完全基于DCS的給煤機(jī)煤量計(jì)算、標(biāo)定和直接控制研究

唐龍勝，張琴玲

（淮浙電力有限責(zé)任公司 鳳臺(tái)發(fā)電分公司，安徽 淮南 232131）

0 引言

給煤機(jī)是電廠運(yùn)行中的重要控制設(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前在國內(nèi)大型火電機(jī)組中普遍采用電子稱重式給煤機(jī)，一般采用微機(jī)、單片機(jī)或PLC控制。它帶有比較精確的稱重裝置，可以根據(jù)燃燒的要求實(shí)時(shí)控制給煤量。但目前傳統(tǒng)的給煤機(jī)普遍可靠性不高，故障較多，消缺費(fèi)時(shí)費(fèi)力，給電廠運(yùn)行和維護(hù)帶來很大困擾。

針對(duì)給煤機(jī)可靠性不高的現(xiàn)狀，目前已有一些電廠嘗試采取一些優(yōu)化改造。如取消就地一些硬回路聯(lián)鎖，僅保留就地給煤機(jī)的煤量測量和計(jì)算功能，而將其它聯(lián)鎖和PID控制納入到DCS中，以減少部分繼電器，達(dá)到提高給煤機(jī)可靠性的目的[1]。但針對(duì)煤量計(jì)算和標(biāo)定等核心功能，仍在就地控制器實(shí)現(xiàn)，沒有從根本上解決問題。本文的研究思路是取消就地給煤機(jī)單片機(jī)或PLC，將給煤機(jī)煤量計(jì)算、標(biāo)定、控制等功能完全在DCS上實(shí)現(xiàn)，并通過DCS直接控制給煤機(jī)變頻器，實(shí)現(xiàn)煤量的計(jì)算和閉環(huán)調(diào)節(jié)控制。

1 傳統(tǒng)給煤機(jī)煤量測量、控制方式及存在問題

1.1 傳統(tǒng)給煤機(jī)煤量測量、控制方式

傳統(tǒng)給煤機(jī)測量和控制自成一體，就地電控柜含有變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器、微處理機(jī)控制器、變壓器、繼電器和其他用于給煤機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的組件等[2]。控制方式都是在就地通過控制器實(shí)現(xiàn)，即稱重傳感器信號(hào)先送至給煤機(jī)控制器或稱重儀表，由控制器算出煤量，再通過4mA～20mA信號(hào)送到DCS。DCS輸出的給煤量指令和啟停信號(hào)也先要送到控制器，由控制器輸出頻率指令給變頻器，從而控制給煤機(jī)轉(zhuǎn)速。另外，其它輸入輸出給煤機(jī)運(yùn)行信號(hào)，如反饋、有煤開關(guān)等，均通過就地控制器進(jìn)行邏輯判斷后，再通過繼電器中轉(zhuǎn)送到DCS。這種控制設(shè)計(jì)方式導(dǎo)致中間繼電器、板卡眾多，存在很大隱患。傳統(tǒng)給煤機(jī)測量控制原理框圖如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)給煤機(jī)測量、控制原理框圖Fig.1 Measurement and control principle block diagram of traditional coal feeder

1.2 存在問題

通過多年實(shí)際運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)給煤機(jī)故障率非常高。主要由于現(xiàn)場環(huán)境較差，粉塵和振動(dòng)使得設(shè)備老化、穩(wěn)定性下降，故障逐漸增多，常常因繼電器接點(diǎn)松動(dòng)、模塊故障等造成給煤機(jī)跳閘[3]，并且它的計(jì)算和控制也完全是個(gè)黑匣子，發(fā)生跳閘時(shí)，很多情況下故障原因不能清晰判斷，只有不停地更換主板、電源板等嘗試解決。幾年來，經(jīng)過對(duì)給煤機(jī)缺陷進(jìn)行疏理統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)存在的主要問題及原因如下：

1）可靠性不高：給煤機(jī)控制柜內(nèi)繼電器、卡件眾多（有電源板、CPU板、頻率轉(zhuǎn)換卡等），由于產(chǎn)品質(zhì)量原因或受煤粉影響，經(jīng)常發(fā)生給煤機(jī)跳閘，發(fā)生燃料RB導(dǎo)致機(jī)組考核并影響機(jī)組煤水比的調(diào)節(jié)，給機(jī)組運(yùn)行帶來很大安全隱患。

2）故障原因難以分析判斷：由于就地控制器記錄有限，在出現(xiàn)故障后難以分析，不能確認(rèn)到底是卡件原因還是接線松動(dòng)等原因，跳閘原因往往成為“無頭案”，耗時(shí)耗力還不能解決問題。

3）備品備件貴，維護(hù)費(fèi)用高：據(jù)統(tǒng)計(jì)，某電廠2019年給煤機(jī)累計(jì)發(fā)生缺陷95條，每年領(lǐng)用給煤機(jī)備品備件費(fèi)用高達(dá)35萬元。

現(xiàn)以某電廠為例，根據(jù)2019全年給煤機(jī)的缺陷分析，列出的主要問題及風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)見表1。

表1 傳統(tǒng)給煤機(jī)主要問題及風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)列表Table 1 Main problems and risk index list of traditional coal feeder

2 給煤機(jī)煤量計(jì)算、標(biāo)定及控制完全DCS化研究

針對(duì)傳統(tǒng)給煤機(jī)的問題，是否可以利用DCS的強(qiáng)大功能，通過取消給煤機(jī)就地單片機(jī)及相關(guān)卡件，直接將稱重傳感器信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)送入DCS，由DCS進(jìn)行給煤量計(jì)算，同時(shí)在DCS上形成閉環(huán)PID控制。DCS輸出控制信號(hào)（包括啟、停和給煤量指令）直接至變頻器，從而調(diào)節(jié)給煤機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到調(diào)節(jié)給煤量的目的。如果以上思路可以實(shí)現(xiàn)，那么就完全可以用DCS替代就地給煤機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)煤量計(jì)算和控制。經(jīng)過分析和論證后，認(rèn)為在DCS實(shí)現(xiàn)以上功能是完全可行的。本項(xiàng)目實(shí)施的主要難點(diǎn)有：

1）如何在DCS上進(jìn)行煤量計(jì)算。

2）煤量的標(biāo)定功能如何實(shí)現(xiàn)。

3）DCS如何直接控制變頻器，實(shí)現(xiàn)給煤機(jī)的啟停和變頻控制。

2.1 在DCS上實(shí)現(xiàn)煤量計(jì)算研究

要在DCS上實(shí)現(xiàn)煤量計(jì)算，要解決以下3個(gè)問題。

2.1.1 稱重傳感器信號(hào)遠(yuǎn)傳問題

稱重傳感器輸出的是毫伏信號(hào)，毫伏信號(hào)的大小與重量成線性關(guān)系。由于DCS上沒有能直接接收毫伏信號(hào)的卡件，因而將毫伏信號(hào)直接遠(yuǎn)傳DCS是不行的。需要通過變送轉(zhuǎn)換設(shè)備將毫伏信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)4mA～20mA電流信號(hào)，再送至DCS。經(jīng)過大量咨詢和查找，終于發(fā)現(xiàn)了可以將稱重傳感信號(hào)完美轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)的設(shè)備，并且該轉(zhuǎn)換設(shè)備精度高、誤差小。

2.1.2 給煤率準(zhǔn)確計(jì)算的問題

解決稱重傳感器信號(hào)送到DCS后，接下來是如何準(zhǔn)確計(jì)算出給煤率，并達(dá)到原給煤機(jī)的測量精度，對(duì)于這個(gè)問題，利用以下公式在DCS可以解決。

式中，Q——給煤率；G1、G2——兩側(cè)稱重傳感器測量值；G0——皮帶毛重；V——皮帶速度；l——托輥之間間距；k——標(biāo)定系數(shù)。

2.1.3 容積式測量及控制問題

當(dāng)一側(cè)稱重傳感器異常或兩側(cè)稱重傳感器偏差大時(shí)，如何轉(zhuǎn)為容積式測量的計(jì)算和控制，以保證在給煤機(jī)測量系統(tǒng)異常時(shí)達(dá)到給煤機(jī)的平穩(wěn)控制。容積式測量可以有兩種方式：一是可以參照傳統(tǒng)給煤機(jī)的容積式測量M=ρV實(shí)現(xiàn)；二是可以近似取前幾分鐘給煤率的平均值暫時(shí)代替，這樣更簡單一些。

2.2 在DCS上實(shí)現(xiàn)標(biāo)定功能研究

標(biāo)定功能主要是通過砝碼來校正給煤機(jī)測量誤差，也就是如何準(zhǔn)確獲取給煤率的修正系數(shù)k和定度系數(shù)。因此，設(shè)計(jì)了測皮重、掛碼校驗(yàn)功能來獲得給煤率的修正系數(shù)，設(shè)計(jì)了定度功能來獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速和皮帶速度之間的比值。另外，還設(shè)計(jì)了鏈碼校驗(yàn)功能來模擬實(shí)物走煤方式，以驗(yàn)證計(jì)算的煤量是否準(zhǔn)確，DCS標(biāo)定畫面如圖2所示。

圖2 基于DCS的給煤機(jī)標(biāo)定畫面Fig.2 Calibration screen of coal feeder based on DCS

2.2.1 測皮重（G0）

是指給煤機(jī)皮帶空載時(shí)，稱重傳感器所測量的包括皮帶、稱架、稱重托輥等在內(nèi)的自重。在DCS實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以用某一段時(shí)間t（為了提高準(zhǔn)確性，t建議在200s以上）單位皮重的累積值再除以t獲得。

2.2.2 掛碼校驗(yàn)

掛碼校驗(yàn)也在測量了皮重之后，將已知重量的砝碼加到稱重輥上。在DCS實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以用某一段時(shí)間t內(nèi)（為了提高準(zhǔn)確性，t建議在200s以上），求出理論上標(biāo)準(zhǔn)砝碼實(shí)際的累積值與稱重傳感器實(shí)際測量的稱重顯示（G1+G2-G0）累積值的比值，獲得煤量修正系數(shù)k。

2.2.3 定度系數(shù)計(jì)算

定度的主要功能是計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速與皮帶速度的比值。定度時(shí)，是通過測量皮帶上的一個(gè)反光紙通過兩個(gè)固定點(diǎn)（間距L）所需時(shí)間（t2-t1）來完成的。這個(gè)參數(shù)要測量多次，以減小誤差。用這個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算出皮帶速度，建立皮帶速度和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。給煤機(jī)運(yùn)行時(shí)無皮帶打滑現(xiàn)象，因而皮帶速度與電機(jī)平均轉(zhuǎn)速的比率是一個(gè)常數(shù)N，該比值存儲(chǔ)于DCS中，這樣對(duì)于任何電機(jī)轉(zhuǎn)速都可計(jì)算出皮帶速度。

2.3 通過DCS實(shí)現(xiàn)對(duì)就地設(shè)備的直接控制

2.3.1 給煤機(jī)控制

傳統(tǒng)的給煤機(jī)啟、停指令及調(diào)節(jié)均是通過就地給煤機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)的。在取消就地單片機(jī)后，需要將DCS啟、停指令及煤量閉環(huán)PID調(diào)節(jié)控制指令，直接送到變頻器進(jìn)行控制。以給煤機(jī)上常見的ABS510變頻器為例，將給煤機(jī)啟停指令作為變頻器啟停指令；將轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID輸出指令作為變頻器頻率調(diào)節(jié)指令；將變頻器運(yùn)行、停止反饋?zhàn)鳛榻o煤機(jī)運(yùn)行、停止反饋。這樣設(shè)計(jì)接線之后，回路無任何中間環(huán)節(jié)，簡單可靠，并且完全滿足使用要求。

2.3.2 清掃鏈電機(jī)控制

清掃鏈電機(jī)在就地設(shè)有就地和遠(yuǎn)方啟停控制硬回路，其啟停及相關(guān)聯(lián)鎖通過DCS實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)起來也非常簡單，這里不再贅述。

2.4 完全基于DCS實(shí)現(xiàn)的煤量計(jì)算、標(biāo)定及直接控制框圖

綜合以上煤量計(jì)算、標(biāo)定和控制的設(shè)計(jì)，得出完全基于DCS設(shè)計(jì)的計(jì)算、控制原理框圖如圖3所示。根據(jù)此原理，成功在某臺(tái)給煤機(jī)上進(jìn)行改造，試運(yùn)行半年多。在與原給煤機(jī)煤量數(shù)值進(jìn)行跟蹤比對(duì)后發(fā)現(xiàn)，其精度和穩(wěn)定性完全滿足要求，并達(dá)到原給煤機(jī)快速、穩(wěn)定控制的要求，新的DCS計(jì)算煤量與原給煤機(jī)煤量對(duì)比如圖4所示，從圖可以看出，新老兩種方式煤量曲線基本完全重合，完全滿足啟、停控制及精度要求。

圖3 完全基于DCS的給煤機(jī)煤量計(jì)算、標(biāo)定和直接控制框圖Fig.3 Coal calculation, calibration and direct control block diagram of coal feeder based on DCS

圖4 新舊兩種煤量測量數(shù)值及控制曲線對(duì)比Fig.4 Comparison of measurement value and control curve of new and old coal quantity

3 結(jié)語

本研究項(xiàng)目完成后，能在DCS完全實(shí)現(xiàn)給煤機(jī)的煤量測量計(jì)算、標(biāo)定和控制功能，控制回路簡單可靠，降低了維護(hù)工作量，減少了備品備件費(fèi)用，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為以后給煤機(jī)控制的發(fā)展提供了一個(gè)方向，可供其它電廠借鑒參考。