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摘要：文章結合作者的實際工作經驗，介紹采用西門子稱重積算儀BW500改造給煤機控制系統并解決應用問題的過程，同時也介紹了BW500產品的性能特點。
關鍵詞：給煤機 積算儀 PID控制
制粉系統是燃煤火力發電廠的重要組成部分，其運行的好壞直接影響鍋爐運行的安全與經濟性。而在所有影響制粉系統運行的條件中，如何保障給煤機的長期穩定工作又是一件看似簡單，但又要經常面對的問題，同時也是選擇性能卓越的給煤機控制系統也是解決電廠節能降耗主要手段之一。
一、概述
通常火電廠燃料費用約占發電成本的75~80%，節能降耗也是火電廠需要急需解決的關鍵技術問題。近年來，各火電廠新建的機組幾乎全部采用皮帶稱重式給煤機，越來越多的電廠也開始對已有的老機組的給煤機進行改造，以替代原有的振動給煤機或刮板給煤機，以及低端的稱重給煤機。
內蒙古豐泰發電有限公司#1 200MW機組于2001年12月28日“168小時”試運成功，步入生產經營期。豐泰發電廠在實施西部大開發、西電東送戰略的同時，也對保證內蒙古自治區首府供電和經濟發展、乃至增強電網供電能力，增加向北京送電潮流均起著重要的作用。
二、問題的提出
內蒙古豐泰發電有限公司1#機組給煤機控制系統是隨國產給煤機配套的控制設備，近年來，給煤機發生多次保護誤動作跳閘或給煤機啟動故障，造成磨煤機的停運或啟動延誤，影響了機組的安全、經濟運行，無法適應機組的自動化控制要求。
原控制系統的9224控制器（包含I/O板）為國產給煤機生產廠自行開發的給煤機專用儀表，其本身具有流量PID控制功能，同時又固化了I/O邏輯控制功能，但用戶無法自行更改其控制邏輯，導致在某些情況下出現系統不穩定并經常誤動作停機的現象，同時帶來了另外一個問題：系統的維護量較大，基層工作人員對此意見很大。
三、改造方案
3.1 稱重式給煤機的工作原理
用傳送皮帶傳送的給煤質量都可以用下面方程（1）表示
其中，Q:在0～t1時間內傳送的質量，kg；q:瞬時給煤速度，kg/min；W: 單位長度上給煤質量(裝料密度)，kg/m；v: 皮帶速度，m/min。
皮帶進給距離[l]和皮帶進給速度[v]的關系式是：l=vt,如果t=0時l=0則在t1時刻皮帶的進給距離為l1=vt1。因此，上面的方程（1）可以轉換成下面方程（2）形式：
方程（2）關系式表示圖1中A、B、C所包圍的面積就是皮帶傳輸的質量。
圖1：皮帶傳輸質量計算
注：W=f(l):任意進給量[l]處的裝煤密度，Wdl：微元進給量（dl）傳輸的質量。
從上面所述可以清楚地看到，測量傳輸質量時，必須先測定瞬時裝煤密度和此時刻皮帶的微元進給距離，然后將測量值作為輸入信號輸入到具有乘法和積分功能的計算設備中，給煤機可以主要分為四個部分，即裝煤檢測器、皮帶進給量檢測器、綜合控制器和驅動單元。
從稱重式給煤機的工作原理可以看出，除了稱重給料機的稱重傳感器及稱重測量部分所采用的結構原理之外，具有乘法和積分功能的計算設備（稱重積算儀）的性能對整個給煤機控制系統的性能穩定、控制精確以及長期可靠運行起著關鍵作用。
3.2 方案的選擇
一般地講，給煤控制配料所用的稱重給料機的控制器分為三種模式：單機控制器、機組控制器、PLC型控制器。
單機控制器一般采用和皮帶秤配套的帶控制功能的積算儀或采用以單片機技術為基礎的控制器來實現，優點是配置靈活，與稱重給料機一一對應使用，一臺設備出現故障不影響其他設備工作，屬于分布式控制；缺點是能實現的功能受到限制，經常需要配其他控制系統才能實現較為復雜的控制功能。
機組控制器是以PC總線工控機為基礎，優點是功能強大，操作直觀方便，屬于集中控制；缺點是系統可靠性不高，目前采用這種方式的廠家并不是很多。
PLC型控制器是以PLC這種目前在工業生產中普遍采用的控制設備為硬件，通過軟件組態實現配料的功能。優點是：組態方式靈活、通訊方式多樣、性價比很高，特別適合多臺稱重給料機共同組成較大型的配料系統的應用；缺點是：目前很多公司采用PLC的I/O輸入功能直接接受來自稱重傳感器的模擬量信號，不僅精度很差，而且抗干擾能力很弱，在有些單位還出現過系統整體失控的嚴重事故。
BW500積算儀是為皮帶秤和稱重給料機設計的功能強大的積算儀，真正的雙PID功能可用于稱重給料機的流量控制，可控制恒定載荷或給料量。
Ø 具有專利技術的雙稱重傳感器（最多四個傳感器）平衡功能，能排除不均勻側向負荷的影響，不需傳感器匹配機械平衡；
Ø 具有在線標定、批量處理、濕度補償、傾斜補償等功能；
Ø 雙路PID調節功能，可以根據不同的工藝需要設定PID的響應時間和調節范圍；
Ø 有效地解決傳感器的特性匹配問題, 相比于外接電位器, 可以顯著提高系統的長期穩定性。
Ø 通過BW500的配置設定，可以實現多達7種不同的PID控制功能組合，基本上滿足水泥行業應用的要求。
3.3 系統改造方案的確定
圖2：安裝在控制室的BW500積算儀
| 經雙方工程技術人員的多次技術交流，以及我司以往給煤機改造的成功應用案例，本次改造稱重及閉環調節部分選用了西門子公司的BW500積算儀控制器，邏輯控制部分選用了西門子S7-200系列PLC。
對于該部分的改造，我們采用西門子原裝進口的流量積算儀BW500及具有邏輯編程功能的西門子S7-200PLC控制器。其中BW500執行流量PID調節功能，根據集空室給定的給煤率信號（4-20mA），通過PID輸出（4-20mA）控制變頻器的頻率輸出，進而將給煤流量控制在一個恒定的值。S7-200PLC控制器主要負責電氣邏輯控制及保護回路，因其具有靈活的編程、擴展功能，可靈活方便的對電氣控制及保護回路進行修改，較原系統的電氣回路，其接線簡便、維護方便，極大的提高了系統的可靠性。
功能上控制系統由兩大部分構成：稱重閉環調節部分；邏輯控制及保護部分；
稱重閉環調節部分：
該功能區主要完成動態稱重、根據給定信號進行PID調節從而控制給煤率。是給煤機控制系統的核心部分，決定著給煤機系統的給煤精度。稱重閉環控制回路部分由積分儀表（西門子BW500）、變頻器（三菱E500）、交流調速電機、及稱重傳感器和速度傳感器構成。稱重系統通過稱重傳感器測量出皮帶上物料的重量信號（mV）,該重量信號（mV）經過儀表標定后成線性的表示為載荷信號kg/m。通過安裝在皮帶電機處的測速傳感器測量出皮帶的速度，該信號原始為脈沖信號，經儀表標定后成線性的表示為速度信號m/s。以上兩個信號相乘便得到皮帶上物料的瞬時流量：Rate(t/h)=Load(kg/m)*Speed(m/s)*3.6瞬時流量與給定量進行比較，并通過PID調節系統控制電機的轉速，使之以恒定的給料量給料。
稱重及閉環控制原理圖如下：
圖3：改造后給煤機控制系統邏輯控制圖 |
邏輯控制及保護部分：
該功能區主要完成給煤機皮帶電機、風扇電機及清掃電機的啟停動作，同時根據各種故障報警信號進行邏輯跳閘保護動作。決定著給煤機是否能夠安全可靠的運行。邏輯控制及保護部分以西門子S7-200為控制中心。控制信號及報警信號經邏輯處理后進而控制給煤機的運行。控制功能主要包括：給煤機的遙控/停止/就地控制；正反轉控制；清掃電機的自動/停止/手動控制。
四、使用效果
改造后，稱重系統較原系統給煤精度更高，控制更穩定。從投產至今已經連續無故障工作半年，得到了用戶的高度贊揚。本次改造充分證明了西門子BW500積算儀表先進的技術性能。同時，也給了我們一些啟示：盡量選擇先進的可靠的產品，既可以大大提高電廠工作效率，減少故障率和維護工作量，同時也是實現節能降耗的目標。
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