電力載波通信系統(tǒng)在葉輪給煤機改造中的應(yīng)用

燕秋華

某石化企業(yè)熱電廠現(xiàn)有7臺汽輪機組運行，總裝機容量186MW，年耗煤量120萬t。葉輪給煤機是熱電廠輸煤系統(tǒng)最前端的設(shè)備，通過設(shè)定額定轉(zhuǎn)速將火車卸入煤溝的燃煤均勻地輸送到輸煤皮帶上，再由皮帶機輸送到鍋爐煤倉或存入儲煤場，人工就地跟隨控制。葉輪給煤機由行走和調(diào)速兩部分組成，與主設(shè)備相配套的卸煤系統(tǒng)有2套，共配備4臺就地葉輪給煤機，采用就地手動操作方式，通過動力滑線供電。行走部分電氣控制裝置采用常規(guī)繼電器、機械開關(guān)等聯(lián)接，行走電機為三相異步電機；調(diào)速部分電氣控制裝置采用傳統(tǒng)的電磁滑差控制原理，由滑差控制器、調(diào)速開關(guān)等聯(lián)接。調(diào)速電機是滑差電機，功率為18kW，正常調(diào)速范圍300～1000r/min。啟動葉輪給煤機時，首先要在低速下啟動調(diào)速部分的主電機，待其運行正常后再調(diào)至正常轉(zhuǎn)速，當(dāng)調(diào)速部分工作正常后再操作行走部分，以避免機械部分被損壞。停止運行時則要先停止行走部分，然后再將轉(zhuǎn)速調(diào)至最低并停止主電機的運行。同一條卸煤溝中（或同一條皮帶）的2臺葉輪給煤機同時運行時，為防止相撞現(xiàn)象發(fā)生，一般運行間隔應(yīng)＞5m。

一、葉輪給煤機系統(tǒng)運行與變頻器控制原理

1.葉輪給煤機運行原理

葉輪給煤機是一種主要用于火力發(fā)電廠縫式煤溝的撥煤機械，分橋式、門式和雙側(cè)3種形式，分別滿足不同的工作需求。由機架、葉輪傳動機構(gòu)、行走機構(gòu)、電氣控制裝置等主要部分組成，工藝流程是：上部為火車卸煤場的煤溝，橋式葉輪給煤機在中部之雙軌上往返行走，葉輪將燃煤從煤溝下料槽口撥下，通過放射狀葉輪的旋轉(zhuǎn)和縱向軌道的移動，將煤溝平臺上面的燃煤撥落到輸煤皮帶后，再輸送到各段皮帶或儲煤場，葉輪撥煤機構(gòu)采用變頻無級調(diào)速實現(xiàn)給煤量的調(diào)節(jié)，達到連續(xù)、定量給煤的目的。

2.變頻器控制原理

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。日常使用的變頻器主要采用交—直—交的方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），即先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率及電壓均可控制的交流電源提供給電機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。PID控制是利用比例增益（P）、積分時間（I）、微分時間（D）調(diào)整變頻器的響應(yīng)特性，通過給煤機運行狀態(tài)，調(diào)整到合適為止，設(shè)定為0，則PID控制不動作，積分（I）的上限值控制PID的積分演算值不會超過設(shè)定參數(shù)。PID的偏值調(diào)整是PID控制的偏值參數(shù)，指令與反饋都為0時，調(diào)整變頻器的輸出頻率趨近于0，一次延遲時間參數(shù)用相對PID控制輸出低通濾波時間設(shè)定，給煤機出現(xiàn)機械共振時，可增大設(shè)定值，使其遠離共振頻率的周期。PID輸出的增益是調(diào)整PID輸出的增益參數(shù)，反饋值的調(diào)整用增益是PID反饋值的微調(diào)整用增益。PID控制后的上限值固定在100%，即最高輸出頻率，反轉(zhuǎn)禁止是指PID輸出為負值時，以0為極限，不反轉(zhuǎn)。

3.PLC控制原理

在火力發(fā)電廠，各個獨立運行的系統(tǒng)和輔助車間工藝系統(tǒng)的啟停順序控制和聯(lián)鎖保護等自動化程度較高的電氣自動化控制設(shè)備，已用PLC取代繼電器控制，PLC的CPU采用順序邏輯掃描用戶程序的運行方式，即如果一個輸出線圈或邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點（包括常開或常閉觸點）不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。當(dāng) PLC投入運行后，工作過程分為3個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新為一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述工作。因此，PLC作為燃煤熱電廠DCS的補充，使自動化程度大大提高。通過方框圖建立PLC的梯形圖，然后再編寫相對應(yīng)的指令程序。

二、葉輪給煤機使用中存在的問題及解決方案

1.存在問題

該廠使用的4臺葉輪給煤機均為國內(nèi)早期的產(chǎn)品，在設(shè)計方面存在如下問題：

（1）無法實現(xiàn)遠程監(jiān)控。作為取煤源頭的葉輪給煤機，僅具備人工就地操作條件，不能納入輸煤程控系統(tǒng)工作流程的管理，集控人員無法監(jiān)視其運行狀態(tài)，更不能及時實施有效的遠程調(diào)整，因此在運行中存在嚴重的安全隱患，經(jīng)常發(fā)生大量積煤或設(shè)備損壞等問題。由于葉輪給煤機必須就地操作，員工必須在高粉塵、濕熱等惡劣的環(huán)境下工作，身體健康無法得到保證，勞動強度較大。

（2）滑差電機故障率高。葉輪調(diào)速電機為滑差電機，其滑差離合器無法密封，極易因現(xiàn)場粉塵大、濕度高引起動靜電機之間的堵塞，使內(nèi)部線圈短路而發(fā)生電機故障，加之滑差電機控制器的性能不穩(wěn)定，經(jīng)常造成設(shè)備停運。此外，惡劣的運行環(huán)境使調(diào)速電路和電位器故障頻發(fā)。

2.改造方案

針對上述存在的問題，曾與大連新德控制系統(tǒng)有限公司合作進行了一次大規(guī)模技術(shù)改造，調(diào)速設(shè)備全部采用SIEMENS的變頻器、斷路器、交流接觸器，采用西門子的可編程邏輯控制模塊（PLC-S7-200）進行邏輯控制，取代了原有的滑差調(diào)速裝置和傳統(tǒng)的繼電器和邏輯控制方式，大大減少了現(xiàn)場控制盤內(nèi)的元件，而且改造后的調(diào)速機構(gòu)具有操作簡便、運行穩(wěn)定、調(diào)速平滑、故障率低、維護量小、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點。但不足之處是只能就地控制，不能實現(xiàn)與程控設(shè)備的連鎖控制，而且受環(huán)境因素的影響較大。經(jīng)過多方考察與驗證，決定引進電力載波通信技術(shù)，通過設(shè)備動力電源線進行載波信號傳輸，當(dāng)主機發(fā)出控制命令后，主機部分的電力載波編碼解碼器，以FSK方式將主機的控制命令調(diào)制成電力載波信號，通過濾波器將此信號加載到電力線中的50Hz周波上。在就地控制站的動力電源端，通過濾波器及就地部分的編碼解碼器將電力載波信號解調(diào)成二進制串行通信碼，傳送到就地控制單片機中，葉輪給煤機就地控制站的運行狀態(tài)信號反饋給主機的過程正好與上述過程相反。其特點是抗干擾及防塵能力強，而且發(fā)射器和接收器處于全封閉狀態(tài)，內(nèi)部屏蔽效果好，利用計算機組態(tài)及控制技術(shù)，運行人員在主控室的計算機上即可操作葉輪給煤機，改善了工作環(huán)境。

3.就地裝置

（1）采用PLC技術(shù)解決復(fù)雜邏輯功能的硬線聯(lián)接問題，完善葉輪給煤機行走和葉輪調(diào)速之間的保護聯(lián)鎖功能等，既優(yōu)化了電氣回路，又使裝置的安全及可靠性大大提高。

（2）由于卸煤溝工作環(huán)境比較惡劣，如溫濕度大和粉塵多等，對控制箱及箱內(nèi)控制裝置工作影響較大。因此，在改造時將其更換成具有防水、防磁等功能的控制箱。

（3）采用成熟的調(diào)頻技術(shù)對調(diào)速部分進行改造，如用三相鼠籠電機及變頻器取代原有的滑差電機及控制器等。因為三相鼠籠電機密閉性好，可抵御粉塵污染；變頻器在對電機調(diào)速時較為平滑，而且具有完善的保護功能，可保證電機在正常情況下安全、可靠、穩(wěn)定與節(jié)能運行，可使機械設(shè)備在故障狀態(tài)下安全停運。

4.通信方式

葉輪給煤機運行于地下10m深處，電氣負載比較復(fù)雜，運行環(huán)境十分惡劣，噪聲、粉塵污染、高溫潮濕及各種電氣干擾（包括變頻器信號等）因素大量存在。葉輪給煤機又屬于移動設(shè)備（移動距離約為100m），必須安裝移動電纜，但長距離、頻繁地移動電纜無法保證信號的可靠傳輸。電力載波通信技術(shù)雖然是利用電源動力線進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信方式，但存在問題是：①線路中負荷電流大幅度變化時，會對傳輸?shù)妮d波信號波形形成很強的削減和畸變作用；②各種負荷會帶來高頻噪聲干擾，使數(shù)據(jù)信號無法正常傳輸；③不同節(jié)點會對數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生影響，使接收到的信號嚴重變形或參差不齊，給信號識別帶來極大困難等。經(jīng)過技術(shù)分析，決定將控制技術(shù)與電力載波通信技術(shù)相結(jié)合，使電力載波通信成為融合寬帶調(diào)制解調(diào)、數(shù)字濾波、AFC（自動頻率控制）、AIC（自動輸出幅度控制）、CsMA（網(wǎng)絡(luò)載波偵聽）等具有綜合功能的智能化系統(tǒng)，采用循環(huán)冗余碼差錯校驗法（CRC校驗法）對數(shù)據(jù)進行校驗。系統(tǒng)可根據(jù)波阻抗的變化及高次諧波情況，智能調(diào)整輸出阻抗、輸出功率，使電力載波通信的抗干擾性和對網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)能力得到增強。

根據(jù)以上分析，確定使用載波智能控制系統(tǒng)對卸煤溝甲乙路葉輪控制裝置實施遠程監(jiān)控、PLC擴展、變頻調(diào)速、倉位顯示等技術(shù)改造。

三、改造后的系統(tǒng)應(yīng)用效果

1.改造后的系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)是由主控部分、電力載波通信部分、就地控制站等組成。主控部分設(shè)在集控室，由主機、顯示器和智能數(shù)傳機構(gòu)成；就地控制站安裝在設(shè)備本體上（即就地控制箱內(nèi)），箱內(nèi)裝有葉輪給煤機的行走和調(diào)速控制設(shè)備；電力載波通信部分的兩端分別在主機和就地控制站內(nèi)。每臺主機可帶16臺就地控制站。主機通過電力載波通信部分與就地控制站組成主從式通信控制網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)在主控室內(nèi)，通過操作主機就能控制與監(jiān)視葉輪給煤機的運行。

2.主要功能

（1）具有遠程和就地操作功能，保留并優(yōu)化了原有的操作功能。

（2）系統(tǒng)畫面真實、豐富、生動，操作簡單、方便。

（3）遠程操作具有定點、前行、后行、啟動、停止、調(diào)速等操作功能。

（4）集控室顯示器可模擬顯示葉輪給煤機的運行狀態(tài)，如葉輪旋轉(zhuǎn)、行走方向、皮帶運行狀態(tài)等，并可顯示葉輪給煤機的實際轉(zhuǎn)速。

（5）集控室顯示器可顯示葉輪給煤機的行走位置。位置傳感部分包括隨葉輪給煤機一起移動的2個接近開關(guān)、位置感應(yīng)裝置，用于完成行車位置信號的傳感及校驗功能。

（6）具有顯示和記憶葉輪給煤機故障信息的功能，以方便查找各種故障，如行走故障、葉輪旋轉(zhuǎn)故障、行走位置變送故障、通信故障、極限相撞等。

（7）同一畫面可顯示多臺葉輪給煤機的運行情況，并進行操作。

（8）系統(tǒng)可根據(jù)值班員的設(shè)定確定自己的行走區(qū)間和往返次數(shù)，并自動調(diào)整葉輪給煤機的行走方向。

（9）系統(tǒng)除保留了原有的保護功能外，還增加了皮帶運行與葉輪給煤機運行之間的聯(lián)鎖功能，以及同一皮帶上2臺葉輪給煤機的防撞功能等。

3.應(yīng)用效果

（1）提高了設(shè)備運行的穩(wěn)定性，降低了故障率，每年可節(jié)約大量的維護費用。

（2）實現(xiàn)了葉輪給煤機遠程智能控制和現(xiàn)場無人值守功能，使運行人員脫離了高粉塵的工作環(huán)境，降低了矽肺病的發(fā)生率，極大保證了員工的身心健康。

（3）由于實現(xiàn)了遠程控制，運行值班員能及時對葉輪給煤機實施干預(yù)控制，提高了工作效率，減少了由于聯(lián)系不暢而對生產(chǎn)造成的不利影響。

（4）采用計算機控制技術(shù)，解決了葉輪給煤機不能參加輸煤程序控制的技術(shù)難題，使輸煤程序控制系統(tǒng)更加完善。

四、結(jié)束語

傳統(tǒng)的接線方式由于控制線與動力線平行距離過長，耦合電壓過大，使控制信號極易受到干擾，不能確保設(shè)備正常運行。電力載波智能系統(tǒng)的出現(xiàn)結(jié)束了多年來葉輪給煤機只能手動操作的歷史，提高了輸煤系統(tǒng)運行的安全性，同時也為葉輪給煤機納入輸煤程控系統(tǒng)打下堅實基礎(chǔ)。在對燃料車間甲乙路4臺葉輪給煤機進行改造后，經(jīng)過一年多的運行實踐表明，系統(tǒng)運行正常，性能達到設(shè)計要求，實現(xiàn)了葉輪給煤機遠程程序控制的要求，能完整、準確地記錄葉輪給煤機出現(xiàn)報警和故障時的情況，徹底解決了設(shè)備故障率高、能耗高以及粉塵大等老大難問題，實現(xiàn)了輸煤系統(tǒng)的程控連鎖，達到了節(jié)能、增效和降低勞動強度的目的。