基于PLC的生物質上料控制系統設計及仿真

孫 進，曹肖偉

(揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127)

基于PLC的生物質上料控制系統設計及仿真

孫 進，曹肖偉

(揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127)

生物質是當成發電燃料添加到鍋爐里進行燃燒的，生物質的干燥狀況直接影響著其燃燒利用率，對資源的充分利用起到決定性的作用。設計了一個基于PLC的生物質上料控制系統，對于生物質的干燥溫度、濕度、重量實行智能監控，實現生物質上料過程自動化，這樣將會使能源的使用效率得到極大的提高，同時也節約成本并保護了環境。

PLC；生物質；上料系統；控制；仿真

0 引言

生物質發電是近年來我國進行新能源開發和建設的一個重要項目，對農業和林業的廢棄物實現了多方面利用。現在國內已有為數不多的企業對生物質發電的上料系統進行了設計與研發，但大部分都為原皮帶輸送機生產企業，絕大多數的產品也以輸送裝置的不同為主，這樣也造成了產品功能的相對單一。迄今為止，國內還沒有任何一家企業生產完整的集解包、輸送、破碎、烘干為一體的自動化上料系統。此外，目前市場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生物質進行烘干的，只有江蘇朝陽液壓機械集團有限公司，并且其控制系統功能比較單一。針對此，本文對生物質發電上料系統做出了一些研究。

1 課題提出的背景

1.1 生物質上料系統在國內外研究狀況

本項目的研究對象是生物質發電上料系統的智能化控制。國外生物質發電的起源追溯于20世紀70年代，當時，在爆發世界性的石油危機后不久，丹麥便開始了對清潔的可再生能源的開發，對林業和農業方面的廢棄物等生物質發電進行了推廣。自1990年以來，許多歐美國家在生物質發電方面取得大規模的發展，到2004年，全世界的生物質發電裝機已達3 900萬千瓦，全世界的年發電量約2 000億千瓦時，由此可替代的標準煤達7 000萬噸，幾乎和其他可再生能源發電量的總和持平。

從改革開放開始至今，我國經濟的發展十分快速，但這樣的發展卻是以能源的高消耗和環境的高污染為代價建立的，到現在為止，我國在一次能源消費結構中，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構導致了對環境的嚴重污染和未來能源發展的不可持續性。因此，對于生物質能源的開發規模化無疑是一項比較現實可行的選擇。

直燃發電和氣化發電是我國現在生物質能發電的主要方式。其中,在關于生物質直燃的發電項目上,2008年國家發展改革委和地方發展改革委核準了總計39個項目,裝機容量總計達128.4萬千瓦,預計投資為100.3億元,截至2008年底,已投產15.4萬千瓦。生物質氣化以及垃圾填埋氣發電,截至2008年已經投產3萬千瓦,在建的有9萬千瓦。

1.2 生物質上料系統的工藝流程及其應用領域

生物質電廠上料系統的工藝流程如圖1所示。

圖1 生物質電廠上料系統的工藝流程圖

首先在儲料棚內安裝水平段鏈式輸送機，數量為兩臺，每一段長11 m。將稱重裝置設置在機器頭部。每次放8個秸稈包由起吊裝置進行操作，秸稈包由輸送機上的扒齒帶動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JB-20A型雙輥解包疏松機進行切割解包，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，接著由這條皮帶機將解包的秸稈包送入采用刮板輸送的CH系列板式干燥機，解包的秸稈包在干燥機運行的同時將潮濕的秸稈進行干燥，干燥機的干燥過程是將燃燒鍋爐產生的高溫廢氣由引風機引入干燥機，經過烘干后的秸稈燃料被輸入到爐前螺旋輸送機。1#帶式輸送機采用犁式卸料器將解包后的秸稈卸載到2#皮帶機接著再輸送至板式干燥機，最后再由板式干燥機將物料輸送至螺旋輸送機。3#帶式輸送機安裝在板式干燥機的下面作為備用輸送線來用。

1.3 基于PLC控制的生物質上料系統

基于PLC的生物質上料系統上料方案如圖2所示。

圖2 基于PLC的生物質上料系統上料方案圖

原料秸稈經過A1分流輸送線送至B1和C1擠壓輸送線，再分別經過板式干燥機內的B2和C2兩條輸送線進行輸送過程的干燥，當到達B3和C3輸送線時，兩條輸送線上的濕度傳感器將對秸稈濕度進行檢測，當干燥程度達到要求時，兩條輸送線末端的B4和C4機械抓手將秸稈送至各自的移動小車，然后由小車運送至倉庫。當干燥程度達不到要求時，會送至各自的干燥設備進行重新干燥，進行再次檢驗，當達到要求時，再由移動小車送至倉庫。

2 基于PLC的生物質上料系統的仿真分析

本系統編程和仿真采用GX Developer軟件，GX Developer是三菱通用性較強的編程軟件，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。當選擇FX系列時，還能將程序存儲為FXGP(WIN)、FXGP(DOS)格式的文檔，以實現與FX-GP/WIN-C軟件的文件互換。本文對生物質上料系統的自動啟動和機械抓手啟動進行編程和仿真。

生物質上料系統自動啟動仿真如圖3所示。按下自動啟動按鈕“X001”，自動啟動中繼“M3000”得電，啟動指示燈“Y000”亮；按下急停按鈕“X003”停止運行；當按下手動模式按鈕“M1000”時實現互鎖。

機械抓手啟動仿真如圖4所示。在自動模式下，當C5濕度檢測“X061”接通時，常閉斷開，此時“M410”C6抓取到C5無法工作；當C5濕度檢測“X061”未接通時，若C5入口檢測“X051”檢測到物料，C6抓取到C5“M410”得電自鎖工作；當C6抓取完成“X062”接通時，常閉斷開實現互鎖。

3 結論

早期采用繼電控制的上料控制系統存在很多的缺陷和不足,主要表現在兩方面：一方面是控制系統一般

比較復雜而且外部有很多的連線，很容易發生故障；另一方面是一般只有手動和機旁兩種工作模式，手動工作模式一般應用于生產，而機旁操作則主要應用于機構方面的調整，因此無法實現生產的自動化。本文對原有的生物質上料過程進行了改進，解決了現在上料系統中上料過程容易出現的卡死堵死問題，不僅大大提高了生產效率而且也使生物質能源的利用得到了充分的發展，保護環境的同時也解決了資源的利用效率，使生物質資源避免了浪費，可謂一舉多得。但該上料系統還沒有在實際生產環境中進行試驗，主要是基于模擬，可能對復雜的實際環境考慮不太周全，需要進行不斷的改進與完善才能更加適合實際生產。

圖3 系統自動啟動仿真圖

圖4 機械抓手啟動仿真圖

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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

國家自然科學基金面上項目(51475409)；江蘇省自然科學基金面上項目(BK20141277)；中國博士后科學基金(2013M541736)；江蘇省博士后基金(1302179C)；揚州市—揚州大學科技合作資金(2012038-12)

2015- 05- 04；

2015- 10- 20

孫進(1973-)，男，江蘇揚州人，博士，碩士生導師，研究方向為機電一體化工程。

TP273

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