基于國產(chǎn)PLC在火電廠煤粉計量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃金寶

（福州福祿德自動化科技有限公司，福建 福州 350001）

國內(nèi)火力發(fā)電廠采用的入爐煤粉計量控制系統(tǒng)大部分采用的是電子稱重式給煤機，該控制系統(tǒng)主要采用芯片集成電路板方式，主要實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)煤量、皮帶定度等功能。本文介紹了以國產(chǎn)PLC為基礎(chǔ)核心，通過采集現(xiàn)場稱重傳感器數(shù)據(jù)、測速轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，計算實時煤量，并根據(jù)請求煤量進行比較，實時調(diào)節(jié)驅(qū)動變頻器，最終達到自動調(diào)節(jié)的目的，同時具備預(yù)警功能、報警記錄功能、追憶功能。

1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，控制系統(tǒng)以PLC控制單元為主要核心，另外包含觸摸屏部分、電源部分、驅(qū)動變頻器、現(xiàn)場傳感器信號采集等。以下對系統(tǒng)各個組成部分作詳細說明[1]。

圖1 控制系統(tǒng)組成框圖

PLC控制單元：作為整套系統(tǒng)的核心部分，主要負責(zé)稱重傳感器信號、速度傳感器信號采集及算法處理，并根據(jù)調(diào)度要求進行自動調(diào)節(jié)，驅(qū)動變頻器實現(xiàn)皮帶電機速度調(diào)節(jié)，同時將運算的主要數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、預(yù)報警信息傳送至觸摸屏。

觸摸屏：作為系統(tǒng)的人機接口部分，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的手自動切換、就地操作、系統(tǒng)定度、設(shè)備狀態(tài)指示、數(shù)據(jù)顯示、報警信息記錄及查詢、趨勢圖查詢、重要數(shù)據(jù)存儲等。

電源部分：為整套系統(tǒng)提供電源供給，為現(xiàn)場稱重傳感器提供10 VDC的激勵電源，為驅(qū)動變頻器提供380 VAC動力電源，為PLC控制單元及觸摸屏提供24 VDC控制電源。其中24 VDC采用2路熱冗余，保證其可靠性。

驅(qū)動變頻器[2]：作為電機驅(qū)動環(huán)節(jié)，一方面接收PLC控制單元的頻率指令驅(qū)動三相電機運轉(zhuǎn)，另一方面反饋相應(yīng)信號給PLC控制單元，主要有運行、故障、電機電流、電機轉(zhuǎn)速等信號。

現(xiàn)場傳感器：主要包含稱重傳感器、測速傳感器、定度傳感器、有煤傳感器、堵煤傳感器、超溫傳感器等。稱重傳感器輸出為直流毫伏信號，因為PLC無法直接接收毫伏信號，所以該信號需要經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)成標準的4～20 mA模擬量信號；測速傳感器是測量皮帶電機轉(zhuǎn)速，采用的是磁滯傳感器，輸出信號類型為交流正弦波信號，需要經(jīng)過信號變送器轉(zhuǎn)成高速矩形波信號；定度探頭傳感器用來測量稱重跨距脈沖數(shù)的起始點及終點；有煤傳感器用來判斷皮帶是否斷煤，用于報警；堵煤傳感器用來判斷出口是否堵煤，可引起系統(tǒng)跳閘；超溫傳感器用來判斷皮帶煤粉是否溫度過高可能產(chǎn)生燃燒，可引起系統(tǒng)跳閘。

2 系統(tǒng)主要原理

入爐煤粉計量控制系統(tǒng)主要作用是根據(jù)發(fā)電機組發(fā)電負荷的要求來調(diào)節(jié)鍋爐燃燒所需要的煤量。系統(tǒng)主要原理是由PLC控制單元通過驅(qū)動變頻器，帶動皮帶電機變頻運行，從而達到調(diào)節(jié)皮帶上的煤量輸送至磨煤機的目的[3]，其原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主要原理圖

系統(tǒng)運行時，PLC控制單元采集現(xiàn)場的2個稱重傳感器的質(zhì)量值，并判斷其有效性，如果有效，則根據(jù)定度的零點及傳感器線性換算成瞬時質(zhì)量，如果無效，則把上一刻時間（10 s前記錄數(shù)據(jù)）的質(zhì)量作為瞬時質(zhì)量。PLC控制單元采集測速傳感器及變頻器輸出頻率，根據(jù)瞬時質(zhì)量及測速傳感器數(shù)據(jù)計算出瞬時給煤量F（優(yōu)先使用測速傳感器測出的速度V1，當測速傳感器無輸出脈沖時切換至變頻器頻率換算的理論速度V2），同時計算出累計給煤量W。根據(jù)DCS給煤量請求F0，以及當前計算出來的瞬時給煤量F進行自動調(diào)節(jié)控制。使用閉環(huán)控制調(diào)節(jié)方式控制皮帶電機變頻器，最終達到給煤量調(diào)節(jié)的目的。

3 系統(tǒng)達到的功能

3.1 恒流量運行

系統(tǒng)工作在“遠控”的狀態(tài)。系統(tǒng)根據(jù)請求的給煤率（10～100 t/h）進行自動調(diào)節(jié)，以最終滿足實際給煤率約等于請求給煤率為主，偏差率控制在0.5%以內(nèi)。

3.2 手動定速運行

系統(tǒng)工作在“就地”的狀態(tài)。根據(jù)設(shè)定的頻率控制皮帶電機運行。

3.3 系統(tǒng)定度

定度包括測皮帶零點、測傳感器線性、測稱重跨距脈沖、定量砝碼校驗。

測皮帶零點：將皮帶上煤灰進行走空后，運行“測皮帶零點”功能。系統(tǒng)運行N圈測得空載時2個稱重傳感器的數(shù)據(jù)累加值，并根據(jù)累加次數(shù)計算出皮帶的平均零點數(shù)據(jù)。

測傳感器線性：在稱重傳感器掛上標準掛碼（如34.7 kg），運行“測傳感器線性”功能。系統(tǒng)運行N圈測得加載時2個稱重傳感器的數(shù)據(jù)累加值，并根據(jù)累加次數(shù)計算出加載時的平均加載數(shù)據(jù)，將加載數(shù)據(jù)減去零點數(shù)據(jù)，再根據(jù)標準掛碼質(zhì)量計算出傳感器的稱重比例系數(shù)即線性。

測稱重跨距脈沖：將皮帶上煤灰進行走空后，皮帶貼上4個反光貼片（每2個之間距離大于稱重跨），將定度傳感器接入系統(tǒng)中，運行“測稱重跨距脈沖”功能。系統(tǒng)運行N圈測得4N次的跨距脈沖數(shù)據(jù)累加值，并根據(jù)累加次數(shù)計算出跨距脈沖數(shù)的平均值。

定量砝碼校驗：該步驟是對前面3種定度方式的檢驗，皮帶運行后，在皮帶上放上定量砝碼（如400 kg），定量砝碼走完后，系統(tǒng)計算出的質(zhì)量與定量砝碼質(zhì)量進行比較計算，計算出偏差率。

3.4 顯示運行參數(shù)和狀態(tài)

顯示皮帶電機、刮板電機運行狀態(tài)、故障信息，顯示稱重傳感器質(zhì)量、電機測速轉(zhuǎn)速、瞬時給煤率、累計給煤量、請求給煤率、電機電流、定度參數(shù)等主要信息。

3.5 保護及報警措施

稱重傳感器失效：對2組稱重傳感器信號輸出進行監(jiān)測，其輸出值大于最大值，小于最小值，靜態(tài)偏差太大，兩側(cè)輸出值動態(tài)偏差大，系統(tǒng)進行報警。同時，控制系統(tǒng)切換成容積模式，容積質(zhì)量取10 s前記錄質(zhì)量，保證系統(tǒng)正常運行。

PLC控制單元電池電壓低：對PLC電池電壓進行監(jiān)測，出現(xiàn)電池電壓水平低進行報警。

變頻器故障：當系統(tǒng)檢測到變頻報警或故障信號發(fā)出時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號，但不進行跳閘，10 s內(nèi)發(fā)出3次故障復(fù)位請求，若故障仍在，則系統(tǒng)跳閘。

請求給煤率斷線：系統(tǒng)延時3 s報警，系統(tǒng)以設(shè)定最小煤量運行。

出口堵煤：系統(tǒng)延時3 s報警并跳閘。

機內(nèi)溫度過高：系統(tǒng)延時3 s報警并跳閘。

皮帶電機電流高：系統(tǒng)延時5 s報警。

刮板電機電流高：系統(tǒng)延時5 s報警。

煤量不滿足：實際給煤率與請求給煤率之差大于0.25 t/h，且連續(xù)45 s，則控制系統(tǒng)報警。

轉(zhuǎn)速控制出錯：由頻率指令信號（4～20 mA）計算出的電機轉(zhuǎn)速與檢測到的實際轉(zhuǎn)速之差大于60 r/min時，延時30 s后報警；當轉(zhuǎn)速之差大于100 r/min時，延時30 s跳閘。

變頻轉(zhuǎn)速與測速轉(zhuǎn)速偏差大：預(yù)警及故障判斷作用，當變頻轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速偏差大于30 r/min時，系統(tǒng)延時30 s后進行報警。

測速轉(zhuǎn)速丟失：當系統(tǒng)檢測不到皮帶電機上速度脈沖信號，延時2 s后，系統(tǒng)切換成第二轉(zhuǎn)速模式（根據(jù)變頻器反饋的4～20 mA頻率信號轉(zhuǎn)換成高速脈沖信號），保證煤量不會有太大波動，提高系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性。

4 PLC程序設(shè)計

控制系統(tǒng)主要是由2種控制方式組成：遠控模式、就地模式。遠方模式下，控制系統(tǒng)接收遠方啟停信號以及給煤量調(diào)節(jié)信號，系統(tǒng)處于恒流量（根據(jù)DCS指令流量動態(tài)調(diào)節(jié)）控制方式下。就地模式下，系統(tǒng)可進行系統(tǒng)定度以手動操作。系統(tǒng)的定度主要有測皮帶零點、測傳感器線性、測稱重跨距脈沖、定量砝碼校驗[4]。PLC程序框圖如圖3所示。

圖3 PLC程序框圖

遠控模式下，系統(tǒng)根據(jù)上級系統(tǒng)（DCS）的請求指令進行自動運行。接收上級系統(tǒng)請求給煤率F0，并根據(jù)實際給煤率大小值進行自動調(diào)整驅(qū)動單元的速度輸出信號，AOn=AOn-1+Kp×（F0-F）/F0，其中，AOn為本時刻驅(qū)動單元速度調(diào)節(jié)輸出，AOn-1為上一時刻驅(qū)動單元速度調(diào)節(jié)輸出，Kp為比例參數(shù)，F(xiàn)0為上級系統(tǒng)請求給煤率，F(xiàn)為當前瞬時給煤率。最終達到實時調(diào)節(jié)給煤量的恒煤量功能。

就地模式下，系統(tǒng)分為手動狀態(tài)和定度狀態(tài)。手動狀態(tài)下，系統(tǒng)進行定速運行，運行速度采用事先設(shè)定的參數(shù)。定度狀態(tài)下，將依次進行皮帶零點、傳感器線性、跨距脈沖的測量，并在測量結(jié)束后進行定量砝碼的檢驗。

皮帶零點測量：安裝好校驗探頭及反光片，以2級授權(quán)用戶登錄，切換到校驗畫面，按下皮帶零點按鈕，系統(tǒng)自動啟動，初始穩(wěn)定30 s后如轉(zhuǎn)速穩(wěn)定則開始循環(huán)計數(shù)，校驗探頭S1與S2交替閃亮，同時計數(shù)不斷增加，當S1計滿9個數(shù)代表皮帶運轉(zhuǎn)2周，系統(tǒng)計皮帶零點誤差。同時與前值（即上一次測量值）比較，誤差不應(yīng)大于0.25%，否則繼續(xù)校驗，直到誤差小于0.25%。

傳感器線性測量：皮帶零點測量通過后，按下傳感器線性按鈕，給煤機自動啟動，初始穩(wěn)定30 s后如轉(zhuǎn)速穩(wěn)定則開始循環(huán)計數(shù)，校驗探頭S1與S2交替閃亮，同時計數(shù)不斷增加，當S1計滿9個數(shù)代表皮帶運轉(zhuǎn)2周，系統(tǒng)計算傳感器線性誤差。同時與前值（即上一次測量值）比較，誤差不應(yīng)大于0.25%，否則繼續(xù)校驗直到誤差小于0.25%。

跨距脈沖測量：在皮帶零點及傳感器線性測量結(jié)束后，按下跨距脈沖按鈕，給煤機自動啟動，初始穩(wěn)定30 s后如轉(zhuǎn)速穩(wěn)定則開始循環(huán)計數(shù)，校驗探頭S1與S2交替閃亮，同時計數(shù)不斷增加，當S1計滿9個數(shù)代表皮帶運轉(zhuǎn)2周，系統(tǒng)統(tǒng)計2周結(jié)束后的8次脈沖數(shù)，并計算最終有效值，以此作為本次測量的稱重區(qū)域的有效脈沖數(shù)。同時與前值（即上一次測量值）比較，誤差不應(yīng)大于0.25%，否則繼續(xù)校驗直到誤差小于0.25%。

定量砝碼校驗：前三步測量結(jié)束后，并滿足精度要求，可進行定量砝碼校驗。該步驟是對前3次測量是否合格的一種檢驗方式，即采用已知砝碼的質(zhì)量（如400 kg）進行檢驗。通過系統(tǒng)測量出來的質(zhì)量與實際的質(zhì)量進行對比，并計算出相應(yīng)的誤差，來判斷是否本次定度是否合格。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)是基于國產(chǎn)化PLC設(shè)計的入爐煤粉計量控制系統(tǒng)，采用了通俗的梯形圖設(shè)計語言，方便了設(shè)計開發(fā)調(diào)試。硬件上采用了可靠性、穩(wěn)定性普遍較高的可編程控制器（PLC），同時軟件設(shè)計上采取多種增強可靠性、穩(wěn)定性的方法，抗干擾能力增強，完全能夠適用于工業(yè)現(xiàn)場。在人機接口方面，采用10 in（1 in≈2.54 cm）中文觸摸屏，增強了系統(tǒng)工藝，使得系統(tǒng)操作更加簡單明了，為操作人員帶來了極大方便，也為維護人員降低了檢修維護難度。