基于PLC、觸摸屏、變頻器的煤粉計量控制系統

　　連續準確地對回轉窯和分解爐進(jìn)行喂煤，是降低煤耗，提高熟料質(zhì)量，保證設備安全和連續穩定運轉的關(guān)鍵因素。因此，喂煤計量控制裝置必須具有穩定、準確、動(dòng)作迅速等特性。

　　原來(lái)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(dòng)大，引起喂煤量的波動(dòng), 影響了窯的工況。喂煤裝置分隔輪是由直流電機拖動(dòng)，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(guò)調研論證，決定進(jìn)行技術(shù)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。該秤依據科里奧利原理設計，實(shí)現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轉動(dòng)的系統中除受到離心力FZ和摩擦力FR外，還受到垂直于其運動(dòng)方向的慣性力FC的作用，通過(guò)測量這個(gè)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(shí)現需要一個(gè)以恒定速度轉動(dòng)的旋轉測量圓盤(pán)(測輪)，其基本結構如圖1所示。由電機拖動(dòng)的測輪被葉片分成數個(gè)導流槽，散狀物料由測輪中心上方進(jìn)入測輪，經(jīng)過(guò)錐形的轉向裝置后，形 成散料流，進(jìn)入導向葉片之間的導流槽中，并被以恒定角速度ω旋轉著(zhù)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(dòng)，直至離開(kāi)測輪被拋出。通過(guò)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(guò)測量FC對測輪的反作用力矩而測得物料流量的，這個(gè)力矩由測輪的驅動(dòng)電機來(lái)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(chēng)中的主要設備有由煤粉稱(chēng)重倉、水平回轉式穩流給料機（以下簡(jiǎn)稱(chēng)給料機）、科里奧利質(zhì)量流量計（以下簡(jiǎn)稱(chēng)流量計）、螺旋輸送泵、回轉空壓機等組成。

　　主要工藝流程是：從煤磨制備出來(lái)的煤粉進(jìn)入煤粉倉,對煤粉進(jìn)行稱(chēng)重計量，要求達到一個(gè)合理料位，保證下煤穩定。煤粉倉底部與給料機連接，給料機按水平方向旋轉，煤粉就由給料機喂入流量計，在流量計中經(jīng)過(guò)前文所述的處理后，進(jìn)入螺旋輸送泵，與回轉空壓機中的壓縮風(fēng)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　煤粉喂料系統工藝流程簡(jiǎn)圖

　　4　科氏力喂煤計量控制系統自控部分簡(jiǎn)介

　　2套設備控制部分的原理相同，主要由1臺西門(mén)子的S7-200 PLC（擴展了1個(gè)模擬量輸入模塊EM231和1個(gè)模擬量輸出模塊EM232）。1臺西門(mén)子的觸摸屏TP170A，2臺ABB變頻器，還有稱(chēng)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(gè)數字量I/O點(diǎn)?？刂瞥绦虿捎肧TEP-7 Micro/Win32 V4.0 SP3編程軟件開(kāi)發(fā)。

　　觸摸屏作為人機對話(huà)窗口，用于修改系統的工作參數，監控系統的工作過(guò)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(guò)Protool/Pro cs V6.0為其組態(tài)。以通訊的方式讀取PLC內部相應寄存器上的數據、狀態(tài)及工作參數。

　　本控制方案中主要作用是從現場(chǎng)啟動(dòng)設備，整定內部參數，顯示瞬時(shí)流量、累計流量，輸入參數的設定，上下限報警值的設定，流量實(shí)時(shí)趨勢曲線(xiàn)，在調試變頻器時(shí)，也可以通過(guò)趨勢來(lái)觀(guān)察效果。TP170A與CPU222通過(guò)9針電纜進(jìn)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(guò)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，測得扭矩與轉速信號經(jīng)過(guò)變送器，由EM231模塊輸入至PLC，計算出實(shí)際流量，并且與設定值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)PID調節后，通過(guò)EM232，控制變頻器的頻率從而改變給料機轉速，實(shí)現流量控制。

　　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配有2臺變頻器,一臺拖動(dòng)流量計中的測輪旋轉，另一臺控制給料機。變頻器要根據工藝環(huán)節的具體要求選擇性?xún)r(jià)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場(chǎng)的快速調試，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集，應用宏將使用過(guò)程中所需設定的參數數量降至最少。選擇一個(gè)宏，所有參數和控制方式即自行改變。典型的應用宏包括：工廠(chǎng)應用宏，ABB標準宏，交變應用宏， PID應用宏，手動(dòng)自動(dòng)應用宏等。這些應用宏為用戶(hù)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(dòng)后能夠穩定恒速運轉。廠(chǎng)家依照電機和傳動(dòng)比計算出頻率應設定在45Hz，兩臺流量計的轉速相同,采用的變頻器也相同是 ACS 400系列。

　　3．2窯尾給料機變頻器

　　當回轉窯因故障停機時(shí)，分解爐要立刻停止喂煤。工藝上沒(méi)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

　　當回轉窯因故障停機時(shí)，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(wú)傳感器矢量控制、轉矩控制，所以該款變頻器不僅能夠適合于最簡(jiǎn)單的電機運轉，也可以同時(shí)滿(mǎn)足普通負 載和重載工作?！?/P>

　　6 變頻器的安裝調試：

　　每套系統均帶有1個(gè)控制柜，為了減少變頻器對傳感器的干擾，除了控制信號（包括模擬信號和數字信號）需要使用屏蔽電纜，變頻器到電機的強電線(xiàn)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動(dòng)。用一個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)控制它的轉動(dòng)方向。將系統電源過(guò)開(kāi)關(guān)后，接入到DI2,得電正轉，失電反轉。

　　應用不同的宏，手冊里有相對應的接線(xiàn)方式?；究梢园磮D接線(xiàn)。

　　做好變頻器參數的設置及調試工作是設備正常運轉的一個(gè)根本保障措施?，F場(chǎng)中出現的許多問(wèn)題往往是參數的設置問(wèn)題而與設備本身無(wú)關(guān)，由此可見(jiàn)，合理正確設置參數很重要。

　　參數的定義過(guò)程：

　　1） 起動(dòng)數據。是將電動(dòng)機的主要參數輸入到變頻器，包括電機的額定電壓、額定電流、功率、轉速等。

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

　　3） 其他參數的定義，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。

　　表1 調試后修改的參數表

　　表1 變頻器參數表

　　窯頭、窯尾給料機變頻器型號不同，但參數基本一致，只是窯頭的ACS550中起動(dòng)數據組中多了一個(gè)參數電機控制模式9904，設置值為1，含義為無(wú)傳感器矢量控制模式。

　　7 使用效果

　　自去年3月份科氏力稱(chēng)喂煤系統投入使用后，因其抗外界干擾能力強，計量精度高，通過(guò)觸摸屏觀(guān)察到的長(cháng)期、短期趨勢都比較穩定。對窯內熱工制度的有利。變頻調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(shí)間很少。這次技改項目非常成功。