常开/常闭接点，继电器线圈等)，有 些编程元素要占用多条支路(例如矩阵功能)。在用梯形图编程时，只有在 一个梯级编制完整后才能继续后面的程序编制。PLC的梯形图从上至下按行 会制，途中竖线类似电器控制图的电源线，称作母线(BUS BAR,