電力載波通信系統在葉輪給煤機改造中的應用

燕秋華

某石化企業熱電廠現有7臺汽輪機組運行，總裝機容量186MW，年耗煤量120萬t。葉輪給煤機是熱電廠輸煤系統最前端的設備，通過設定額定轉速將火車卸入煤溝的燃煤均勻地輸送到輸煤皮帶上，再由皮帶機輸送到鍋爐煤倉或存入儲煤場，人工就地跟隨控制。葉輪給煤機由行走和調速兩部分組成，與主設備相配套的卸煤系統有2套，共配備4臺就地葉輪給煤機，采用就地手動操作方式，通過動力滑線供電。行走部分電氣控制裝置采用常規繼電器、機械開關等聯接，行走電機為三相異步電機；調速部分電氣控制裝置采用傳統的電磁滑差控制原理，由滑差控制器、調速開關等聯接。調速電機是滑差電機，功率為18kW，正常調速范圍300～1000r/min。啟動葉輪給煤機時，首先要在低速下啟動調速部分的主電機，待其運行正常后再調至正常轉速，當調速部分工作正常后再操作行走部分，以避免機械部分被損壞。停止運行時則要先停止行走部分，然后再將轉速調至最低并停止主電機的運行。同一條卸煤溝中（或同一條皮帶）的2臺葉輪給煤機同時運行時，為防止相撞現象發生，一般運行間隔應＞5m。

一、葉輪給煤機系統運行與變頻器控制原理

1.葉輪給煤機運行原理

葉輪給煤機是一種主要用于火力發電廠縫式煤溝的撥煤機械，分橋式、門式和雙側3種形式，分別滿足不同的工作需求。由機架、葉輪傳動機構、行走機構、電氣控制裝置等主要部分組成，工藝流程是：上部為火車卸煤場的煤溝，橋式葉輪給煤機在中部之雙軌上往返行走，葉輪將燃煤從煤溝下料槽口撥下，通過放射狀葉輪的旋轉和縱向軌道的移動，將煤溝平臺上面的燃煤撥落到輸煤皮帶后，再輸送到各段皮帶或儲煤場，葉輪撥煤機構采用變頻無級調速實現給煤量的調節，達到連續、定量給煤的目的。

2.變頻器控制原理

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。日常使用的變頻器主要采用交—直—交的方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），即先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率及電壓均可控制的交流電源提供給電機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制4部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。PID控制是利用比例增益（P）、積分時間（I）、微分時間（D）調整變頻器的響應特性，通過給煤機運行狀態，調整到合適為止，設定為0，則PID控制不動作，積分（I）的上限值控制PID的積分演算值不會超過設定參數。PID的偏值調整是PID控制的偏值參數，指令與反饋都為0時，調整變頻器的輸出頻率趨近于0，一次延遲時間參數用相對PID控制輸出低通濾波時間設定，給煤機出現機械共振時，可增大設定值，使其遠離共振頻率的周期。PID輸出的增益是調整PID輸出的增益參數，反饋值的調整用增益是PID反饋值的微調整用增益。PID控制后的上限值固定在100%，即最高輸出頻率，反轉禁止是指PID輸出為負值時，以0為極限，不反轉。

3.PLC控制原理

在火力發電廠，各個獨立運行的系統和輔助車間工藝系統的啟停順序控制和聯鎖保護等自動化程度較高的電氣自動化控制設備，已用PLC取代繼電器控制，PLC的CPU采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點（包括常開或常閉觸點）不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。當 PLC投入運行后，工作過程分為3個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新為一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行上述工作。因此，PLC作為燃煤熱電廠DCS的補充，使自動化程度大大提高。通過方框圖建立PLC的梯形圖，然后再編寫相對應的指令程序。

二、葉輪給煤機使用中存在的問題及解決方案

1.存在問題

該廠使用的4臺葉輪給煤機均為國內早期的產品，在設計方面存在如下問題：

（1）無法實現遠程監控。作為取煤源頭的葉輪給煤機，僅具備人工就地操作條件，不能納入輸煤程控系統工作流程的管理，集控人員無法監視其運行狀態，更不能及時實施有效的遠程調整，因此在運行中存在嚴重的安全隱患，經常發生大量積煤或設備損壞等問題。由于葉輪給煤機必須就地操作，員工必須在高粉塵、濕熱等惡劣的環境下工作，身體健康無法得到保證，勞動強度較大。

（2）滑差電機故障率高。葉輪調速電機為滑差電機，其滑差離合器無法密封，極易因現場粉塵大、濕度高引起動靜電機之間的堵塞，使內部線圈短路而發生電機故障，加之滑差電機控制器的性能不穩定，經常造成設備停運。此外，惡劣的運行環境使調速電路和電位器故障頻發。

2.改造方案

針對上述存在的問題，曾與大連新德控制系統有限公司合作進行了一次大規模技術改造，調速設備全部采用SIEMENS的變頻器、斷路器、交流接觸器，采用西門子的可編程邏輯控制模塊（PLC-S7-200）進行邏輯控制，取代了原有的滑差調速裝置和傳統的繼電器和邏輯控制方式，大大減少了現場控制盤內的元件，而且改造后的調速機構具有操作簡便、運行穩定、調速平滑、故障率低、維護量小、節能效果顯著等優點。但不足之處是只能就地控制，不能實現與程控設備的連鎖控制，而且受環境因素的影響較大。經過多方考察與驗證，決定引進電力載波通信技術，通過設備動力電源線進行載波信號傳輸，當主機發出控制命令后，主機部分的電力載波編碼解碼器，以FSK方式將主機的控制命令調制成電力載波信號，通過濾波器將此信號加載到電力線中的50Hz周波上。在就地控制站的動力電源端，通過濾波器及就地部分的編碼解碼器將電力載波信號解調成二進制串行通信碼，傳送到就地控制單片機中，葉輪給煤機就地控制站的運行狀態信號反饋給主機的過程正好與上述過程相反。其特點是抗干擾及防塵能力強，而且發射器和接收器處于全封閉狀態，內部屏蔽效果好，利用計算機組態及控制技術，運行人員在主控室的計算機上即可操作葉輪給煤機，改善了工作環境。

3.就地裝置

（1）采用PLC技術解決復雜邏輯功能的硬線聯接問題，完善葉輪給煤機行走和葉輪調速之間的保護聯鎖功能等，既優化了電氣回路，又使裝置的安全及可靠性大大提高。

（2）由于卸煤溝工作環境比較惡劣，如溫濕度大和粉塵多等，對控制箱及箱內控制裝置工作影響較大。因此，在改造時將其更換成具有防水、防磁等功能的控制箱。

（3）采用成熟的調頻技術對調速部分進行改造，如用三相鼠籠電機及變頻器取代原有的滑差電機及控制器等。因為三相鼠籠電機密閉性好，可抵御粉塵污染；變頻器在對電機調速時較為平滑，而且具有完善的保護功能，可保證電機在正常情況下安全、可靠、穩定與節能運行，可使機械設備在故障狀態下安全停運。

4.通信方式

葉輪給煤機運行于地下10m深處，電氣負載比較復雜，運行環境十分惡劣，噪聲、粉塵污染、高溫潮濕及各種電氣干擾（包括變頻器信號等）因素大量存在。葉輪給煤機又屬于移動設備（移動距離約為100m），必須安裝移動電纜，但長距離、頻繁地移動電纜無法保證信號的可靠傳輸。電力載波通信技術雖然是利用電源動力線進行數據傳輸的一種通信方式，但存在問題是：①線路中負荷電流大幅度變化時，會對傳輸的載波信號波形形成很強的削減和畸變作用；②各種負荷會帶來高頻噪聲干擾，使數據信號無法正常傳輸；③不同節點會對數據信號產生影響，使接收到的信號嚴重變形或參差不齊，給信號識別帶來極大困難等。經過技術分析，決定將控制技術與電力載波通信技術相結合，使電力載波通信成為融合寬帶調制解調、數字濾波、AFC（自動頻率控制）、AIC（自動輸出幅度控制）、CsMA（網絡載波偵聽）等具有綜合功能的智能化系統，采用循環冗余碼差錯校驗法（CRC校驗法）對數據進行校驗。系統可根據波阻抗的變化及高次諧波情況，智能調整輸出阻抗、輸出功率，使電力載波通信的抗干擾性和對網絡的適應能力得到增強。

根據以上分析，確定使用載波智能控制系統對卸煤溝甲乙路葉輪控制裝置實施遠程監控、PLC擴展、變頻調速、倉位顯示等技術改造。

三、改造后的系統應用效果

1.改造后的系統組成

該系統是由主控部分、電力載波通信部分、就地控制站等組成。主控部分設在集控室，由主機、顯示器和智能數傳機構成；就地控制站安裝在設備本體上（即就地控制箱內），箱內裝有葉輪給煤機的行走和調速控制設備；電力載波通信部分的兩端分別在主機和就地控制站內。每臺主機可帶16臺就地控制站。主機通過電力載波通信部分與就地控制站組成主從式通信控制網絡，實現在主控室內，通過操作主機就能控制與監視葉輪給煤機的運行。

2.主要功能

（1）具有遠程和就地操作功能，保留并優化了原有的操作功能。

（2）系統畫面真實、豐富、生動，操作簡單、方便。

（3）遠程操作具有定點、前行、后行、啟動、停止、調速等操作功能。

（4）集控室顯示器可模擬顯示葉輪給煤機的運行狀態，如葉輪旋轉、行走方向、皮帶運行狀態等，并可顯示葉輪給煤機的實際轉速。

（5）集控室顯示器可顯示葉輪給煤機的行走位置。位置傳感部分包括隨葉輪給煤機一起移動的2個接近開關、位置感應裝置，用于完成行車位置信號的傳感及校驗功能。

（6）具有顯示和記憶葉輪給煤機故障信息的功能，以方便查找各種故障，如行走故障、葉輪旋轉故障、行走位置變送故障、通信故障、極限相撞等。

（7）同一畫面可顯示多臺葉輪給煤機的運行情況，并進行操作。

（8）系統可根據值班員的設定確定自己的行走區間和往返次數，并自動調整葉輪給煤機的行走方向。

（9）系統除保留了原有的保護功能外，還增加了皮帶運行與葉輪給煤機運行之間的聯鎖功能，以及同一皮帶上2臺葉輪給煤機的防撞功能等。

3.應用效果

（1）提高了設備運行的穩定性，降低了故障率，每年可節約大量的維護費用。

（2）實現了葉輪給煤機遠程智能控制和現場無人值守功能，使運行人員脫離了高粉塵的工作環境，降低了矽肺病的發生率，極大保證了員工的身心健康。

（3）由于實現了遠程控制，運行值班員能及時對葉輪給煤機實施干預控制，提高了工作效率，減少了由于聯系不暢而對生產造成的不利影響。

（4）采用計算機控制技術，解決了葉輪給煤機不能參加輸煤程序控制的技術難題，使輸煤程序控制系統更加完善。

四、結束語

傳統的接線方式由于控制線與動力線平行距離過長，耦合電壓過大，使控制信號極易受到干擾，不能確保設備正常運行。電力載波智能系統的出現結束了多年來葉輪給煤機只能手動操作的歷史，提高了輸煤系統運行的安全性，同時也為葉輪給煤機納入輸煤程控系統打下堅實基礎。在對燃料車間甲乙路4臺葉輪給煤機進行改造后，經過一年多的運行實踐表明，系統運行正常，性能達到設計要求，實現了葉輪給煤機遠程程序控制的要求，能完整、準確地記錄葉輪給煤機出現報警和故障時的情況，徹底解決了設備故障率高、能耗高以及粉塵大等老大難問題，實現了輸煤系統的程控連鎖，達到了節能、增效和降低勞動強度的目的。