基于PLC和MCGS组态的发电厂粉尘控制系统设计

叶子建，张自立，蔡亚杰，李汇文，张 飞

(沈阳工学院信息与控制学院，沈阳 113122)

0 引言

发电厂的粉尘控制是电厂的一项工业流程，传统的粉尘控制方式有时会出现处理不及时或处理效果不理想的状况，从而影响发电厂粉尘控制效果[1]。

传统的工控系统通常选用继电接触器控制系统，通过各种继电器、定时器、接触器等设备，按照用户实际需要的逻辑关系连接起来组成控制系统[2-3]。继电接触器控制系统具有结构简洁、易于学习、价格亲民，能满足在一定范围内的控制需求。但是，继电接触器控制系统也有明显的缺点，例如设备需要工作空间大，系统稳定性差，难以实现较复杂的控制，接线复杂。当生产工艺或对象改变时，原有的接线和控制盘就要更换，所以通用性和灵活性较差。

本文以发电厂粉尘控制系统为研究对象，在充分了解发电厂粉尘控制工艺流程与控制方式基础上，设计出一套以PLC为控制核心，实现发电厂粉尘控制装置的自动控制系统，并进行上位机组态仿真，确保发电厂粉尘控制装置的稳定运行。

1 发电厂粉尘控制系统设计

发电厂粉尘控制系统通过粉尘监测传感器(应用西门子PLC S7-1200控制器)对发电厂粉尘进行实时监测；通过电风机除尘器和水雾除尘器控制，进而对除尘效果进行控制；用以太网口对上位机进行数据传输，经过组态软件处理后可以对PLC自动控制进行干预和停开机命令，以实现更加智能有效地控制。

发电厂粉尘控制系统分为：输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

(1) 输入采样阶段：PLC顺序读取发电厂粉尘控制系统中粉尘浓度监测器、粉尘温度监测器、粉尘压力监测器和各接口所有输入量的状态与数据，并将读取的状态和数据存入I/O映像区中对应的单元内。

(2) 用户程序执行阶段：PLC依次扫描发电厂粉尘控制系统的梯形图，对各个触点所控制的线路进行逻辑运算，根据运算结果，刷新该线圈在I/O映像区所对应的位置，又或者确定是否要执行梯形图的特殊指令。

(3) 刷新输出阶段：CPU按照I/O映像区内相对应的状态与数据刷新出所有的输出锁存电路，驱动发电厂粉尘控制的外围设备。发电厂粉尘控制系统原理图，如图1所示。发电厂粉尘控制系统分手动与自动两种模式。

图1 发电厂粉尘控制系统原理图

利用开关进入发电厂粉尘控制手动模式，通过气流泵按钮、进气阀按钮、主风机按钮、备风机按钮、主喷水按钮、备喷水按钮、高速按钮、低速按钮和卸灰按钮，分别控制气流泵开关环节、进气阀开关环节、风机除尘环节、水雾除尘环节、卸灰环节、风机高低速选择环节、主备用风机切换环节、主备用水雾机切换环节等相应的动作。

发电厂粉尘控制自动模式各个环节动作按照程序执行顺序进行。根据控制流程，进气阀和气流泵自动打开，粉尘监控设备会对粉尘的浓度和温度进行监测，判断粉尘浓度和温度是否超标，相应自动启动对应的主风机除尘和主水雾除尘，如果主风机和主喷水发生故障，则会自动切换到备用风机和备用喷水，并自动报警，还能够自动监测粉尘高度，当粉尘高度达到高限则会自动进行倒灰[4-5]。从而完成进气阀和气流泵启动环节、风机除尘环节、水雾除尘环节、风机高低速转换环节、主备电机切换环节、主备水雾机切换环节、超标报警环节、电机故障报警环节。发电厂粉尘控制系统自动模式流程图，如图2所示。

图2 发电厂粉尘控制自动模式流程图

2 发电厂粉尘控制系统程序设计

2．1 手动模式程序设计

按下I0．1手动按钮后，手动状态M2．1导通，通过I0．0自动按钮形成互锁，并且通过M2．1手动状态形成自锁，保持手动模式连续，标志发电厂粉尘控制系统进入手动模式。手动模式程序图，如图3所示。

图3 手动模式程序图

启动M2．1手动状态，按下I1．1手动风机，如果M2．3主风机报警没有输入，则M5．3手动主风机启动，I1．1手动风机与M11．1手动风机形成自锁，保持风机运行。手动模式控制主风机程序图，如图4所示。

图4 手动模式控制主风机程序图

2．2 自动风机粉尘程序设计

计时器启动，系统自动检测粉尘浓度，若超过报警值，如果I1．5主风机故障和M11．5主风机故障没有输入，I0．5高低速切换没有按下启动，则M3．2自动低速风机启动，带动Q0．5风机除尘(低速)进行输出。如果I0．5高低速切换被启动，则M3．6自动高速风机启动，带动Q0．6风机除尘(高速)输出。如果I1．5主风机故障有信号输入、I1．6备用风机故障没有信号输入、以及0．5高低速切换没有启动，则M3．3自动备用低速风机启动，带动Q0．7备用风机除尘(低速)进行输出。如果I0．5高低速切换被启动下，则M3．7自动备用高速风机启动，带动Q1．0备用风机除尘(高速)输出。实现自动粉尘处理环节高、低速，主风机、备用风机的自动切换控制。自动风机粉尘控制程序图，如图5所示。

图5 自动风机粉尘控制程序图

2．3 自动水雾粉尘程序设计

计时器启动，系统自动检测粉尘浓度和粉尘温度，若超过报警值，如果I1．7主喷水故障和M11．7主喷水故障没有输入，则M3．4自动喷水启动，触发喷水除尘输出。如果I1．7主喷水故障有信号输入和I2．0备用喷水故障没有信号输入，则M3．5自动备用喷水启动，触发备用喷水除尘输出。发电厂粉尘控制自动水雾粉尘控制程序图，如图6所示。

图6 自动水雾粉尘控制程序图

2．4 自动卸灰程序设计

计时器启动，系统自动检测I0．4卸灰桶高限，超过报警值后，计时器DB3启动，20秒后M4．1自动卸灰启动，带动Q1．3卸灰装置输出。自动卸灰控制程序图，如图7所示。

图7 发电厂粉尘控制自动卸灰控制程序图

2．5 报警程序设计

发电厂粉尘控制系统自动检测粉尘浓度和粉尘温度，若超过报警值，MD100粉尘浓度和MD108粉尘温度就会闭合，触发M2．7报警，带动报警指示灯工作。如果主风机报警和备用风机报警同时输入，或者主喷水报警和备用喷水报警同时输入，则计时器DB1开始计时，2秒后自动触发M4．0故障停机，触发报警指示灯工作。发电厂粉尘控制报警程序图，如图8所示。

图8 发电厂粉尘控制报警程序图

3 发电厂粉尘在线监测控制系统

发电厂粉尘在线监测控制系统包含了发电厂粉尘控制过程中的各个设备，如气流泵、进气阀、粉尘控制装置、卸灰装置等，以及表示粉尘浓度和粉尘温度的仪表盘。发电厂粉尘控制组态画面设计图，如图9所示。

图9 发电厂粉尘控制组态画面设计图

按下自动按钮，再按下启动按钮，自动指示灯和启动指示灯亮起，气流泵和进气阀自动启动。粉尘浓度和粉尘温度逐渐上升，达到报警值后，系统报警启动，主风机和主喷水自动启动，主低速风机指示灯亮起，主喷水指示灯亮起，降低粉尘浓度和粉尘温度，到达报警值以下后，停止运行。当粉尘高限达到报警值后，高限指示灯亮起，卸灰装置启动，卸灰装置指示灯亮起，结束卸灰后指示灯熄灭。当粉尘高度达到报警值，除尘装置上的高限指示灯亮起，接着卸灰装置启动，代表卸灰装置启动，卸灰装置指示灯也由红色变成绿色。

4 结论

本设计选用PLC结合MCGS组态软件来设计和实现发电厂粉尘控制系统。应用西门子S7-1200型号PLC和MCGS组态软件，设计了发电厂粉尘控制系统的启动、自检、报警、手动控制和自动控制等功能。完成了发电厂粉尘控制系统的功能设计、控制程序编写、系统运行、在线调试、监控界面设计与运行等功能，较完整的完成了发电厂粉尘控制系统的设计，为同类产品设计提供了一定的参考。