基于PLC的生物质上料控制系统设计及仿真

孙 进，曹肖伟

(扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127)

基于PLC的生物质上料控制系统设计及仿真

孙 进，曹肖伟

(扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225127)

生物质是当成发电燃料添加到锅炉里进行燃烧的，生物质的干燥状况直接影响着其燃烧利用率，对资源的充分利用起到决定性的作用。设计了一个基于PLC的生物质上料控制系统，对于生物质的干燥温度、湿度、重量实行智能监控，实现生物质上料过程自动化，这样将会使能源的使用效率得到极大的提高，同时也节约成本并保护了环境。

PLC；生物质；上料系统；控制；仿真

0 引言

生物质发电是近年来我国进行新能源开发和建设的一个重要项目，对农业和林业的废弃物实现了多方面利用。现在国内已有为数不多的企业对生物质发电的上料系统进行了设计与研发，但大部分都为原皮带输送机生产企业，绝大多数的产品也以输送装置的不同为主，这样也造成了产品功能的相对单一。迄今为止，国内还没有任何一家企业生产完整的集解包、输送、破碎、烘干为一体的自动化上料系统。此外，目前市场上的烘干装置都以电作为烘干热源，功率消耗大，一般在2 000 kW～3 000 kW，而利用锅炉烟道废气余热对生物质进行烘干的，只有江苏朝阳液压机械集团有限公司，并且其控制系统功能比较单一。针对此，本文对生物质发电上料系统做出了一些研究。

1 课题提出的背景

1.1 生物质上料系统在国内外研究状况

本项目的研究对象是生物质发电上料系统的智能化控制。国外生物质发电的起源追溯于20世纪70年代，当时，在爆发世界性的石油危机后不久，丹麦便开始了对清洁的可再生能源的开发，对林业和农业方面的废弃物等生物质发电进行了推广。自1990年以来，许多欧美国家在生物质发电方面取得大规模的发展，到2004年，全世界的生物质发电装机已达3 900万千瓦，全世界的年发电量约2 000亿千瓦时，由此可替代的标准煤达7 000万吨，几乎和其他可再生能源发电量的总和持平。

从改革开放开始至今，我国经济的发展十分快速，但这样的发展却是以能源的高消耗和环境的高污染为代价建立的，到现在为止，我国在一次能源消费结构中，煤炭占67.7%，石油占22.7%，天然气占2.6%，水电等占7.0%，这种大量消耗不可再生能源的结构导致了对环境的严重污染和未来能源发展的不可持续性。因此，对于生物质能源的开发规模化无疑是一项比较现实可行的选择。

直燃发电和气化发电是我国现在生物质能发电的主要方式。其中,在关于生物质直燃的发电项目上,2008年国家发展改革委和地方发展改革委核准了总计39个项目,装机容量总计达128.4万千瓦,预计投资为100.3亿元,截至2008年底,已投产15.4万千瓦。生物质气化以及垃圾填埋气发电,截至2008年已经投产3万千瓦,在建的有9万千瓦。

1.2 生物质上料系统的工艺流程及其应用领域

生物质电厂上料系统的工艺流程如图1所示。

图1 生物质电厂上料系统的工艺流程图

首先在储料棚内安装水平段链式输送机，数量为两台，每一段长11 m。将称重装置设置在机器头部。每次放8个秸秆包由起吊装置进行操作，秸秆包由输送机上的扒齿带动按照一定次序向前输送。由每次的分配小车将密封的秸秆包送进JB-20A型双辊解包疏松机进行切割解包，切割成比较松散容易干燥的秸秆原料并由此送入2#皮带机，接着由这条皮带机将解包的秸秆包送入采用刮板输送的CH系列板式干燥机，解包的秸秆包在干燥机运行的同时将潮湿的秸秆进行干燥，干燥机的干燥过程是将燃烧锅炉产生的高温废气由引风机引入干燥机，经过烘干后的秸秆燃料被输入到炉前螺旋输送机。1#带式输送机采用犁式卸料器将解包后的秸秆卸载到2#皮带机接着再输送至板式干燥机，最后再由板式干燥机将物料输送至螺旋输送机。3#带式输送机安装在板式干燥机的下面作为备用输送线来用。

1.3 基于PLC控制的生物质上料系统

基于PLC的生物质上料系统上料方案如图2所示。

图2 基于PLC的生物质上料系统上料方案图

原料秸秆经过A1分流输送线送至B1和C1挤压输送线，再分别经过板式干燥机内的B2和C2两条输送线进行输送过程的干燥，当到达B3和C3输送线时，两条输送线上的湿度传感器将对秸秆湿度进行检测，当干燥程度达到要求时，两条输送线末端的B4和C4机械抓手将秸秆送至各自的移动小车，然后由小车运送至仓库。当干燥程度达不到要求时，会送至各自的干燥设备进行重新干燥，进行再次检验，当达到要求时，再由移动小车送至仓库。

2 基于PLC的生物质上料系统的仿真分析

本系统编程和仿真采用GX Developer软件，GX Developer是三菱通用性较强的编程软件，它能够完成Q系列、QnA系列等多种系列的编程和仿真，适用性广。当选择FX系列时，还能将程序存储为FXGP(WIN)、FXGP(DOS)格式的文档，以实现与FX-GP/WIN-C软件的文件互换。本文对生物质上料系统的自动启动和机械抓手启动进行编程和仿真。

生物质上料系统自动启动仿真如图3所示。按下自动启动按钮“X001”，自动启动中继“M3000”得电，启动指示灯“Y000”亮；按下急停按钮“X003”停止运行；当按下手动模式按钮“M1000”时实现互锁。

机械抓手启动仿真如图4所示。在自动模式下，当C5湿度检测“X061”接通时，常闭断开，此时“M410”C6抓取到C5无法工作；当C5湿度检测“X061”未接通时，若C5入口检测“X051”检测到物料，C6抓取到C5“M410”得电自锁工作；当C6抓取完成“X062”接通时，常闭断开实现互锁。

3 结论

早期采用继电控制的上料控制系统存在很多的缺陷和不足,主要表现在两方面：一方面是控制系统一般

比较复杂而且外部有很多的连线，很容易发生故障；另一方面是一般只有手动和机旁两种工作模式，手动工作模式一般应用于生产，而机旁操作则主要应用于机构方面的调整，因此无法实现生产的自动化。本文对原有的生物质上料过程进行了改进，解决了现在上料系统中上料过程容易出现的卡死堵死问题，不仅大大提高了生产效率而且也使生物质能源的利用得到了充分的发展，保护环境的同时也解决了资源的利用效率，使生物质资源避免了浪费，可谓一举多得。但该上料系统还没有在实际生产环境中进行试验，主要是基于模拟，可能对复杂的实际环境考虑不太周全，需要进行不断的改进与完善才能更加适合实际生产。

图3 系统自动启动仿真图

图4 机械抓手启动仿真图

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Design and Simulation of Biomass Material Feeding Control System Based on PLC

SUN Jin, CAO Xiao-wei

(College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China)

Biomass as fuel for power generation is added to the boiler for burning.Biomass drying condition directly affects the combustion efficiency, playing a decisive role to make full use of resources. In this paper, a biomass material control system based on PLC is designed, to control the drying temperature, humidity, weight of biomass material, making the biomass feeding process automatized, which not only improves the use efficiency of energy, but also saves the cost and protects the environment.

PLC; biomass; feeding system; control; simulation

1672- 6413(2015)06- 0128- 02

国家自然科学基金面上项目(51475409)；江苏省自然科学基金面上项目(BK20141277)；中国博士后科学基金(2013M541736)；江苏省博士后基金(1302179C)；扬州市—扬州大学科技合作资金(2012038-12)

2015- 05- 04；

2015- 10- 20

孙进(1973-)，男，江苏扬州人，博士，硕士生导师，研究方向为机电一体化工程。

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