劉景軍，劉成喜，張 濤，張 勇

（國(guó)電投吉林松花江熱電有限公司，吉林 吉林 132000）

絕對(duì)編碼器是一個(gè)以起始點(diǎn)為基準(zhǔn)的對(duì)應(yīng)每個(gè)角度位移產(chǎn)生一個(gè)唯一數(shù)字碼輸出的傳感器，它能夠連續(xù)精確的測(cè)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(diǎn)，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(shí)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(yùn)行時(shí)需要監(jiān)視瞬時(shí)煤量，同時(shí)將瞬時(shí)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(yùn)行時(shí)也需要監(jiān)視累計(jì)煤量，累計(jì)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(jì)算瞬時(shí)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(shí)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(shí)量控制刮板給煤量，降低了鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

為了解決以上問題，該項(xiàng)目研究基于絕對(duì)編碼器技術(shù)測(cè)量刮板給煤機(jī)實(shí)時(shí)煤層的刮板給煤機(jī)計(jì)量裝置，在現(xiàn)有的刮板給煤機(jī)上安裝具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤量的計(jì)量裝置。通過實(shí)煤標(biāo)定實(shí)現(xiàn)給煤機(jī)瞬時(shí)煤量和累計(jì)煤量的統(tǒng)計(jì)，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(jì)算提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)分爐計(jì)量。

1 絕對(duì)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(cè)量和位置測(cè)量中。編碼器的類型有絕對(duì)型和增量型。增量型的編碼器只有當(dāng)被測(cè)設(shè)備移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才產(chǎn)生脈沖，需要有上級(jí)儀表通過計(jì)算的方法才能計(jì)算出被測(cè)參數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備停止下來或沒有電時(shí)，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(jì)算的零點(diǎn)就會(huì)偏移，零點(diǎn)偏移后很難發(fā)現(xiàn)，只有錯(cuò)誤的生產(chǎn)結(jié)果產(chǎn)生后果時(shí)才被發(fā)現(xiàn)，糾正錯(cuò)誤還需人工修復(fù)。絕對(duì)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(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，實(shí)時(shí)位置對(duì)應(yīng)著一個(gè)權(quán)位數(shù)，也就是說每個(gè)位置有一個(gè)固定的數(shù)，因此稱為絕對(duì)型編碼器。

絕對(duì)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(duì)編碼器的輸出數(shù)據(jù)就是對(duì)應(yīng)的位置信號(hào)，每個(gè)位置的數(shù)字碼是唯一的，它無需記憶，無需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置，什么時(shí)候就去讀取它的對(duì)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(duì)編碼器在角度測(cè)量和定位方面明顯地優(yōu)于增量式編碼器。

絕對(duì)型編碼器有可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對(duì)值、沒有累積誤差、電源切除后位置信息不會(huì)丟失等優(yōu)點(diǎn)。絕對(duì)型編碼器的分辨率是由軸上光道線數(shù)多少對(duì)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(yùn)行中的煤層起伏很大，為了測(cè)量刮板給煤機(jī)的煤量就需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤層厚度，而絕對(duì)型編碼器是能夠測(cè)得煤層厚度的首選傳感器。

2 刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

圖1 監(jiān)測(cè)裝置組成

圖2 煤層測(cè)量及測(cè)速傳感器

1）煤層厚度測(cè)量裝置：煤層厚度測(cè)量裝置是在給煤機(jī)煤層上方安裝一個(gè)煤流擋板，擋板上端固定在能自由轉(zhuǎn)動(dòng)的軸上，下端靠重力下垂。安裝時(shí)讓下端垂入煤層，當(dāng)煤層在刮板的帶動(dòng)下向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(cè)量夾角可以計(jì)算出煤層厚度。再由計(jì)量裝置計(jì)算得到煤的容積。

2）煤層移動(dòng)速度測(cè)量裝置：煤層移動(dòng)速度測(cè)量裝置是在驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸上安裝傳感元件，再由計(jì)量裝置計(jì)算后換算得到煤層移動(dòng)速度。

3）煤量計(jì)量裝置：煤量計(jì)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(cè)量、煤層高度測(cè)量、移動(dòng)速度測(cè)量、煤量計(jì)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(yùn)行時(shí)的煤層厚度、檔板傾斜角度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、瞬時(shí)煤量和累計(jì)煤量等數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)刮板給煤機(jī)運(yùn)行中的監(jiān)測(cè)操作；運(yùn)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(bào)警和保護(hù)狀態(tài)，并具有首次報(bào)警記錄查詢功能。

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

3 刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)計(jì)量原理

PLC作為一種廣泛使用的工業(yè)計(jì)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(xiàng)目以PLC作為計(jì)量裝置，以觸摸屏為監(jiān)測(cè)界面，以絕對(duì)編碼器作為煤層厚度測(cè)量傳感器，采用軟測(cè)量方法，研制適合刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測(cè)裝置。

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

煤層移動(dòng)的速度是靠測(cè)量給煤機(jī)運(yùn)行速度再經(jīng)過修正得到，為了測(cè)量給煤機(jī)運(yùn)行速度，可以在刮板給煤機(jī)從動(dòng)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(hào)接入PLC，經(jīng)過PLC的高速脈沖輸入端和高數(shù)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，再用PLC程序換算得到煤層移動(dòng)速度。

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

瞬時(shí)煤量計(jì)算公式為

式中，Gg為瞬時(shí)煤量；h為煤層厚度；W為煤層寬度；v為煤層運(yùn)動(dòng)速度；ρ為煤的密度。

累計(jì)煤量的計(jì)算是利用瞬時(shí)煤量實(shí)時(shí)值在PLC內(nèi)部程序中進(jìn)行積分運(yùn)算得到。煤層厚度和煤層運(yùn)動(dòng)速度由上述方法經(jīng)PLC計(jì)算得到。煤層寬度由經(jīng)過靜態(tài)測(cè)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(jì)量功能設(shè)計(jì)

西門子SMART系列PLC設(shè)計(jì)緊湊、擴(kuò)展性好、價(jià)格低廉，有豐富的計(jì)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(dú)立運(yùn)行，或是在連接成網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)中皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的計(jì)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(jì)量監(jiān)視系統(tǒng)中選擇SMART SR30控制器。

1）PLC選型

該設(shè)計(jì)采用西門子SMART SR30 PLC作為計(jì)量監(jiān)測(cè)裝置，該P(yáng)LC帶有一個(gè)以太網(wǎng)接口用來連接觸摸屏；一個(gè)485接口用來連接數(shù)字輸出的絕對(duì)編碼器；測(cè)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(cè)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

圖3是刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程圖。依據(jù)圖3流程圖設(shè)計(jì)計(jì)量程序，計(jì)量程序負(fù)責(zé)計(jì)算瞬時(shí)煤量和累計(jì)煤量。

圖3 刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程

圖4是刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測(cè)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(shí)煤量、累計(jì)煤量、給煤機(jī)速度。在其他畫面還可以監(jiān)測(cè)到每天的煤量記錄、煤量實(shí)時(shí)曲線和給煤機(jī)堵煤、低速報(bào)警記錄。

圖4 刮板給煤機(jī)煤量監(jiān)測(cè)畫面

5 總 結(jié)

由于絕對(duì)編碼器能夠連續(xù)精確地測(cè)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(diǎn)，經(jīng)過后續(xù)的計(jì)量裝置的計(jì)算得到刮板給煤機(jī)的瞬時(shí)煤量和累計(jì)煤量，該煤量即作為鍋爐控制的依據(jù)又可以作為鍋爐運(yùn)行消耗煤量的統(tǒng)計(jì)，達(dá)到事半功倍的作用。該系統(tǒng)已經(jīng)在2017年11月國(guó)電投吉林松花江熱電廠投入使用，達(dá)到了預(yù)期效果。