基于国产PLC在火电厂煤粉计量控制系统中的应用

黄金宝

（福州福禄德自动化科技有限公司，福建 福州 350001）

国内火力发电厂采用的入炉煤粉计量控制系统大部分采用的是电子称重式给煤机，该控制系统主要采用芯片集成电路板方式，主要实现自动调节煤量、皮带定度等功能。本文介绍了以国产PLC为基础核心，通过采集现场称重传感器数据、测速转速数据，计算实时煤量，并根据请求煤量进行比较，实时调节驱动变频器，最终达到自动调节的目的，同时具备预警功能、报警记录功能、追忆功能。

1 系统组成

如图1所示，控制系统以PLC控制单元为主要核心，另外包含触摸屏部分、电源部分、驱动变频器、现场传感器信号采集等。以下对系统各个组成部分作详细说明[1]。

图1 控制系统组成框图

PLC控制单元：作为整套系统的核心部分，主要负责称重传感器信号、速度传感器信号采集及算法处理，并根据调度要求进行自动调节，驱动变频器实现皮带电机速度调节，同时将运算的主要数据、设备状态、预报警信息传送至触摸屏。

触摸屏：作为系统的人机接口部分，主要实现系统的手自动切换、就地操作、系统定度、设备状态指示、数据显示、报警信息记录及查询、趋势图查询、重要数据存储等。

电源部分：为整套系统提供电源供给，为现场称重传感器提供10 VDC的激励电源，为驱动变频器提供380 VAC动力电源，为PLC控制单元及触摸屏提供24 VDC控制电源。其中24 VDC采用2路热冗余，保证其可靠性。

驱动变频器[2]：作为电机驱动环节，一方面接收PLC控制单元的频率指令驱动三相电机运转，另一方面反馈相应信号给PLC控制单元，主要有运行、故障、电机电流、电机转速等信号。

现场传感器：主要包含称重传感器、测速传感器、定度传感器、有煤传感器、堵煤传感器、超温传感器等。称重传感器输出为直流毫伏信号，因为PLC无法直接接收毫伏信号，所以该信号需要经过变送器转成标准的4～20 mA模拟量信号；测速传感器是测量皮带电机转速，采用的是磁滞传感器，输出信号类型为交流正弦波信号，需要经过信号变送器转成高速矩形波信号；定度探头传感器用来测量称重跨距脉冲数的起始点及终点；有煤传感器用来判断皮带是否断煤，用于报警；堵煤传感器用来判断出口是否堵煤，可引起系统跳闸；超温传感器用来判断皮带煤粉是否温度过高可能产生燃烧，可引起系统跳闸。

2 系统主要原理

入炉煤粉计量控制系统主要作用是根据发电机组发电负荷的要求来调节锅炉燃烧所需要的煤量。系统主要原理是由PLC控制单元通过驱动变频器，带动皮带电机变频运行，从而达到调节皮带上的煤量输送至磨煤机的目的[3]，其原理如图2所示。

图2 系统主要原理图

系统运行时，PLC控制单元采集现场的2个称重传感器的质量值，并判断其有效性，如果有效，则根据定度的零点及传感器线性换算成瞬时质量，如果无效，则把上一刻时间（10 s前记录数据）的质量作为瞬时质量。PLC控制单元采集测速传感器及变频器输出频率，根据瞬时质量及测速传感器数据计算出瞬时给煤量F（优先使用测速传感器测出的速度V1，当测速传感器无输出脉冲时切换至变频器频率换算的理论速度V2），同时计算出累计给煤量W。根据DCS给煤量请求F0，以及当前计算出来的瞬时给煤量F进行自动调节控制。使用闭环控制调节方式控制皮带电机变频器，最终达到给煤量调节的目的。

3 系统达到的功能

3.1 恒流量运行

系统工作在“远控”的状态。系统根据请求的给煤率（10～100 t/h）进行自动调节，以最终满足实际给煤率约等于请求给煤率为主，偏差率控制在0.5%以内。

3.2 手动定速运行

系统工作在“就地”的状态。根据设定的频率控制皮带电机运行。

3.3 系统定度

定度包括测皮带零点、测传感器线性、测称重跨距脉冲、定量砝码校验。

测皮带零点：将皮带上煤灰进行走空后，运行“测皮带零点”功能。系统运行N圈测得空载时2个称重传感器的数据累加值，并根据累加次数计算出皮带的平均零点数据。

测传感器线性：在称重传感器挂上标准挂码（如34.7 kg），运行“测传感器线性”功能。系统运行N圈测得加载时2个称重传感器的数据累加值，并根据累加次数计算出加载时的平均加载数据，将加载数据减去零点数据，再根据标准挂码质量计算出传感器的称重比例系数即线性。

测称重跨距脉冲：将皮带上煤灰进行走空后，皮带贴上4个反光贴片（每2个之间距离大于称重跨），将定度传感器接入系统中，运行“测称重跨距脉冲”功能。系统运行N圈测得4N次的跨距脉冲数据累加值，并根据累加次数计算出跨距脉冲数的平均值。

定量砝码校验：该步骤是对前面3种定度方式的检验，皮带运行后，在皮带上放上定量砝码（如400 kg），定量砝码走完后，系统计算出的质量与定量砝码质量进行比较计算，计算出偏差率。

3.4 显示运行参数和状态

显示皮带电机、刮板电机运行状态、故障信息，显示称重传感器质量、电机测速转速、瞬时给煤率、累计给煤量、请求给煤率、电机电流、定度参数等主要信息。

3.5 保护及报警措施

称重传感器失效：对2组称重传感器信号输出进行监测，其输出值大于最大值，小于最小值，静态偏差太大，两侧输出值动态偏差大，系统进行报警。同时，控制系统切换成容积模式，容积质量取10 s前记录质量，保证系统正常运行。

PLC控制单元电池电压低：对PLC电池电压进行监测，出现电池电压水平低进行报警。

变频器故障：当系统检测到变频报警或故障信号发出时，系统发出报警信号，但不进行跳闸，10 s内发出3次故障复位请求，若故障仍在，则系统跳闸。

请求给煤率断线：系统延时3 s报警，系统以设定最小煤量运行。

出口堵煤：系统延时3 s报警并跳闸。

机内温度过高：系统延时3 s报警并跳闸。

皮带电机电流高：系统延时5 s报警。

刮板电机电流高：系统延时5 s报警。

煤量不满足：实际给煤率与请求给煤率之差大于0.25 t/h，且连续45 s，则控制系统报警。

转速控制出错：由频率指令信号（4～20 mA）计算出的电机转速与检测到的实际转速之差大于60 r/min时，延时30 s后报警；当转速之差大于100 r/min时，延时30 s跳闸。

变频转速与测速转速偏差大：预警及故障判断作用，当变频转速与实际转速偏差大于30 r/min时，系统延时30 s后进行报警。

测速转速丢失：当系统检测不到皮带电机上速度脉冲信号，延时2 s后，系统切换成第二转速模式（根据变频器反馈的4～20 mA频率信号转换成高速脉冲信号），保证煤量不会有太大波动，提高系统可靠性及稳定性。

4 PLC程序设计

控制系统主要是由2种控制方式组成：远控模式、就地模式。远方模式下，控制系统接收远方启停信号以及给煤量调节信号，系统处于恒流量（根据DCS指令流量动态调节）控制方式下。就地模式下，系统可进行系统定度以手动操作。系统的定度主要有测皮带零点、测传感器线性、测称重跨距脉冲、定量砝码校验[4]。PLC程序框图如图3所示。

图3 PLC程序框图

远控模式下，系统根据上级系统（DCS）的请求指令进行自动运行。接收上级系统请求给煤率F0，并根据实际给煤率大小值进行自动调整驱动单元的速度输出信号，AOn=AOn-1+Kp×（F0-F）/F0，其中，AOn为本时刻驱动单元速度调节输出，AOn-1为上一时刻驱动单元速度调节输出，Kp为比例参数，F0为上级系统请求给煤率，F为当前瞬时给煤率。最终达到实时调节给煤量的恒煤量功能。

就地模式下，系统分为手动状态和定度状态。手动状态下，系统进行定速运行，运行速度采用事先设定的参数。定度状态下，将依次进行皮带零点、传感器线性、跨距脉冲的测量，并在测量结束后进行定量砝码的检验。

皮带零点测量：安装好校验探头及反光片，以2级授权用户登录，切换到校验画面，按下皮带零点按钮，系统自动启动，初始稳定30 s后如转速稳定则开始循环计数，校验探头S1与S2交替闪亮，同时计数不断增加，当S1计满9个数代表皮带运转2周，系统计皮带零点误差。同时与前值（即上一次测量值）比较，误差不应大于0.25%，否则继续校验，直到误差小于0.25%。

传感器线性测量：皮带零点测量通过后，按下传感器线性按钮，给煤机自动启动，初始稳定30 s后如转速稳定则开始循环计数，校验探头S1与S2交替闪亮，同时计数不断增加，当S1计满9个数代表皮带运转2周，系统计算传感器线性误差。同时与前值（即上一次测量值）比较，误差不应大于0.25%，否则继续校验直到误差小于0.25%。

跨距脉冲测量：在皮带零点及传感器线性测量结束后，按下跨距脉冲按钮，给煤机自动启动，初始稳定30 s后如转速稳定则开始循环计数，校验探头S1与S2交替闪亮，同时计数不断增加，当S1计满9个数代表皮带运转2周，系统统计2周结束后的8次脉冲数，并计算最终有效值，以此作为本次测量的称重区域的有效脉冲数。同时与前值（即上一次测量值）比较，误差不应大于0.25%，否则继续校验直到误差小于0.25%。

定量砝码校验：前三步测量结束后，并满足精度要求，可进行定量砝码校验。该步骤是对前3次测量是否合格的一种检验方式，即采用已知砝码的质量（如400 kg）进行检验。通过系统测量出来的质量与实际的质量进行对比，并计算出相应的误差，来判断是否本次定度是否合格。

5 结语

该系统是基于国产化PLC设计的入炉煤粉计量控制系统，采用了通俗的梯形图设计语言，方便了设计开发调试。硬件上采用了可靠性、稳定性普遍较高的可编程控制器（PLC），同时软件设计上采取多种增强可靠性、稳定性的方法，抗干扰能力增强，完全能够适用于工业现场。在人机接口方面，采用10 in（1 in≈2.54 cm）中文触摸屏，增强了系统工艺，使得系统操作更加简单明了，为操作人员带来了极大方便，也为维护人员降低了检修维护难度。