杨钧丞 李娜
华电潍坊发电有限公司 山东潍坊261000
摘要：给煤机是火力发电系统的主要配煤设备，在生产过程中实现连续定量供煤，保证高精度的物料配比。目前，国内给煤机普遍采用继电控制系统，通过硬件逻辑关系实现设备的顺序控制功能。但由于电路复杂、响应速度慢、控制精度有限、继电器故障率高，给电厂的正常生产运行带来了隐患。设计了基于PLC控制器的给煤机自动控制系统，优化了控制结构和外部电路，实现了设备的远程监控和信息通信，降低了操作故障率。
关键词：PLC；给煤机；控制系统；设计
1PLC技术概述
基本组件、扩展组件、特殊组件是PLC控制系统主要的三个部分。其中，基本结构分为主流配置和箱体型两种，具体是根据可编程控制器类型的不同进行划分的。CPU、内存、单电源、编辑器等共同组成了主流配置，其中还包括I/O模板、机架等部分。其中系统的核心为CPU在系统中影响着整体的规模以及运行速度，同时其他组件的选择和工作也需要以CPU为主。扩展组件则是在基础组件的基础上，结合实际生产需求增加的部分，例如扩展机箱以及扩展机架等部分，部分系统中还会增加系统I/O的点数。相比其他组件来说，CPU、外部资源以及内存等能够在扩展配置的配合下形成更好的连接。另外，我们可以选择使用远程扩展或者当地扩展，这样则能够更好地实现简化系统接线的效果，为后续系统的养护和维修创造良好条件。部分生产系统中还需要PLC系统满足一些特殊的功能，这部分组件则被称为特殊组件。我们一般按照功能对特殊组件进行分类，常见的有高速计数器单元、模拟输入与输出单元、成分监测单元等等。在实际设计过程中，需要我们按照工艺的具体需求选择适合的组件，进而保证生产功能达到实际设计需求。
2系统总体研究与设计
2.1系统控制需求分析
1）多种操作模式：系统应具有自动控制、手动控制和远程控制模式。在自动控制模式下，系统根据采集到的参数自动控制电机运行速度，调节供煤量。当采用手动控制时，可手动完成系统的就地控制，作为设备维护或调整的工作方式。通过上位机和监视器，可以对设备的工作状态进行远程监控，并对系统参数进行设定。
2）速度要求：通过电动阀控制给煤机的煤量，要求磨煤机等下游设备的磨煤速度应大于给煤机的运行速度。
3）控制精度：通过电子称重结构实现供煤量的精确计算，采用变频器驱动装置实现电机的无级调速。
4）保护功能：电机具有过流保护、过压保护、欠压保护等功能。
2.2系统总体方案设计
系统总体方案框图如图1所示，包括上位机、PLC控制器、数字量输入输出模块和模拟量输入输出模块。PLC是控制系统的核心部分，通过以太网接口与上位机建立通信，将现场采集的数据和运行状态传输给上位机，同时接收上位机的控制指令，远程修改系统参数和设备运行状态。模拟信号包括供煤量、运行速度、重量等系统参数。
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2系统控制原理研究
3.1给煤机控制原理
给煤机控制原理图如图2所示，由微机控制、电子称重、速度反馈与电机驱动四部分组成。微机控制负责系统采集参数的分析计算，向驱动单元发出控制指令。电子称重主要组件为称重传感器，安装于皮带两侧，测量单位时间内皮带上的煤量，通过模数转换装置后传输到控制器。速度反馈单元用于测量电机的转速信号，安装于驱动滚筒的轴端，通过检测脉冲信号的频率与轴的直径，可计算得到转速。驱动单元包括给煤机的电机、减速器与变频驱动器，为系统的最终执行端。
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控制器根据电子称重参数、速度反馈信号、给煤机的尺寸参数等，通过一定的逻辑算法，可计算得到给煤机单位时间内的给煤量，调节给煤机电机运输速度，可实现给煤量的自动控制。
3.2变频调速原理
变频调速为交流电机的典型调速方式，根据负载特性，可实现电机的无级调速与变频驱动，提高电能利用率。系统变频调速的控制方式为矢量控制，建立于磁链定向基础，经过坐标变换，调整变频器的输出频率大小，三相电压的角度等。
交流异步电机的转速可用公式（2-1）表示，通过改变电源的频率就可以调节电机的转速。
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式中：n为电机转速，f为电源频率，p为磁极对数，s为转差率。
4系统硬件设计
4.1控制器硬件选型设计
给煤机PLC控制器包括CPU、通信模块、电源模型与I/O模块等。本系统选择CPU处理器的原则是：满足系统的控制要求，具有良好的扩展性能，适用于恶劣的工作环境，抗干扰能力强。CPU型号选择为西门子S7-300系列CPU315-2PN/DP，可实现以太网与现场设备的通信，I/O扩展模块数为32，满足系统要求。
根据系统数字量与模拟量的输入输出接口数，本系统选择2个数字量输入模块SM321,1个数字量输出模块SM322,1个模拟量输入模块SM331。电源模块选择PS307-10A直流模块，具有过电压、欠电压、短路断路等保护功能。
上位机为给煤机控制系统的远程监测端，满足操作界面可视化，同时需要对控制器下达控制指令，所以本文选择TPC1561触摸屏单元作为上位机。触摸屏支持以太网通讯，可通过USB或网络下载界面程序。在与控制器建立通信后，可读取PLC各模块信息，通过显示屏实时了解设备的运行参数，对参数进行及时修改，实现给煤机的远程控制。
4.2变频器选型
系统变频器选用ACS550系列变频器，适用于给煤机类负载设备，保证在低频转矩与过载运行等情况下良好的启动与制动性能。
在设备过载运行时，变频器为最先损坏的设备，所以在选型时应当遵循一个基本原则：变频器的额定电流大于负载电流。变频器在驱动一台电机时，存在加速、减速、恒速等运行状态，额定电流可按照公式（3-1）确定：
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式中：I为变频器的额定电流，K0为安全系数，通常取1.2;Ii为各运行状态下的平均电流；ti为运行时间。
4.3称重单元设计
称重结构的关键部件是称重辊，它是一种对称安装的高精度称重传感器。称重辊采用不锈钢精密加工而成，安装在轴承座内，起到保护轴承、缓冲隔振、抵消外界水平方向干扰的作用。称重辊能计算的面积是后秤端辊和前秤端辊之间的面积，称为称重面积。当煤流经过称重区时，两端的传感器同时采集称重参数，向控制系统发送信号，经放大、模数转换后得到数字量。将数字量与系统的预设值进行比较。当标定结果误差在允许范围内时，数字量为某一瞬时单位长度皮带上煤的重量。通过采集一定时间间隔的煤流重量参数，最终计算出给煤机的总重量。
5应用效果分析
该系统应用后，提高了给煤机设备的稳定性和自动化水平，并配备了电子称重装置，降低了计量维护的难度。PLC控制器的使用提高了系统的抗干扰能力，统一了信息管理，有效地保证了给煤机的运行效率，缩短了故障维修时间。
结论
基于PLC的火电厂定量给煤控制系统的设计，主要是利用PLC控制给煤电机的转速，最终实现系统的给煤量调节，从而实现对发电的有效控制。与以往的煤炭称重系统相比，对节约能源、提高经济效益、保证安全具有重要意义。提高了整个系统的安全性和可靠性。改造后，系统运行达到了预定的经济效益要求。
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