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摘要：介紹了基于國產(chǎn)plc設(shè)計(jì)的火電廠煤粉計(jì)量自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要解決現(xiàn)有系統(tǒng)故障率高、穩(wěn)定性差、人機(jī)接口不暢等問題。詳細(xì)說明了系統(tǒng)的硬件配置及軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)主要功能等。以國產(chǎn)化PLC為核心，配置觸摸屏，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控自動恒流量運(yùn)行、本地手動運(yùn)行、定度數(shù)據(jù)操作等主要功能。

關(guān)鍵詞：國產(chǎn)化PLC；觸摸屏；給煤計(jì)量；變頻器

國內(nèi)火力發(fā)電廠采用的入爐煤粉計(jì)量控制系統(tǒng)大部分采用的是電子稱重式給煤機(jī)，該控制系統(tǒng)主要采用芯片集成電路板方式，主要實(shí)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(jì)算實(shí)時(shí)煤量，并根據(jù)請求煤量進(jìn)行比較，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)驅(qū)動變頻器，最終達(dá)到自動調(diào)節(jié)的目的，同時(shí)具備預(yù)警功能、報(bào)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(gè)組成部分作詳細(xì)說明[1]。PLC控制單元：作為整套系統(tǒng)的核心部分，主要負(fù)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(jìn)行自動調(diào)節(jié)，驅(qū)動變頻器實(shí)現(xiàn)皮帶電機(jī)速度調(diào)節(jié)，同時(shí)將運(yùn)算的主要數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、預(yù)報(bào)警信息傳送至觸摸屏。觸摸屏：作為系統(tǒng)的人機(jī)接口部分，主要實(shí)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(bào)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10VDC的激勵(lì)電源，為驅(qū)動變頻器提供380VAC動力電源，為PLC控制單元及觸摸屏提供24VDC控制電源。其中24VDC采用2路熱冗余，保證其可靠性。驅(qū)動變頻器[2]：作為電機(jī)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，另一方面反饋相應(yīng)信號給PLC控制單元，主要有運(yùn)行、故障、電機(jī)電流、電機(jī)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?yàn)镻LC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(biāo)準(zhǔn)的4～20mA模擬量信號；測速傳感器是測量皮帶電機(jī)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(diǎn)及終點(diǎn)；有煤傳感器用來判斷皮帶是否斷煤，用于報(bào)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(jì)量控制系統(tǒng)主要作用是根據(jù)發(fā)電機(jī)組發(fā)電負(fù)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(jī)變頻運(yùn)行，從而達(dá)到調(diào)節(jié)皮帶上的煤量輸送至磨煤機(jī)的目的，其原理如圖2所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，PLC控制單元采集現(xiàn)場的2個(gè)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(diǎn)及傳感器線性換算成瞬時(shí)質(zhì)量，如果無效，則把上一刻時(shí)間（10s前記錄數(shù)據(jù)）的質(zhì)量作為瞬時(shí)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(shí)質(zhì)量及測速傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算出瞬時(shí)給煤量F（優(yōu)先使用測速傳感器測出的速度V1，當(dāng)測速傳感器無輸出脈沖時(shí)切換至變頻器頻率換算的理論速度V2），同時(shí)計(jì)算出累計(jì)給煤量W。根據(jù)DCS給煤量請求F0，以及當(dāng)前計(jì)算出來的瞬時(shí)給煤量F進(jìn)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(jī)變頻器，最終達(dá)到給煤量調(diào)節(jié)的目的。

3系統(tǒng)達(dá)到的功能

3.1恒流量運(yùn)行

系統(tǒng)工作在“遠(yuǎn)控”的狀態(tài)。系統(tǒng)根據(jù)請求的給煤率（10～100t/h）進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，以最終滿足實(shí)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(yùn)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(jī)運(yùn)行。

3.3系統(tǒng)定度

定度包括測皮帶零點(diǎn)、測傳感器線性、測稱重跨距脈沖、定量砝碼校驗(yàn)。測皮帶零點(diǎn)：將皮帶上煤灰進(jìn)行走空后，運(yùn)行“測皮帶零點(diǎn)”功能。系統(tǒng)運(yùn)行N圈測得空載時(shí)2個(gè)稱重傳感器的數(shù)據(jù)累加值，并根據(jù)累加次數(shù)計(jì)算出皮帶的平均零點(diǎn)數(shù)據(jù)。測傳感器線性：在稱重傳感器掛上標(biāo)準(zhǔn)掛碼（如34.7kg），運(yùn)行“測傳感器線性”功能。系統(tǒng)運(yùn)行N圈測得加載時(shí)2個(gè)稱重傳感器的數(shù)據(jù)累加值，并根據(jù)累加次數(shù)計(jì)算出加載時(shí)的平均加載數(shù)據(jù)，將加載數(shù)據(jù)減去零點(diǎn)數(shù)據(jù)，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)掛碼質(zhì)量計(jì)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(jìn)行走空后，皮帶貼上4個(gè)反光貼片（每2個(gè)之間距離大于稱重跨），將定度傳感器接入系統(tǒng)中，運(yùn)行“測稱重跨距脈沖”功能。系統(tǒng)運(yùn)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(jì)算出跨距脈沖數(shù)的平均值。定量砝碼校驗(yàn)：該步驟是對前面3種定度方式的檢驗(yàn)，皮帶運(yùn)行后，在皮帶上放上定量砝碼（如400kg），定量砝碼走完后，系統(tǒng)計(jì)算出的質(zhì)量與定量砝碼質(zhì)量進(jìn)行比較計(jì)算，計(jì)算出偏差率。

3.4顯示運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)

顯示皮帶電機(jī)、刮板電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、故障信息，顯示稱重傳感器質(zhì)量、電機(jī)測速轉(zhuǎn)速、瞬時(shí)給煤率、累計(jì)給煤量、請求給煤率、電機(jī)電流、定度參數(shù)等主要信息。3.5保護(hù)及報(bào)警措施稱重傳感器失效：對2組稱重傳感器信號輸出進(jìn)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(jìn)行報(bào)警。同時(shí)，控制系統(tǒng)切換成容積模式，容積質(zhì)量取10s前記錄質(zhì)量，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。PLC控制單元電池電壓低：對PLC電池電壓進(jìn)行監(jiān)測，出現(xiàn)電池電壓水平低進(jìn)行報(bào)警。變頻器故障：當(dāng)系統(tǒng)檢測到變頻報(bào)警或故障信號發(fā)出時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號，但不進(jìn)行跳閘，10s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(shí)3s報(bào)警，系統(tǒng)以設(shè)定最小煤量運(yùn)行。出口堵煤：系統(tǒng)延時(shí)3s報(bào)警并跳閘。機(jī)內(nèi)溫度過高：系統(tǒng)延時(shí)3s報(bào)警并跳閘。皮帶電機(jī)電流高：系統(tǒng)延時(shí)5s報(bào)警。刮板電機(jī)電流高：系統(tǒng)延時(shí)5s報(bào)警。煤量不滿足：實(shí)際給煤率與請求給煤率之差大于0.25t/h，且連續(xù)45s，則控制系統(tǒng)報(bào)警。轉(zhuǎn)速控制出錯(cuò)：由頻率指令信號（4～20mA）計(jì)算出的電機(jī)轉(zhuǎn)速與檢測到的實(shí)際轉(zhuǎn)速之差大于60r/min時(shí)，延時(shí)30s后報(bào)警；當(dāng)轉(zhuǎn)速之差大于100r/min時(shí)，延時(shí)30s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(dāng)變頻轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速偏差大于30r/min時(shí)，系統(tǒng)延時(shí)30s后進(jìn)行報(bào)警。測速轉(zhuǎn)速丟失：當(dāng)系統(tǒng)檢測不到皮帶電機(jī)上速度脈沖信號，延時(shí)2s后，系統(tǒng)切換成第二轉(zhuǎn)速模式（根據(jù)變頻器反饋的4～20mA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。

4PLC程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要是由2種控制方式組成：遠(yuǎn)控模式、就地模式。遠(yuǎn)方模式下，控制系統(tǒng)接收遠(yuǎn)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(jìn)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(diǎn)、測傳感器線性、測稱重跨距脈沖、定量砝碼校驗(yàn)[4]。PLC程序框圖如圖3所示。遠(yuǎn)控模式下，系統(tǒng)根據(jù)上級系統(tǒng)（DCS）的請求指令進(jìn)行自動運(yùn)行。接收上級系統(tǒng)請求給煤率F0，并根據(jù)實(shí)際給煤率大小值進(jìn)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(shí)刻驅(qū)動單元速度調(diào)節(jié)輸出，AOn-1為上一時(shí)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(dāng)前瞬時(shí)給煤率。最終達(dá)到實(shí)時(shí)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(jìn)行定速運(yùn)行，運(yùn)行速度采用事先設(shè)定的參數(shù)。定度狀態(tài)下，將依次進(jìn)行皮帶零點(diǎn)、傳感器線性、跨距脈沖的測量，并在測量結(jié)束后進(jìn)行定量砝碼的檢驗(yàn)。皮帶零點(diǎn)測量：安裝好校驗(yàn)探頭及反光片，以2級授權(quán)用戶登錄，切換到校驗(yàn)畫面，按下皮帶零點(diǎn)按鈕，系統(tǒng)自動啟動，初始穩(wěn)定30s后如轉(zhuǎn)速穩(wěn)定則開始循環(huán)計(jì)數(shù)，校驗(yàn)探頭S1與S2交替閃亮，同時(shí)計(jì)數(shù)不斷增加，當(dāng)S1計(jì)滿9個(gè)數(shù)代表皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)2周，系統(tǒng)計(jì)皮帶零點(diǎn)誤差。同時(shí)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(yàn)，直到誤差小于0.25%。傳感器線性測量：皮帶零點(diǎn)測量通過后，按下傳感器線性按鈕，給煤機(jī)自動啟動，初始穩(wěn)定30s后如轉(zhuǎn)速穩(wěn)定則開始循環(huán)計(jì)數(shù)，校驗(yàn)探頭S1與S2交替閃亮，同時(shí)計(jì)數(shù)不斷增加，當(dāng)S1計(jì)滿9個(gè)數(shù)代表皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)2周，系統(tǒng)計(jì)算傳感器線性誤差。同時(shí)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(yàn)直到誤差小于0.25%。跨距脈沖測量：在皮帶零點(diǎn)及傳感器線性測量結(jié)束后，按下跨距脈沖按鈕，給煤機(jī)自動啟動，初始穩(wěn)定30s后如轉(zhuǎn)速穩(wěn)定則開始循環(huán)計(jì)數(shù)，校驗(yàn)探頭S1與S2交替閃亮，同時(shí)計(jì)數(shù)不斷增加，當(dāng)S1計(jì)滿9個(gè)數(shù)代表皮帶運(yùn)轉(zhuǎn)2周，系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)2周結(jié)束后的8次脈沖數(shù)，并計(jì)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(shí)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(yàn)直到誤差小于0.25%。定量砝碼校驗(yàn)：前三步測量結(jié)束后，并滿足精度要求，可進(jìn)行定量砝碼校驗(yàn)。該步驟是對前3次測量是否合格的一種檢驗(yàn)方式，即采用已知砝碼的質(zhì)量（如400kg）進(jìn)行檢驗(yàn)。通過系統(tǒng)測量出來的質(zhì)量與實(shí)際的質(zhì)量進(jìn)行對比，并計(jì)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(jì)的入爐煤粉計(jì)量控制系統(tǒng)，采用了通俗的梯形圖設(shè)計(jì)語言，方便了設(shè)計(jì)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(shí)軟件設(shè)計(jì)上采取多種增強(qiáng)可靠性、穩(wěn)定性的方法，抗干擾能力增強(qiáng)，完全能夠適用于工業(yè)現(xiàn)場。在人機(jī)接口方面，采用10in（1in≈2.54cm）中文觸摸屏，增強(qiáng)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(hù)人員降低了檢修維護(hù)難度。

作者:黃金寶 單位:福州福祿德自動化科技有限公司