（机械电子工程专业论文）火电厂煤粉定量给料系统的试验研究.pdf

摘要 火电厂煤粉定量给料系统的试验研究 研究生：曹振华 指导老师：贾方副教授 东南大学机械工程学院 摘要 煤粉定量给料系统是一种实时测量控制系统，能对煤粉流量进行准确测量和控制，在电力、化 工、水泥等行业有着广泛的应用。本文结合火电厂实际科研课题，对煤粉定量给料系统的控制部分 和关键部件进行改进设计并进行试验研究。主要研究工作如下： 首先，在分析现有给料系统的优点和不足基础上，改进设计了煤粉定量给料系统的控制部分。 鉴于系统在现场所受到的工频干扰，为保证数据采集和传输的安全性，对硬件电路进行了改进并完 善了上位机监控程序。为了实现煤粉的准确定量给料，结合变频器r s 一4 8 5 通讯协议利用m p l a b 环境和c a n 接口卡函数库编程实现了上位机对电机的变频调速控制。同时，对影响系统稳定的干 扰源进行了分析，采取了硬件看门狗和软件数字滤波等措施提高了系统的抗干扰能力。 其次，针对传统p i d 控制算法在试验中出现的控制滞后等问题，引入模糊控制算法设计了自整 定模糊p i d 控制方案并对控制算法进行研究，满足了系统对煤粉流量的控制要求。 然后，为了验证系统的可行性和可靠性，模拟火电厂给煤机设备搭建了试验平台并进行试验研 究。在对试验数据进行初步分析的基础上，对煤粉定量给料系统的关键部件进行改进设计。针对出 现的设备振动干扰引起的信号异常等问题，参照同类流量计，对冲量流量计结构进行改进并完善了 流量计量设备。为了消除机械振动带米的误差，引入莱特准则编程实现了试验数据的野值剔除。对 系统设备惯性和振动而导致的累积流量数据的失真问题，使用最小二乘法对瞬时流量进行了算法修 正，提高了测试精度。 最后，进行重复试验并对采集的数据进行误差分析。试验表明，机构改进设计和最小二乘法算 法修正的效果很好，测试精度显著提高。 关键词：煤粉，定量给料，变频调速，野值剔除，最小二乘法 a b s t r a c t e x p e r i m e n t a ls t u d yo fc o n s t a n tf e e d i n g s y s t e mf o rp u l v e r i z e dc o a l o ft h ep o w e rp l a n t b yc a oz h e n h u a s u p e r v i s e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rj i af a n g s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t t h ec o n t a n tf e e d i n gs y s t e mi sar e a l t i m em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mf o rt h ef l o wo fp u l v e r i z e d c o a lp e r c i s e l y 1 ti s w i d e l ya p p l i e dt op o w e ri n d u s t r y ，c h e m i c a li n d u s t r y ，c e m e n ti n d u s t r ya n ds o o n c o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a ls c i e n t i f i cr e s e a r c hs u b j e c t ，i m p r o v e dd e s i g na b o u tt h ec o n t r o lp a r ta n dk e y p a r t so ft h es y s t e ma r et a k e n a n dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yi sc o m p l e t e d t h em a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i sa r e c o m p o s e do f t h ef o l l o w i n gp a n s ： f i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so fa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ec u r r e n tf e e d i n gs y s t e m ，i m p r o v e d d e s i g ni st a k e no nc o n t r o lp a r to ft h ec o n s t a n tf e e d i n gs y s t e m i nv i e wo ft h ep o w e rl i n ei n t e r f e r e n c ef r o m i n d u s t r i a l p r o d u c t i o ns i t e ，i n o r d e rt oe n s u r et h es a f e t yo fd a t a a c q u i s i t i o na n dd a t a - t r a n s m i s s i o n ， i m p r o v e m e n t so nh a r d w a r ec i r c u i ta r ec o m p l e t e da n dt h em o n i t o r i n gs o f t w a r eo nt h eu p p e rp ci si m p r o v e d i no r d e rt or e a l i z ec o n s t a n tf e e d i n go fp u l v e r i z e dc o a l ，f r e q u e n c yc o n t r o li sr e a l i z e dt h r o u g hp r o g r a m m i n g b yu s i n gm p l a ba n dl i b r a r yf u n c t i o no fc a ni n t e r f a c ec a r d ，a c c o r d i n gt ot h er s - 4 8 5c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lo fm i t s u b i s h ii n v e r t e r m e a n w h i l e ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ei n t e r f e r e n c es o u r c et h a ti n f l u e n c e s t h es t a b i l i t yo fs y s t e m ，s o m em e a s u r e sl i k et h eh a r d w a r ew a t c h d o ga n ds o f t w a r ed i g i t a lf i l t e r , a r et a k e nt o i m p r o v et h ea n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo ft h es y s t e m s e c o n d l y a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ld e l a yo ft h et r a d i t i o n a lp i da l g o r i t h m ，f u z z ya l g o r i t h mi s i n t r o d u c e da n dt h es e l f - t u n i n gc o n t r o ls o l u t i o ni sd e s i g n e dt om e e tt h ec o n t r o ld e m a n d so ft h es y s t e m t h e n , i no r d e rt ot e s tt h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h es y s t e mi s c o m p l e t e do nt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m b a s e do nt h ep r i m a r ya n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t a , i m p r o v e d d e s i g ni st a k e no nk e ys t r u c t u r ep a r t so ft h es y s t e m a c c o r d i n gt o t h es i g n a ld i s t o r t i o ng i v e nb y v i b r a t i o n , i m p a c t b a s e df l u xm e t e ri sd e v e l o p e da n dt h er e l a t e dd e v i c ei sd e s i g n e d m e a n w h i l e ，t h el e t t s c r i t e r i o ni si n t r o d u c e dt oe l i m i n a t ew i l dv a l u eg i v e nb ym e c h a n i c a lv i b r a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so f e x p e r i m e n t a ld a t a , t h el e a s ts q u a r em e t h o di su s e dt or e a l i z ea l g o r i t h mm o d i f i c a t i o no nt h ef l o wt or e s o l v e a b n o r m a ld a t ac a u s e db yi n e r t i a la n dv i b r a t i o n f i n a l l y , v e r i f i e de x p e r i m e n t sa r et a k e n a n dt h ed a t ae r r o ri sa n a l y z e da g a i n t h ee x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h em e a s u r i n ga c c u r a c yi si m p r o v e do b v i o u s l ya f t e rt h em o d i f i c a t i o n so fm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n d a l g o r i t h m k e yw o r d s ：p u l v e r i z e dc o a l ，c o n s t a n tf e e d i n g ， v a l u e s ，l e a s ts q u a r em e t h o d f r e q u e n c yc o n t r o l ，t h ee l i m i n a t i o no ft h ew i l d l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 在世界能源问题日益紧张的今天，世界各国早就以如何解决能源问题在经济、政治、文化等方 面相互展开了讨论和合作，希望能缓解能源危机。从能源的来源来说，作为一次能源的石油和煤炭 是较容易得到但又属于有限的不可再生能源，虽然世界各国都努力的发展太阳能，风能，可燃气体 等二次可循环能源来缓解能源问题，但是根据世界能源结构，总的来说，石油和煤炭必将在较长的 一段时期内作为世界的主要能源。 目前火力发电是中国电力的最主要的来源( 约占8 0 ) ，火力发电的原料是煤，但作为世界上 主要立足于本国资源并大幅度依赖煤炭资源的中国已由原来最大的煤炭生产国和消费国转变为进口 国，原煤价格和电力成本因此而不断上扬【l 】。如今能源问题不能简单地以“能源短缺”来自我安慰，“能 源危机”问题真正地日益凸显都已经如悬在中国头上的达摩克里特之剑并让我们无法回避。 在电力工业生产中，对煤粉流量的计量控制和对温度、压力等参数的测量和调节一样占有很重 要的地位，煤粉流量计量的准确与否不仅对保证安全运行极为重要，而且也是提高燃烧率、节约能 源的重要环节。对煤粉流量有精确的计量才能对电力生产过程进行有效的过程控制，以保障生产安 全运行，改进操作工艺，并提高生产效率和能源利用率，以实现生产中的节能【2 j 。 煤粉供给流量的在线监测对于整个燃烧系统的在线监测及锅炉的安全运行与优化调整都是至关 重要的。首先，测量偏差过大，过高的供给速度将导致高能量消耗、严重的管道损耗和颗粒分解。 过低的供给速度会导致管道内颗粒沉积，甚至造成管道堵塞。其次，炉灰中未燃烧的煤是降低锅炉 燃烧率的主要原因之一，若要将损失降到最小，需要对注入炉膛的煤粉和空气的混合比进行精确测 量控制，以保证每条管道中的煤粉质量流量连续、稳定。另外，输送管道之间的煤粉不均匀分布会 导致一系列燃烧问题，例如火焰熄灭，过多的氮氧化物，燃烧不稳定和结渣等。这些问题的解决必 须通过测量和控制每条管道内煤粉的流速来实现。为了全方位的实现锅炉负荷、燃料量及配风量等 在线监测及自动协调控制，必须提高流量测量精度p j 。 本课题以火电厂实际的工程项目为背景，以提高煤粉的燃烧利用率为目标，对进入燃烧炉的煤 粉进行实时动态的流量测试监控，根据最优的煤粉配比方案实现定量给料控制。为了提高火电厂的 煤粉的燃烧利用率，需要考虑选煤，磨煤机，煤粉和空气的配比，燃烧炉的温度等多方面。本课题 抽出其中一个小模块进行研究，通过测试和监控煤粉流量来实现控制煤粉的用料控制以及煤粉与空 气的最优燃烧配比，最终达到优化燃烧节约能源的目的。 1 2 国内外定量给料系统的研究概况 煤粉流量测量是煤粉定量给料系统的一个重要部分，也是火力发电厂电力生产中的一个难题； 煤粉属于固体粉料，具有一定的流动性，可采用流量方式测量，也可以采用称重的方式测量。国内 外对粉料定量给料系统的研究还是较多，现今的定量给料系统一般是利用给料机配合物料计量装置 构成的，而其中粉体的质量流量测量是个很主要的部分，同时也是一个技术性难题l 4 j 。由于大部分 定量给料系统的主要是根据实际工况来选择测量原理和装置，差别主要在于测量原理，因此下面以 测试原理和装置为主体介绍。目前已得到应用的粉体定量给料测试设备主要有电子皮带秤，核子称， 失重秤，超声波流量计，冲量( 溜槽) 式流量计，科里奥利流量计。下面就分别简单介绍这几种系 统的工作原理。 东南人学硕士学位论文 1 电子皮带秤：电子皮带秤是在皮带输送机输送物料的过程中进行物料连续自动称重的一种计 量设备。其特点是称量过程中连续和自动进行的，通常不需要人员的干预就可以完成称重操作。国 外从上世纪5 0 年代就开始使用电子皮带秤应用较多的是西德s c h e n c k ( 申克) 公司的电子皮带秤 p j ，西门子妙声力公司的m s i 单托辊电子皮带秤【6 l ，美国的s c s x f a 型全悬浮式电子皮带秤1 7 1 ；而 国内则从6 0 年代末期开始生产电子皮带秤1 8 1 ，研究和应用较晚，大部分是在引进国外先进技术的基 础上进行研究开发，上海煤炭装卸公司下属的上海富德科技发展部研究开发的全悬浮式电子皮带秤 成功应用于工业生产中1 9 】，山东潍坊开发区微机应用股份有限公司研发成功的全荷式电子皮带秤i l u 。 电子皮带秤的测量精度与使用条件和环境条件有关，由于以皮带作为物料载体，考虑到皮带松 动、打滑，物料粘附及运动中的随机振动等因素对测量结果均有较大影响。因此，这种方式的计量 精度较低，而且运行环境不易密封，有可能出现粉尘污染、原料损耗等问题，维修难度大，传感元 件易损坏，零点漂移严重，解决零点漂移现场工作量相当大，并且控制系统不能长期可靠的稳定运 行，经常要进行实物标定，劳动强度大。 2 核子秤：核子称是利用放射源发射的丫射线穿透不同厚度的物料后，具有不同的物料强度这 一特性来测量并计算出物料的重量值的。6 0 年代末期起电子皮带秤投入使用后取代了传统的机械式 皮带秤一直占据着整个市场，而从1 9 8 4 年首都钢铁公司、内蒙古包头第一热电厂、上海吴泾化工厂 引进了美国伽瑞( k a y r a y ) 公司的核子皮带秤后，电子皮带秤一统天下的局面才被冲破i l 。国内 对核子秤的研究和应用较多，如北京煤炭机电设备技术开发公司研制的k j h n 核子秤i l 引，北京金日 新事业技术有限公司开发的瓜p l 3 型核子皮带秤自动配煤系统l l3 ，北京华科电子仪器开发中心生产 制造了华科h c 2 0 0 0 型微机核子秤并设计了基于h c 2 0 0 0 型核子秤的流量控制系统i l 引，盐城工学院的 陈益飞根据矿用核子皮带秤设计了基于模糊算法的核子秤定量给料系统l i 引。 由于物料粒度不同对堆积密度有影响、不同性质的物料比重不同以及物料含水量不同均对计量 有较人影响，因此，这种方式的计量精度也不高。另外，由于采用了放射线，对被测物料有一定的 限制和影响。 3 失重秤给料系统：失重秤式给料系统( 简称失重秤) 是一种煤粉定量给料的计量控制设备。 由于系统是利用计量仓内减少量米计量物料的，近于静态称量。失重秤煤粉给料系统主要由五部分 组成，即给料仓、失重仓、螺旋给料机、控制阀门和二次仪表。当称重仓内所装的粉体达到上限值 m m a x 后，给粉机即开始连续给粉，随着仓内粉量达到下限值m m i n 时，供料仓快速向称重仓内加粉， 此时计量系统按容积方式计量，即按加料前的状态参数计量。当称重仓内粉体又达到上限值m m a x 时，计量系统又重新按重量计量，由此循环进行工作，完成连续自动计量和给料l l 引。 国外对失重秤给料系统的研究应用由来己久，在食品、饲料、医药、煤炭、化工等部门都有广 泛的应用。国外，德国申克( s c h e n c k ) 公司、菲斯特( p f i s t e r ) 公司、日本大和制衡公司、法 国哈斯勒一费雷( h f ) 公司和皮拉得( p i l l a r d ) 公司等都有产品或配套技术【l7 j ；而在国内，在消 化、吸收国内外先进技术及的基础上，设计成的l w f 0 5 型煤粉失重给料秤也投入了应用i l 引。失重称 与一般电子称相比具有如下特点：具有静态仓式和动态连续给料的双重优点。由于失重秤是准静态计 量，有仓内物料减少量计算流量，因而计量精度和控制精度均达到0 5 ；而且因较强的工况适应 性所以在国内外都受到了重视，但系统结构相对较复杂，成本较高，安装空间高，要求进料阀的控 制阀门动作灵敏可靠。进料期间无法精确测量流量；进料时称重传感器受冲击载荷大；对外部干扰敏 感。 4 超声波流量计：超声波流量计的基本原理是超声波在流动的流体介质中传播时会载上流体介 质流速的信息，通过接收到超声波就能检测到流体介质的流速，从而换算成流量。超声波流量计是 近十几年来随着集成电路技术迅速发展起来才开始应用的一种非接触式仪表适于测量不易接触和观 察的流体以及大管径流量，相对与其它原理的流量计仪表而言，超声波流量计是新兴的仪表之一【i 引。 在国外对超声波流量计的研究较早，早在1 9 9 1 年，澳大利亚的b r i a nd s o w e r b y 等人将成功地将超声 波流量计用于火电厂燃烧炉煤粉流量在线测量分析并取得较好的测量精度p 9 ；1 9 9 6 年， 2 第一章绪论 d a a b e m e m y 等人通过调整测量方案进一步提高了煤粉流量的测量精确度【2 0 j 。 国内对此也有大量 的研究，吴斌等就超声波流量计的分类和应用进行了介绍【2 1 】；周雪绯分析了超声波流量计并结合实 际产品对超声波流量计的优缺点进行阐述1 2 引。 超声波流量计无需直接接触到管内流体，所以可用于测量强腐蚀性，非电导率、放射性及易燃 易爆介质的流量测量问题；同其他同类流量计相比，具有宽量程比，其量程比可达3 0 0 ：1 ，超宽的量 程比高达1 5 0 0 ：1 ，不产生压损可全线测量的特点。但是超声波流量计的安装要求较高，测量线路比 其他流量计更加复杂，维护成本较高。 5 科里奥利给料系统：科里奥利流量计使物料流在做直线运动的同时巧妙地加入旋转运动，使 物料产生科氏加速度，而物料又反作用与特定的部件，根据科氏力与质量流量的线性关系，通过测 量科氏力的大小可得到物料的质量流量。虽然科里奥利流量计的测试原理较为简单，但是技术要求 较高，因此到1 9 7 7 年美国人j a m e ss m i t h 发明基于振动方法、结构简单、将两种运动巧妙地结合起来 的振动管式质量流量计，才使科里奥利流量计的设计走出困境1 2 3 j ；自此在7 0 年代末8 0 年初才有美国 的爱默生高准( m i c r om o t i o n ) 公司推出第一台科里奥利流量计并投入实际的工业应用【2 4 j 。其后 s c h e n c k 公司推出了质量流量计量装置m u l t i c o r ，精度达n 0 5 ，性能不受物料密度、摩擦的影响。 在国内1 9 8 6 年引进这种流量计并在此后的十儿年中做了大量的研究工作，上海工业自动化仪表研究 所的李传经等人介绍了其工作原理、分类产品，并分析了应用中的一些实际问题1 2 副；中国科技大学 的纪爱敏等人介绍了此流量计的性能并总结了建模和分析情况【2 6 j ；其后上海交通大学的侯毅等人在 研究单根直管激振结构的科里奥利流量计的工作原理的基础上，对其进行了误差分析1 27 i 。科里奥利 流量计的测试精度虽然较高，但是技术难度大，结构相对复杂，价格相对昂贵，动态调零困难，维 护成本较高。 6 冲板式流量计：冲板式流量计是利片j 物料对测量挡板的冲击力来实现物料的质量流量测量。 物料以一定的角度( 非垂直) 下落到一块倾斜的挡板上，物料的冲击力分解为垂直和水平方向两个力， 垂直力由系统机械机构抵消，水平力造成挡板的水平移动，通过差动变压器式传感器( 也可以是其它 方法) 检测出水平力的大小，而水平力与质量流之间存在着近似的线性关系，根据这种线性关系来实 时检测物料的瞬时流量和累计流量。冲板式流量计主要由导料管( 或导料溜槽) 、检测机构( 包括检测 板或检测溜槽等) 、称重传感器、称重显示控制器组成。冲量式流量计的称重传感器是采用差动变压 器检测冲板的所受到的冲击力的水平分量盟j 。 此类物料流量计的应用较早，使用较为广泛的是日本三协电业公司和德国e + h 公司的i l e i l h 型 冲击( 亦称冲板) 流量计和德国申克公司的d l m d l d 和f l m 、f l o 型溜槽( 亦称滑槽) 流量计l 删j 。 早期产品是测量垂直分力，目前广泛采用较好的测量水平分力的方式，其测量精度优于4 - 2 l j 。这 种测量方法简单易行，精度较高，维护成本较低，因此得到了广泛应用。 从当前的应用情况来看，冲板式和科里奥利流量计是目前被广泛认可和采用的，由于冲板式具 有抗冲击、抗过载能力强、抗粉尘、下料连续、所需空间小、长期免维护稳定运行等优点，所以冲 板式应用居多。本课题设计使用的是一种新型的冲板式定量给料系统，它利用冲量原理来测得粉体 的质量流量，其机构简单能适应恶劣的工业环境，并实现真正意义上的连续测量，对检测到的数据 进行处理和补偿可以进一步提高精度。 国外对冲板式粉料测量系统的研究较早，并很快实现了工业应用。日本三协创新株式会社是世 界上研制粉体计测仪表的先驱，该公司也早在1 9 6 8 年便将第一套冲板式流量计投入国际市场1 3 。 德国e + h 公司的i l e i l h 型冲板式流量计以及德国申克公司的d l m d l d 冲板式流量计也在七十年 代研究成功并投入工业应用。1 9 7 8 年m i t c h e l l ，j 讨论了如何对固体质量的质量计量问题p 引。1 9 8 8 年， 澳犬利亚m a r 公司的第一个冲板式称重流量计被安装使用在工业矿山上；1 9 8 9 年，澳大利皿另一 家公司_ f l o w f o r c e 的第一个内带压力传感器的冲板式称重流量计投入使用，并在同年推出了 内带流量变送器的连续计量冲板式流量计【3 3 1 。1 9 9 1 年l a u b e r j 就冲板式流量计在水泥工业中的应用 进行理论探讨和研究【3 4 1 ：f u q u ns h a o 等人研究了在炼铁工业生产中的煤粉流量的测量，并设计一套 3 东南大学硕士学位论文 流量计量装置，但是测试精度较低【3 5 1 。e r i cp m a y n a r d 等研究了固体散料在流量计量中的粉仓和给 料装置选择，为实现散料的流量准确计量提供了参考意见p 6 1 。随后几年，各国厂家分别推出了自己 的冲板式流量计。起初的冲板式流量计都只是对粉体的流晕进行直接性简单一次测量，无法保证较 高的精度，并不能进行快速反馈和控制。而近儿年各公司推出的新型冲板式流量计不仅仅是提高简 单流量计量的仪表，而是在高精度下进行反馈控制和在线监测的控制系统。申克公司在原有产品的 基础上推出了新一代冲板式流量计m u l t i s 打e 锄b 6 0 实体物料流量计，此流量计为闭环在线测试 系统，可以实现瞬时流量和累计流量的准确测量，测量精度在2 以内 3 7 1 ；新加坡t h e r m o 公司推出 了r a m s e yd e l 0 和d e 2 0 粉料在线称重冲板式流量计能适用多种复杂工况和不同物料的计量，此流 量计适应性较强，但计量精度不高【”】；美国f l o w w a y 公司推出的f i o w a y 冲板式流量计具有很强 的适应性，并能提高连续动态测量及在线传输控制，但还未达到高精度测型 j 。 而在我国冲板式流量计的研究较早但应用相对迟缓。虽然早在6 0 年代末，对冲量式同体流量计 的研究就已经开始，但是由于测量原理的缺点使得系统在物料粘附于板上时会产生较大的零点漂移 误差所以一直未能投入应用。直到8 0 年代初，利用冲击力水平力原理的流量计的诞生，才从理论上 解除了零点漂移等问题，并有了实际的应用。营口市仪器三厂的范正田等人于1 9 9 1 年在论文中叙述 了固体流量计的工作原理、结构特点及应用状态，从理论上分析了固体流量计的冲击力和流量、高 度等参数的关系并提出了实际实用中的经验公式，为后来的固体流量计研究提高了参考和借鉴【4 川。 陈成于1 9 9 2 年在介绍集中常用的几种固体粉粒的流量计量的仪表后，详细介绍了冲板流量计的两个 部分- d e l 0 d 型传感器和m e l 7 0 二次仪表的原理和结构 4 1 l ；这种结构的流量计是使用了阻尼弹 簧作为变送器，计量精度有所提高。鲁烈明等人于1 9 9 4 年根据本单位实际的生产经验，着重分析了 冲板流量计计量误差的几个主要因素，并提出了措施和观点，为此类应用的设计选型和安装调试提 供了参考【4 2 】。随后孙宇瑞等人根据农业中谷物流量的测量要求设计了一种基于冲量原理的压电式谷 物流量试验装置，并在文中对不同物料进行了标定和测试，测量精度基本达到了国际上农业应用的 要求，其研究成果有一定的借鉴意义【4 3 】。2 0 0 4 年高太龙应用双平行梁传感器并使用了单片机对煤粉 流量进行连续测试计量，计量精度有所提高，但仍未实现高精度计量j ；同年，中南大学的李守雷 介绍了一种基于冲量原理的新型固体物料计量装置，该装置采用了在线修正的数据补充软件一定程 度上提高了计量精度【4 5 1 。2 0 0 5 年上交大机电控制研究所的周俊等人对农业中使用的冲量式谷物质量 流量传感器进行了建模，并提出了使用悬臂梁弹性元件阻尼设计的重要性，进行了阻尼设计分析为 后来的冲量传感器的研究提供了借鉴1 4 卅；同年安徽理工大学的顾金梅以p l c 控制技术为基础，使用 v b 编制上位机程序设计了定量给料系统，但并未实现试验研究和工业应用【4 j 。 2 0 0 6 年沈阳工业大学的李德隆以冲量原理为依托设计了冲板自动称重系统，分析了冲量流量计 的不足和引起误差的原因，介绍了对冲量流量计进行非线性校正的算法，但其测量精度并不令人满 意【4 7 1 。2 0 0 7 年东南大学的叶惺引入模糊算法设计了基于a t 8 9 c 5 2 的散料固体流量控制系统，在文 中提出了使用模糊算法对流量实现控制测量的方案，但系统稳定性较差，测量精度有待于提高j 。 2 0 0 8 年张科等人使用煤粉流量计实现了高炉喷煤系统的煤粉的连续计量，对以后设计同类系统提供 了参照，但其高精度计量并没有得到实现【4 9 1 。2 0 0 9 年太原理工大学的白雪峰，乔铁柱在研究原联邦 德国e + h 的冲板流量计的基础上，对冲板流量计进行了结构改进并引入x t r l 0 1 芯片构成新的变送 器，改进后的冲板流量计更加稳定可靠，操作也较为简单但并未进行实际的试验验证p u 】p 。 以上的研究大多是针对自己实际工作中遇到的问题展开的，虽然有了一定的理论成果和应用经 验，但是面临的问题还是较多，冲板式流量计流量的高精测量控制尚未实现。 1 3 课题的主要研究任务 本文结合火电厂实际科研课题，在分析现有的给料系统的优缺点的基础上，根据实际工况对煤 粉给料系统的控制部分进行改进设计。本文在试验平台上对系统进行试验研究，并根据分析结果对 4 第一章绪论 关键部件进行结构改进设计并利用软件算法提高测量控制精度。主要的研究内容如下： 1 对下位机硬件电路和上位机监控程序进行改进设计，提高系统的电子抗干扰能力并完善上位 机监控程序。对影响系统的干扰因素进行分析，提出抗干扰措施以提高系统的稳定性。 2 综合考虑p i d 和模糊控制算法的控制特点，设计模糊p i d 控制算法来初步实现对煤粉流量的 测量控制。 3 为了验证系统的可行性和可靠性，模拟给煤机设备搭建了试验平台并进行试验研究。在对试 验数据进行初步分析的基础上，针对出现的设备振动干扰引起的信号异常等问题，对比同类流量计， 对冲量流量计结构进行改进并设计了流量计量设备。为了消除机械振动带来的误差，引入莱特准则 以实现试验数据中的野值剔除。对系统设备惯性和振动而导致的累积流量数据的失真问题，使用最 小二乘法对瞬时流量进行了算法修正，提高测试精度。 4 为了验证流量计量机构改进和算法修正的有效性，开展重复试验，采集瞬时流量和累积流量 数据并进行误差分析。结果表明，系统的测试误差从3 降t l 毛n o 5 。 5 东南大学顿学位论文 第二章煤粉定量给料系统设计 煤粉定量给料系统是对火电厂锅炉的煤粉流量进行实时测量和控制以实现对煤粉的定量给料的 设备。本章在分析现有给料系统稳定性较差，精度偏低等问题的基础上对煤粉定量给料系统进行 改进设计。结合火电厂给煤机组的实际工况，选取其中一套给煤机设备设计煤粉定量给料系统。为 实现系统数据通讯的安全性和高效率，对系统的控制部分进行改进设计。对变额器进行分析选择并 传感器进行重标定。最后，分析影响系统稳定性的干扰源，并从软硬件两方面设计抗干扰措施提高 系统的抗干扰能力。 火电厂实际的煤粉供应是由多台给煤机组成的，所以本文先选择其中一台给煤机进行设计研究， 以后可阱在此基础上组成d s c 系统。本系统主要由机械部分和控制部分构成，其中机械部分包括了 培料装置、流量计量装置( 冲板流量计，导流装置) 两部分而控制部分包括三相鼠笼电机、变频 第二章挥特定量给料系统设计 器、硬件控制电路以及上位机p c 几部分。冲扳式煤粉定量给料系统结构示意图如图2 - 3 所示，而 系统试验平台实物圈如图2 4 所示。 系统的丁作原理如下：煤耪仓内的煤粉通过水平星轮转子给料机均匀稳定地导入冲板式煤粉流 量计，煤糟的瞬时流量咀及累积流量数据可以通过称重传感器的输出值而间接得到。此流量数据被 送入控制系统，控制系统将实测流盈和设定的流量值相比较，并用所得的偏差值通过控制算法得到 精确的控制量。然后通过对电机的变频调速以使得实际流量趋近于给定值，从而实现整个系统的定 量给料。 幽2 - 3 试验平台示意圈 2 12 系统的设计流程 目2 - 4 试验平台实物圈 在本课题中，煤粉定量给料系统主耍由机械部分和控制部分组成。而控制部分包括软件和硬件 其中硬件部分主要包括控制主板控制核心的选择、外围芯片及相关硬件扩展电路的设计。软件部分 主要包括控制主板和上位机的通讯、监控程序界面设计以及数据库设计三部分。本系统设计时主要 按以f 流程进行。 1 、根据火电厂实际运行情况，进行系统整体方案设计： 2 、针对系统现场工作的控制要求来完成系统的硬件电路改进设计及相应的软件编程： 4 、完成控制主板的电路原理圈设计和电路板制作并进行功能调试； 5 、进行上值机监控程序改进设计，包括主极和上位机通讯程序编制、数据库的设计、监控软件 界面设计。 6 、在试验平台上对系统进行试验研究井根据试验数据分析对系统进行机械结构或软硬件的改 进，完成测试试验并完成试验数据的误差分析。 东南大学硬士学位论文 2 2 系统下位机的改进设计与实现 2 2l 系统硬件结构介绍 根据系统的控制要求，选用功能强大的d s p i c 3 0 f 4 0 1 3 为控制主板核心，辅助以滤波放大、c a n 通讯等外围电路为实现煤粉流量的测量和控制提供了一个硬件平台。 要完成测试系统中大量数据的采集，处理以及传输，需要一款性能优异的芯片，在此选用 m i c r o c h i p 公司的d s p i c 3 0 f 4 0 1 3 数字信号处理器：和传统的m c s 5 1 系，0 单片机相比不仅具有更强大的 性能，而且具有更加完善的适应工业环境下的稳定性，包括抗干扰能力，灵活的看门狗设计，故障 保护时钟监视器操作等。定量给料系统主板的硬件结构结构框图和实际的控制主板实物图如图2 - 5 、 图2 巧所示。 囤2 5 系统硬件结构框目 幽2 _ 6 彖统碰件控制主板 第二章煤粉定量给料系统设计 2 2 2 外围扩展电路改进设计 虽然d s p i c 3 0 f 4 0 1 3 拥有丰富的片内资源，但外围基本接口电路、通信接口电路、人机接口等还 是不可缺少的。系统的外围电路主要包括了晶振电路、电源电路、信号滤波放大电路、c a n 通讯电 路、r s 4 8 5 通讯电路等，在此选择几个接口电路模块进行分析介绍。 1 ) c a n 接口电路 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) ，即控制器局域网，是一种串行通信协议，和一般的通信总线 相比，其数据通信具有突出的高性能、可靠性和实时灵活性。虽然d s p i c 3 0 f 4 0 1 3 集成了一个完全的 c a n2 0 b 控制器模块，但是还需要在外围扩展一片c a n 驱动芯片就能实现c a n 通讯，在此选择 p h i l i p s 公司的p c a 8 2 c 2 5 0c a n 驱动芯片来构成c a n 接口电路【5 2 1 。另外为了提高系统的稳定性，使用 了2 个6 n 1 3 7 光耦在控制器与驱动模块之间以实现数字隔离1 5 3 1 ，并引入d c d c 电路对控制器与驱动器 的供电电源进行隔离，相应的电路原理图如图2 7 和图2 8 所示。 图2 7c a n 接口电路原理图图2 8d c d c 电路原理图 2 ) r s 4 8 5 接口电路 r s 4 8 5 是美国电气工业联合会( e i a ) 制定的利用平衡双绞线作为传输线的点到多点通讯标准， 只需要两根线就可以实现数据的接受和发送，同时采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰的 能力。本系统选用的三菱变频器支持r s 4 8 5 通讯协议，所以只需对内嵌了u a r t 模块的d s p i c 3 0 f 4 0 1 3 编程就可以实现控制主板对变频器的控制和数据通讯。 主板上选用m a x 4 8 5 作为接口器件，对它采用单一的+ 5 v 电源供电，采用半双工通讯方式，并 在a 、b 间接入一个匹配电阻可以消除长距离传输对信号的影响，接口电路原理图如图2 - 9 所示。 哑塑划r ov c c 旧 丽圃爿d e r ea b 曛 异 = 暑搴一d i g n d 卜二 m a x 4 8 5 鼍r 图2 9r s - 4 8 5 接口电路原理图 3 ) 硬件看门狗电路 r 4 l o k 为了提高系统的稳定性和抗干扰能力，选择p h i l i p s 公司的k a x 7 0 8 t 设计了既有电源监控和数据 保护又有看门狗作用的硬件看门狗电路【5 4 】，相应的电路原理图如图2 1 0 所示。 幽 _ 2 v c cr e s e r 8 。? 一i v l c l r1 = = 3 广 m rr e s e t 产p ， p f o 5 4 g n dp f i。1 图2 - 1 0 硬件看门狗电路原理图 9 东南大学硕士学位论文 2 2 3 下位机系统的软件实现 1 ) 开发环境介绍1 5 副 在系统的硬件调试和软件实现过程中，在m i c r o c h i p 提供的m p l a b 集成开发环境( i d e ) 中，通 过m p l a b c 3 0 编译器采用c 语言和汇编语言的混合编程，既增强了程序的可读性和可移植性，又 提高了程序的执行效率。 m p l a b 集成开发环境( i d e ) 是综合的编辑器、项目管理器和设计平台，适用于使用 m i c r o c h i p 的p i c m i c r o & r e g ：系列单片机进行嵌入式设计的应用开发。m p l a bc 3 0c 编译器 是一个全功能的优化编译器，可将标准的a n s ic 程序翻译为d s p i cd s c 汇编语言源代码。同时它 还支持许多命令行选项和语言扩展，可以对d s p i cd s c 器件的硬件功能进行完全访问，以便更好地 控制代码的生成。 2 ) 下位机系统的软件实现 为了实现硬件模块的功能，需要利用m p l a b 编制相应的软件程序，例如信号的a d 采样转换、 数据的c a n 通讯、控制主板和变频器之间的r s 4 8 5 控制通讯。在此主要介绍主板对变频器的编码控 制。 上位机可以通过r s 4 8 5 通信进行运行状态的监控、运行频率的设定、启动、停止变频器等操作。 但控制主板和变频器之间传输采用的数据类型并非简单的十进制类型；在编码控制中，采用的是十 六进制数，并自动使用a s c i i 码传输，来实现控制主板和变频器之间的数据通讯【5 6 1 。如运行频率的 写入时采用的数据格式类型如下图2 11 所示。 【数据写入】 。3变频器 指令代码 等待 数据 总合 4 e n q站号时问校验 2345 6 7 8 91 01 1 1 2 1 3 字符数 图2 一l l 变频器数据格式类型 其中e n o 为控制符，实际发送的是1 6 进制数据0 5 ，其余的字符均用a s c i i 码表示。变频器站号 范围为o 3 l 。指令代码在变频器手册中给出，本文中写入的是“e e ”。对于不同的运行指令所对应 的数据也不同。实际在编码的数据是通过以下方法得到的：用设定的频率数值乘以1 0 0 并装化为1 6 进制数，然后再对1 6 进制表示的频率进行 a s c i i 编码。总和校验求法如下：将从“站号”到“数据” 的a s c i i 码按1 6 进制加法求和，再对和的低两位进行 a s c i i 编码。最后一位c r l f 。使用m p l a b 软件 编制的编码控制程序部分代码如下，变频调速程序见附录a 。 严一频率数据的写入一 v o i ds e t f r e q u e n c y ( i n ti t e m p f r e q u e n c y ) i n t j i t e m p ； i t e m p = i t e m p f r e q u e n c y 幸1 0 0 ； i n t i f r e q u e n c y d a t a 15 】； i f r e q u e n c y d a t a 0 = o x 0 5 ； i f r e q u e n c y d a t a 1 = 0 x 3 0 ； i f r e q u e n c y d a t a 2 = o x 3 1 ； i f r e q u e n c y d a t a 3 2 0 x 4 5