火電廠螺旋布料機(jī)及智能控制系統(tǒng)開發(fā)

遲林芳，高振國，張安琪

（沈陽工程學(xué)院a.研究生部；b.電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

在大中型火力發(fā)電廠中，為了提高碎煤機(jī)效率，研制了一種螺旋布料給料機(jī)，將其安裝在輸煤系統(tǒng)中滾軸篩與碎煤機(jī)之間，通過螺旋布料給料機(jī)，將煤均勻地布滿碎煤機(jī)轉(zhuǎn)子的長度方向，達(dá)到提高碎煤機(jī)的效率和節(jié)能的目的。煤要先經(jīng)過篩選后進(jìn)入螺旋布料給料機(jī)，來煤含大塊比例在15%～50%，進(jìn)入螺旋布料機(jī)的煤量變化較大，如果采用常規(guī)控制，螺旋布料給料機(jī)給料量按最大設(shè)計，相應(yīng)匹配電機(jī)功率按最大給料量設(shè)計，則當(dāng)進(jìn)入螺旋布料給料機(jī)的煤量小時，電機(jī)功率需要減小。但由于滾軸篩與碎煤機(jī)之間是全封閉結(jié)構(gòu)，封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)粉塵大，滾軸篩進(jìn)入螺旋布料給料機(jī)輸煤量的多少是無法人工干預(yù)的。所以，螺旋布料給料機(jī)理想工作狀態(tài)應(yīng)是給料量大時螺旋轉(zhuǎn)速較快，轉(zhuǎn)速快時消耗功率大；給料量小時螺旋轉(zhuǎn)速較慢，轉(zhuǎn)速慢時消耗功率小。按常規(guī)控制方法螺旋布料給料機(jī)只能選用高轉(zhuǎn)速，當(dāng)螺旋布料給料機(jī)給料量小時，螺旋布料給料機(jī)轉(zhuǎn)速仍在高速工作，螺旋布料給料機(jī)不能得到充分地利用。為了進(jìn)一步優(yōu)化螺旋布料給料機(jī)控制系統(tǒng)，研發(fā)了一種用于螺旋布料給料機(jī)的新型智能控制系統(tǒng)來解決上述問題。

1 螺旋布料給料機(jī)

1.1 螺旋布料給料機(jī)結(jié)構(gòu)

螺旋布料給料機(jī)包括進(jìn)料口、分料板、左旋螺葉片、螺旋軸、流量控制板、軸承座、軸承、軸承壓蓋、殼體、擺線減速機(jī)、連接座、聯(lián)軸器、右螺旋葉片。進(jìn)料口上部通過法蘭與輸煤系統(tǒng)中落煤管相連，其下部安裝在殼體上；分料板為犁形并安裝在進(jìn)料口上部；左、右螺旋葉片均焊接在螺旋軸上；螺旋軸兩端安裝在軸承內(nèi)孔中，一端通過聯(lián)軸器與擺線減速機(jī)相連；流量控制板安裝在殼體底部；軸承座的前端設(shè)有凸臺及螺孔，通過法蘭與破碎機(jī)入料口法蘭相連接，軸承座安裝在殼體兩端；軸承前端即靠擺線減速機(jī)端安裝雙列圓錐滾子軸承，后端安裝調(diào)心滾子軸承；軸承壓蓋安裝在軸承座外端；擺線減速機(jī)通過連接座固定在殼體上。螺旋布料給料機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 螺旋布料給料機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 螺旋布料機(jī)工作過程

螺旋布料給料機(jī)安裝在輸煤系統(tǒng)中滾軸篩與碎煤機(jī)之間，滾軸篩來煤經(jīng)螺旋軸上的對稱布置的左旋螺旋葉片和右旋螺旋葉片將煤向兩端輸送。螺旋下部設(shè)有帶矩形孔的流量控制板，由于流量控制板的作用，滾軸篩上部來煤不會直接落入碎煤機(jī)中，而是在螺旋葉片的推動下緩慢從中間向兩端移動。來煤在移動過程中會通過流量控制板上的矩形孔逐漸落入碎煤機(jī)中，實現(xiàn)均勻布煤和把煤布滿整個轉(zhuǎn)子有效長度方向的目的，從而提高碎煤機(jī)的出力。螺旋布料機(jī)工作過程如圖2 所示。

圖2 螺旋布料機(jī)工作過程

2 螺旋布料給料機(jī)智能控制系統(tǒng)

螺旋布料給料機(jī)的智能控制系統(tǒng)由物料信息采集組件、A/D轉(zhuǎn)換模塊、通訊模塊、人機(jī)界面、驅(qū)動器、PLC、變頻器、遠(yuǎn)程控制終端和保護(hù)模塊等組成。采用激光掃描儀作為信息采集原件［1］，可實時對滾軸篩上進(jìn)入螺旋布料給料機(jī)的物料進(jìn)行檢測，檢測采集的信息經(jīng)過PLC運(yùn)算，實現(xiàn)根據(jù)滾軸篩上物料的多少來改變螺旋布料給料機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。滾軸篩上物料較多時轉(zhuǎn)速較快，滾軸篩上物料較少時轉(zhuǎn)速較慢。通過智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)了在螺旋布料給料機(jī)給料量少時自動降低螺旋布料給料機(jī)的轉(zhuǎn)速，減少了螺旋布料給料機(jī)驅(qū)動動力，從而實現(xiàn)了螺旋布料給料機(jī)工作時節(jié)能的目的，系統(tǒng)原理如圖3所示。

2.1 物料信息的采集

激光掃描儀體積小、安裝簡便、操作簡單方便，不需要經(jīng)過復(fù)雜測試與調(diào)試，并且可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控［2-4］。激光掃描儀測量物料法就是利用激光掃描儀獲取被測物料的輪廓信息，將所采集的信息進(jìn)行分析與處理，最后根據(jù)所需物料要求，經(jīng)過計算與變換得到相應(yīng)的物料的體積或瞬時流量等信息。由于用激光掃描儀測量物料具有不需與被測物料相接觸的特點，因此可以避免造成數(shù)據(jù)在采集過程中因為摩擦力和接觸壓力而引起的形變測量誤差、掃描速度慢、測量結(jié)果精度不高、受外界環(huán)境因素等影響大、不能實時在線測量等情況的出現(xiàn)，如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在物料測量領(lǐng)域，特別是對動態(tài)物料的測量具有十分重要的意義。此控制系統(tǒng)采用激光掃描儀作為信息采集原件，激光實時對滾軸篩上的煤料距離進(jìn)行測量，將所有的測量值經(jīng)過處理、曲線擬合得到模擬的物料輪廓曲線，然后將在物料空載時與物料負(fù)載時的實時物料輪廓相減便可以得到某一時刻的掃描物料輪廓的截面積，再根據(jù)滾軸篩速度得出某段時間內(nèi)的物料體積，最后根據(jù)物料密度即可算出物料的重量。

圖3 螺旋布料機(jī)智能控制系統(tǒng)

采用激光掃描儀對螺旋布料給料機(jī)滾軸篩上方添加的物料進(jìn)行信息的采集，將所采集的4～20 mA 信號傳輸至A/D 轉(zhuǎn)換模塊，A/D 轉(zhuǎn)換模塊將所采集的4～20 mA 信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并將數(shù)字信號傳遞至PLC，然后PLC對所采集的物料信息進(jìn)行儲存。

2.2 參數(shù)自整定Fuzzy-PID控制器的設(shè)計

針對不同物料量的情況，模糊PID 控制器根據(jù)相應(yīng)的模糊規(guī)則對PID 的3 個參數(shù)比例KP、積分KI、微分KD進(jìn)行實時的修改與調(diào)整，實現(xiàn)系統(tǒng)的偏差以及偏差變化率（e，ec）的自整定，并同時將系統(tǒng)的控制對象的輸出控制量進(jìn)行相應(yīng)的自整定，以此來達(dá)到所需的控制要求。因此，選取設(shè)定的煤流量R與瞬時的煤流量Y的偏差與偏差變化率作為系統(tǒng)的輸入，PID控制器參數(shù)KP、KI、KD為輸出［5］，其控制模型如圖4所示。

參數(shù)自整定Fuzzy-PID 控制器采用偏差e和偏差的變化率ec作為輸入，將本系統(tǒng)輸出的煤流量與設(shè)定的煤流量偏差e和偏差變化率ec的變化范圍轉(zhuǎn)換為量化論域e，ec=［-3，-2，-1，0，1，2，3］，分別對應(yīng)模糊子集{NB、NM、NS、Z0、PS、PM、PB}。

圖4 參數(shù)自整定模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

輸煤系統(tǒng)的煤流量變化e的變化范圍可設(shè)定為［-20，20］，煤流量變化率ec的變化范圍可設(shè)為［-6，6］，輸出變化量KP、KI、KD的變化范圍分別設(shè)為［-3，3］、［-1，1］、［-0.3，0.3］。最后可以得到輸入、輸出的量化因子分別為Ke=3/20，Kec=1/2，K(KP)=3/3，K(KI)=1/3，K(KD)=1/10。

其PID參數(shù)KP、KI、KD的調(diào)節(jié)公式為

式中，KP0、KI0、KD0是系統(tǒng)初始值。

控制系統(tǒng)根據(jù)偏差e和偏差變化率ec進(jìn)行連續(xù)的檢測，并根據(jù)參數(shù)KP、KI、KD的調(diào)節(jié)規(guī)則，在線對模糊規(guī)則進(jìn)行查詢和計算，實時對PID 的3 個控制參數(shù)KP、KI、KD進(jìn)行不斷的修正，直到達(dá)到理想的控制要求為止。

2.3 PLC功能的實現(xiàn)

PLC 具有高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力，線路連接和編寫程序可以一起操作，當(dāng)需要改變控制要求時，只需改變相應(yīng)的控制程序即可，具有靈活的適應(yīng)性，同時可以利用觸摸屏進(jìn)行操作與控制，控制界面變得簡潔方便。因此，PLC 無論是在運(yùn)行性能方面，還是在通信網(wǎng)絡(luò)方面，都能實現(xiàn)精確的控制，從而達(dá)到相應(yīng)的工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)的要求［6-8］。

2.3.1 PLC選型

小型PLC 具有性價比高、功能完善、指令豐富等優(yōu)點，能滿足各項控制性能要求，S7-200 系列PLC 能應(yīng)用于各類檢測、監(jiān)控及自動化等方面，其全面的功能使其不管在單獨(dú)運(yùn)行中，或是在組成網(wǎng)絡(luò)中皆能完成復(fù)雜的控制功能。因此，S7-200 系列PLC 具有極高的性價比，本控制系統(tǒng)選用S7-200系列CPU224的PLC作為基本模塊。

2.3.2 PLC控制流程設(shè)計

PLC的主程序控制流程如圖5所示。

圖5 主程序控制流程

2.3.3 PLC程序設(shè)計

此智能控制系統(tǒng)程序設(shè)計包括手動控制和自動控制。手動控制是指操作人員可以通過觸摸屏手動對設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與修改并可以實現(xiàn)手動對螺旋布料給料機(jī)的操作與控制；自動控制是指將控制信號全部錄入到遠(yuǎn)程控制終端，然后通過通訊模塊將信號傳遞給PLC，從而實現(xiàn)對螺旋布料給料機(jī)的智能化控制。

3 結(jié)語

為了火電廠提高碎煤機(jī)效率，研制了一種螺旋布料給料機(jī)，將其安裝于滾軸篩與碎煤機(jī)之間，使煤均勻的布滿碎煤機(jī)轉(zhuǎn)子的長度方向。并針對螺旋布料給料機(jī)開發(fā)了一種智能控制系統(tǒng)，當(dāng)給料量大時螺旋轉(zhuǎn)速較快，當(dāng)給料量小時螺旋轉(zhuǎn)速較慢，優(yōu)化了螺旋布料給料機(jī)的工況。運(yùn)用此設(shè)備及智能控制系統(tǒng)，提高了火電廠碎煤機(jī)的工作效率，節(jié)能作用顯著。