基于絕對編碼器的刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究

劉景軍，劉成喜，張 濤，張 勇

（國電投吉林松花江熱電有限公司，吉林 吉林 132000）

絕對編碼器是一個以起始點為基準(zhǔn)的對應(yīng)每個角度位移產(chǎn)生一個唯一數(shù)字碼輸出的傳感器，它能夠連續(xù)精確的測量微小的位移，有著可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、在電源中斷后記憶原始數(shù)據(jù)等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)要依靠給煤機(jī)向磨煤機(jī)內(nèi)傳送鍋爐燃燒用煤，目前給煤機(jī)有兩種，一種是刮板給煤機(jī)，另一種是皮帶給煤機(jī)。給煤機(jī)與磨煤機(jī)配合實現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)中給煤量的連續(xù)、均勻的給煤控制。鍋爐運行時需要監(jiān)視瞬時煤量，同時將瞬時煤量與鍋爐負(fù)荷要求煤量進(jìn)行比較，以此來控制給煤機(jī)電機(jī)速度，從而控制給煤量。鍋爐運行時也需要監(jiān)視累計煤量，累計煤量用來核算機(jī)組的煤耗。由于刮板給煤機(jī)無法安裝稱重傳感器，目前使用的刮板給煤機(jī)只能以下料口形狀粗略計算瞬時煤量。由于煤的粒徑及煤中混雜的大石頭等異物堵塞原因，經(jīng)常出現(xiàn)刮板給煤機(jī)煤層變化，造成瞬時煤量和下料口煤量不均勻，所以以此估算的煤量的準(zhǔn)確性差距很大，依據(jù)出口煤流估算的瞬時量控制刮板給煤量，降低了鍋爐系統(tǒng)運行的安全性。

為了解決以上問題，該項目研究基于絕對編碼器技術(shù)測量刮板給煤機(jī)實時煤層的刮板給煤機(jī)計量裝置，在現(xiàn)有的刮板給煤機(jī)上安裝具有實時監(jiān)測煤量的計量裝置。通過實煤標(biāo)定實現(xiàn)給煤機(jī)瞬時煤量和累計煤量的統(tǒng)計，更好地滿足鍋爐穩(wěn)定燃燒，達(dá)到節(jié)能減排，為鍋爐日煤耗計算提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，實現(xiàn)分爐計量。

1 絕對編碼器原理及其特性

編碼器是一種新型的電子產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)速測量和位置測量中。編碼器的類型有絕對型和增量型。增量型的編碼器只有當(dāng)被測設(shè)備移動或轉(zhuǎn)動時才產(chǎn)生脈沖，需要有上級儀表通過計算的方法才能計算出被測參數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)動設(shè)備停止下來或沒有電時，原來的位置或數(shù)據(jù)就消失。這種不帶記憶功能的編碼器在編碼器輸出脈沖過程中也容易受到干擾而丟失脈沖。脈沖丟失后原來計算的零點就會偏移，零點偏移后很難發(fā)現(xiàn)，只有錯誤的生產(chǎn)結(jié)果產(chǎn)生后果時才被發(fā)現(xiàn)，糾正錯誤還需人工修復(fù)。絕對型編碼器是在編碼軸上刻有許多光通道刻線，每道刻線代表一定權(quán)位數(shù)據(jù)，如依次以2線、4線、8線、16線編排。當(dāng)編碼器被設(shè)備帶動轉(zhuǎn)動時，實時位置對應(yīng)著一個權(quán)位數(shù)，也就是說每個位置有一個固定的數(shù)，因此稱為絕對型編碼器。

絕對型編碼器讀取的數(shù)碼是由光電碼盤的機(jī)械位置決定的，不受其他因素影響。絕對編碼器的輸出數(shù)據(jù)就是對應(yīng)的位置信號，每個位置的數(shù)字碼是唯一的，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數(shù)，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的對應(yīng)數(shù)據(jù)。這種編碼器的抗干擾能力和數(shù)據(jù)的可靠性比增量型編碼器都要高。絕對編碼器在角度測量和定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器。

絕對型編碼器有可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值、沒有累積誤差、電源切除后位置信息不會丟失等優(yōu)點。絕對型編碼器的分辨率是由軸上光道線數(shù)多少對應(yīng)的二進(jìn)制位數(shù)來決定的，也就是說精度取決于位數(shù)，目前有10位、14位等。

由于煤的顆粒大小不均造成刮板給煤機(jī)運行中的煤層起伏很大，為了測量刮板給煤機(jī)的煤量就需要實時監(jiān)測煤層厚度，而絕對型編碼器是能夠測得煤層厚度的首選傳感器。

2 刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

圖1是刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測裝置組成圖。該裝置包括基于絕對編碼器的煤層測量裝置、刮板給煤機(jī)速度測量裝置、刮板給煤機(jī)煤量計量裝置、刮板給煤機(jī)操作顯示裝置。圖2是絕對編碼器及測速傳感器安裝示意圖。

圖1 監(jiān)測裝置組成

圖2 煤層測量及測速傳感器

1）煤層厚度測量裝置：煤層厚度測量裝置是在給煤機(jī)煤層上方安裝一個煤流擋板，擋板上端固定在能自由轉(zhuǎn)動的軸上，下端靠重力下垂。安裝時讓下端垂入煤層，當(dāng)煤層在刮板的帶動下向前運動時，擋板一端隨著煤層偏轉(zhuǎn)，與垂直方向形成一夾角α。經(jīng)分析夾角與煤層高度成正比，通過測量夾角可以計算出煤層厚度。再由計量裝置計算得到煤的容積。

2）煤層移動速度測量裝置：煤層移動速度測量裝置是在驅(qū)動電機(jī)軸上安裝傳感元件，再由計量裝置計算后換算得到煤層移動速度。

3）煤量計量裝置：煤量計量裝置的硬件是由西門子SMART PLC構(gòu)成，PLC內(nèi)部研發(fā)角度測量、煤層高度測量、移動速度測量、煤量計算等程序。

4）操作顯示裝置：操作顯示裝置是顯示刮板給煤機(jī)運行時的煤層厚度、檔板傾斜角度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、瞬時煤量和累計煤量等數(shù)據(jù)；實現(xiàn)刮板給煤機(jī)運行中的監(jiān)測操作；運行參數(shù)的記錄和查詢，可以記錄堵煤、電機(jī)過載、超溫、電源失電、欠速、傳感器故障等報警和保護(hù)狀態(tài)，并具有首次報警記錄查詢功能。

根據(jù)刮板給煤機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，在不對刮板給煤機(jī)作較大的改動的基礎(chǔ)上，對于刮板給煤機(jī)不能直接測量動態(tài)給煤量，只能采取通過測量某些參數(shù)經(jīng)過間接計算得到給煤量。采用絕對編碼技術(shù)測量刮板給煤機(jī)的煤層厚度，采用接近開關(guān)形成的動態(tài)脈沖，以PLC作為監(jiān)測裝置，計算刮板給煤機(jī)的運行速度、瞬時煤量和累計煤量，該項目研制了一套適合刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測裝置并應(yīng)用在國電投計量松花江熱電廠。

3 刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測系統(tǒng)計量原理

PLC作為一種廣泛使用的工業(yè)計算機(jī)，它具有強(qiáng)大的控制功能、數(shù)據(jù)處理功能和網(wǎng)絡(luò)功能。該項目以PLC作為計量裝置，以觸摸屏為監(jiān)測界面，以絕對編碼器作為煤層厚度測量傳感器，采用軟測量方法，研制適合刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測裝置。

角度的測量方法是將高精度絕對編碼器安裝在轉(zhuǎn)動軸上，煤層變化時擋板一端隨著偏轉(zhuǎn)，用絕對編碼器測量這個偏轉(zhuǎn)角度就得到隨煤層厚度變化的輸出脈沖信號，用PLC通信接口快速的采集這個脈沖信號，PLC可以根據(jù)脈沖信號計算出煤層厚度。

煤層移動的速度是靠測量給煤機(jī)運行速度再經(jīng)過修正得到，為了測量給煤機(jī)運行速度，可以在刮板給煤機(jī)從動軸上加裝增量編碼器，也可以在給煤機(jī)電機(jī)軸上加裝增量型的編碼器，編碼器的輸出以脈沖信號接入PLC，經(jīng)過PLC的高速脈沖輸入端和高數(shù)計數(shù)器計數(shù)，再用PLC程序換算得到煤層移動速度。

煤層厚度和煤層移動速度測量出來后經(jīng)如下計算公式可得到刮板給煤機(jī)瞬時煤量。

瞬時煤量計算公式為

式中，Gg為瞬時煤量；h為煤層厚度；W為煤層寬度；v為煤層運動速度；ρ為煤的密度。

累計煤量的計算是利用瞬時煤量實時值在PLC內(nèi)部程序中進(jìn)行積分運算得到。煤層厚度和煤層運動速度由上述方法經(jīng)PLC計算得到。煤層寬度由經(jīng)過靜態(tài)測量刮板給煤機(jī)內(nèi)側(cè)刮板寬度得到。

4 刮板給煤機(jī)煤量計量功能設(shè)計

西門子SMART系列PLC設(shè)計緊湊、擴(kuò)展性好、價格低廉，有豐富的計算功能以及強(qiáng)大的指令系統(tǒng)。這些功能使西門子SMART系列的PLC無論是在獨立運行，或是在連接成網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)中皆能實現(xiàn)復(fù)雜的計算和控制功能，近乎完美地滿足中小規(guī)模的監(jiān)控要求。在刮板給煤機(jī)煤量計量監(jiān)視系統(tǒng)中選擇SMART SR30控制器。

1）PLC選型

該設(shè)計采用西門子SMART SR30 PLC作為計量監(jiān)測裝置，該PLC帶有一個以太網(wǎng)接口用來連接觸摸屏；一個485接口用來連接數(shù)字輸出的絕對編碼器；測速用的接近開關(guān)連接到PLC的高速輸入接口；模擬量輸入模塊選用EM231（4輸入*12位）；模擬量輸出模塊選用EM232（2輸出*12位）。

2）刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測系統(tǒng)程序設(shè)計

圖3是刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測系統(tǒng)流程圖。依據(jù)圖3流程圖設(shè)計計量程序，計量程序負(fù)責(zé)計算瞬時煤量和累計煤量。

圖3 刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測系統(tǒng)流程

圖4是刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測畫面。在該畫面中可以監(jiān)視到刮板給煤機(jī)的煤層厚度、瞬時煤量、累計煤量、給煤機(jī)速度。在其他畫面還可以監(jiān)測到每天的煤量記錄、煤量實時曲線和給煤機(jī)堵煤、低速報警記錄。

圖4 刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測畫面

5 總 結(jié)

由于絕對編碼器能夠連續(xù)精確地測量微小的位移，有著可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、在電源中斷后記憶原始數(shù)據(jù)等優(yōu)點，經(jīng)過后續(xù)的計量裝置的計算得到刮板給煤機(jī)的瞬時煤量和累計煤量，該煤量即作為鍋爐控制的依據(jù)又可以作為鍋爐運行消耗煤量的統(tǒng)計，達(dá)到事半功倍的作用。該系統(tǒng)已經(jīng)在2017年11月國電投吉林松花江熱電廠投入使用，達(dá)到了預(yù)期效果。