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1 引言
目前，我国火力发电厂生产过程中通过调节进入炉膛的煤粉量来控制锅炉的燃烧情况，煤粉量控制的好坏直接影响到锅炉安全、经济、稳定运行。在中储式制粉系统中调节进入炉膛的煤粉量是通过改变给粉机的转速来买现的，而在直吹式制粉系统中则是通过改变给煤机的转速来买现的。在钢球磨煤机制粉系统中，给煤机的给煤量也是通过调节其转速来实现的。因此，调速装置的性能直接影响主设备的运行。
在火力发电厂中，给粉系统中一般采用滑差调速、直流调速两种传统的调速方式。
1.1 直流调速的缺点
(1) 直流电机体积大，造价高，设备复杂，安装拆卸不方便;
(2) 直流电机故障率高，电刷与换向器间容易产生接触不良，电刷磨损较快，电枢容易短路，维修麻烦，费用高;
(3) 直流调速板可靠性不太好，环境比较恶劣时，水潮气容易使直流电机接地短路，使电机或调速板烧坏，调速板维修又特别困难;
(4) 直流调速系统性能差，调速比小，特别是在低速运行时，满足不了一定的转矩;
(5) 调速系统抗干扰性差，直流调速板附近如果有电磁干扰，调速板就不能正常工作;
1.2 滑差调速的缺点
(1) 给粉机现场煤尘多，电机常常因煤流堵塞而烧坏;
(2) 滑差电机在运行中容易出现堵转和同步现象，运行维护量大，维修麻烦;
(3) 滑差电机调速线性能较差、控制精度差、误差大，难以进行给煤量精确计算和控制。特别对直吹式制粉系统锅炉，难以维持给煤机有相同转速、给煤机转速差别较大、给煤量较难控制，从而燃烧工况不太稳定;
(4) 滑差电机调速系统设备接线复杂，经常出现断线问题(滑差电机调速原理所确定)，进而影响给煤机的正常运行;
(5) 滑差电机保护功能单一，经常发生电机因过负荷，而烧毁电机的问题;
(6) 滑差电机调速特性和稳定性较差，对直吹式制粉系统锅炉，由于给煤机的给煤量等于磨煤机的制粉量，等于锅炉燃料消耗量，从而影响主汽压力自动投入和负荷的稳定，影响锅炉的正常运行;
(7) 滑差调速电机效率低、损耗大、容易发生故障。
所以上述两种调速方式已满足不了现代大型电厂生产发展的需要。随着技术的发展，变频器经过十几年的发展完善，产品性能，可靠性、稳定性都有很大的发展，现在的变频器普遍采用了最新的电力电子器件，绝缘栅型双极晶体管(IGBT)它克服了大功率晶体管存在的二次击穿现象，充分保证了变频器的可靠性。在控制方面采用的数字信号处理器(DSP)运算速度高达16.7MIPS以上，具有32位数点小数运算功能，充分保证了变频调速大量控制参数的采集和运算以及对外通讯，控制方法上采用无速度传感器矢量控制，具有很硬的外持性，可与直流调速系统媲美。采用多种优良的控制技术，实现了全面的保护功能，同时整个系统的合理集成和系统的完善设计，基本上满足了免维护的要求。这为变频控制装置纳入给粉控制系统，对降低系统运行成本，提高系统可靠性具有极大价值。
2 系统构成
锅炉给粉变频调速系统一般由PLC、工控机、I/O采集板卡、通讯网络及组件、同操器、操作器、备操板、变频控制柜、IP44鼠笼电动机、叶轮给煤机及冗余电源柜和内部转换控制板等组成。通过控制电动机的转速来实现对给粉机的控制，系统具有失电、过压、欠压、过流、缺相及电机过流自动保护。同时根据反馈量及工艺情况可选则单路操作、多路操作、自动操作等手段进行控制，有多种互备操作方式，并能与DCS系统实现通信。
3 应用举例
某发电厂的6#炉原配用12台给粉机，采用电磁滑差调节方式进行调速控制。运行使用过程中，因堵粉、异物、机械卡涩等原因，电机多次被卡住，影响了正常的设备运行。为提高系统运行的安全行和可靠性，我们选择AB公司的1305变频器进行6#炉给粉机的调速控制系统的改造。
3.1 构成
由PLC、工控机、AI采集板卡、DO采集板卡、DI采集板卡、通讯网络及组件、轨迹球、操作键盘、备操板、变频控制柜、IP44鼠笼电动机、叶轮给煤机及冗余电源柜和内部转换控制制板等组成(见附图)。PLC与变频器采用SCAN port协议进行通讯,PLC与工控机采用以太网通讯。
附图 控制系统图
12台给粉机采用AB公司1305型变频器控制，安装在1个控制柜内，控制柜内安装两台并行运行的直流24V电源，给柜内每个变频器的运行状态监视继电器、V/I转换器、通讯模块和变频使能继电器提供电源。原MFT硬接线联跳给粉机控制回路由MFT出口继电器提供一个接点与给粉变频使能继电器KJ并联(每个KJ控制4台给粉机变频器，12台变频器共设计3个使能继电器KJ)，当MFT发生时，接点闭合启动给粉变频使能继电器KJ，实现硬接线联跳给粉机的功能。
3.2 设备选型
变频器:美国AB公司1305系列，有通讯扩展和人机界面;
工控机:台湾研华;
PLC:美国AB公司SLC500系列,有以太网接口;
显示器:韩国三星公司21寸LCD显示屏;
通讯模块:美国AB公司SCANport扫描模块;
轨迹球:罗技公司;
I/O板卡:台湾研华;
变送器:罗斯蒙特3051系列;
操作键盘:自产，接受信号为54DO/73DI;
备操板:自产，可实现对任一台变频器进行手动控制和监视;
PLC编程软件:RSLogix500 English;
通讯组态软件:RSLinx;
组态软件:RSView;
操作系统:WIN2000;
通讯软件:RSCommon;
控制柜:GCS柜;
电动机:3相380V鼠笼电机，防护等级IP44;
24V电源:辽宁朝阳。
3.3 系统设计特点
PLC与变频器采用SCAN port协议通讯，12台变频器只需一条四芯双绞线串接到PLC通讯扫描模块上，由PLC进行控制，减少了大量的硬接线及后续维护。
PLC与工控机采用以太网通讯，大大提高了数据的吞吐量。
AC380V供电电源冗余设计，二路输入电源自动切换。
变频器为美国AB公司1305系列，具有业界极高的先进型和稳定性。
PLC为美国AB公司SLC500系列,素有工业控制现场小巨人之称号。
PLC编程软件、通讯软件、通讯组态软件均为美国AB公司最新产品。
上位机操作系统为WINXP SP2，基于NT构建，稳定性极佳。
除变送器及电动机外，其余设备均放在主控室内，具有良好的安全性和可维护性。
采用三级互备操作。
系统设有多层保护功能。
(1) AB1305型变频器特点
在全速范围内，实现突出转矩性能的无速度传感器矢量控制;
v/f控制方法仍然有效，可以通过参数选择;
模拟量I/O选件;
隔离式，非隔离式;
双极性，单极性;
多输入/输出;
0到10V， /-10V，0"20mA;
插板式通信选件;
自动整定易于无速度传感器矢量设定;
负载丢失检测;
超前动作限流保护，提供优良性能和灵活应用;
选择编码器作反馈元件，调速精度能达到0.1%;
对正在旋转的电动机上电时，提供飞速起动;
利用S曲线加速和减速，对速度变化提供平滑控制;
为简单的过程控制，提供内置的完整的PI调节软件;
载波频率可调;
人机接口和通信可选件之间，使用SCAN port通讯协议;
控制板上的状态二极管(LED)，可显示电源、运行、停止和故障状态。
3.4 操作特点
系统采集机前压力、饱和压力、两个炉膛负压作为反馈量，信号为4～20mA标准信号。
系统采集粉机电源的电气联锁保护信号、炉膛灭火保护FSSS及消防信号做为联锁信号。
系统采用三级互备操作，正常时利用轨迹球对LCD进行操作达到对整个系统的控制，系统可实现单路操作，多路操作和自动操作，过程为通过轨迹球对组态界面的操作，上位机通过以太网通讯发给PLC相应数据，变频器根据PLC通过SCAN port协议网络发出的运行控制指令和本身的参数设定特性，改变输出功率，控制电动机的转速，完成其控制锅炉给粉机的功能。当LCD及轨迹球损坏时系统可切换到专用键盘进行操作，利用专用键盘系统也可实现单路操作，多路操作和自动操作，过程为通过对专用操作键盘进行的操作，上位机的I/O卡件接受专用操作键盘的控制指令，经过组态软件的处理后，通过以太网通讯发送给PLC相应数据，变频器根据PLC通过SCAN port协议网络发出的运行控制指令和本身的参数设定特性，改变输出功率，控制电动机的转速，完成其控制锅炉给粉机的功能。上述设备均损坏时由备操器进行操作，系统实现手动操作，系统正常时不可对备操器进行任何操作，备操器工作过程为通过对备操器进行的操作，相应变频器控制方式由通讯控制方式转换为端子控制方式，备操器发出的运行控制指令和电位器的调节信号传给变频器，变频器根据本身的参数设定特性，改变输出功率，控制电动机的转速，完成其控制锅炉给粉机的功能。
考虑到锅炉连续运行的特点，专门设置了控制信号丢失和输入信号失电时保持运行的功能:通讯信号和电位器等控制信号丢失后，给粉机保持原来的运行工况，并有相应备用操作方式进行跟踪，输入信号失去电源时，保持给粉机低转速230r/min运行。
系统具有失电、过压、欠压、过流、缺相及电机过流自动保护功能及相应报警，并具有PLC及工控机异常报警功能。
单路操作:即对每台变频器的投运及转速控制进行单独操作，界面由每组三个，12组按钮进行操作。专用键盘设有对应的按钮和指示灯。
多路操作:即对每组变频器的投运及转速控制进行单独操作，界面由每组三个，7组按钮进行操作，对应1－4、5－8、9－12、1－3、2－4、5－7、6－8七种组合，表示可分别对下、中、上三层和下层对角、中层对角同时进行增加和减小转速的操作，专用键盘设有对应的按钮和指示灯。
自动操作:即PID自动调节，可实现每一层及每一台变频器的自动控制，调节部分由PLC内部的PID调节器来完成，专用键盘设有对应的按钮和指示灯。
通过以太网通讯可将系统所有信息上传给DCS或上层管理网。
3.5 上位机组态设计
采用图形化的管理和监控界面，让用户可以直观地管理和监视设备的运行状况。
多层界面设计、良好的图形结构、形象的趋势图:便于在图形界面上监视管理变频系统各设备的运行状态，并显示各设备的实时活动画面、工况参数及故障报警;以图形方式显示当前或历史上某一时刻的运行参数，图形包括系统总平面图、各分系统的系统图和任意分系统内某一部分子系统或设备的局部图。还针对各种不同的数据作出趋势变化图形，显示系统中某些参数在指定的一段时间内的变化曲线，可以对系统运行的情况进行分析。各种图形间相互转换通过轨迹球自由选择。
故障诊断、报警及故障处理:系统独有的报警及事故保障程序，可对系统发生的故障和危险进行及时判断，并采取有效措施。系统实时接受各部分送来的参数状态信息，经分析整理后将故障信息及时在屏幕上进行显示，上述信息都贮存在硬盘的故障信息库中，供以后查找和分析。设备一旦发生故障，可通过网络通讯及时在主机报警显示并自动进行故障数据存盘，主机立即发出指令对设备进行保护及相应的连锁操作。
3.6 PLC编程设计
采用子程序结构，编程格式为传统的PLC常用语言梯形图，并用中文和英语单词标注说明。
3.7 功能特点
变频调速系统调节范围宽，灵敏度高，线性度可达0.99，电气控制回路简单、可靠;
变频调速电机效率高，节能节电，与滑差调速相比可节能20%～30%;
电机只接受频率可调的三相电源，省去了机械变速齿轮装置;
以微处理机为基础的交流变频器替代了机械调速机，使得电动机调速控制系统运行可靠，维护方便，性能价格比高;
可实现电机转矩恒定，平方转矩，功率恒定输出等各种运行方式;
交流电机安装在现场，而控制柜则安装在电气控制室，设备运行条件得到了改善，减少了现场维护量;
可以对多参数实现编程输入;
具有失电、缺相、过压、欠压及过流自动保护功能;
双工作电源互为备用，当一路工作电源出现失压、断电时，另一路工作电源自动投入;
给粉均匀，燃烧稳定，降低了锅炉稳燃投油值;
系统自投率可达90%以上。
4 结束语
给粉变频调速控制系统克服了燃煤锅炉煤粉通常调节方法的缺点，锅炉给粉应用变频调速控制系统后具有节能、调速线性、运行可靠、经济性好、运算精度高、人机界面友好等优点，极大的提高了热工自动控制的准确率、投入率和利用率，提高了能源利用效率，改善了系统运行工艺和主汽压力品质，具备了完善的保护功能、降低了运行成本、提高了经济效益，是电厂锅炉给粉调节系统设计与改造中最优选方案之一。