基于PLC、触摸屏、变频器的科里奥利煤粉计量控制系统
摘 要 目前水泥行业在粉体控制方面多采用根据科里奥利原理设计的计量控制系统，本文将主要介绍合肥水泥设计院根据该原理研制的科氏称计量控制系统。
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
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。
当所有设备处于正常工作状态，测得的仓重信号经过变送器处理后，送入DCS和EM231。流量计下端带有力矩传感器及速度传感器，测得扭矩与转速信号经过变送器，由EM231模块输入至PLC，计算出实际流量，并且与设定值进行比较，经过PID调节后，通过EM232，控制变频器的频率从而改变给料机转速，实现流量控制。
窑头喂煤最大流量13t/h，窑尾喂煤最大流量15t/h。两套喂煤的给料机及流量计所配电机功率相同分别是：5.5kW和1.1kW。
5 变频器的选择：
每套科氏力秤喂煤系统配有2台变频器,一台拖动流量计中的测轮旋转，另一台控制给料机。变频器要根据工艺环节的具体要求选择性价比相对较高的产品。最后确定4台变频器都使用ABB公司的Comp-AC变频器。为确保现场的快速调试，Comp-AC变频器预置了多种应用宏。宏是一组事先预先定义参数集，应用宏将使用过程中所需设定的参数数量降至最少。选择一个宏，所有参数和控制方式即自行改变。典型的应用宏包括：工厂应用宏，ABB标准宏，交变应用宏， PID应用宏，手动自动应用宏等。这些应用宏为用户提供了方便的使用性能。
3.1 流量计变频器
两台流量计的原理相同，为了保证计量精度，要求测轮启动后能够稳定恒速运转。厂家依照电机和传动比计算出频率应设定在45Hz，两台流量计的转速相同,采用的变频器也相同是 ACS 400系列。
3．2窑尾给料机变频器
当回转窑因故障停机时，分解炉要立刻停止喂煤。工艺上没有其他特殊的要求，选择具有V/F控制方式的变频器即可，我们也选用了ACS400系列。
3．3窑头给料机变频器
当回转窑因故障停机时，窑头要少量喂煤，用于窑的保温，喂煤量只有最大流量的1／8左右，为了保证在如此低流量状态下喂煤的精确性，选用的是具有矢量控制功能的变频器，型号是ACS550 系列。ACS550是最新推出的智能性变频器，具有三种控制方式，即标量V/F控制、无传感器矢量控制、转矩控制，所以该款变频器不仅能够适合于最简单的电机运转，也可以同时满足普通负载和重载工作。
6 变频器的安装调试：
每套系统均带有1个控制柜，为了减少变频器对传感器的干扰，除了控制信号（包括模拟信号和数字信号）需要使用屏蔽电缆，变频器到电机的强电线也必须采用屏蔽电缆。
为防止煤粉易结露、起拱后，导致不下料情况的发生。给料机设计成能够正反向转动。用一个拨动开关控制它的转动方向。将系统电源过开关后，接入到DI2,得电正转，失电反转。
应用不同的宏，手册里有相对应的接线方式。基本可以按图接线。
做好变频器参数的设置及调试工作是设备正常运转的一个根本保障措施。现场中出现的许多问题往往是参数的设置问题而与设备本身无关，由此可见，合理正确设置参数很重要。
参数的定义过程：
1） 起动数据。是将电动机的主要参数输入到变频器，包括电机的额定电压、额定电流、功率、转速等。
2） 输入输出端子的定义。根据设计好的接线图用参数的方式定义数字量的输入输出和模拟量的输入输出。
3） 其他参数的定义，上述两项定义好后，变频器就可以使用了。为了更好的发挥变频器的功能，还要定义一些其他参数。
表1 调试后修改的参数表
表1 变频器参数表
窑头、窑尾给料机变频器型号不同，但参数基本一致，只是窑头的ACS550中起动数据组中多了一个参数电机控制模式9904，设置值为1，含义为无传感器矢量控制模式。
7 使用效果
自去年3月份科氏力称喂煤系统投入使用后，因其抗外界干扰能力强，计量精度高，通过触摸屏观察到的长期、短期趋势都比较稳定。对窑内热工制度的有利。变频调速和交流电机的应用使日常维护的工作量大大减少，因此造成的停机时间很少。这次技改项目非常成功。
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。
当所有设备处于正常工作状态，测得的仓重信号经过变送器处理后，送入DCS和EM231。流量计下端带有力矩传感器及速度传感器，测得扭矩与转速信号经过变送器，由EM231模块输入至PLC，计算出实际流量，并且与设定值进行比较，经过PID调节后，通过EM232，控制变频器的频率从而改变给料机转速，实现流量控制。
窑头喂煤最大流量13t/h，窑尾喂煤最大流量15t/h。两套喂煤的给料机及流量计所配电机功率相同分别是：5.5kW和1.1kW。
5 变频器的选择：
每套科氏力秤喂煤系统配有2台变频器,一台拖动流量计中的测轮旋转，另一台控制给料机。变频器要根据工艺环节的具体要求选择性价比相对较高的产品。最后确定4台变频器都使用ABB公司的Comp-AC变频器。为确保现场的快速调试，Comp-AC变频器预置了多种应用宏。宏是一组事先预先定义参数集，应用宏将使用过程中所需设定的参数数量降至最少。选择一个宏，所有参数和控制方式即自行改变。典型的应用宏包括：工厂应用宏，ABB标准宏，交变应用宏， PID应用宏，手动自动应用宏等。这些应用宏为用户提供了方便的使用性能。
3.1 流量计变频器
两台流量计的原理相同，为了保证计量精度，要求测轮启动后能够稳定恒速运转。厂家依照电机和传动比计算出频率应设定在45Hz，两台流量计的转速相同,采用的变频器也相同是 ACS 400系列。
3．2窑尾给料机变频器
当回转窑因故障停机时，分解炉要立刻停止喂煤。工艺上没有其他特殊的要求，选择具有V/F控制方式的变频器即可，我们也选用了ACS400系列。
3．3窑头给料机变频器
当回转窑因故障停机时，窑头要少量喂煤，用于窑的保温，喂煤量只有最大流量的1／8左右，为了保证在如此低流量状态下喂煤的精确性，选用的是具有矢量控制功能的变频器，型号是ACS550 系列。ACS550是最新推出的智能性变频器，具有三种控制方式，即标量V/F控制、无传感器矢量控制、转矩控制，所以该款变频器不仅能够适合于最简单的电机运转，也可以同时满足普通负载和重载工作。
6 变频器的安装调试：
每套系统均带有1个控制柜，为了减少变频器对传感器的干扰，除了控制信号（包括模拟信号和数字信号）需要使用屏蔽电缆，变频器到电机的强电线也必须采用屏蔽电缆。
为防止煤粉易结露、起拱后，导致不下料情况的发生。给料机设计成能够正反向转动。用一个拨动开关控制它的转动方向。将系统电源过开关后，接入到DI2,得电正转，失电反转。
应用不同的宏，手册里有相对应的接线方式。基本可以按图接线。
做好变频器参数的设置及调试工作是设备正常运转的一个根本保障措施。现场中出现的许多问题往往是参数的设置问题而与设备本身无关，由此可见，合理正确设置参数很重要。
参数的定义过程：
1） 起动数据。是将电动机的主要参数输入到变频器，包括电机的额定电压、额定电流、功率、转速等。
2） 输入输出端子的定义。根据设计好的接线图用参数的方式定义数字量的输入输出和模拟量的输入输出。
3） 其他参数的定义，上述两项定义好后，变频器就可以使用了。为了更好的发挥变频器的功能，还要定义一些其他参数。
表1 调试后修改的参数表
表1 变频器参数表
窑头、窑尾给料机变频器型号不同，但参数基本一致，只是窑头的ACS550中起动数据组中多了一个参数电机控制模式9904，设置值为1，含义为无传感器矢量控制模式。
7 使用效果
自去年3月份科氏力称喂煤系统投入使用后，因其抗外界干扰能力强，计量精度高，通过触摸屏观察到的长期、短期趋势都比较稳定。对窑内热工制度的有利。变频调速和交流电机的应用使日常维护的工作量大大减少，因此造成的停机时间很少。这次技改项目非常成功。
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