孫 進(jìn)，曹肖偉

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

基于PLC的生物質(zhì)上料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

孫 進(jìn)，曹肖偉

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

生物質(zhì)是當(dāng)成發(fā)電燃料添加到鍋爐里進(jìn)行燃燒的，生物質(zhì)的干燥狀況直接影響著其燃燒利用率，對(duì)資源的充分利用起到?jīng)Q定性的作用。設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PLC的生物質(zhì)上料控制系統(tǒng)，對(duì)于生物質(zhì)的干燥溫度、濕度、重量實(shí)行智能監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)上料過程自動(dòng)化，這樣將會(huì)使能源的使用效率得到極大的提高，同時(shí)也節(jié)約成本并保護(hù)了環(huán)境。

PLC；生物質(zhì)；上料系統(tǒng)；控制；仿真

0 引言

生物質(zhì)發(fā)電是近年來我國(guó)進(jìn)行新能源開發(fā)和建設(shè)的一個(gè)重要項(xiàng)目，對(duì)農(nóng)業(yè)和林業(yè)的廢棄物實(shí)現(xiàn)了多方面利用?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)已有為數(shù)不多的企業(yè)對(duì)生物質(zhì)發(fā)電的上料系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研發(fā)，但大部分都為原皮帶輸送機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，絕大多數(shù)的產(chǎn)品也以輸送裝置的不同為主，這樣也造成了產(chǎn)品功能的相對(duì)單一。迄今為止，國(guó)內(nèi)還沒有任何一家企業(yè)生產(chǎn)完整的集解包、輸送、破碎、烘干為一體的自動(dòng)化上料系統(tǒng)。此外，目前市場(chǎng)上的烘干裝置都以電作為烘干熱源，功率消耗大，一般在2 000 kW～3 000 kW，而利用鍋爐煙道廢氣余熱對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行烘干的，只有江蘇朝陽液壓機(jī)械集團(tuán)有限公司，并且其控制系統(tǒng)功能比較單一。針對(duì)此，本文對(duì)生物質(zhì)發(fā)電上料系統(tǒng)做出了一些研究。

1 課題提出的背景

1.1 生物質(zhì)上料系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外研究狀況

本項(xiàng)目的研究對(duì)象是生物質(zhì)發(fā)電上料系統(tǒng)的智能化控制。國(guó)外生物質(zhì)發(fā)電的起源追溯于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)，在爆發(fā)世界性的石油危機(jī)后不久，丹麥便開始了對(duì)清潔的可再生能源的開發(fā)，對(duì)林業(yè)和農(nóng)業(yè)方面的廢棄物等生物質(zhì)發(fā)電進(jìn)行了推廣。自1990年以來，許多歐美國(guó)家在生物質(zhì)發(fā)電方面取得大規(guī)模的發(fā)展，到2004年，全世界的生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)已達(dá)3 900萬千瓦，全世界的年發(fā)電量約2 000億千瓦時(shí)，由此可替代的標(biāo)準(zhǔn)煤達(dá)7 000萬噸，幾乎和其他可再生能源發(fā)電量的總和持平。

從改革開放開始至今，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展十分快速，但這樣的發(fā)展卻是以能源的高消耗和環(huán)境的高污染為代價(jià)建立的，到現(xiàn)在為止，我國(guó)在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭占67.7%，石油占22.7%，天然氣占2.6%，水電等占7.0%，這種大量消耗不可再生能源的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染和未來能源發(fā)展的不可持續(xù)性。因此，對(duì)于生物質(zhì)能源的開發(fā)規(guī)模化無疑是一項(xiàng)比較現(xiàn)實(shí)可行的選擇。

直燃發(fā)電和氣化發(fā)電是我國(guó)現(xiàn)在生物質(zhì)能發(fā)電的主要方式。其中,在關(guān)于生物質(zhì)直燃的發(fā)電項(xiàng)目上,2008年國(guó)家發(fā)展改革委和地方發(fā)展改革委核準(zhǔn)了總計(jì)39個(gè)項(xiàng)目,裝機(jī)容量總計(jì)達(dá)128.4萬千瓦,預(yù)計(jì)投資為100.3億元,截至2008年底,已投產(chǎn)15.4萬千瓦。生物質(zhì)氣化以及垃圾填埋氣發(fā)電,截至2008年已經(jīng)投產(chǎn)3萬千瓦,在建的有9萬千瓦。

1.2 生物質(zhì)上料系統(tǒng)的工藝流程及其應(yīng)用領(lǐng)域

生物質(zhì)電廠上料系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)電廠上料系統(tǒng)的工藝流程圖

首先在儲(chǔ)料棚內(nèi)安裝水平段鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)，數(shù)量為兩臺(tái)，每一段長(zhǎng)11 m。將稱重裝置設(shè)置在機(jī)器頭部。每次放8個(gè)秸稈包由起吊裝置進(jìn)行操作，秸稈包由輸送機(jī)上的扒齒帶動(dòng)按照一定次序向前輸送。由每次的分配小車將密封的秸稈包送進(jìn)JB-20A型雙輥解包疏松機(jī)進(jìn)行切割解包，切割成比較松散容易干燥的秸稈原料并由此送入2#皮帶機(jī)，接著由這條皮帶機(jī)將解包的秸稈包送入采用刮板輸送的CH系列板式干燥機(jī)，解包的秸稈包在干燥機(jī)運(yùn)行的同時(shí)將潮濕的秸稈進(jìn)行干燥，干燥機(jī)的干燥過程是將燃燒鍋爐產(chǎn)生的高溫廢氣由引風(fēng)機(jī)引入干燥機(jī)，經(jīng)過烘干后的秸稈燃料被輸入到爐前螺旋輸送機(jī)。1#帶式輸送機(jī)采用犁式卸料器將解包后的秸稈卸載到2#皮帶機(jī)接著再輸送至板式干燥機(jī)，最后再由板式干燥機(jī)將物料輸送至螺旋輸送機(jī)。3#帶式輸送機(jī)安裝在板式干燥機(jī)的下面作為備用輸送線來用。

1.3 基于PLC控制的生物質(zhì)上料系統(tǒng)

基于PLC的生物質(zhì)上料系統(tǒng)上料方案如圖2所示。

圖2 基于PLC的生物質(zhì)上料系統(tǒng)上料方案圖

原料秸稈經(jīng)過A1分流輸送線送至B1和C1擠壓輸送線，再分別經(jīng)過板式干燥機(jī)內(nèi)的B2和C2兩條輸送線進(jìn)行輸送過程的干燥，當(dāng)?shù)竭_(dá)B3和C3輸送線時(shí)，兩條輸送線上的濕度傳感器將對(duì)秸稈濕度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)干燥程度達(dá)到要求時(shí)，兩條輸送線末端的B4和C4機(jī)械抓手將秸稈送至各自的移動(dòng)小車，然后由小車運(yùn)送至倉(cāng)庫。當(dāng)干燥程度達(dá)不到要求時(shí)，會(huì)送至各自的干燥設(shè)備進(jìn)行重新干燥，進(jìn)行再次檢驗(yàn)，當(dāng)達(dá)到要求時(shí)，再由移動(dòng)小車送至倉(cāng)庫。

2 基于PLC的生物質(zhì)上料系統(tǒng)的仿真分析

本系統(tǒng)編程和仿真采用GX Developer軟件，GX Developer是三菱通用性較強(qiáng)的編程軟件，它能夠完成Q系列、QnA系列等多種系列的編程和仿真，適用性廣。當(dāng)選擇FX系列時(shí)，還能將程序存儲(chǔ)為FXGP(WIN)、FXGP(DOS)格式的文檔，以實(shí)現(xiàn)與FX-GP/WIN-C軟件的文件互換。本文對(duì)生物質(zhì)上料系統(tǒng)的自動(dòng)啟動(dòng)和機(jī)械抓手啟動(dòng)進(jìn)行編程和仿真。

生物質(zhì)上料系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)仿真如圖3所示。按下自動(dòng)啟動(dòng)按鈕“X001”，自動(dòng)啟動(dòng)中繼“M3000”得電，啟動(dòng)指示燈“Y000”亮；按下急停按鈕“X003”停止運(yùn)行；當(dāng)按下手動(dòng)模式按鈕“M1000”時(shí)實(shí)現(xiàn)互鎖。

機(jī)械抓手啟動(dòng)仿真如圖4所示。在自動(dòng)模式下，當(dāng)C5濕度檢測(cè)“X061”接通時(shí)，常閉斷開，此時(shí)“M410”C6抓取到C5無法工作；當(dāng)C5濕度檢測(cè)“X061”未接通時(shí)，若C5入口檢測(cè)“X051”檢測(cè)到物料，C6抓取到C5“M410”得電自鎖工作；當(dāng)C6抓取完成“X062”接通時(shí)，常閉斷開實(shí)現(xiàn)互鎖。

3 結(jié)論

早期采用繼電控制的上料控制系統(tǒng)存在很多的缺陷和不足,主要表現(xiàn)在兩方面：一方面是控制系統(tǒng)一般

比較復(fù)雜而且外部有很多的連線，很容易發(fā)生故障；另一方面是一般只有手動(dòng)和機(jī)旁兩種工作模式，手動(dòng)工作模式一般應(yīng)用于生產(chǎn)，而機(jī)旁操作則主要應(yīng)用于機(jī)構(gòu)方面的調(diào)整，因此無法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化。本文對(duì)原有的生物質(zhì)上料過程進(jìn)行了改進(jìn)，解決了現(xiàn)在上料系統(tǒng)中上料過程容易出現(xiàn)的卡死堵死問題，不僅大大提高了生產(chǎn)效率而且也使生物質(zhì)能源的利用得到了充分的發(fā)展，保護(hù)環(huán)境的同時(shí)也解決了資源的利用效率，使生物質(zhì)資源避免了浪費(fèi)，可謂一舉多得。但該上料系統(tǒng)還沒有在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，主要是基于模擬，可能對(duì)復(fù)雜的實(shí)際環(huán)境考慮不太周全，需要進(jìn)行不斷的改進(jìn)與完善才能更加適合實(shí)際生產(chǎn)。

圖3 系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)仿真圖

圖4 機(jī)械抓手啟動(dòng)仿真圖

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51475409)；江蘇省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(BK20141277)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(2013M541736)；江蘇省博士后基金(1302179C)；揚(yáng)州市—揚(yáng)州大學(xué)科技合作資金(2012038-12)

2015- 05- 04；

2015- 10- 20

孫進(jìn)(1973-)，男，江蘇揚(yáng)州人，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化工程。

TP273

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