基于绝对编码器的刮板给煤机煤量监测系统应用研究

刘景军，刘成喜，张 涛，张 勇

（国电投吉林松花江热电有限公司，吉林 吉林 132000）

绝对编码器是一个以起始点为基准的对应每个角度位移产生一个唯一数字码输出的传感器，它能够连续精确的测量微小的位移，有着可靠性高、抗干扰能力强、在电源中断后记忆原始数据等优点，在工业生产领域被广泛应用。

火力发电厂燃烧系统要依靠给煤机向磨煤机内传送锅炉燃烧用煤，目前给煤机有两种，一种是刮板给煤机，另一种是皮带给煤机。给煤机与磨煤机配合实现锅炉燃烧系统中给煤量的连续、均匀的给煤控制。锅炉运行时需要监视瞬时煤量，同时将瞬时煤量与锅炉负荷要求煤量进行比较，以此来控制给煤机电机速度，从而控制给煤量。锅炉运行时也需要监视累计煤量，累计煤量用来核算机组的煤耗。由于刮板给煤机无法安装称重传感器，目前使用的刮板给煤机只能以下料口形状粗略计算瞬时煤量。由于煤的粒径及煤中混杂的大石头等异物堵塞原因，经常出现刮板给煤机煤层变化，造成瞬时煤量和下料口煤量不均匀，所以以此估算的煤量的准确性差距很大，依据出口煤流估算的瞬时量控制刮板给煤量，降低了锅炉系统运行的安全性。

为了解决以上问题，该项目研究基于绝对编码器技术测量刮板给煤机实时煤层的刮板给煤机计量装置，在现有的刮板给煤机上安装具有实时监测煤量的计量装置。通过实煤标定实现给煤机瞬时煤量和累计煤量的统计，更好地满足锅炉稳定燃烧，达到节能减排，为锅炉日煤耗计算提供准确数据，实现分炉计量。

1 绝对编码器原理及其特性

编码器是一种新型的电子产品，被广泛应用在工业生产的转速测量和位置测量中。编码器的类型有绝对型和增量型。增量型的编码器只有当被测设备移动或转动时才产生脉冲，需要有上级仪表通过计算的方法才能计算出被测参数。当转动设备停止下来或没有电时，原来的位置或数据就消失。这种不带记忆功能的编码器在编码器输出脉冲过程中也容易受到干扰而丢失脉冲。脉冲丢失后原来计算的零点就会偏移，零点偏移后很难发现，只有错误的生产结果产生后果时才被发现，纠正错误还需人工修复。绝对型编码器是在编码轴上刻有许多光通道刻线，每道刻线代表一定权位数据，如依次以2线、4线、8线、16线编排。当编码器被设备带动转动时，实时位置对应着一个权位数，也就是说每个位置有一个固定的数，因此称为绝对型编码器。

绝对型编码器读取的数码是由光电码盘的机械位置决定的，不受其他因素影响。绝对编码器的输出数据就是对应的位置信号，每个位置的数字码是唯一的，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的对应数据。这种编码器的抗干扰能力和数据的可靠性比增量型编码器都要高。绝对编码器在角度测量和定位方面明显地优于增量式编码器。

绝对型编码器有可以直接读出角度坐标的绝对值、没有累积误差、电源切除后位置信息不会丢失等优点。绝对型编码器的分辨率是由轴上光道线数多少对应的二进制位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位等。

由于煤的颗粒大小不均造成刮板给煤机运行中的煤层起伏很大，为了测量刮板给煤机的煤量就需要实时监测煤层厚度，而绝对型编码器是能够测得煤层厚度的首选传感器。

2 刮板给煤机煤量监测系统设计

图1是刮板给煤机煤量监测装置组成图。该装置包括基于绝对编码器的煤层测量装置、刮板给煤机速度测量装置、刮板给煤机煤量计量装置、刮板给煤机操作显示装置。图2是绝对编码器及测速传感器安装示意图。

图1 监测装置组成

图2 煤层测量及测速传感器

1）煤层厚度测量装置：煤层厚度测量装置是在给煤机煤层上方安装一个煤流挡板，挡板上端固定在能自由转动的轴上，下端靠重力下垂。安装时让下端垂入煤层，当煤层在刮板的带动下向前运动时，挡板一端随着煤层偏转，与垂直方向形成一夹角α。经分析夹角与煤层高度成正比，通过测量夹角可以计算出煤层厚度。再由计量装置计算得到煤的容积。

2）煤层移动速度测量装置：煤层移动速度测量装置是在驱动电机轴上安装传感元件，再由计量装置计算后换算得到煤层移动速度。

3）煤量计量装置：煤量计量装置的硬件是由西门子SMART PLC构成，PLC内部研发角度测量、煤层高度测量、移动速度测量、煤量计算等程序。

4）操作显示装置：操作显示装置是显示刮板给煤机运行时的煤层厚度、档板倾斜角度、电机转速、瞬时煤量和累计煤量等数据；实现刮板给煤机运行中的监测操作；运行参数的记录和查询，可以记录堵煤、电机过载、超温、电源失电、欠速、传感器故障等报警和保护状态，并具有首次报警记录查询功能。

根据刮板给煤机的结构特点，在不对刮板给煤机作较大的改动的基础上，对于刮板给煤机不能直接测量动态给煤量，只能采取通过测量某些参数经过间接计算得到给煤量。采用绝对编码技术测量刮板给煤机的煤层厚度，采用接近开关形成的动态脉冲，以PLC作为监测装置，计算刮板给煤机的运行速度、瞬时煤量和累计煤量，该项目研制了一套适合刮板给煤机煤量监测装置并应用在国电投计量松花江热电厂。

3 刮板给煤机煤量监测系统计量原理

PLC作为一种广泛使用的工业计算机，它具有强大的控制功能、数据处理功能和网络功能。该项目以PLC作为计量装置，以触摸屏为监测界面，以绝对编码器作为煤层厚度测量传感器，采用软测量方法，研制适合刮板给煤机煤量监测装置。

角度的测量方法是将高精度绝对编码器安装在转动轴上，煤层变化时挡板一端随着偏转，用绝对编码器测量这个偏转角度就得到随煤层厚度变化的输出脉冲信号，用PLC通信接口快速的采集这个脉冲信号，PLC可以根据脉冲信号计算出煤层厚度。

煤层移动的速度是靠测量给煤机运行速度再经过修正得到，为了测量给煤机运行速度，可以在刮板给煤机从动轴上加装增量编码器，也可以在给煤机电机轴上加装增量型的编码器，编码器的输出以脉冲信号接入PLC，经过PLC的高速脉冲输入端和高数计数器计数，再用PLC程序换算得到煤层移动速度。

煤层厚度和煤层移动速度测量出来后经如下计算公式可得到刮板给煤机瞬时煤量。

瞬时煤量计算公式为

式中，Gg为瞬时煤量；h为煤层厚度；W为煤层宽度；v为煤层运动速度；ρ为煤的密度。

累计煤量的计算是利用瞬时煤量实时值在PLC内部程序中进行积分运算得到。煤层厚度和煤层运动速度由上述方法经PLC计算得到。煤层宽度由经过静态测量刮板给煤机内侧刮板宽度得到。

4 刮板给煤机煤量计量功能设计

西门子SMART系列PLC设计紧凑、扩展性好、价格低廉，有丰富的计算功能以及强大的指令系统。这些功能使西门子SMART系列的PLC无论是在独立运行，或是在连接成网络的系统中皆能实现复杂的计算和控制功能，近乎完美地满足中小规模的监控要求。在刮板给煤机煤量计量监视系统中选择SMART SR30控制器。

1）PLC选型

该设计采用西门子SMART SR30 PLC作为计量监测装置，该PLC带有一个以太网接口用来连接触摸屏；一个485接口用来连接数字输出的绝对编码器；测速用的接近开关连接到PLC的高速输入接口；模拟量输入模块选用EM231（4输入*12位）；模拟量输出模块选用EM232（2输出*12位）。

2）刮板给煤机煤量监测系统程序设计

图3是刮板给煤机煤量监测系统流程图。依据图3流程图设计计量程序，计量程序负责计算瞬时煤量和累计煤量。

图3 刮板给煤机煤量监测系统流程

图4是刮板给煤机煤量监测画面。在该画面中可以监视到刮板给煤机的煤层厚度、瞬时煤量、累计煤量、给煤机速度。在其他画面还可以监测到每天的煤量记录、煤量实时曲线和给煤机堵煤、低速报警记录。

图4 刮板给煤机煤量监测画面

5 总 结

由于绝对编码器能够连续精确地测量微小的位移，有着可靠性高、抗干扰能力强、在电源中断后记忆原始数据等优点，经过后续的计量装置的计算得到刮板给煤机的瞬时煤量和累计煤量，该煤量即作为锅炉控制的依据又可以作为锅炉运行消耗煤量的统计，达到事半功倍的作用。该系统已经在2017年11月国电投吉林松花江热电厂投入使用，达到了预期效果。