基于PLC 的給煤機控制系統設計

張 興

（晉能控股煤業集團塔山煤礦公司， 山西 大同 037003）

引言

給煤機為火力發電系統中主要的配煤設備，可實現連續、定量的煤料供給，保證生產制造過程中的高精度的物料配比[1-2]。目前，國內給煤機多采用繼電器控制系統，通過硬件邏輯關系實現設備的順序控制功能。但是由于繼電器線路復雜，動作響應速度緩慢，控制精度有限，故障率高等缺點，為電廠的正常生產運營帶來隱患[3-4]。本文以PLC 控制器為基礎，設計一種給煤機自動控制系統，優化控制結構與外部線路，實現設備的遠程監控與信息通訊，降低運行故障率。

1 系統總體研究與設計

1.1 系統控制要求分析

1）多種操作模式：系統應具備自動控制、手動控制與遠程控制模式，當處于自動控制模式時，系統根據采集到的參數，自動控制電機運轉速度，調節給煤量。當處于手動控制時，可由人工完成系統的就地控制，作為設備檢修或調修時的工作模式。通過上位機與監視器可遠程監測設備工況，進行系統參數設置[5-6]。

2）速度要求：通過電動閥門控制給煤機的下煤量，要求磨煤機等下游設備的磨煤速度應當大于給煤機運行速度。

3）控制精度：通過電子稱重結構實現給煤量的精準計算，利用變頻器驅動裝置實現電機的無級調速。

4）保護功能：為電機配有過流保護、過壓保護、欠壓保護等功能[7-8]。

1.2 系統總體方案設計

圖1 系統總體結構框圖

系統的總體方案框圖如圖1 所示，包括上位機、PLC 控制器、數字量輸入輸出模塊與模擬量輸入輸出模塊等。PLC 為控制系統的核心部分，通過以太網接口與上位機建立通信，將現場采集到的數據及運行狀態傳輸到上位機，同時接收來自上位機的控制指令，遠程修改系統的參數及設備的運行狀態。模擬量信號包括系統的給煤量、運行速度、重量等參數。

2 系統控制原理研究

2.1 給煤機控制原理

給煤機控制原理圖如圖2 所示，由微機控制、電子稱重、速度反饋與電機驅動四部分組成。微機控制負責系統采集參數的分析計算，向驅動單元發出控制指令。電子稱重主要組件為稱重傳感器，安裝于皮帶兩側，測量單位時間內皮帶上的煤量，通過模數轉換裝置后傳輸到控制器。速度反饋單元用于測量電機的轉速信號，安裝于驅動滾筒的軸端，通過檢測脈沖信號的頻率與軸的直徑，可計算得到轉速。驅動單元包括給煤機的電機、減速器與變頻驅動器，為系統的最終執行端。

圖2 控制系統原理圖

控制器根據電子稱重參數、速度反饋信號、給煤機的尺寸參數等，通過一定的邏輯算法，可計算得到給煤機單位時間內的給煤量，調節給煤機電機運輸速度，可實現給煤量的自動控制。

2.2 變頻調速原理

變頻調速為交流電機的典型調速方式，根據負載特性，可實現電機的無級調速與變頻驅動，提高電能利用率。系統變頻調速的控制方式為矢量控制，建立于磁鏈定向基礎，經過坐標變換，調整變頻器的輸出頻率大小，三相電壓的角度等。

交流異步電機的轉速可用公式（2-1）表示，通過改變電源的頻率就可以調節電機的轉速。

式中：n 為電機轉速，f 為電源頻率，p 為磁極對數，s為轉差率。

3 系統硬件設計

3.1 控制器硬件選型設計

給煤機PLC 控制器包括CPU、通信模塊、電源模型與I/O 模塊等。本系統選擇CPU 處理器的原則是：滿足系統的控制要求，具有良好的擴展性能，適用于惡劣的工作環境，抗干擾能力強。CPU 型號選擇為西門子S7-300 系列CPU315-2PN/DP，可實現以太網與現場設備的通信，I/O 擴展模塊數為32，滿足系統要求。

根據系統數字量與模擬量的輸入輸出接口數，本系統選擇2 個數字量輸入模塊SM321，1 個數字量輸出模塊SM322，1 個模擬量輸入模塊SM331。電源模塊選擇PS307-10A 直流模塊，具有過電壓、欠電壓、短路斷路等保護功能。

上位機為給煤機控制系統的遠程監測端，滿足操作界面可視化，同時需要對控制器下達控制指令，所以本文選擇TPC1561 觸摸屏單元作為上位機。觸摸屏支持以太網通訊，可通過USB 或網絡下載界面程序。在與控制器建立通信后，可讀取PLC各模塊信息，通過顯示屏實時了解設備的運行參數，對參數進行及時修改，實現給煤機的遠程控制。

3.2 變頻器選型

系統變頻器選用ACS550 系列變頻器，適用于給煤機類負載設備，保證在低頻轉矩與過載運行等情況下良好的啟動與制動性能。

在設備過載運行時，變頻器為最先損壞的設備，所以在選型時應當遵循一個基本原則：變頻器的額定電流大于負載電流。變頻器在驅動一臺電機時，存在加速、減速、恒速等運行狀態，額定電流可按照公式（3-1）確定：

式中：I 為變頻器的額定電流，K0為安全系數，通常取1.2；Ii為各運行狀態下的平均電流；ti為運行時間。

3.3 稱重單元設計

稱重結構的關鍵部件為稱重輥，是一種對稱安裝的高精度稱重傳感器。稱重輥采用不銹鋼精密機械加工而成，安裝于軸承座中，同時起到保護軸承、緩沖與隔震的作用，抵消外部水平方向的干擾作用。稱重托輥所能計算的區域為后秤端托輥與前秤端托輥之間的區域，這個區域稱之為稱重域。煤流經過稱重域時，兩端的傳感器會同時采集重量參數，向控制系統發出信號，經過放大處理、模數轉換后得到一個數字量。數字量與系統預設值比較，當校驗結果的誤差在允許范圍內時，該數字量即為某一瞬時單位長度皮帶上的煤料重量。通過采集固定時間間隔的煤流重量參數，可最終計算得到給煤機上的總重量。

4 應用效果分析

系統應用后，提升了給煤機設備運行的穩定性與自動化水平，配備電子稱重單元，降低了計量維護的難度。利用PLC 控制器提高了系統的抗干擾性，統一信息化管理，有效保障了給煤機的作業效率，縮短故障檢修時間。