基于國產PLC在火電廠煤粉計量控制系統中的應用

黃金寶

（福州福祿德自動化科技有限公司，福建 福州 350001）

國內火力發電廠采用的入爐煤粉計量控制系統大部分采用的是電子稱重式給煤機，該控制系統主要采用芯片集成電路板方式，主要實現自動調節煤量、皮帶定度等功能。本文介紹了以國產PLC為基礎核心，通過采集現場稱重傳感器數據、測速轉速數據，計算實時煤量，并根據請求煤量進行比較，實時調節驅動變頻器，最終達到自動調節的目的，同時具備預警功能、報警記錄功能、追憶功能。

1 系統組成

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

圖1 控制系統組成框圖

PLC控制單元：作為整套系統的核心部分，主要負責稱重傳感器信號、速度傳感器信號采集及算法處理，并根據調度要求進行自動調節，驅動變頻器實現皮帶電機速度調節，同時將運算的主要數據、設備狀態、預報警信息傳送至觸摸屏。

觸摸屏：作為系統的人機接口部分，主要實現系統的手自動切換、就地操作、系統定度、設備狀態指示、數據顯示、報警信息記錄及查詢、趨勢圖查詢、重要數據存儲等。

電源部分：為整套系統提供電源供給，為現場稱重傳感器提供10 VDC的激勵電源，為驅動變頻器提供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。

驅動變頻器[2]：作為電機驅動環節，一方面接收PLC控制單元的頻率指令驅動三相電機運轉，另一方面反饋相應信號給PLC控制單元，主要有運行、故障、電機電流、電機轉速等信號。

現場傳感器：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，所以該信號需要經過變送器轉成標準的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，需要經過信號變送器轉成高速矩形波信號；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，可引起系統跳閘；超溫傳感器用來判斷皮帶煤粉是否溫度過高可能產生燃燒，可引起系統跳閘。

2 系統主要原理

入爐煤粉計量控制系統主要作用是根據發電機組發電負荷的要求來調節鍋爐燃燒所需要的煤量。系統主要原理是由PLC控制單元通過驅動變頻器，帶動皮帶電機變頻運行，從而達到調節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 系統主要原理圖

系統運行時，PLC控制單元采集現場的2個稱重傳感器的質量值，并判斷其有效性，如果有效，則根據定度的零點及傳感器線性換算成瞬時質量，如果無效，則把上一刻時間（10 s前記錄數據）的質量作為瞬時質量。PLC控制單元采集測速傳感器及變頻器輸出頻率，根據瞬時質量及測速傳感器數據計算出瞬時給煤量F（優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進行自動調節控制。使用閉環控制調節方式控制皮帶電機變頻器，最終達到給煤量調節的目的。

3 系統達到的功能

3.1 恒流量運行

系統工作在“遠控”的狀態。系統根據請求的給煤率（10～100 t/h）進行自動調節，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。

3.2 手動定速運行

系統工作在“就地”的狀態。根據設定的頻率控制皮帶電機運行。

3.3 系統定度

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。系統運行N圈測得空載時2個稱重傳感器的數據累加值，并根據累加次數計算出皮帶的平均零點數據。

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。系統運行N圈測得加載時2個稱重傳感器的數據累加值，并根據累加次數計算出加載時的平均加載數據，將加載數據減去零點數據，再根據標準掛碼質量計算出傳感器的稱重比例系數即線性。

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中，運行“測稱重跨距脈沖”功能。系統運行N圈測得4N次的跨距脈沖數據累加值，并根據累加次數計算出跨距脈沖數的平均值。

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，系統計算出的質量與定量砝碼質量進行比較計算，計算出偏差率。

3.4 顯示運行參數和狀態

顯示皮帶電機、刮板電機運行狀態、故障信息，顯示稱重傳感器質量、電機測速轉速、瞬時給煤率、累計給煤量、請求給煤率、電機電流、定度參數等主要信息。

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測，其輸出值大于最大值，小于最小值，靜態偏差太大，兩側輸出值動態偏差大，系統進行報警。同時，控制系統切換成容積模式，容積質量取10 s前記錄質量，保證系統正常運行。

PLC控制單元電池電壓低：對PLC電池電壓進行監測，出現電池電壓水平低進行報警。

變頻器故障：當系統檢測到變頻報警或故障信號發出時，系統發出報警信號，但不進行跳閘，10 s內發出3次故障復位請求，若故障仍在，則系統跳閘。

請求給煤率斷線：系統延時3 s報警，系統以設定最小煤量運行。

出口堵煤：系統延時3 s報警并跳閘。

機內溫度過高：系統延時3 s報警并跳閘。

皮帶電機電流高：系統延時5 s報警。

刮板電機電流高：系統延時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45 s，則控制系統報警。

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

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

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

4 PLC程序設計

控制系統主要是由2種控制方式組成：遠控模式、就地模式。遠方模式下，控制系統接收遠方啟停信號以及給煤量調節信號，系統處于恒流量（根據DCS指令流量動態調節）控制方式下。就地模式下，系統可進行系統定度以手動操作。系統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，系統根據上級系統（DCS）的請求指令進行自動運行。接收上級系統請求給煤率F0，并根據實際給煤率大小值進行自動調整驅動單元的速度輸出信號，AOn=AOn-1+Kp×（F0-F）/F0，其中，AOn為本時刻驅動單元速度調節輸出，AOn-1為上一時刻驅動單元速度調節輸出，Kp為比例參數，F0為上級系統請求給煤率，F為當前瞬時給煤率。最終達到實時調節給煤量的恒煤量功能。

就地模式下，系統分為手動狀態和定度狀態。手動狀態下，系統進行定速運行，運行速度采用事先設定的參數。定度狀態下，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級授權用戶登錄，切換到校驗畫面，按下皮帶零點按鈕，系統自動啟動，初始穩定30 s后如轉速穩定則開始循環計數，校驗探頭S1與S2交替閃亮，同時計數不斷增加，當S1計滿9個數代表皮帶運轉2周，系統計皮帶零點誤差。同時與前值（即上一次測量值）比較，誤差不應大于0.25%，否則繼續校驗，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，初始穩定30 s后如轉速穩定則開始循環計數，校驗探頭S1與S2交替閃亮，同時計數不斷增加，當S1計滿9個數代表皮帶運轉2周，系統計算傳感器線性誤差。同時與前值（即上一次測量值）比較，誤差不應大于0.25%，否則繼續校驗直到誤差小于0.25%。

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

定量砝碼校驗：前三步測量結束后，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量（如400 kg）進行檢驗。通過系統測量出來的質量與實際的質量進行對比，并計算出相應的誤差，來判斷是否本次定度是否合格。

5 結語

該系統是基于國產化PLC設計的入爐煤粉計量控制系統，采用了通俗的梯形圖設計語言，方便了設計開發調試。硬件上采用了可靠性、穩定性普遍較高的可編程控制器（PLC），同時軟件設計上采取多種增強可靠性、穩定性的方法，抗干擾能力增強，完全能夠適用于工業現場。在人機接口方面，采用10 in（1 in≈2.54 cm）中文觸摸屏，增強了系統工藝，使得系統操作更加簡單明了，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。