基于PLC、觸摸屏、變頻器的煤粉計量控制系統(tǒng)

　　連續(xù)準確地對回轉(zhuǎn)窯和分解爐進行喂煤，是降低煤耗，提高熟料質(zhì)量，保證設備安全和連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的關鍵因素。因此，喂煤計量控制裝置必須具有穩(wěn)定、準確、動作迅速等特性。

　　原來我公司采用由德國KHD成套設備公司提供的沖擊式固體流量計,由于該流量計容易受到外界的干擾，計量波動大，引起喂煤量的波動, 影響了窯的工況。喂煤裝置分隔輪是由直流電機拖動，直流電機的換向器和電刷的故障率較高，維護量很大。公司經(jīng)過調(diào)研論證，決定進行技術改造，將其替換成2套由合肥水泥設計院生產(chǎn)的科氏力秤煤粉定量給料系統(tǒng)。該秤依據(jù)科里奧利原理設計，實現(xiàn)對窯尾分解爐和窯頭喂煤的計量及控制。

　　2　科里奧利原理

　　質(zhì)量微粒m在以角速度ω轉(zhuǎn)動的系統(tǒng)中除受到離心力FZ和摩擦力FR外，還受到垂直于其運動方向的慣性力FC的作用，通過測量這個力，可測得質(zhì)量m，這就是科里奧利原理，如圖1所示。

　　圖1　科里奧利原理示意

　　測量原理的實現(xiàn)需要一個以恒定速度轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)測量圓盤(測輪)，其基本結構如圖1所示。由電機拖動的測輪被葉片分成數(shù)個導流槽，散狀物料由測輪中心上方進入測輪，經(jīng)過錐形的轉(zhuǎn)向裝置后，形 成散料流，進入導向葉片之間的導流槽中，并被以恒定角速度ω旋轉(zhuǎn)著的導向葉片虜獲，物料因離心力FZ的作用而向測輪外邊緣運動，直至離開測輪被拋出。通過對物料所受科里奧利力FC的測量可得到物料的流量，工程中是通過測量FC對測輪的反作用力矩而測得物料流量的，這個力矩由測輪的驅(qū)動電機來補償(離心力FZ和摩擦力FR都不能在測輪徑向上產(chǎn)生力矩)。其計算式為：M=mωR2

　　式中：M──測輪所受力矩，N?m；

　　m──物料流量，t/h；

　　ω──測輪角速度，1/s；

　　R──測輪半徑，m。

　　圖2　測輪的基本結構示意

　　3 科氏力煤粉秤組成及工藝流程：

　　科氏稱中的主要設備有由煤粉稱重倉、水平回轉(zhuǎn)式穩(wěn)流給料機（以下簡稱給料機）、科里奧利質(zhì)量流量計（以下簡稱流量計）、螺旋輸送泵、回轉(zhuǎn)空壓機等組成。

　　主要工藝流程是：從煤磨制備出來的煤粉進入煤粉倉,對煤粉進行稱重計量，要求達到一個合理料位，保證下煤穩(wěn)定。煤粉倉底部與給料機連接，給料機按水平方向旋轉(zhuǎn)，煤粉就由給料機喂入流量計，在流量計中經(jīng)過前文所述的處理后，進入螺旋輸送泵，與回轉(zhuǎn)空壓機中的壓縮風混合后，一起到達窯頭及分解爐(如圖3所示)。流量計僅作為計量設備，而給料機作為預給料設備。

　　圖3　煤粉喂料系統(tǒng)工藝流程簡圖

　　4　科氏力喂煤計量控制系統(tǒng)自控部分簡介

　　2套設備控制部分的原理相同，主要由1臺西門子的S7-200 PLC（擴展了1個模擬量輸入模塊EM231和1個模擬量輸出模塊EM232）。1臺西門子的觸摸屏TP170A，2臺ABB變頻器，還有稱重傳感器,力距傳感器，速度傳感器等組成。如圖4所示，圖中M1為給料機，M2為流量計。

　　圖4 科氏力控制系統(tǒng)示意圖

　　PLC的型號為CPU222，屬于小型PLC, 但其指令功能非常豐富，能完成各種復雜控制功能。它具有8輸入/6輸出，共14個數(shù)字量I/O點?？刂瞥绦虿捎肧TEP-7 Micro/Win32 V4.0 SP3編程軟件開發(fā)。

　　觸摸屏作為人機對話窗口，用于修改系統(tǒng)的工作參數(shù)，監(jiān)控系統(tǒng)的工作過程。它防護等級高（IP65）,可用于惡劣的工作環(huán)境。觸摸屏的使用省去了復雜的控制面板和儀表顯示 。TP170A通過Protool/Pro cs V6.0為其組態(tài)。以通訊的方式讀取PLC內(nèi)部相應寄存器上的數(shù)據(jù)、狀態(tài)及工作參數(shù)。

　　本控制方案中主要作用是從現(xiàn)場啟動設備，整定內(nèi)部參數(shù)，顯示瞬時流量、累計流量，輸入?yún)?shù)的設定，上下限報警值的設定，流量實時趨勢曲線，在調(diào)試變頻器時，也可以通過趨勢來觀察效果。TP170A與CPU222通過9針電纜進行通訊。

　　當所有設備處于正常工作狀態(tài)，測得的倉重信號經(jīng)過變送器處理后，送入DCS和EM231。流量計下端帶有力矩傳感器及速度傳感器，測得扭矩與轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過變送器，由EM231模塊輸入至PLC，計算出實際流量，并且與設定值進行比較，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后，通過EM232，控制變頻器的頻率從而改變給料機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)流量控制。

　　窯頭喂煤最大流量13t/h，窯尾喂煤最大流量15t/h。兩套喂煤的給料機及流量計所配電機功率相同分別是：5.5kW和1.1kW。

　　5 變頻器的選擇：

　　每套科氏力秤喂煤系統(tǒng)配有2臺變頻器,一臺拖動流量計中的測輪旋轉(zhuǎn)，另一臺控制給料機。變頻器要根據(jù)工藝環(huán)節(jié)的具體要求選擇性價比相對較高的產(chǎn)品。最后確定4臺變頻器都使用ABB公司的Comp-AC變頻器。為確?，F(xiàn)場的快速調(diào)試，Comp-AC變頻器預置了多種應用宏。宏是一組事先預先定義參數(shù)集，應用宏將使用過程中所需設定的參數(shù)數(shù)量降至最少。選擇一個宏，所有參數(shù)和控制方式即自行改變。典型的應用宏包括：工廠應用宏，ABB標準宏，交變應用宏， PID應用宏，手動自動應用宏等。這些應用宏為用戶提供了方便的使用性能。

　　3.1 流量計變頻器

　　兩臺流量計的原理相同，為了保證計量精度，要求測輪啟動后能夠穩(wěn)定恒速運轉(zhuǎn)。廠家依照電機和傳動比計算出頻率應設定在45Hz，兩臺流量計的轉(zhuǎn)速相同,采用的變頻器也相同是 ACS 400系列。

　　3．2窯尾給料機變頻器

　　當回轉(zhuǎn)窯因故障停機時，分解爐要立刻停止喂煤。工藝上沒有其他特殊的要求，選擇具有V/F控制方式的變頻器即可，我們也選用了ACS400系列。

　　3．3窯頭給料機變頻器

　　當回轉(zhuǎn)窯因故障停機時，窯頭要少量喂煤，用于窯的保溫，喂煤量只有最大流量的1／8左右，為了保證在如此低流量狀態(tài)下喂煤的精確性，選用的是具有矢量控制功能的變頻器，型號是ACS550 系列。ACS550是最新推出的智能性變頻器，具有三種控制方式，即標量V/F控制、無傳感器矢量控制、轉(zhuǎn)矩控制，所以該款變頻器不僅能夠適合于最簡單的電機運轉(zhuǎn)，也可以同時滿足普通負 載和重載工作。　

　　6 變頻器的安裝調(diào)試：

　　每套系統(tǒng)均帶有1個控制柜，為了減少變頻器對傳感器的干擾，除了控制信號（包括模擬信號和數(shù)字信號）需要使用屏蔽電纜，變頻器到電機的強電線也必須采用屏蔽電纜。

　　為防止煤粉易結露、起拱后，導致不下料情況的發(fā)生。給料機設計成能夠正反向轉(zhuǎn)動。用一個撥動開關控制它的轉(zhuǎn)動方向。將系統(tǒng)電源過開關后，接入到DI2,得電正轉(zhuǎn)，失電反轉(zhuǎn)。

　　應用不同的宏，手冊里有相對應的接線方式?；究梢园磮D接線。

　　做好變頻器參數(shù)的設置及調(diào)試工作是設備正常運轉(zhuǎn)的一個根本保障措施?，F(xiàn)場中出現(xiàn)的許多問題往往是參數(shù)的設置問題而與設備本身無關，由此可見，合理正確設置參數(shù)很重要。

　　參數(shù)的定義過程：

　　1） 起動數(shù)據(jù)。是將電動機的主要參數(shù)輸入到變頻器，包括電機的額定電壓、額定電流、功率、轉(zhuǎn)速等。

　　2） 輸入輸出端子的定義。根據(jù)設計好的接線圖用參數(shù)的方式定義數(shù)字量的輸入輸出和模擬量的輸入輸出。

　　3） 其他參數(shù)的定義，上述兩項定義好后，變頻器就可以使用了。為了更好的發(fā)揮變頻器的功能，還要定義一些其他參數(shù)。

　　表1 調(diào)試后修改的參數(shù)表

　　表1 變頻器參數(shù)表

　　窯頭、窯尾給料機變頻器型號不同，但參數(shù)基本一致，只是窯頭的ACS550中起動數(shù)據(jù)組中多了一個參數(shù)電機控制模式9904，設置值為1，含義為無傳感器矢量控制模式。

　　7 使用效果

　　自去年3月份科氏力稱喂煤系統(tǒng)投入使用后，因其抗外界干擾能力強，計量精度高，通過觸摸屏觀察到的長期、短期趨勢都比較穩(wěn)定。對窯內(nèi)熱工制度的有利。變頻調(diào)速和交流電機的應用使日常維護的工作量大大減少，因此造成的停機時間很少。這次技改項目非常成功。