火电厂螺旋布料机及智能控制系统开发

迟林芳，高振国，张安琪

（沈阳工程学院a.研究生部；b.电力学院，辽宁 沈阳 110136）

在大中型火力发电厂中，为了提高碎煤机效率，研制了一种螺旋布料给料机，将其安装在输煤系统中滚轴筛与碎煤机之间，通过螺旋布料给料机，将煤均匀地布满碎煤机转子的长度方向，达到提高碎煤机的效率和节能的目的。煤要先经过筛选后进入螺旋布料给料机，来煤含大块比例在15%～50%，进入螺旋布料机的煤量变化较大，如果采用常规控制，螺旋布料给料机给料量按最大设计，相应匹配电机功率按最大给料量设计，则当进入螺旋布料给料机的煤量小时，电机功率需要减小。但由于滚轴筛与碎煤机之间是全封闭结构，封闭结构内粉尘大，滚轴筛进入螺旋布料给料机输煤量的多少是无法人工干预的。所以，螺旋布料给料机理想工作状态应是给料量大时螺旋转速较快，转速快时消耗功率大；给料量小时螺旋转速较慢，转速慢时消耗功率小。按常规控制方法螺旋布料给料机只能选用高转速，当螺旋布料给料机给料量小时，螺旋布料给料机转速仍在高速工作，螺旋布料给料机不能得到充分地利用。为了进一步优化螺旋布料给料机控制系统，研发了一种用于螺旋布料给料机的新型智能控制系统来解决上述问题。

1 螺旋布料给料机

1.1 螺旋布料给料机结构

螺旋布料给料机包括进料口、分料板、左旋螺叶片、螺旋轴、流量控制板、轴承座、轴承、轴承压盖、壳体、摆线减速机、连接座、联轴器、右螺旋叶片。进料口上部通过法兰与输煤系统中落煤管相连，其下部安装在壳体上；分料板为犁形并安装在进料口上部；左、右螺旋叶片均焊接在螺旋轴上；螺旋轴两端安装在轴承内孔中，一端通过联轴器与摆线减速机相连；流量控制板安装在壳体底部；轴承座的前端设有凸台及螺孔，通过法兰与破碎机入料口法兰相连接，轴承座安装在壳体两端；轴承前端即靠摆线减速机端安装双列圆锥滚子轴承，后端安装调心滚子轴承；轴承压盖安装在轴承座外端；摆线减速机通过连接座固定在壳体上。螺旋布料给料机结构如图1所示。

图1 螺旋布料给料机结构

1.2 螺旋布料机工作过程

螺旋布料给料机安装在输煤系统中滚轴筛与碎煤机之间，滚轴筛来煤经螺旋轴上的对称布置的左旋螺旋叶片和右旋螺旋叶片将煤向两端输送。螺旋下部设有带矩形孔的流量控制板，由于流量控制板的作用，滚轴筛上部来煤不会直接落入碎煤机中，而是在螺旋叶片的推动下缓慢从中间向两端移动。来煤在移动过程中会通过流量控制板上的矩形孔逐渐落入碎煤机中，实现均匀布煤和把煤布满整个转子有效长度方向的目的，从而提高碎煤机的出力。螺旋布料机工作过程如图2 所示。

图2 螺旋布料机工作过程

2 螺旋布料给料机智能控制系统

螺旋布料给料机的智能控制系统由物料信息采集组件、A/D转换模块、通讯模块、人机界面、驱动器、PLC、变频器、远程控制终端和保护模块等组成。采用激光扫描仪作为信息采集原件［1］，可实时对滚轴筛上进入螺旋布料给料机的物料进行检测，检测采集的信息经过PLC运算，实现根据滚轴筛上物料的多少来改变螺旋布料给料机转速的目的。滚轴筛上物料较多时转速较快，滚轴筛上物料较少时转速较慢。通过智能控制系统实现了在螺旋布料给料机给料量少时自动降低螺旋布料给料机的转速，减少了螺旋布料给料机驱动动力，从而实现了螺旋布料给料机工作时节能的目的，系统原理如图3所示。

2.1 物料信息的采集

激光扫描仪体积小、安装简便、操作简单方便，不需要经过复杂测试与调试，并且可以实现远距离监控［2-4］。激光扫描仪测量物料法就是利用激光扫描仪获取被测物料的轮廓信息，将所采集的信息进行分析与处理，最后根据所需物料要求，经过计算与变换得到相应的物料的体积或瞬时流量等信息。由于用激光扫描仪测量物料具有不需与被测物料相接触的特点，因此可以避免造成数据在采集过程中因为摩擦力和接触压力而引起的形变测量误差、扫描速度慢、测量结果精度不高、受外界环境因素等影响大、不能实时在线测量等情况的出现，如今已经被广泛应用在物料测量领域，特别是对动态物料的测量具有十分重要的意义。此控制系统采用激光扫描仪作为信息采集原件，激光实时对滚轴筛上的煤料距离进行测量，将所有的测量值经过处理、曲线拟合得到模拟的物料轮廓曲线，然后将在物料空载时与物料负载时的实时物料轮廓相减便可以得到某一时刻的扫描物料轮廓的截面积，再根据滚轴筛速度得出某段时间内的物料体积，最后根据物料密度即可算出物料的重量。

图3 螺旋布料机智能控制系统

采用激光扫描仪对螺旋布料给料机滚轴筛上方添加的物料进行信息的采集，将所采集的4～20 mA 信号传输至A/D 转换模块，A/D 转换模块将所采集的4～20 mA 信号转换成数字信号并将数字信号传递至PLC，然后PLC对所采集的物料信息进行储存。

2.2 参数自整定Fuzzy-PID控制器的设计

针对不同物料量的情况，模糊PID 控制器根据相应的模糊规则对PID 的3 个参数比例KP、积分KI、微分KD进行实时的修改与调整，实现系统的偏差以及偏差变化率（e，ec）的自整定，并同时将系统的控制对象的输出控制量进行相应的自整定，以此来达到所需的控制要求。因此，选取设定的煤流量R与瞬时的煤流量Y的偏差与偏差变化率作为系统的输入，PID控制器参数KP、KI、KD为输出［5］，其控制模型如图4所示。

参数自整定Fuzzy-PID 控制器采用偏差e和偏差的变化率ec作为输入，将本系统输出的煤流量与设定的煤流量偏差e和偏差变化率ec的变化范围转换为量化论域e，ec=［-3，-2，-1，0，1，2，3］，分别对应模糊子集{NB、NM、NS、Z0、PS、PM、PB}。

图4 参数自整定模糊PID控制器结构

输煤系统的煤流量变化e的变化范围可设定为［-20，20］，煤流量变化率ec的变化范围可设为［-6，6］，输出变化量KP、KI、KD的变化范围分别设为［-3，3］、［-1，1］、［-0.3，0.3］。最后可以得到输入、输出的量化因子分别为Ke=3/20，Kec=1/2，K(KP)=3/3，K(KI)=1/3，K(KD)=1/10。

其PID参数KP、KI、KD的调节公式为

式中，KP0、KI0、KD0是系统初始值。

控制系统根据偏差e和偏差变化率ec进行连续的检测，并根据参数KP、KI、KD的调节规则，在线对模糊规则进行查询和计算，实时对PID 的3 个控制参数KP、KI、KD进行不断的修正，直到达到理想的控制要求为止。

2.3 PLC功能的实现

PLC 具有高可靠性和强抗干扰能力，线路连接和编写程序可以一起操作，当需要改变控制要求时，只需改变相应的控制程序即可，具有灵活的适应性，同时可以利用触摸屏进行操作与控制，控制界面变得简洁方便。因此，PLC 无论是在运行性能方面，还是在通信网络方面，都能实现精确的控制，从而达到相应的工业控制标准的要求［6-8］。

2.3.1 PLC选型

小型PLC 具有性价比高、功能完善、指令丰富等优点，能满足各项控制性能要求，S7-200 系列PLC 能应用于各类检测、监控及自动化等方面，其全面的功能使其不管在单独运行中，或是在组成网络中皆能完成复杂的控制功能。因此，S7-200 系列PLC 具有极高的性价比，本控制系统选用S7-200系列CPU224的PLC作为基本模块。

2.3.2 PLC控制流程设计

PLC的主程序控制流程如图5所示。

图5 主程序控制流程

2.3.3 PLC程序设计

此智能控制系统程序设计包括手动控制和自动控制。手动控制是指操作人员可以通过触摸屏手动对设定的参数进行设置与修改并可以实现手动对螺旋布料给料机的操作与控制；自动控制是指将控制信号全部录入到远程控制终端，然后通过通讯模块将信号传递给PLC，从而实现对螺旋布料给料机的智能化控制。

3 结语

为了火电厂提高碎煤机效率，研制了一种螺旋布料给料机，将其安装于滚轴筛与碎煤机之间，使煤均匀的布满碎煤机转子的长度方向。并针对螺旋布料给料机开发了一种智能控制系统，当给料量大时螺旋转速较快，当给料量小时螺旋转速较慢，优化了螺旋布料给料机的工况。运用此设备及智能控制系统，提高了火电厂碎煤机的工作效率，节能作用显著。