农正军 符平 朱雪松 劳帮壮 冯海斌 冯清海 陈敬瑞 李植冲
华能海南发电股份有限公司海口电厂 海南省澄迈县 571900
摘要：分析了现有比例溢流阀调压的缺点，明确了新型中速磨煤机液压加载系统的技术路线，对新型中速磨煤机液压加载系统的液压油路系统、电气回路、控制回路、控制顺序控制程序、压力调节智能算法进行了详细的设计研究。在现场进行了应用及各项性能参数实验测试，验证了该新型中速磨煤机液压加载系统的有效性、可靠性及BP神经网络智能算法的强泛化能力。
Abstract: the author analyzes the shortcomings of existing proportional relief valve pressure regulating, has been clear about the new technology route, medium-speed coal mill hydraulic loading system of new type medium speed coal mill hydraulic loading system of hydraulic circuit system, electrical circuit, control circuit, control sequence control program, pressure adjust the design research of intelligent algorithm in detail.The effectiveness and reliability of the hydraulic loading system of the new medium speed coal mill and the strong generalization ability of the intelligent algorithm of BP neural network have been verified by field application and performance parameter tests.
关键字：交流异步伺服驱动器；BP神经网络；电子调节阀；比例溢流阀；加载油；中速磨；变加载；定加载
0 引言
中速磨煤机液压加载系统是一种液压控制系统，通过调整系统加载液压油压力的变化，从而调整中速磨煤机磨辊液压油缸的下压力，适应磨煤机煤量负荷的变化。传统中速磨煤机液压油加载系统调压是通过比例溢流阀实现，由于比例溢流阀精密的机械结构，使其容易发生卡阀，进而影响磨煤机的正常工作。本课题设计开发了一种基于交流伺服驱动器的加载油调压技术，能够快速精确的调整系统加载油压的变化，同时对硬件结构、控制算法、运行方式等关键技术进行了研究设计，使得基于交流伺服驱动器的加载油调压技术成为可能。
1、中速磨煤机比例溢流阀加载油调压系统介绍及存在的问题分析
1.1、中速磨煤机比例溢流阀加载油调压系统介绍
磨煤机液压变加载系统是磨煤机的重要组成部分，由液压泵站、管路、加载油缸、蓄能器等部件组成。其功能如下：液压系统通过改变加载油缸的加载压力为磨辊提供随负荷而变化的碾磨力，其大小由比例溢流阀根据负荷变化的指令信号来控制液压系统的加载压力来实现。高压泵站安装在靠近磨煤机的基座上，蓄能器直接安装在加载油缸上，油缸下端与磨煤机基座铰接相连，三个带蓄能器的油缸由高压泵站提供动力。图1.0为中速磨煤机比例溢流阀加载油调压系统图。
中速磨煤机比例溢流阀加载油调压系统的功能：
1）、卸荷、滤油循环功能
2）、变加载功能
定变加载电磁阀切换到变加载模式，系统发出变加载运行指令信号，比例溢流阀收到加载信号（4-20mA）后，开始进行压力调整，比例溢流阀为闭环式执行机构，能够接受压力指令，并和嵌入比例溢流阀内部的压力变送器组成全闭环调节系统。
3）、定加载功能
定变加载电磁阀切换到定加载模式，通过机械式压力整定阀进行压力调整，该机械式压力整定阀的压力设定值根据磨煤机特性及燃烧的煤种确定，并在磨煤机安装调试期间整定完成。
4）、升降磨辊功能
当检修或其他特殊情况下需要升降磨辊时，通过液控阀及升降磨辊电磁阀的配合来实现升降磨辊功能。
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1.2、中速磨煤机比例溢流阀加载油调压系统存在的问题分析
1.2.1 液压油站液压油问题
经分析发现：比例溢流阀通过泄油方式来控制系统油压，大部分的高压油返回油箱做功，导致油箱温度升高，液压油老化加快，消耗减温水增多，液压油的再生维护及消耗量较大。
1.2.2 比例溢流阀问题
比例溢流阀对油品质要求较高，在正常运行期间易发生卡涩，导致故障停磨。
1.2.3 加载油压力调节精度问题
加载油压力调节全部靠比例溢流阀，比例溢流阀为一个压力全闭环执行机构，里面的电子元器件容易发生飘逸，导致压力控制不精确，需要经常对比例溢流阀进行标定，磨煤机电耗较高。
2、新型中速磨煤机液压加载系统研发设计
基于交流异步伺服驱动器的磨煤机液压油站变加载系统是在传统磨煤机液压油站变加载系统的基础上进行改进，保留原有的所有设备，将变加载油泵改为交流异步伺服驱动器驱动调节，在加载油泵电机上增加编码器，并将编码器信号接入到交流异步伺服驱动器，实现电机转速闭环控制，同时将加载压力及DCS压力指令信号引入交流异步伺服驱动器实现加载油压闭环控制，煤量的变化会相应引起加载油压设定值的变化，通过交流异步伺服驱动器控制电机转速，实现对加载油压的控制，相比传统变频器调速，具有伺服特性的交流异步伺服驱动器油压响应速度迅速。
2.1 新型中速磨煤机液压加载系统油路的设计
新型中速磨煤机液压加载系统油路保留原系统不变，既保留定变加载电磁阀、比例溢流阀等调节器件，作为油泵转速调压失效的一种备用调节手段，在系统上做到多重冗余，提高系统的可靠性。图2.0为新型中速磨煤机液压加载系统油路总图。
本项目在定变加载电磁阀原接变加载输出油路口上新增一个比例/变频切换电磁阀，比例/变频切换电磁阀的两路输出油路口分别接电子调节阀及比例溢流阀，电子调节阀为新增元器件，配合油泵进行转速调压，在调节期间起到回油的作用，电子调节阀不经常动作，仅仅在秋冬、冬春季节交替的时候根据设定值进行动作，一年动作两次。电子调节阀及比例溢流阀的两路输出油管合并为一路一起接入油箱。图2.1为比例/变频切换电磁阀系统图。
图2.1 比例/变频切换电磁阀系统图
2.2 电子调节阀的设计
由微型伺服电机，伺服驱动器，行星减速机，控制单元及绝对编码器构成。通过阀位指令和绝对编码器检测到的阀门实际位置进行比较，得出电机的动作指令，通过伺服驱动器控制伺服电机精确动作预定位置。可以通过电子流量调节阀配合来实现压力调节及油箱油温控制。图2.2为电子调节阀设计效果图。
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图2.2 电子调节阀设计效果图
2.3 新型中速磨煤机液压加载系统电气控制回路设计
该电路系统由三个接触器KM1、KM2、KM3，一个断路开关，交流异步伺服驱动器，电机测速编码器，控制器组成。
当新型中速磨煤机液压加载系统调节压力时，KM1、KM2闭合，KM3断开，电机测速编码器接入交流异步伺服驱动器，油泵电机进行转速闭环控制。当新型中速磨煤机液压加载系统故障时，KM1、KM2断开，KM3闭合，油泵电机处于工频运行状态。图2.3为新型中速磨煤机液压加载系统电气回路图。
控制器接受KM1、KM2、KM3分合闸反馈信号，异步伺服驱动器故障、准备好、运行反馈信号接入控制器，接受上位机DCS加载油压控制指令4-20mA信号，并将液压油站液压油压力接入PLC，输出KM1、KM2、KM3分合闸指令，控制异步伺服驱动器启停及转速，并根据DCS加载油压设定值和液压油站液压油压力信号偏差，经过固化在PLC里面的算法处理，输出转速调节指令到交流异步伺服驱动器，形成加载油压的精密闭环控制。图2.4为新型中速磨煤机液压加载系统控制器回路图。
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图2.4 新型中速磨煤机液压加载系统控制器回路图
3、 新型中速磨煤机液压加载系统算法设计
3.1、人机界面
实现压力曲线，各状态参数显示、模式选择、故障显示等。
3.2、程序流程(如图3.0程序流程图所示)
3.2.1定加载工作流程
定变加载电磁阀切换至定加载方式→定加载溢流阀通过步进电机调整至预定位置（此位置10Mpa,出厂整定值→断开变频器输出接触器KM3→检测到KM3断开后，发出KM2吸合指令，开始工频运行→油泵调速调节回路退出运行→流量调节阀开始关闭→定加载实现正常运行。
3.2.2变加载工作流程
定变加载电磁阀切换至定加载方式→比例溢流阀开始带电，同时开始计时，定加载溢流阀通过步进电机调整至预定位置（此位置10Mpa,出厂整定值）→ 断开变频器输出接触器KM3→ 检测到KM3断开后，发出KM2吸合指令，开始工频运行→油泵调速调节回路退出运行→ 流量调节阀开始关闭→定加载实现正常运行→PLC直接输出DCS压力调节指令→等待10s延时，时间到→变定加载电磁阀切换至变加载 。
3.2.3比例溢流阀开始调压运行
油泵调压方式：
定变加载电磁阀切换至定加载方式→工频接触器KM2断开→检测到工频接触器KM2断开后 ，发出调速器输出接触器KM3吸合指令→ 检测到调速器输出接触器KM3吸合信号后，发出调速器运行指令→ 发出额定转速模拟量指令10VDC→ 电机到达额定转速→定加载溢流阀通过步进电机调整至预定位置（此位置14Mpa,高于出厂整定值）→自动判断季节→流量调节阀开阀至相应季节所设定的位置→ 转速调节回路投入运行→开始启用模糊规则库→调用相应的模糊参数→ 模糊调节开始工作→比例溢流阀失电。
3.3 压力调节控制算法
本课题的压力调节控制算法采用智能前馈及智能变参数PID算法。采用BP神经网络实现智能前馈及PID智能变参数。图3.1为BP神经网络图。
BP神经网络是一种按误差逆传播算法训练的多层前馈网络，是目前应用最广泛的神经网络模型之一。BP网络能学习和存贮大量的 输入-输出模式映射关系，而无需事前揭示描述这种映射关系的数学方程。它的学习规则是使用最速下降法，通过反向传播来不断 调整网络的权值和阈值，使网络的误差平方和最小。
为减少控制器的运算量，本课题采用的BP算法为3层，既输入层、隐含层、输出层三层，4个参数输入进行输入，输出4个参数，本课题BP网络采用的传递函数是非线性变换函数——Sigmoid函数。
4个参数输入分别为：
1）、X1给煤机瞬时煤量；
2）、X2加载油压；
3）、X3为指令与反馈的偏差；
4）、X4为加载油压力给定值。
4个参数输出分别为：
1）、T1为压力调节回路前馈值；
2）、T3为PID参数比例带K；
3）、T2为PID参数积分I；
4）、T4为PID参数为微分D。
在DCS历史站上采集8个数据样本，既SAP1给煤机瞬时煤量，SAP2加载油压,SAP3为指令与反馈的偏差,SAP4为加载油压力给定值。、SAP5为压力调节回路前馈值,SAP6为PID参数比例带K,SAP7为PID参数积分I,SAP8为PID参数为微分D。在MATLAB里面建立数学模型进行仿真训练，得出最佳的初始权值、学习速率、期望误差值。在PLC里面搭建算法程序，实现智能前馈及智能变参数PID算法。
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图3.1 BP神经网络图
4、新型中速磨煤机液压加载系统现场应用
在保留原油路系统的基础上，增加了比例/变频切换电磁阀及电子调节阀及比例溢流阀，并在他们之间进行油路配管。
本课题在现场实施前预制了现场控制柜，控制柜安装在加载油站旁边，电源取自原来油泵MCC抽屉开关，并在他们之间进行配线联接。图4.0为就地控制柜图。
就地设备安装完成后进行各项实验，验证BP神经网络训练参数的有效性及泛化能力。图4.1为加载油压力响应曲线图。
经过一系列的实验，验证新型中速磨煤机液压加载系统具有调压稳定、响应快等特性，能够实现精确的压力闭环，能合理优化在不同煤量下的压力曲线，使磨煤机节能和煤粉细度达到最佳值，同时BP神经网络的泛化能力较强，能够适应各扰动参数的变化。
同时中速磨煤机加载油回油量小，油箱油温较低，润滑油老化较慢，冷却水使用量较少，油泵电机用电量较小，在正常情况下不使用比例溢流阀，对润滑油品质要求不高，减少润滑油的使用量；保留了比例溢流阀、定加载电磁阀，电气系统在故障情况下，油泵电机控制回路能在转速调压方式及工频电互相切换，可靠性极高；保留了全部油站原系统，改造量较小，便于施工。图4.2为性能参数提高图。
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5、总结
本课题对中速磨煤机液压加载系统进行了研究，分析了现有比例溢流阀调压的缺点，明确了新型中速磨煤机液压加载系统的技术路线，新型中速磨煤机液压加载系统采用的技术路线为基于交流异步伺服驱动器技术，通过精确快速的调整加载油泵转速实现了精确的压力控制。本课题对新型中速磨煤机液压加载系统的液压油路系统、电气回路、控制回路、控制顺序控制程序、压力调节智能算法进行了详细的设计研究。本课题进行了现场应用及各项性能参数实验测试，验证了该新型中速磨煤机液压加载系统的有效性。相比传统中速磨煤机液压加载系统该新型中速磨煤机液压加载系统存在较大的优势：加载油回油量小，油箱油温较低，润滑油老化较慢，冷却水使用量较少，油泵电机用电量较小，磨煤机电流有较小的降低，可靠性极高。
参考文献：王露春 .一种环保节能精密磨煤机液压调节控制系统 专利 专利号：ZL 2019 2 2300055.5