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1． 基本原理
我国火力发电厂中，磨煤机还在大量的使用，大多数磨煤机还处于人工手动控制的状态，造成磨机内存煤量变化大，制粉效率低，吨煤耗电量大，钢球和衬板损耗大，另外，由于制粉状态变化大，煤粉细度与均匀度也难以保证，不利于锅炉燃烧且使得飞灰可燃物增加，无形中也增加了能源消耗。
磨煤机内煤块、钢球和衬板相互碰撞产生噪音，该噪音随着磨煤机内装煤量的变化而变化。装煤较少时，钢球、衬板碰撞的几率大、能量大，产生的噪音大；随着装煤量增多时，因为煤块的不断填充，钢球、衬板碰撞的几率减小、能量变小，产生的噪音也减小。因此，用音频传感器就可以检测到磨煤机装煤变化的多少。借助测量学、电子学、声学等多学科知识，进一步通过音频变送器对代表装煤量的信号进行放大、滤波和噪音特征谱识别，输出符合DDZIII型仪表标准、正比于磨煤机装煤量的直流电流信号。该传感变送器还具有Profibus现场总线接口，可方便地与现场总线系统对接。
磨煤机是一个大惯性、纯滞后、动态特性复杂的对象，数学模型难以建立，而且其数学模型随着时间变化也在缓慢变化着。针对磨煤机运行的这一特点，其基本控制策略适于采用模糊PI。模糊PI是近几年发展起来的一种PID改进算法，这种控制方法不需要知道被控对象的数学模型，可以根据运行人员的实际经验总结模糊控制规律，并在被控量接近给定值时，采用PI控制，以保证被控量快速，稳定地运行在给定值上。我们的研究表明，该模糊PI控制器能够获得良好的动、静态控制性能，可以保证磨煤机内的存煤量快速准确地稳定在设定值。
采用自适应的方法可以使给出的设定值能真正代表并能实时跟随磨煤机的最佳工作点。深入分析磨煤机的工作特性曲线（图2－1），有助于寻找磨煤机的最佳工作点，即磨机的最大出力点。在图2－1中，音频信号是随着磨煤机内存煤量的增加而递减的，见曲线3。为了方便起见，在音频变送器中对信号进行了简单的处理，把递减的音频特性曲线转换成递增的曲线，如图中曲线4所示，这时信号大就表示磨煤机内的存煤量多。 （图片）
曲线1为功率特性，曲线2为出力特性，曲线3为音频特性，曲线4为处理后的音频特性
图2-1 磨煤机的工作特性曲线通过对磨煤机特性曲线的分析可以得到以下一些结论：
a. 磨煤机的最大出力点即最佳工作点在图中的f2点。
b. 在磨煤机的运行中，当其内存煤量较少时，因钢球相互碰撞导致磨煤机噪音（即音频）信号较强；随着其内存煤量的不断增加，钢球间的空隙逐渐被物料填满，因而磨煤机噪音信号逐渐减弱。当磨煤机出力达到最大时（图中f2点），钢球间填满了煤块，噪音信号也就基本不变了。反映在图中曲线3，噪音信号变得非常平坦。可以利用噪音曲线到达最大出力点后变化率很小这一特性。
c. 磨煤机的运行范围可划分为3个区间，如图2－1中I，II，III所示。可以看出：磨煤机工作在I区时耗电量较大，出力较小，显然不合适；工作在III区时易于堵煤，发生满灌事故。II区是最佳的运行区域，并且应尽可能使磨煤机的工作点向f2点靠拢。
随着时间的变化，图2-1中的曲线会发生漂移，但各曲线的相对位置不变，采用在线自适应方法可以实时跟踪最大出力点，保证磨煤机始终运行在最佳工况。
2．关键技术
本产品的关键技术是：运行过程中磨煤机内装煤量的智能检测技术、制粉系统的控制策略、控制系统硬件结构的模块化、软件功能模块化。
磨煤机内装煤量检测技术：采用自主开发的智能音频信号传感—变送器来实现。该变送器的核心采用DSP处理器，可实现音频信号的频段选择，数字滤波，能量积分，有效值变换等功能，其作用是在磨煤机运行噪音中检出与装煤量相对应的频段，滤除机械噪音，并对相关频段进行能量累计和有效值变换，从而间接得到磨煤机内的存煤量。其结果可以用4～20mA模拟量输出，也可通过Profibus-DP现场总线来传输。
音频信号传感—变送器的结构如图2-2所示：（图片） 磨机负荷的控制策略：针对磨煤机大惯性、纯滞后及参数时变的特点，采用自适应——模糊PI相结合的控制策略及双层控制结构，如图2-3所示。图中自适应控制器的作用是给出一个适当的设定值R；而模糊PI控制器则保证了被控对象的输出可以跟随该设定值。
自适应的引入，使控制系统能够实时跟踪最大出力点，保证磨煤机始终运行在最佳工况，从而真正起到节能降耗的效果。自适应－模糊PI相结合的控制策略，不仅可以保证磨煤机始终运行在最佳状态下，而且能达到安全节能、提高产品质量和产量的目的。（图片）
图2-3 磨煤机自适应—模糊PI控制系统磨煤机负荷控制系统硬件结构的模块化：针对火电厂不同磨煤机类型推出了直接数字控制（DDC）、小规模现场总线控制系统（FCS）和与现有大型DCS系统相融合等实现方式，使系统更具有适应性和通用性。
采用DDC系统实现磨煤机的负荷控制，适用于磨煤机数量较少（如只有1-2台）的情况，此时，磨煤机负荷控制系统既可以自成体系，也可以方便地连入已有控制网络，具有结构紧凑和操作方便的特点。
对拥有多台磨煤机的发电厂，采用如图2-4所示的两级分布式集散控制系统结构，可以保证系统具有较高的可靠性，某个单回路调节器出现故障只会影响该磨机系统，不会对邻近的磨机控制系统造成不良影响。此外，由于每个磨煤机系统都可以采用一台调节器或PLC系统进行控制，因此控制算法的编写、调试和修改都很方便，易于取得良好的控制效果。
小规模的现场总线控制系统（FCS）不仅可实现磨机负荷的控制，也极易扩展到整个制粉系统的控制和监视，代替原有的仪表控制系统，提高整个工厂的自动化水平，该方案尤其适合于未进行FCS系统改造的中小型发电厂。（图片）
图2-4 小型两级分布式现场总线控制系统结构图利用大型DCS现有的软硬件实现磨机负荷控制，可以达到磨机负荷控制与现有DCS系统的完全融合，且由于充分利用了DCS的可扩展性，无需追加过多的投资，并可以大大减小系统开发和维护的工作量，对已实现DCS技术改造的企业来说是一种值得推荐的实施方案。该方案将智能磨音传感器的信号通过现场总线或模拟量提供给DCS系统，控制逻辑利用DCS组态实现，工作量最小，而可靠性却很高。
软件功能模块化：本产品针对火电厂磨煤机控制开发了一套小型的组态软件，上述各种控制系统除了用电厂现有DCS系统控制外，均可利用该组态软件进行编程和监控，做到了软件功能的模块化，更有利于产品的推广和应用。
综上所述，该系统由于采用音频传感—变速器，在国内率先解决了火电厂磨煤机负荷无法准确测量的难题；针对磨煤机的运行特点，在国内外首先提出了自适应—模糊PI控制相结合的控制策略及双层控制结构，结束了长期以来火电厂磨煤机负荷不易控制或控制效果不佳的历史；根据各个用户的不同需要和要求，采用了硬件模块化、软件模块化的结构，更适合中国国情和现场实际，为系统的产品化和推广应用奠定了坚实的基础，从而使该系统成为集测量学、电子学、计算机科学和自动控制等学科结合的高科技产品。
该产品能实现球磨机节电10-35%,降低钢球衬板10-30%水泥增产10%以上,增加细度,降低噪音,延长机器设备使用寿命,投资回报期约为一年左右,技术领先国际水平,投资回收期短,主要应用于电厂,水泥厂,陶瓷厂以及所有应用球磨机的企业,有着很广泛的市场前景.
4/7/2007
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