基于PLC、触摸屏、变频器的煤粉计量控制系统
日期：2007-8-16 23:55:32 来源：中国自动化网
点击： 作者：未知
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1 前言
连续准确地对回转窑和分解炉进行喂煤，是降低煤耗，提高熟料质量，保证设备安全和连续稳定运转的关键因素。因此，喂煤计量控制装置必须具有稳定、准确、动作迅速等特性。
原来我公司采用由德国KHD成套设备公司提供的冲击式固体流量计,由于该流量计容易受到外界的干扰，计量波动大，引起喂煤量的波动, 影响了窑的工况。喂煤装置分隔轮是由直流电机拖动，直流电机的换向器和电刷的故障率较高，维护量很大。公司经过调研论证，决定进行技术改造，将其替换成2套由合肥水泥设计院生产的科氏力秤煤粉定量给料系统。该秤依据科里奥利原理设计，实现对窑尾分解炉和窑头喂煤的计量及控制。
2 科里奥利原理
质量微粒m在以角速度ω转动的系统中除受到离心力FZ和摩擦力FR外，还受到垂直于其运动方向的惯性力FC的作用，通过测量这个力，可测得质量m，这就是科里奥利原理，如图1所示。
图1 科里奥利原理示意
测量原理的实现需要一个以恒定速度转动的旋转测量圆盘(测轮)，其基本结构如图1所示。由电机拖动的测轮被叶片分成数个导流槽，散状物料由测轮中心上方进入测轮，经过锥形的转向装置后，形成散料流，进入导向叶片之间的导流槽中，并被以恒定角速度ω旋转着的导向叶片虏获，物料因离心力FZ的作用而向测轮外边缘运动，直至离开测轮被抛出。通过对物料所受科里奥利力FC的测量可得到物料的流量，工程中是通过测量FC对测轮的反作用力矩而测得物料流量的，这个力矩由测轮的驱动电机来补偿(离心力FZ和摩擦力FR都不能在测轮径向上产生力矩)。其计算式为：M=mωR2
式中：M──测轮所受力矩，N·m；
m──物料流量，t/h；
ω──测轮角速度，1/s；
R──测轮半径，m。
图2 测轮的基本结构示意
3 科氏力煤粉秤组成及工艺流程：
科氏称中的主要设备有由煤粉称重仓、水平回转式稳流给料机（以下简称给料机）、科里奥利质量流量计（以下简称流量计）、螺旋输送泵、回转空压机等组成。
主要工艺流程是：从煤磨制备出来的煤粉进入煤粉仓,对煤粉进行称重计量，要求达到一个合理料位，保证下煤稳定。煤粉仓底部与给料机连接，给料机按水平方向旋转，煤粉就由给料机喂入流量计，在流量计中经过前文所述的处理后，进入螺旋输送泵，与回转空压机中的压缩风混合后，一起到达窑头及分解炉(如图3所示)。流量计仅作为计量设备，而给料机作为预给料设备。
图3 煤粉喂料系统工艺流程简图
4 科氏力喂煤计量控制系统自控部分简介
2套设备控制部分的原理相同，主要由1台西门子的S7-200 PLC（扩展了1个模拟量输入模块EM231和1个模拟量输出模块EM232）。1台西门子的触摸屏TP170A，2台ABB变频器，还有称重传感器,力距传感器，速度传感器等组成。如图4所示，图中M1为给料机，M2为流量计。
图4 科氏力控制系统示意图
PLC的型号为CPU222，属于小型PLC, 但其指令功能非常丰富，能完成各种复杂控制功能。它具有8输入/6输出，共14个数字量I/O点。控制程序采用STEP-7 Micro/Win32 V4.0 SP3编程软件开发。
触摸屏作为人机对话窗口，用于修改系统的工作参数，监控系统的工作过程。它防护等级高（IP65）,可用于恶劣的工作环境。触摸屏的使用省去了复杂的控制面板和仪表显示 。TP170A通过Protool/Pro cs V6.0为其组态。以通讯的方式读取PLC内部相应寄存器上的数据、状态及工作参数。
本控制方案中主要作用是从现场启动设备，整定内部参数，显示瞬时流量、累计流量，输入参数的设定，上下限报警值的设定，流量实时趋势曲线，在调试变频器时，也可以通过趋势来观察效果。TP170A与CPU222通过9针电缆进行通讯。
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连续准确地对回转窑和分解炉进行喂煤，是降低煤耗，提高熟料质量，保证设备安全和连续稳定运转的关键因素。因此，喂煤计量控制装置必须具有稳定、准确、动作迅速等特性。
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原来我公司采用由德国KHD成套设备公司提供的冲击式固体流量计,由于该流量计容易受到外界的干扰，计量波动大，引起喂煤量的波动, 影响了窑的工况。喂煤装置分隔轮是由直流电机拖动，直流电机的换向器和电刷的故障率较高，维护量很大。公司经过调研论证，决定进行技术改造，将其替换成2套由合肥水泥设计院生产的科氏力秤煤粉定量给料系统。该秤依据科里奥利原理设计，实现对窑尾分解炉和窑头喂煤的计量及控制。
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2 科里奥利原理
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质量微粒m在以角速度ω转动的系统中除受到离心力FZ和摩擦力FR外，还受到垂直于其运动方向的惯性力FC的作用，通过测量这个力，可测得质量m，这就是科里奥利原理，如图1所示。
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图1 科里奥利原理示意
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测量原理的实现需要一个以恒定速度转动的旋转测量圆盘(测轮)，其基本结构如图1所示。由电机拖动的测轮被叶片分成数个导流槽，散状物料由测轮中心上方进入测轮，经过锥形的转向装置后，形成散料流，进入导向叶片之间的导流槽中，并被以恒定角速度ω旋转着的导向叶片虏获，物料因离心力FZ的作用而向测轮外边缘运动，直至离开测轮被抛出。通过对物料所受科里奥利力FC的测量可得到物料的流量，工程中是通过测量FC对测轮的反作用力矩而测得物料流量的，这个力矩由测轮的驱动电机来补偿(离心力FZ和摩擦力FR都不能在测轮径向上产生力矩)。其计算式为：M=mωR2
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式中：M──测轮所受力矩，N·m；
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m──物料流量，t/h；
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ω──测轮角速度，1/s；
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R──测轮半径，m。
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图2 测轮的基本结构示意
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3 科氏力煤粉秤组成及工艺流程：
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科氏称中的主要设备有由煤粉称重仓、水平回转式稳流给料机（以下简称给料机）、科里奥利质量流量计（以下简称流量计）、螺旋输送泵、回转空压机等组成。
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主要工艺流程是：从煤磨制备出来的煤粉进入煤粉仓,对煤粉进行称重计量，要求达到一个合理料位，保证下煤稳定。煤粉仓底部与给料机连接，给料机按水平方向旋转，煤粉就由给料机喂入流量计，在流量计中经过前文所述的处理后，进入螺旋输送泵，与回转空压机中的压缩风混合后，一起到达窑头及分解炉(如图3所示)。流量计仅作为计量设备，而给料机作为预给料设备。
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图3 煤粉喂料系统工艺流程简图
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4 科氏力喂煤计量控制系统自控部分简介
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2套设备控制部分的原理相同，主要由1台西门子的S7-200 PLC（扩展了1个模拟量输入模块EM231和1个模拟量输出模块EM232）。1台西门子的触摸屏TP170A，2台ABB变频器，还有称重传感器,力距传感器，速度传感器等组成。如图4所示，图中M1为给料机，M2为流量计。
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图4 科氏力控制系统示意图
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PLC的型号为CPU222，属于小型PLC, 但其指令功能非常丰富，能完成各种复杂控制功能。它具有8输入/6输出，共14个数字量I/O点。控制程序采用STEP-7 Micro/Win32 V4.0 SP3编程软件开发。
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触摸屏作为人机对话窗口，用于修改系统的工作参数，监控系统的工作过程。它防护等级高（IP65）,可用于恶劣的工作环境。触摸屏的使用省去了复杂的控制面板和仪表显示 。TP170A通过Protool/Pro cs V6.0为其组态。以通讯的方式读取PLC内部相应寄存器上的数据、状态及工作参数。
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本控制方案中主要作用是从现场启动设备，整定内部参数，显示瞬时流量、累计流量，输入参数的设定，上下限报警值的设定，流量实时趋势曲线，在调试变频器时，也可以通过趋势来观察效果。TP170A与CPU222通过9针电缆进行通讯。
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