给煤机控制系统DCS化改造

周丽锋，王竞杉，周 骥

（江苏利电能源集团，江苏无锡 214444)

锅炉燃烧过程自动控制系统的基本任务是使燃料燃烧提供的热量适应锅炉蒸汽负荷的需要，同时还要保证经济燃烧和安全运行。给煤机是其中的重要组成部分。

带微机控制系统电子称重式给煤机的系统具有封闭性特点，导致无法看到多数控制过程量，报警信息也需要到现场查看错误码才能确认。当前的电厂集控趋势是少人值守、智能化，分散独立的控制设备需要并入机组DCS 控制系统才能更好地实现控制一体化。给煤机是将煤送入磨煤机和送入锅炉不同层面的最后一道关，进行煤耗计量需要定期校验才能确保其数据的准确性，但每次校验需要开仓盖贴反光纸，不仅操作过程时间长、需要大量的人力，还会造成煤粉污染。通过控制系统改造不仅将给煤机一次测量设备直接接入DCS 系统，可以为机组智慧监盘提供最直观的测量数据，还优化了给煤机的校验。在实现给煤机原有模式启停、控制转速、报警跳闸等功能的基础上，增加了设备的报警信息、设备连锁，并实现了自动校验和远程校验功能。

1 给煤机控制校验现状

利港电厂三、四期600 MW 机组都采用STOCK公司的带微机控制系统电子称重式给煤机。此类给煤机具有电子称重和微处理机控制系统，可以自动控制给煤机的运行，自动控制和计量给煤机的给煤量。

给煤机由机体、输煤皮带、电动机驱动装置、清扫装置、控制箱、称重装置、皮带堵煤及断煤报警装置、取样装置及工作灯等组成。大致分为给煤机机体、皮带与驱动装置、清扫输送装置、微处理机控制装置、给煤率测量与控制电路等几大系统部件。

其中微处理机控制装置及相关元器件安装在给煤机上的控制柜内，主要包括电源、CPU 板、键盘/显示器部件、电机速度控制装置、给煤机皮带驱动电机的启动器和过载装置继电器、清扫链电机的启动器和过载装置继电器、变压器、启动继电器、给煤机运行继电器、皮带有煤开关、出口堵煤开关、变频器、反馈信号变送器等。通过这套系统可实现输入信号的接收、给煤机启停的控制、电机转速控制、称重计算等功能。

其中，现场元器件受现场粉尘、温度等影响，寿命易缩短；现有控制系统在给煤机旁，发生故障时需要人员达到现场进行处理，增加了工作量；给煤机控制异常时会切至切容积模式，或者发生其他异常状况时监盘无法直观看到给煤机的状况，只能看到一个报警，拖延了对给煤机异常的处理时间，可能会加剧故障状态扩大；原控制装置也不能很好地避开电压瞬时波动，不符合现在给煤机动力/控制电源穿越的要求。

于是急需一种基于DCS 平台的给煤机给煤率控制改造，以实现简化控制程序，减少现场控制影响，给煤机各项中间变量、参数及报警更直观，降低维护成本，以及提高给煤机控制可靠性的目的。

2 给煤机控制接入DCS的优势

2.1 统一的硬件

给煤机接入DCS 后，IO 卡件使用的硬件与DCS统一，输入、输出信号由DCS 卡件直接处理，工程量直观显示，维护更方便。备品备件与DCS 统一，减少运营成本。

2.2 友好的人机交互软件

组态软件使用DCS 直接进行组态，界面友好，使用方便。利用原有的DCS 维护工程师进行给煤机组态的维护修改更加专业。

2.3 丰富的诊断信息

共享DCS 的历史收集、趋势、报警功能，故障查找更为便利，更有利于设备故障的分析诊断。

2.4 可靠的电源

由DCS 系统直接供电，DCS 的双冗余电源使给煤机控制可靠性得到了极大的提高，避免了控制装置的低电压穿越问题。

2.5 实时监测

称重探头的实时数据进入DCS，可以在画面上呈现，有助于查看最准确的数据。改造后增加了从动轮转速检测模块，可实现皮带转速的在线监测，同时可以逻辑判断皮带打滑并预警。

2.6 自动化校验

改造后可利用从动轮转速检测和新增的挂码电机实现给煤机得不开盖校验、远程校验及无人校验。

3 改造过程

3.1 现场电气回路改造

将称重探头的信号0～30 mV 通过信号转换隔离器转换为4～20 mA 信号送入DCS 系统（图1）。堵煤、断煤电机转速等反馈信号和指令信号直接接入磨组所在的控制器备用通道或新增DCS 卡件上，信号由DCS 进行处理，并由DCS 发出指令，实现给煤机的远程控制。这样可以仅保留现场的测量元件、部分电气回路和变频器，其余的检测设备可以去除，极大地减少了中间接线端子。同时还取消了电气自保持继电器，改为DCS 启动长指令和使用变频器的自保持功能实现给煤机的稳定运行，有效解决了低电压穿越隐患。

如图1所示，闭环部分根据给煤机皮带和给煤率的实时称重，计算出对应的电机转速要求，并结合实时给煤机电机转速，通过PID 调节向现场输出正确的电机转速指令，现场给煤机电气回路只需要接受转速指令和给出转速反馈，其余均可在DCS 侧完成，实现煤量的调整。

新控制系统还保留有变频器的正反转模式切换和给煤机紧急停止的硬操作按钮，使用了双按钮，在确保能就地紧急停运的同时防止误操作。

给煤机的模式切换和操作都迁移到DCS 品台进行操作，包括就地/远方切换、就地启停、JOG 点动、报警复位、跳闸首出复位、就地转速设定、容积模式切换、定度模式选择、手动校验、走码校验及最大最小煤量等参数的设定，控制画面如图2所示。检验画面上可以呈现丰富的参数信息，如图3所示。

图3 给煤机校验画面

3.2 给煤量测量

给煤机给煤量可表示为：

式中，G为单位时间给煤重量，kg/s；g为单位皮带长度煤重量，kg/cm；U为皮带速度，cm/s。

皮带单位长度煤重量g 可表示为：

式中，W1为左侧称重传感器感受重量，kg；W2为右侧称重传感器感受重量，kg；W3为皮带、称重托辊等自重，由给煤机校正CAL1时确定，kg；L为皮带称重段长度，cm；Kg为校正系数。

为了简便，把常数2/L纳入校正系数Kg，则g=Kg（W1+W2-W3）。校正系数Kg由给煤机校正CAL2时确定。

皮带运行速度的信号U计算如下：

式中，Kv为速度校正系数；fn为交流转速表输出频率，Hz。

校正系数Kv在给煤机校正时CAL1确定。所以CAL1校验确定皮重系数W3和速度系数Kv；加码后CAL2校验确定校正系数Kg。

3.3 容积模式煤量测量

给煤机测量在称重单个探头故障或两个探头之间偏差大时，进入容积模式。

当给煤机在容积模式时，给煤量的计算式为：

式中，Gv为容积模式下的給煤率，kg/s；V为称重托辊段煤的体积，cm3；ρ为煤的密度，kg/cm3；U为皮带速度，cm/s。

每台给煤机的V是一个定制常数，可以根据说明书计算出来。

ρ有个初始设置值，同时在给煤机有煤运行3h 后，自动修正密度回路，并将实时密度记录下来用于容积模式煤量计算。这个密度值更加真实有效，减少了锅炉的煤量控制误差。

3.4 从动轮转速测量

利用从动轮与皮带线速度的一致性，增加从动轮测量皮带速度。

在给煤机从动轮的张紧机构处安装一磁感应式探头，测量从动轮每转动一周所需的时间，从而得出皮带运行速度Uc：

式中，D为从动轮直径，cm；d为皮带厚度，cm；Tc为从动轮转动一周所用的时间，s。

由于皮带的本身具有一定的伸缩特性，故皮带厚度d很难直接测量出来。这里利用反光纸校验与从动轮校验的转速比一致性计算得出一个补偿值。

根据从动轮的每周所需时间算出的皮带转速Uc与给煤机驱动电机换算出的转速U可以进行对比，正常情况下Uc=U，结合称重探头判断出皮带打滑、电机断轴等情况。

3.5 挂码电机

将原挂码操纵杆拆除，新增两个挂码步进电机，实现加码/卸码的电动化，方便程控校验时能实现自动加码/卸码。还设计了挂码电机的自动校正功能，利用称重的数值计算出电机转动的步数，以及定位电机的加码位和卸码位。同时也设计了运行中挂码电机闭锁功能，防止运行中操作挂码电机，影响给煤控制。

3.6 增加吹扫装置

由于标准滚筒砝码长期处于给煤机内部，会有大量煤粉在滚筒上方形成锥形堆积，增加了砝码重量，造成校验误差。故接入一根气管采用厂用气定期吹扫堆积在砝码上的煤粉，保证自动校验时的定量准确。

3.7 自动校验程控

反光纸校验给煤机时需要通过广电探头测量张贴在皮带上的反光纸，来测量皮带的真实转速，从而计算出电机和皮带的转速比，但每次都需要清理或重新贴纸，定度探头也需要手动接入。新增从动轮转速测量后，可以直接利用通过测量从动轮得出的皮带转速进行给煤机CAL1校验，得出皮重系数W3和转速系数KV。这可以省去打开给煤机仓盖、重新贴反光纸的麻烦。

将给煤机切换到就地控制模式后，选择从动轮校验模式，开始自动校验。给煤机会走空皮带一段时间，确保皮带干净无煤。为了使得校验后使用的各项系数具有较高的准确性，减少校验误差，程控自动校验时分别执行3次CAL1和CAL2。每次校验系数与前次相比误差小于0.2%才算校验成功。控制回路使用的校正系数采用3次成功校验的系数平均值。

为了方便操作，在自动校验的基础上，还设计了一键校验功能，如操作程控开始后，给煤机自动切换到就地模式和从动轮校验模式，开始3次CAL1校验，加码后开始3次CAL2校验，接着卸码，切回远方遥控模式，给煤机恢复备用

就此基本实现了现场无人的给煤机全过程自动校验，且校验数据可通过DCS 平台的历史站进行保留。

3.8 增加报警和设备连锁

将原有的给煤机报警都迁移至DCS 系统，设置专门的光字牌，以便在报警发生时及时发现报警的具体内容。由于可以检测到给煤机皮带上的称重数值，结合原有有煤开关判断有煤无煤将更加准确。

原有煤仓振打装置的启停也从就地迁移到DCS控制。给煤机运行中断煤时，逻辑判断煤仓落煤管堵煤，发出报警的同时，直接连锁煤仓振打装置，振打落煤，有效防止给煤机断煤，减少锅炉系统的扰动。

4 改造效果

4.1 给煤机校验后的走码验证

改造后，保留给煤机反光纸校验模式，增加从动轮校验模式，两者可以切换。实际测量数值见表1。由表1可知，反光纸校验模式和从动轮校验模式下的校验系数都小于0.2%，均在偏差允许范围内。校验完成后，使用走码模式来验证校验效果，走码重量200 kg，走码转速200 r/min。计算得出，走码累积重量为202 kg，误差在1%左右。误差的主要来源除了称重系统和控制系统外，还有机械结构。由于采用3次测量取平均来计算校验系数，已经基本消除了测量误差。为了消除称重和机械的系统误差，在走码成功后使用系统误差系数Kz来消除总误差。

表1 2种模式的检验数据比较

式中，Gc为走码砝码重量，kg；Gz为走码计算重量，kg。

4.2 给煤机运行效果

经过改造后的给煤机实际启停中转速控制平稳，煤量指令进入给煤机控制PID 后转化为转速指令，响应及时准确。给煤机控制和停运过程趋势如图4所示。

图4 给煤机控制和停运过程趋势

4.3 给煤机落煤管堵煤时连锁振打装置

利港电厂最近需要燃烧大量的污泥和泥煤，虽然经过了干化处理，但超市潮湿的污泥容易造成煤仓落煤管经常发生堵塞。一旦发生堵煤，从发现到处理需要一段时间，严重影响了锅炉的燃烧稳定。改造后，不仅在煤仓上增加了吹扫防堵装置，还通过此次给煤机DCS 控制改造，增加了断煤堵煤判断连锁煤仓振打装置，其使用效果良好，能有有效减少断煤次数。

5 结束语

给煤机控制系统改造中取消了就地微处理控制器及部分相关的IO 处理单元，优化了电气控制回路，可提供更可靠的电源。简化了控制流程，现场信号直接接入DCS 机柜并且控制指令直接由DCS 机柜发出，减少了信号转接环节，提高了设备的可靠性。DCS平台的使用让给煤机的采集参数和中间控制量更加直观地呈现在系统画面上，丰富详细的报警信息有助于更加快捷地观察设备和系统的工况。

新增给煤机从动轮测速和自动校验功能，可以将原来每6个月进行一次的给煤机开仓校验，延长到1 a甚至更长时间，或者在每次给煤机大修后进行一次反光纸校验，以校正从动轮校验参数。平时在某台给煤机调停后，可以直接使用一键校验功能进行给煤机校验，方便快捷。不仅大大减少检修人员的工作量，也减少了煤粉的外泄，保护了环境。后期结合机组的智慧监盘系统，可以判断给煤机的健康状况，预测给煤机的校验时间，提高设备可靠性的同时，产生一定的经济性。