基于PLC 的給煤機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 興

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦公司， 山西 大同 037003）

引言

給煤機(jī)為火力發(fā)電系統(tǒng)中主要的配煤設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、定量的煤料供給，保證生產(chǎn)制造過程中的高精度的物料配比[1-2]。目前，國內(nèi)給煤機(jī)多采用繼電器控制系統(tǒng)，通過硬件邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)設(shè)備的順序控制功能。但是由于繼電器線路復(fù)雜，動(dòng)作響應(yīng)速度緩慢，控制精度有限，故障率高等缺點(diǎn)，為電廠的正常生產(chǎn)運(yùn)營帶來隱患[3-4]。本文以PLC 控制器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種給煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)與外部線路，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控與信息通訊，降低運(yùn)行故障率。

1 系統(tǒng)總體研究與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)控制要求分析

1）多種操作模式：系統(tǒng)應(yīng)具備自動(dòng)控制、手動(dòng)控制與遠(yuǎn)程控制模式，當(dāng)處于自動(dòng)控制模式時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)采集到的參數(shù)，自動(dòng)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，調(diào)節(jié)給煤量。當(dāng)處于手動(dòng)控制時(shí)，可由人工完成系統(tǒng)的就地控制，作為設(shè)備檢修或調(diào)修時(shí)的工作模式。通過上位機(jī)與監(jiān)視器可遠(yuǎn)程監(jiān)測設(shè)備工況，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置[5-6]。

2）速度要求：通過電動(dòng)閥門控制給煤機(jī)的下煤量，要求磨煤機(jī)等下游設(shè)備的磨煤速度應(yīng)當(dāng)大于給煤機(jī)運(yùn)行速度。

3）控制精度：通過電子稱重結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)給煤量的精準(zhǔn)計(jì)算，利用變頻器驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速。

4）保護(hù)功能：為電機(jī)配有過流保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等功能[7-8]。

1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的總體方案框圖如圖1 所示，包括上位機(jī)、PLC 控制器、數(shù)字量輸入輸出模塊與模擬量輸入輸出模塊等。PLC 為控制系統(tǒng)的核心部分，通過以太網(wǎng)接口與上位機(jī)建立通信，將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，同時(shí)接收來自上位機(jī)的控制指令，遠(yuǎn)程修改系統(tǒng)的參數(shù)及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。模擬量信號(hào)包括系統(tǒng)的給煤量、運(yùn)行速度、重量等參數(shù)。

2 系統(tǒng)控制原理研究

2.1 給煤機(jī)控制原理

給煤機(jī)控制原理圖如圖2 所示，由微機(jī)控制、電子稱重、速度反饋與電機(jī)驅(qū)動(dòng)四部分組成。微機(jī)控制負(fù)責(zé)系統(tǒng)采集參數(shù)的分析計(jì)算，向驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出控制指令。電子稱重主要組件為稱重傳感器，安裝于皮帶兩側(cè)，測量單位時(shí)間內(nèi)皮帶上的煤量，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置后傳輸?shù)娇刂破?。速度反饋單元用于測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，安裝于驅(qū)動(dòng)滾筒的軸端，通過檢測脈沖信號(hào)的頻率與軸的直徑，可計(jì)算得到轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)單元包括給煤機(jī)的電機(jī)、減速器與變頻驅(qū)動(dòng)器，為系統(tǒng)的最終執(zhí)行端。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

控制器根據(jù)電子稱重參數(shù)、速度反饋信號(hào)、給煤機(jī)的尺寸參數(shù)等，通過一定的邏輯算法，可計(jì)算得到給煤機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的給煤量，調(diào)節(jié)給煤機(jī)電機(jī)運(yùn)輸速度，可實(shí)現(xiàn)給煤量的自動(dòng)控制。

2.2 變頻調(diào)速原理

變頻調(diào)速為交流電機(jī)的典型調(diào)速方式，根據(jù)負(fù)載特性，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速與變頻驅(qū)動(dòng)，提高電能利用率。系統(tǒng)變頻調(diào)速的控制方式為矢量控制，建立于磁鏈定向基礎(chǔ)，經(jīng)過坐標(biāo)變換，調(diào)整變頻器的輸出頻率大小，三相電壓的角度等。

交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速可用公式（2-1）表示，通過改變電源的頻率就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

式中：n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，f 為電源頻率，p 為磁極對(duì)數(shù)，s為轉(zhuǎn)差率。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制器硬件選型設(shè)計(jì)

給煤機(jī)PLC 控制器包括CPU、通信模塊、電源模型與I/O 模塊等。本系統(tǒng)選擇CPU 處理器的原則是：滿足系統(tǒng)的控制要求，具有良好的擴(kuò)展性能，適用于惡劣的工作環(huán)境，抗干擾能力強(qiáng)。CPU 型號(hào)選擇為西門子S7-300 系列CPU315-2PN/DP，可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與現(xiàn)場設(shè)備的通信，I/O 擴(kuò)展模塊數(shù)為32，滿足系統(tǒng)要求。

根據(jù)系統(tǒng)數(shù)字量與模擬量的輸入輸出接口數(shù)，本系統(tǒng)選擇2 個(gè)數(shù)字量輸入模塊SM321，1 個(gè)數(shù)字量輸出模塊SM322，1 個(gè)模擬量輸入模塊SM331。電源模塊選擇PS307-10A 直流模塊，具有過電壓、欠電壓、短路斷路等保護(hù)功能。

上位機(jī)為給煤機(jī)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測端，滿足操作界面可視化，同時(shí)需要對(duì)控制器下達(dá)控制指令，所以本文選擇TPC1561 觸摸屏單元作為上位機(jī)。觸摸屏支持以太網(wǎng)通訊，可通過USB 或網(wǎng)絡(luò)下載界面程序。在與控制器建立通信后，可讀取PLC各模塊信息，通過顯示屏實(shí)時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)修改，實(shí)現(xiàn)給煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制。

3.2 變頻器選型

系統(tǒng)變頻器選用ACS550 系列變頻器，適用于給煤機(jī)類負(fù)載設(shè)備，保證在低頻轉(zhuǎn)矩與過載運(yùn)行等情況下良好的啟動(dòng)與制動(dòng)性能。

在設(shè)備過載運(yùn)行時(shí)，變頻器為最先損壞的設(shè)備，所以在選型時(shí)應(yīng)當(dāng)遵循一個(gè)基本原則：變頻器的額定電流大于負(fù)載電流。變頻器在驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)時(shí)，存在加速、減速、恒速等運(yùn)行狀態(tài)，額定電流可按照公式（3-1）確定：

式中：I 為變頻器的額定電流，K0為安全系數(shù)，通常取1.2；Ii為各運(yùn)行狀態(tài)下的平均電流；ti為運(yùn)行時(shí)間。

3.3 稱重單元設(shè)計(jì)

稱重結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件為稱重輥，是一種對(duì)稱安裝的高精度稱重傳感器。稱重輥采用不銹鋼精密機(jī)械加工而成，安裝于軸承座中，同時(shí)起到保護(hù)軸承、緩沖與隔震的作用，抵消外部水平方向的干擾作用。稱重托輥所能計(jì)算的區(qū)域?yàn)楹蟪佣送休伵c前秤端托輥之間的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域稱之為稱重域。煤流經(jīng)過稱重域時(shí)，兩端的傳感器會(huì)同時(shí)采集重量參數(shù)，向控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，經(jīng)過放大處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到一個(gè)數(shù)字量。數(shù)字量與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值比較，當(dāng)校驗(yàn)結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)時(shí)，該數(shù)字量即為某一瞬時(shí)單位長度皮帶上的煤料重量。通過采集固定時(shí)間間隔的煤流重量參數(shù)，可最終計(jì)算得到給煤機(jī)上的總重量。

4 應(yīng)用效果分析

系統(tǒng)應(yīng)用后，提升了給煤機(jī)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性與自動(dòng)化水平，配備電子稱重單元，降低了計(jì)量維護(hù)的難度。利用PLC 控制器提高了系統(tǒng)的抗干擾性，統(tǒng)一信息化管理，有效保障了給煤機(jī)的作業(yè)效率，縮短故障檢修時(shí)間。