基于PLC、觸摸屏、變頻器的科里奧利煤粉計(jì)量控制系統(tǒng)
摘 要 目前水泥行業(yè)在粉體控制方面多采用根據(jù)科里奧利原理設(shè)計(jì)的計(jì)量控制系統(tǒng)，本文將主要介紹合肥水泥設(shè)計(jì)院根據(jù)該原理研制的科氏稱計(jì)量控制系統(tǒng)。
1 前言
連續(xù)準(zhǔn)確地對回轉(zhuǎn)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(shè)備安全和連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。因此，喂煤計(jì)量控制裝置必須具有穩(wěn)定、準(zhǔn)確、動作迅速等特性。
原來我公司采用由德國KHD成套設(shè)備公司提供的沖擊式固體流量計(jì),由于該流量計(jì)容易受到外界的干擾，計(jì)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(jī)拖動，直流電機(jī)的換向器和電刷的故障率較高，維護(hù)量很大。公司經(jīng)過調(diào)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對窯尾分解爐和窯頭喂煤的計(jì)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(yùn)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(shí)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(jié)構(gòu)如圖1所示。由電機(jī)拖動的測輪被葉片分成數(shù)個導(dǎo)流槽，散狀物料由測輪中心上方進(jìn)入測輪，經(jīng)過錐形的轉(zhuǎn)向裝置后，形成散料流，進(jìn)入導(dǎo)向葉片之間的導(dǎo)流槽中，并被以恒定角速度ω旋轉(zhuǎn)著的導(dǎo)向葉片虜獲，物料因離心力FZ的作用而向測輪外邊緣運(yùn)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(jī)來補(bǔ)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(jì)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(jié)構(gòu)示意
3 科氏力煤粉秤組成及工藝流程：
科氏稱中的主要設(shè)備有由煤粉稱重倉、水平回轉(zhuǎn)式穩(wěn)流給料機(jī)（以下簡稱給料機(jī)）、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（以下簡稱流量計(jì)）、螺旋輸送泵、回轉(zhuǎn)空壓機(jī)等組成。
主要工藝流程是：從煤磨制備出來的煤粉進(jìn)入煤粉倉,對煤粉進(jìn)行稱重計(jì)量，要求達(dá)到一個合理料位，保證下煤穩(wěn)定。煤粉倉底部與給料機(jī)連接，給料機(jī)按水平方向旋轉(zhuǎn)，煤粉就由給料機(jī)喂入流量計(jì)，在流量計(jì)中經(jīng)過前文所述的處理后，進(jìn)入螺旋輸送泵，與回轉(zhuǎn)空壓機(jī)中的壓縮風(fēng)混合后，一起到達(dá)窯頭及分解爐(如圖3所示)。流量計(jì)僅作為計(jì)量設(shè)備，而給料機(jī)作為預(yù)給料設(shè)備。
圖3 煤粉喂料系統(tǒng)工藝流程簡圖
1 前言
連續(xù)準(zhǔn)確地對回轉(zhuǎn)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(shè)備安全和連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素。因此，喂煤計(jì)量控制裝置必須具有穩(wěn)定、準(zhǔn)確、動作迅速等特性。
原來我公司采用由德國KHD成套設(shè)備公司提供的沖擊式固體流量計(jì),由于該流量計(jì)容易受到外界的干擾，計(jì)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(jī)拖動，直流電機(jī)的換向器和電刷的故障率較高，維護(hù)量很大。公司經(jīng)過調(diào)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對窯尾分解爐和窯頭喂煤的計(jì)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(yùn)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(shí)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(jié)構(gòu)如圖1所示。由電機(jī)拖動的測輪被葉片分成數(shù)個導(dǎo)流槽，散狀物料由測輪中心上方進(jìn)入測輪，經(jīng)過錐形的轉(zhuǎn)向裝置后，形成散料流，進(jìn)入導(dǎo)向葉片之間的導(dǎo)流槽中，并被以恒定角速度ω旋轉(zhuǎn)著的導(dǎo)向葉片虜獲，物料因離心力FZ的作用而向測輪外邊緣運(yùn)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(jī)來補(bǔ)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(jì)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(jié)構(gòu)示意
3 科氏力煤粉秤組成及工藝流程：
科氏稱中的主要設(shè)備有由煤粉稱重倉、水平回轉(zhuǎn)式穩(wěn)流給料機(jī)（以下簡稱給料機(jī)）、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（以下簡稱流量計(jì)）、螺旋輸送泵、回轉(zhuǎn)空壓機(jī)等組成。
主要工藝流程是：從煤磨制備出來的煤粉進(jìn)入煤粉倉,對煤粉進(jìn)行稱重計(jì)量，要求達(dá)到一個合理料位，保證下煤穩(wěn)定。煤粉倉底部與給料機(jī)連接，給料機(jī)按水平方向旋轉(zhuǎn)，煤粉就由給料機(jī)喂入流量計(jì)，在流量計(jì)中經(jīng)過前文所述的處理后，進(jìn)入螺旋輸送泵，與回轉(zhuǎn)空壓機(jī)中的壓縮風(fēng)混合后，一起到達(dá)窯頭及分解爐(如圖3所示)。流量計(jì)僅作為計(jì)量設(shè)備，而給料機(jī)作為預(yù)給料設(shè)備。
圖3 煤粉喂料系統(tǒng)工藝流程簡圖
4 科氏力喂煤計(jì)量控制系統(tǒng)自控部分簡介
2套設(shè)備控制部分的原理相同，主要由1臺西門子的S7-200 PLC（擴(kuò)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(jī)，M2為流量計(jì)。
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(fù)雜控制功能。它具有8輸入/6輸出，共14個數(shù)字量I/O點(diǎn)。控制程序采用STEP-7 Micro/Win32 V4.0 SP3編程軟件開發(fā)。
觸摸屏作為人機(jī)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(hù)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(fù)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(yīng)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(shè)備，整定內(nèi)部參數(shù)，顯示瞬時流量、累計(jì)流量，輸入?yún)?shù)的設(shè)定，上下限報(bào)警值的設(shè)定，流量實(shí)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(jìn)行通訊。
當(dāng)所有設(shè)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(jì)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(jì)算出實(shí)際流量，并且與設(shè)定值進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)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(jī)及流量計(jì)所配電機(jī)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(jì)中的測輪旋轉(zhuǎn)，另一臺控制給料機(jī)。變頻器要根據(jù)工藝環(huán)節(jié)的具體要求選擇性價(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。為確保現(xiàn)場的快速調(diào)試，Comp-AC變頻器預(yù)置了多種應(yīng)用宏。宏是一組事先預(yù)先定義參數(shù)集，應(yīng)用宏將使用過程中所需設(shè)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(yīng)用宏包括：工廠應(yīng)用宏，ABB標(biāo)準(zhǔn)宏，交變應(yīng)用宏， PID應(yīng)用宏，手動自動應(yīng)用宏等。這些應(yīng)用宏為用戶提供了方便的使用性能。
3.1 流量計(jì)變頻器
兩臺流量計(jì)的原理相同，為了保證計(jì)量精度，要求測輪啟動后能夠穩(wěn)定恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。廠家依照電機(jī)和傳動比計(jì)算出頻率應(yīng)設(shè)定在45Hz，兩臺流量計(jì)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(jī)變頻器
當(dāng)回轉(zhuǎn)窯因故障停機(jī)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(jī)變頻器
當(dāng)回轉(zhuǎn)窯因故障停機(jī)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(biāo)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以同時滿足普通負(fù)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(jī)的強(qiáng)電線也必須采用屏蔽電纜。
為防止煤粉易結(jié)露、起拱后，導(dǎo)致不下料情況的發(fā)生。給料機(jī)設(shè)計(jì)成能夠正反向轉(zhuǎn)動。用一個撥動開關(guān)控制它的轉(zhuǎn)動方向。將系統(tǒng)電源過開關(guān)后，接入到DI2,得電正轉(zhuǎn)，失電反轉(zhuǎn)。
應(yīng)用不同的宏，手冊里有相對應(yīng)的接線方式。基本可以按圖接線。
做好變頻器參數(shù)的設(shè)置及調(diào)試工作是設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個根本保障措施。現(xiàn)場中出現(xiàn)的許多問題往往是參數(shù)的設(shè)置問題而與設(shè)備本身無關(guān)，由此可見，合理正確設(shè)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(jī)的主要參數(shù)輸入到變頻器，包括電機(jī)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(shè)計(jì)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(xiàng)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(jī)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(jī)控制模式9904，設(shè)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(qiáng)，計(jì)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(jī)的應(yīng)用使日常維護(hù)的工作量大大減少，因此造成的停機(jī)時間很少。這次技改項(xiàng)目非常成功。
2套設(shè)備控制部分的原理相同，主要由1臺西門子的S7-200 PLC（擴(kuò)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(jī)，M2為流量計(jì)。
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(fù)雜控制功能。它具有8輸入/6輸出，共14個數(shù)字量I/O點(diǎn)。控制程序采用STEP-7 Micro/Win32 V4.0 SP3編程軟件開發(fā)。
觸摸屏作為人機(jī)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(hù)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(fù)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(yīng)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(shè)備，整定內(nèi)部參數(shù)，顯示瞬時流量、累計(jì)流量，輸入?yún)?shù)的設(shè)定，上下限報(bào)警值的設(shè)定，流量實(shí)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(jìn)行通訊。
當(dāng)所有設(shè)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(jì)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(jì)算出實(shí)際流量，并且與設(shè)定值進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)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(jī)及流量計(jì)所配電機(jī)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(jì)中的測輪旋轉(zhuǎn)，另一臺控制給料機(jī)。變頻器要根據(jù)工藝環(huán)節(jié)的具體要求選擇性價(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。為確保現(xiàn)場的快速調(diào)試，Comp-AC變頻器預(yù)置了多種應(yīng)用宏。宏是一組事先預(yù)先定義參數(shù)集，應(yīng)用宏將使用過程中所需設(shè)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(yīng)用宏包括：工廠應(yīng)用宏，ABB標(biāo)準(zhǔn)宏，交變應(yīng)用宏， PID應(yīng)用宏，手動自動應(yīng)用宏等。這些應(yīng)用宏為用戶提供了方便的使用性能。
3.1 流量計(jì)變頻器
兩臺流量計(jì)的原理相同，為了保證計(jì)量精度，要求測輪啟動后能夠穩(wěn)定恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。廠家依照電機(jī)和傳動比計(jì)算出頻率應(yīng)設(shè)定在45Hz，兩臺流量計(jì)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(jī)變頻器
當(dāng)回轉(zhuǎn)窯因故障停機(jī)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(jī)變頻器
當(dāng)回轉(zhuǎn)窯因故障停機(jī)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(biāo)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以同時滿足普通負(fù)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(jī)的強(qiáng)電線也必須采用屏蔽電纜。
為防止煤粉易結(jié)露、起拱后，導(dǎo)致不下料情況的發(fā)生。給料機(jī)設(shè)計(jì)成能夠正反向轉(zhuǎn)動。用一個撥動開關(guān)控制它的轉(zhuǎn)動方向。將系統(tǒng)電源過開關(guān)后，接入到DI2,得電正轉(zhuǎn)，失電反轉(zhuǎn)。
應(yīng)用不同的宏，手冊里有相對應(yīng)的接線方式。基本可以按圖接線。
做好變頻器參數(shù)的設(shè)置及調(diào)試工作是設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個根本保障措施。現(xiàn)場中出現(xiàn)的許多問題往往是參數(shù)的設(shè)置問題而與設(shè)備本身無關(guān)，由此可見，合理正確設(shè)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(jī)的主要參數(shù)輸入到變頻器，包括電機(jī)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(shè)計(jì)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(xiàng)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(jī)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(jī)控制模式9904，設(shè)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(qiáng)，計(jì)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(jī)的應(yīng)用使日常維護(hù)的工作量大大減少，因此造成的停機(jī)時間很少。這次技改項(xiàng)目非常成功。
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