链条炉排锅炉入炉煤补水系统

1.本发明涉及入炉煤补水技术领域。具体地说是链条炉排锅炉入炉煤补水系统。


背景技术：

2.目前，我国链条炉排锅炉占在用燃煤工业锅炉总数的90％以上，链条锅炉燃烧效率 为60～70％。大多数省份集中供热热源厂的工业锅炉都是链条炉。提高链条炉排燃烧的 热效率，不仅有利于提高化石燃料的燃烧效率，而且有利于提高对排放物的处理能力， 从而减轻因燃烧产生的环境污染问题。
3.大多数热源厂都以具有变量种类多、参数随时改变、大滞后性、时变性等特点的 链条炉排锅炉作为燃烧系统的控制对象,是行业上的控制难题。链条炉排锅炉运行时， 影响其燃烧的因素有很多，仅依靠操作人员经验操控，使燃烧保持稳定非常困难。实 际生产中操作人员需要根据经验判断锅炉燃烧的总体状态，迅速调整燃料含水量、炉 膛各个位置的温度、链条上燃料的厚度、火焰在炉膛内燃烧具体位置等参数。锅炉保 持在高效率的状态下燃烧，对于操作工人的操作经验有着较高的要求。在对链条炉排 锅炉的操作过程中,司炉工要根据负荷和炉况变化,综合考虑给煤及鼓风速率、燃料特 性、炉膛温度、煤层厚薄、烟气含氧率、火焰位置等,快速给出相应的操作。这些操作 是否合里,取决于司炉工的技术水平和执业状态。调查发现，不同操作班组的热效率可 相差5％～10％，因此要保证层燃锅炉持续高效运行，必须依靠燃烧自动控制。链条炉排 中燃料的燃烧在实际生产运行中都是通过计算机自动控制的。在运行过程中发现，煤 的品质、进出风量、配风的方式以及燃料在链条上的厚度等因素都会对链条炉排锅炉 的热效率产生影响。其中,链条炉排锅炉的燃烧时，对入炉煤的品质有特定的要求,尤 其是煤中水分的含量。
4.锅炉热效率会受到入炉煤全水分含量的影响。当高全水分含量的入炉煤燃烧送入 炉膛燃烧时，煤中的水分会吸收火焰放出的热量而蒸发，降低火焰的稳定性和燃料的 热传导能力，导致锅炉内部的温度下降。排放的烟气量随之增加，烟气的热损失增加， 导致锅炉的热效率大幅降低。入炉煤的全水分含量存在的差异，影响锅炉燃烧的热效 率。在生产运行中，原煤在进入链条炉排燃烧之前,需要对原煤掺混适量的水，使其实 际低位发热量达到预期值。为了确定原煤的掺入量，则需要对煤粉在入炉燃烧前进行 水分的检测。目前大多数热源厂对入炉煤水分的检测还处于人工操作的状态。入炉煤 水分的检测过程凭借司炉工的经验完成，根据每个人工作经验的差异，入炉煤水分含 量与预期水分含量存在较大差距。另外，在不同的条件下，入炉煤的最佳水分含量受 采暖负荷、当日入炉煤所处的环境温度和环境湿度、链条炉排锅炉的实时给煤量、入 炉煤全水分含量等多种因素的影响。然而，目前对于入炉煤水分掺入量的控制依然依 靠经验进行人工控制，不利于链条炉排锅炉热效率的提升。
5.入炉煤水分含量直接影响锅炉的燃烧效率和经济运行，要保证链条锅炉持续高效 运行，应从入炉煤水分掺混自动控制入手，实现环节自动检测自动掺混以提高锅炉燃 烧效率，但目前关于链条炉排锅炉入炉煤自动补水的相关问题仍在理论研究阶段，依 然没有得
到实际解决。


技术实现要素：

6.为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种可以实现入炉煤水含量的自动监 测及自动补水的链条炉排锅炉入炉煤补水系统，以解决当前入炉煤水分检测及补水量 受操作工人经验影响大，导致链条炉排燃烧效率不稳定的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
8.链条炉排锅炉入炉煤补水系统，包括水分监测装置、控制装置和补水执行装置； 所述水分检测装置的第一信号输出端与所述控制装置的第一信号接收端信号连接，所 述控制装置的第一信号输出端与所述水分检测装置的第一信号接收端信号连接；所述 水分检测装置的第二信号输出端与所述控制装置的第二信号接收端信号连接，所述控 制装置的第二信号输出端与所述补水执行装置的信号接收端信号连接；所述水分监测 装置的第二信号接收端位于入炉煤传送带的下游，所述补水执行装置的喷水口位于所 述入炉煤传送带的上游；所述水分监测装置的第二信号接收端通过探头监测下游所述 入炉煤传送带上的入炉煤的水分含量；所述控制装置通过所述补水执行装置控制所述 喷水口喷向上游所述入炉煤传送带上的入炉煤的加水量。
9.上述链条炉排锅炉入炉煤补水系统，所述水分监测装置包括采样机构、距离传感 器、继电器模块和水分测定仪；所述距离传感器的信号输出端与所述继电器模块的信 号输入端信号连接，所述继电器模块的信号输出端与所述控制装置的第一信号接收端 信号连接，所述控制装置的第一信号输出端与所述水分测定仪的信号接收端信号连接； 所述水分测定仪的信号接收端的探头朝向所述采样机构的采煤铲，所述水分测定仪的 信号输出端与所述控制装置的第二信号接收端信号连接；所述距离传感器的信号接收 端朝向所述采样机构。
10.上述链条炉排锅炉入炉煤补水系统，所述采样机构包括电机、采煤铲、铲臂、凸 轮、凸轮支架、底座、法兰盘、法兰支架、滚轮和卸煤杆；所述凸轮支架和所述法兰 支架均固定安装在所述底座上，所述法兰盘有两个，两个所述法兰盘的中心孔分别通 过第一轴承安装在法兰支轴的两端，所述法兰支轴固定安装在所述法兰支架上；所述 底座固定安装在入炉煤传送带的上方；所述滚轮固定安装在两个所述法兰盘之间，且 所述滚轮的两端分别通过滚轮轴与两个所述法兰盘传动连接；在所述滚轮轴上，所述 滚轮与所述法兰盘之间安装有滚轮限位套；所述凸轮套装在凸轮轴上，所述凸轮轴的 两端分别通过第二轴承安装在所述凸轮支架上，且所述凸轮与所述滚轮传动配合，所 述电机驱动所述凸轮轴转动而依次带动所述滚轮转动；所述采煤铲安装在所述铲臂的 一端，所述铲臂的另一端通过联结轴与所述法兰盘固定连接；所述滚轮通过驱动所述 法兰盘转动而带动所述采煤铲做自上而下的往复运动；所述采煤铲和所述铲臂之间活 动连接，所述采煤铲可沿所述采煤铲和所述铲臂的活动连接点做圆周运动，且所述采 煤铲的出料口背离所述活动连接点；所述卸煤杆邻近所述采煤铲，所述采煤铲自水平 状态向上运动时推动所述卸煤杆向上运动，所述采煤铲自水平状态向下时在所述卸煤 杆的阻挡下沿所述活动连接点做圆周运动，且所述出料口打开。
11.上述链条炉排锅炉入炉煤补水系统，所述凸轮(3)的轮廓线转换成直角坐标为：
12.x'＝ρ
t cos(θ
t
+β0)；y'＝ρ
t sin(θ
t
+β0)；
13.其中：θ
t
为凸轮轮廓上t位置对应点的 对应角；
14.且：λ＝α+β，
15.上述公式中：r0为凸轮的最小矢径，r
t
为滚轮的半径，s为从动件的运行轨迹 方程，e为凸轮的偏心距。
16.上述链条炉排锅炉入炉煤补水系统，所述水分测定仪为wkt-r-50zs在线红外水封 测定仪，所述距离传感器为wt53r-485激光测距传感器，所述继电器模块为2路24v 继电器模块带光耦隔离开发板mk002355。
17.上述链条炉排锅炉入炉煤补水系统，所述控制装置包括控制器和辅助信号转换模 块；所述继电器模块的信号输出端通过所述辅助信号转换模块的与所述控制器的第一 信号接收端信号连接；所述控制器的第一信号输出端通过所述辅助信号转换模块与所 述水分测定仪的信号接收端信号连接，所述水分测定仪的信号输出端通过所述辅助信 号转换模块与所述控制器的第二信号接收端信号连接，所述控制器的第二信号输出端 与所述补水执行装置的信号接收端信号连接。
18.上述链条炉排锅炉入炉煤补水系统，所述控制器为西门子plc1215c控制器，所述 辅助信号转换模块为mik-410y电流/电压信号转化接口。
19.上述链条炉排锅炉入炉煤补水系统，所述控制装置还包括参考值设定显示模块和 rs485通信串口；所述参考值设定显示模块的信号输出端与所述rs485通信串口的信号 输入端电连接，所述rs485通信串口的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接； 所述参考值设定显示模块为中盛数码管显示屏，所述rs485通信串口为西门子cm1241 通信模块。
20.上述链条炉排锅炉入炉煤补水系统，所述补水执行装置包括开度可控阀门执行器、 水箱和喷头；所述开度可控阀门执行器通过控制所述水箱阀门的开启大小来控制所述 喷头的喷水量。
21.上述链条炉排锅炉入炉煤补水系统，所述补水执行装置还包括开度阀阀门表；所 述开度阀阀门表为中南仪表zn72。
22.本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
23.本发明链条炉排锅炉入炉煤补水系统可以实现入炉煤水含量的自动监测及自动补 水，解决了当前入炉煤水分检测及补水受操作工人经验影响大等原因导致的链条炉排 燃烧效率不稳定的问题，有利于提高链条炉排锅炉的热效率以及提高其热效率的稳定 性。
附图说明
24.图1本发明实施例中采样机构的侧视图；
25.图2本发明实施例中采样机构的俯视图；
26.图3本发明实施例中链条炉排锅炉入炉煤补水系统总体示意图；
27.图4本发明实施例中采样机构中凸轮和滚轮的安装示意图；
28.图5本发明实施例中采样机构中凸轮和滚轮相对位置关系示意图；
29.图6本发明实施例中链条炉排锅炉入炉煤补水系统总体控制方案图；
30.图7本发明实施例中链条炉排锅炉入炉煤补水系统的监控界面设计；
31.图8本发明实施例中链条炉排锅炉入炉煤补水系统控制策略设计图；
32.图9专家控制原理图；
33.图10工业中专家控制设计图；
34.图11本发明实施例中链条炉排锅炉入炉煤补水系统控制算法流程图；
35.图12本发明实施例中链条炉排锅炉入炉煤补水系统滑模控制程序实现；
36.图13本发明实施例中链条炉排锅炉入炉煤补水系统专家控制程序实现；
37.图14本发明实施例中链条炉排锅炉入炉煤补水系统主程序设计；
38.图15本发明实施例中水分测定仪信号映射关系；
39.图16本发明实施例中阀门开度信号映射关系；
40.图17本发明实施例中水分采集系统程序设计；
41.图18本发明实施例中modbus rtu通信建立；
42.图19本发明实施例中modbus rtu写入程序建立；
43.图20本发明实施例中数码管程序设计；
44.图21本发明实施例中阀门死区程序设计；
45.图22本发明实施例中采煤铲卸煤过程示意图；
46.图23本发明实施例中pid控制原理图；
47.图24本发明实施例中补水系统掺混工作过程图；
48.图25本发明实施例中基于matlab/simulink仿真平台系统控制实现图；
49.图26本发明实施例中链条炉排锅炉入炉煤补水系统模型实物图；
50.图27本发明实施例中补水系统模型控制算法稳定性测试图。
51.图中附图标记表示为：1-采煤铲；2-铲臂；3-凸轮；4-凸轮轴；5-第二轴承；6
‑ꢀ
凸轮支架；7-底座；8-法兰盘；9-联结轴；10-法兰支架；11-滚轮；12-滚轮限位套； 13-滚轮轴；14-法兰支轴；15-轴承压盖。
具体实施方式
52.1本实施例中链条炉排锅炉入炉煤补水系统的介绍
53.本实施例中链条炉排锅炉入炉煤补水系统是一种可自动测量、控制煤炭的含水量 的系统，属于多时间尺度、大滞后复杂离散系统，如图3所示。此系统主要包括三大 部分：(1)传送带系统，将煤炭输送至锅炉；(2)水箱喷洒系统，将煤炭加湿；(3) 可调节水泵，控制加水量。
54.2总体设计方案
55.完整的燃煤补水控制系统需要由控制器、检测装置、执行器过程闭环控制。同时， 为了方便现场人员操作，参数设定与显示全部在显示界面完成，总体设计方案如图6 所示。方案实现过程为：水分测量装置采集煤炭实时湿度d，并传送给控制器；在控制 器中，通过
做差当前煤炭湿度d与设定湿度dref，得到湿度偏差e，利用相应控制策 略生成控制信号c，通过标定、放大等环节，控制阀门的开度φ，进而控制加水量，使 煤炭湿度位于设定值附近。
56.3系统建模
57.考虑到本系统关节较多，分别考虑加水量与煤炭湿度和阀门开度与加水量等部分 数学模型。首先考虑加水量与煤炭湿度数学模型。本实施例采用的是试验法与最小二 乘拟合法确定加水量与煤炭湿度数学模型。
58.煤外在水分测定方法：在预先干燥和已称量过的浅盘内迅速称取13mm的试样 490g～510g(标准至0.1g)，平摊在浅盘中，于环境温度或不高于40℃的空气干燥到 质量恒定(连续干燥1h，质量变化不超过0.5g)，记录恒定后的质量(称准至0.1g)。 对于使用空气干燥箱干燥的情况，称量前需使试样在实验室环境中重新达到湿度平衡。
59.按式(3.1)计算外在水分：
60.式中：mf—试样的外在水分，％；m—称取的13mm试样质量，g；m1—试样干燥后 的质量损失，g。
61.表1为外水分测定数据：
62.表1 煤外在水分测定数据
63.加水量11.051.0750.990.970.9450.9611051.081.09湿度202121.519.819.518.919.222.121.621.8
64.根据最小二乘法拟合数据：设湿度y和加水量x之间满足关系y＝kx+a，假设实 际测量点有n个，即测量点(xi，yi)，i＝1,2，...n；第i个测量点数据(xi，yi)与拟合 直线上相应值之间的差为vi＝y
i-(a+kxi)；要使最小，这就要求v和a和k的 一阶偏导数为零，即
65.可得：
[0066][0067][0068]
代入数据计算得a＝0，k＝0.2。
[0069]
得煤湿度与加水量的关系式：y＝0.2x，由此可以看出加水量与煤炭湿度为比例环 节。
[0070]
注：实验时把试样干燥后的质量损失认为除了加水量外没有任何损失，故加水量 等于试样干燥后的质量损失。
[0071]
探究阀门开度与加水量之间数学模型：
[0072][0073]
[0074][0075]
式(3.6)两边同时取导数可得：
[0076][0077]
进一步化简得
[0078][0079][0080][0081][0082]
令
[0083]
则理想阀门开度与加水量满足：
[0084][0085]
上述公式中，δq1是上水箱的流出量，δq2是下水箱的流出量，a是水箱的截面 积，h1是上水箱的液位，h2是下水箱的液位，δu是阀门开度，r1是上阀液阻，r2是 下阀液阻，ku是阀门流量系数；t1、t2是时间常数，c是增益。
[0086]
阀门开度与加水量为一阶惯性环节，同时考虑到阀门的延迟作用、其他粘性作用， 本系统可以等效成二阶系统。
[0087]
3.1检测装置设计
[0088]
检测装置作为系统的反馈直接影响控制的控制效果与系统运行的稳定性，因此选 取合适的检测装置与设计合理的滤波程序对系统的安全可靠运行具有十分重要的意义。
[0089]
本实施例主要检测传送带上煤炭的湿度。因为传送带运行速度较快，传统连续检 测法难以准确反馈煤炭的实际湿度。为此，采用凸柄连杆结构制作采样结构，其中测 量系统由水分测定仪与距离传感器两部分组成。
[0090]
(1)水分测定仪
[0091]
本实施例检测对象是运动过程中的小型煤块的含水量，经综合比较确定采用 wkt-r-50zs在线红外水封测定仪，作为本实施例的测量单元。
[0092]
(2)工作原理
[0093]
近红外光线指波长在0.78～2.52um之间的电磁波。各种电磁波具有一定的能量。 各种物质对电磁波能量有选择性吸收的能力，换言之，一种分子只能吸收某种或某几 种波
长的电磁波，而对其他波长的电磁波则不吸收。在线近红外水分仪根据水分子 对某些波长的近红外光吸收特别强烈的原理工作的。水分子在近红外汉域内有特征吸 收峰。水分子对附近的近红外光吸收强烈。如果用这两个波长的近红外光照射被测物 质，就可以通过测量透射光或反射光的衰减程度来测量物质的水分。
[0094]
wkt-r-50zs在线红外水封测定仪使用安装在转轮上的高.红外滤光片，进口电机， 允许参照光和测量光交替地通过滤光片。被保留的光束会聚焦在受测试的样品上。首 先是参照光被投影在样品上，然后是测量光被投影在样品上。这两个具有时序的光能 脉冲会被反射回到一个探测器，依次转换成两个电信号。这两个信号结合形成一个比 例，因为这个比例和物质水分含量相关，就可以测量出水分。
[0095]
(3)wkt-r-50zs在线红外水封测定仪技术参数
[0096]
wkt-r-50zs在线红外水封测定仪由探头与主机组成。探头主要是照射煤炭，吸收 煤炭产生的电磁波，技术参数如表2所示。主机部分主要是根据探头传送的数据，计 算出煤炭的当前湿度，技术参数如表3所示。
[0097]
表2 wkt-r-50zs探头部分技术参数
[0098]
尺寸310mm(长)
×
180mm(宽)
×
150mm(高)重量6kg外壳标准金属密封箱环境温度工作温度0～50℃,0～80℃(加制冷板)电缆长度最大50m测量高度250mm士100mm测量范围额定高度时φ40mm电源a.c 220v交流50/60hz,50w
[0099]
表3wkt-r-50zs主机部分技术参数
[0100][0101][0102]
wkt-r-50zs在线红外水封测定仪作为非直接接触、非破坏性测量技术，具有良好 的性能，表4给出了wkt-r-50zs性能参数。本实施例对水分测定仪进行单独测试，测 试结果表明该水分测试仪测试性能运行稳定。
[0103]
表4 wkt-r-50zs性能参数
[0104][0105]
本实施例中，水分检测装置还包括采样机构，采样机构的结构示意图如图1和图2 所示。采样机构包括电机、采煤铲1、铲臂2、凸轮3、凸轮支架6、底座7、法兰盘8、 法兰支架10、滚轮11和卸煤杆；凸轮支架6和法兰支架10均固定安装在底座7上， 法兰盘8有两个，两个法兰盘8的中心孔分别通过第一轴承安装在法兰支轴14的两端， 法兰支轴14固定安装在法兰支架10上；底座7固定安装在入炉煤传送带的上方；滚 轮11固定安装在两个法兰盘8之间，且滚轮11的两端分别通过滚轮轴13与两个法兰 盘8传动连接；在滚轮轴13上，滚轮11与法兰盘8之间安装有滚轮限位套12；凸轮 3套装在凸轮轴4上，凸轮轴4的两端分别通过第二轴承5安装在凸轮支架6上，且凸 轮3与滚轮11传动配合，电机驱动凸轮轴4转动而依次带动滚轮11转动；采煤铲1 安装在铲臂2的一端，铲臂2的另一端通过联结轴9与法兰盘8固定连接；滚轮11通 过驱动法兰盘8转动而带动采煤铲1做自上而下的往复运动；采煤铲1和铲臂2之间 活动连接，采煤铲1可沿采煤铲1和铲臂2的活动连接点做圆周运动，且采煤铲1的 出料口背离活动连接点；卸煤杆邻近采煤铲1，采煤铲1自水平状态向上运动时推动卸 煤杆向上运动，采煤铲1自水平状态向下时在卸煤杆的阻挡下沿活动连接点做圆周运 动，且出料口打开。
[0106]
在线近红外水分测定仪探头固定在采煤铲正上方的250
±
100mm的位置处，采样机 构由电动机连接的凸轮顺时针转动推着下方铲臂结构，使得采煤铲跟随铲臂缓慢上下 往复运动后。
[0107]
工作原理：凸轮机构运行至最小矢径时，在输煤带和后方煤粉推动下开始向采煤 铲中添煤，随着凸轮运动，矢径增大，推动铲臂向下运动，采煤铲向上抬升，为使煤 可以自动排出，需要水平处设置一个可随采煤铲一起向上运动的横杆，简图如图22。
[0108]
采煤铲达到水平与横杆接触，推动其按轨道向上被抬
①
，随着采煤铲继续抬升(轨 迹为圆弧)，采煤铲顶端无法拖住横杆，横杆在重力作用下下落回原点
②
，采煤铲向上 一小段，凸轮到达最大矢径
③
，采煤铲开始向下运动当运动到水平向下时，由于采煤 铲与铲臂并不是完全固定(只固定一角，且可围绕这点做圆周运动)下方会形成一个 开口，煤在重力
作用下调回输煤带上。输煤斗继续向下运行，回到输煤带，完成一个 行程。
[0109]
已知采煤斗位于输煤带上时，凸轮的最小矢径，即基圆半径大小r0，从动件滚子 (即滚轮)半径r
t
，理论廓线的极坐标方程为：
[0110][0111]
其中，s为从动件的运行轨迹方程，e为偏心距，s0使用以下公式(3.14)计算得到：
[0112][0113]
压力角α：
[0114][0115][0116][0117]
实际廓线极坐标方程：
[0118][0119]
其中，λ＝α+β
[0120]
凸轮的实际廓线转换成直角坐标为：
[0121]
x'＝ρ
t cos(θ
t
+β0)
ꢀꢀꢀ
(3.19)
[0122]
y'＝ρ
t sin(θ
t
+β0)
ꢀꢀꢀ
(3.20)
[0123]
上述公式中，θ
t
为实际轮廓上对应点的t位置的对应角；采样机构设计：以电 机带动凸轮，然后由凸轮带动传动装置推动铲子产煤送往煤水分测试区域达到测试煤 的水分测量。以此达到解放人力，节约能耗。
[0124]
凸轮装置选用理由：凸轮机构可以实现各种复杂的运动要求，凸轮机构的结构简 单、紧凑、设计方便，只要做出适当的凸轮轮廓，就能使从动杆得到任意预定的运动 规律。
[0125]
凸轮机构组成：如图3和图4所示。凸轮：机械的回转或滑动件(如轮或轮的突 出部分)，它把运动传递给紧靠其边缘移动的横杆。凸轮独有的随动机构可设计成在其 运动规律的范围内做到满足任何输出输入关系。
[0126]
从动件：是与凸轮外围轮廓发生接触，且传递能量动力和完成预设的运动规律的 组件。凸轮结构使用时的基本特点在于能做到使从动件获得较多样的运动轨迹。因为 从动件的运动轨迹由凸轮轮廓外围曲线实现。
[0127]
(3)凸轮形状分析
[0128]
为了方便选用最基本的盘型凸轮，这种凸轮是一个绕固定轴线转动并且具有变化 半径的盘形零件。形式上选用与滚子直动从动件一样原理的设计，从动件与凸轮便面 接触的断面为圆柱横面，这种从动件的优势是凸轮与从动件之间的作用力始终与从动 件的横面相垂直，传动效率较高，且接触面易形成油膜，利于润滑。
[0129]
(4)凸轮尺寸设计
[0130]
从动件位移s与凸轮转角δ(t)之间的关系曲线s(δ)。从动件运动推程或回程 时，
其位移s、速度v和加速度a随时间t变化。
[0131]
①
使其做等速运动
[0132]
推程：s为推杆的位移、h为推杆的行程、φ为推程运动角、为凸轮转角、v0为推杆的速度、ω为凸轮转动角速度和α为推杆加速度；
[0133][0134][0135]
a＝0
ꢀꢀꢀ
(3.23)
[0136]
回程：s为位移，h为回程，φ为推程运动角，为远休止角，φ
′
为回程运动 角，φs为远休止角，ω为凸轮转动角速度和α为加速度；
[0137][0138][0139]
a＝0
[0140]
②
解析法设计凸轮轮廓
[0141]
理论轮廓线方程式：
[0142][0143]
圆柱从动件盘型凸轮的实际廓线是圆心在理论轮廓上的一组圆柱圆的包络线。由 微分几何可知，包络线的方程为：
[0144][0145]
式中，x1、y1为凸轮实际轮廓上的点的直角坐标系；s为位移，为远休止角，e 为偏心距。
[0146]
对于圆柱传动件凸轮，由于产生包络线(即实际廓线)的曲线族是一旅滚子圆， 其圆心在理论廓线上，圆心的坐标由里轮廓线公式确定，所以包络线的方程有：
[0147][0148][0149]
联立求解x1和y1，即得圆柱从动件盘型凸轮的实际廓线参数方程：
[0150]
[0151][0152]
上面的一组加减号表示一根外包廓线，下面的一组加减号表示另一根内包络廓线。
[0153]
③
以上公式得出凸轮尺寸与传动件尺寸
[0154]
5.铲子设置
[0155]
(1)铲子设计理论
[0156]
传动件被凸轮推程回程的运动来使铲子以固定件法兰支架中心为原点上下移动。 凸轮边界与中心最短的位置为铲子水平最低铲到传送带上的煤，凸轮转动达到边界与 中心最远的距离铲子举到最高点煤水分测试仪所在区域达到测试煤的水分。
[0157]
(2)铲子尺寸设计
[0158]
铲子做圆周运动：
[0159]
角速度
[0160]
角量与线量关系
[0161]
铲臂与铲子的受力分析：
[0162][0163]
f＝-f
′
[0164]
杠杆原理分析尺寸：
[0165]
设动力f1、阻力f1、动力臂长度l1、阻力臂长度l2,
[0166]
则关系式为：f1l1＝f2l2ꢀꢀꢀ
(5.4)
[0167]
可有以下四种变换式：
[0168]
f1＝f2l2/l1ꢀꢀꢀ
(5.5)
[0169]
f2＝f1l1/l2[0170]
l1＝f2l2/f1[0171]
l2＝f1l1/f2[0172]
3.2距离传感器
[0173]
由于煤炭在传送带上快速运动，不便水分测量，为此借助采样机构实现煤炭水分 测量，其中采样机构在空间上做往返运动，只有当采煤铲位于特定位置时，水分测定 仪测量的数据才真实可靠，因此需要利用距离传感器实时跟踪判断铲子的位置。本实 施例选择的距离传感器为wt53r-485激光测距传感器。
[0174]
(1)工作原理
[0175]
激光测距传感器是先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向 各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二 极管
上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其 微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标 距离。
[0176]
(2)wt53r-485激光测距传感器技术参数
[0177]
产品特点及引脚说明，如表5所示。模块内部自带电压稳定电路，工作电压5v～ 36v，采用工业级485芯片。采用标准485协议，方便与工业485对接。采用黑色 金属外壳设计，防水设计，工作稳定。模块采用高精度激光测距传感器，与相应的光 学过滤盖片有效的滤除光学干扰。可设置报警距离，当测量距离小于设置值报警脚电 压输出变化。
[0178]
表5 引脚说明
[0179][0180][0181]
(3)性能参数
[0182]
传感器有距离报警功能，可设置报警阈值，当距离小于报警阈值时，报警线会产 生报警电平(低电平)，其性能参数如表6所示。
[0183]
表6 wt53r-485性能参数
[0184]
电压5～36v电流《38ma体积23.2mm
×
69mm固定孔间距16mm，孔半径1mm数据接口485(波特率支持2400-921600，115200(默认))采集速率20hz测量距离40mm-4000mm(无光学盖片可到4000)测距误差
±
20mm
[0185]
距离传感器为弱信号，不能够直接驱动plc，为此需要引入中间继电器将距离传感 器信号转成成能够驱动plc的24v输入信号。本实施例选择2路24v继电器模块带光 耦隔离开发板mk002355，其技术参数如表7。本实施例对继电器模块独立测试，测试 结果表明继电器模块性能运行稳定。
[0186]
表7 mk002355技术参数
[0187]
模块工作电压5v继电器接口最大负载30v/10a电源指示灯绿色继电器指示灯红色模块尺寸50mm
×
41mm
×
18.5mm
[0188]
3.3控制单元
[0189]
从水分测定仪中得出的水分信息，不能直接用于控制水分掺混装置的阀门开度， 需要进一步应用控制器对阀门开度进行自动控制。
[0190]
控制器是整个系统的核心，其性能直接影响系统的稳定可靠的运行。常见的控制 器包括单片机，plc等。plc即可编程控制器，取代了传统继电式控制单元，改进了其 接线复杂，不易修改的缺点，结合计算机与通讯等技术，具有控制能力强、操作灵活 方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点。下面将全面衡量plc与单片机的应用特 点，对控制器进行合理选择。
[0191]
(1)plc与单片机比较
[0192]
编程语言方面，有梯形图语言、指令表语言、顺序功能流程图语言、功能模块图 语言、结构化文本语言等。单片机的编程语言就相对较少，单片机的编程语言一般是 汇编语言或者c语言。
[0193]
(2)硬件方面
[0194]
可编程序控制器的外观看起来比较简洁，可编程序控制器的接口、电源、抗干扰 电路等东西都在可编程序控制器的内部，所以在操作可编程序控制器时就可花费较少 的时间和精力。单片机的外设输入、输出很多且单片机只是一个芯片，所以单片机的 外围电路看起来就比较复杂，而且需要用户自己去设置单片机的控制电路，比较麻烦。
[0195]
(3)应用领域方面
[0196]
单片机的应用领域比较广，应用于工业控制与检测、仪器仪表、家用电器、通信、 武器装备、医用设备、各种终端及计算机外部设备、汽车电子设备、分布式多机系统 等领域。单片机使用方便灵活，而且技术含量非常高，但是由于单片机的工作量比较 大，所以单片机的抗干扰能力较差。可编程序控制器应用于逻辑控制、模拟量控制、 数字控制、集散控制、机电一体化机械本体、通信控制网络化等领域。可编程序控制 器在工业领域使用的多一些，在工业领域中，大部分的自动化设备都要依靠可编程序 控制器来完成。可编程序控制器具有开发设计周期短、使用方便简洁的特点。
[0197]
(4)特点方面
[0198]
可编程序控制器的价格高，体积大，抗干扰能力强，编程简单，不容易发生故障， 开发周期短。所以相对来说很多具有复杂功能的控制都是选用可编程序控制器，具有 可靠性。可编程序控制器在各种恶劣的环境下都是可以使用的；单片机具有价格低、 体积小、低功耗、性价比高的特点，但对环境的要求很高，并不适用于所有环境，而 且容易受布局结构、器件质量的影响，抗干扰能力较差，容易发生故障，开发周期长， 如果不经过长时间的实践验证，其运行能力不稳定。
[0199]
综上比较，从系统安全可靠这一角度出发，本实施例采用plc作为系统控制单元。 同时结合系统运行特点以及传感器信号等方面内容。选择西门子plc1215c作为系统控 制器，其参数如表8所示。
[0200]
表8plc1215基本参数
[0201]
型号cpu 1215(f)c dc/dc/dc订货号6es7 215-1ag(f)40-0xb0尺寸w x h x d(mm)130x100x75板载数字i/o1 4点输入/10点输出板载模拟i/o2点输入/2点输出通信模块扩展最多3个通信模块
通信端口2个以太网接口电压范围85-264v ac线路频率47-63hz数字输入额定电压4ma时24v dc模拟量信号输入0-10v数字量输出20.4-28.8v dc模拟量输出0-20ma
[0202]
plc1215c是适合机械和工厂组态中的开环和闭环控制任务的控制器。其模块化设 计与高性能结合在一起，适合广泛的自动化应用。应用范围从取代继电器和接触器， 一直延伸到网络中以及分布式结构内的复杂自动化任务。因此适用于本实施例中的煤 炭补水控制系统。
[0203]
本系统应用pid算法对水分掺混系统阀门进行调控，实现自动控制。pid算法即比 例、积分、微分算法。其对于线性系统的控制具有客观的效果。pid控制原理如图23 所示。
[0204]
输入量同时被比例、积分、微分三种作用影响，得到输出量用来控制被控对象， 这是plc系统的逻辑控制功能，属于plc的基本功能。
[0205]
比例作用ki，迅速反映系统波动产生的偏差，立刻修正抑制误差，这种作用只能 消除，因外界干扰产生的动态偏差，无法修正给定值与测量值之间本身存在的偏差
[0206]
积分作用k
p
：用于消除静态偏差，只要系统中存在静态偏差，这种作用就会一直 进行，直至消除偏差，也就是说时间够长，积分作用可消除静态偏差；
[0207]
微分作用kd：是对偏差求导，可得到偏差的未来走向，预测偏差，并输入一个抑 制信号，使偏差尽可能的缩小。
[0208]
控制规律为：
[0209]
3.4电流/电压辅助信号转换模块
[0210]
根据wkt-r-50zs在线红外水封测定仪与plc1215c技术参数可知，plc1215c只能 结束0-10v电压信号，而wkt-r-50zs输出的是0-20ma电流信号。为此，需要将电流 信号(0-20ma)转换成电压信号(0-10v)，才能够输送给plc进行控制处理。经性价比分 析，最终确定mik-410y模块作为系统信号接口单元。mik-410y可以将水分测定仪信号 转换成plc可控制的电压信号，其性能参数如表9所示。
[0211]
表9 mik-410y性能参数
[0212]
名称参数电源电压20-30vdc输入信号4-20ma输出信号0-10v精度
±
0.1fs
[0213]
3.5开度可控阀门
[0214]
plc工作时，是顺续扫描的，依次进行输入、运行程序、输出、刷新，并不断往复， 是输出值与理想值之间消除误差。
[0215]
在本系统中，利用pid算法，以水分测定仪的测量数据作为输入量，对水分掺混 系统的阀门开度进行闭环控制；以bp神经网络训练出的各种工况下，达到水分最有解 得阀门
开度作对比，优化比例、积分、微分阀门开度作为输出量控制阀门开度。循环 往复不断修正误差，最终达到水分掺混系统阀门开度最佳状态。
[0216]
水分测定系统中的测试仪器都要进行校正，以达到正确反映煤样中水分含量的目 的。利用bp神经网络计算对不同工况(入炉煤水分、环境温度、环境湿度、给煤量等) 的煤样进行训练，与该工况下的实际阀门开度作比对，训练出不同工况下水分掺混系 统阀门开度预测值最优解。校正后的水分测定仪安装在各自的采样机构上，持续测定 样本水分数据，输送给plc系统，应用pid算法，不断控制水分掺混系统的阀门开度 与bp神经网络训练出的最优值比对，不断缩小误差，直至误差在允许的范围内。
[0217]
本实施例的链条炉排锅炉入炉煤补水系统对煤粉的水分工况进行控制，可提高锅 炉效率，并减少工人负担；用自动控制的机械代替人工，减轻工人的工作量，提高供 热厂中的经济效益，避免不必要的损失。另外，该系统中精准的水分测定，直观的数 据显示，基本不需人为操作，全程自动控制的特性，有效避免因水分问题造成的煤粉 堵塞问题，减少了锅炉中的事故发生率，保护磨煤、输煤和给煤系统，减少磨损，使 得锅炉更加安全稳定的运行，保证了工人的人身安全。
[0218]
可控阀是本系统重要的执行器，阀门的开度直接决定注入水箱水流量的大小，进 而控制煤的湿度。本实施例选择阀门电动执行器hg-05，其技术参数为表10所示。
[0219]
表10 阀门电动执行器hg-05技术参数
[0220]
名称参数额定电压ac220v驱动力矩20nm电机功率15w动作时间15s模拟量4-20ma
[0221]
3.6参考值设定显示模块
[0222]
工业中常用人机交互面板作为系统运行状态、参数的显示，但考虑到水分侧定仪 带有显示功能，并且煤炭补水系统参数设定好后，不需要经常性的调整。因此led数 码管作为系统给定值的显示具有较大的经济性与可行性。
[0223]
本系统选择"中盛数码管显示屏"作为显示模块。此产品具有如下优点：安装方便。 设备面板上只需要开方孔即可嵌入,无需安装螺丝；内置开关电源电路,输入电压范围 宽,转换效率高,可以长时间连续工作；电源输入端具有反接保护,过流保护；工业级 rs485芯片,总线接口具有防雷防浪涌、防静电、过压、过流保护；芯片全部为原装全 新正品,工业级温度范围。
[0224]
中盛数码管显示屏为modbus通信，其技术参数如表11所示。
[0225]
表11 中盛数码管显示屏技术参数
[0226][0227][0228]
3.7rs485通信串口
[0229]
根据数码管的产品参数可知，本实施例选用的数码管通讯协议为modbus rtu，而 plc1215c仅有以太网通讯接口，为了解决通讯协议问题，需要配置rs485通信串口。 本实施例选择的是通讯串口是西门子cm1241通信模块，其参数见表12。
[0230]
表12 cm 1241通信模块技术参数
[0231][0232]
3.8开度阀显示
[0233]
开度阀门的安装位置位于燃煤补水箱狭小地方，不便观察阀门运行状态，引入阀 门表实时地观测阀门开度，检测阀门运行情况。本实施例选择的阀门表为中南仪表zn72， 参数见表13所示。阀门表可以告知运行人员阀门处于的位置，结合现场工程师运行经 验，可判断煤炭补水系统系统是否运行正常，燃煤湿度是否达标。
[0234]
表13 开度阀显示模型技术参数
[0235]
名称参数
输入输出4～20ma0～100％
[0236]
3.9监控界面设计
[0237]
监控界面可以实现远距离实时跟踪系统运行状态，设定系统运行参数等，为运行 人工提供便利操作。本系统所设计的监控界面如图7所示。
[0238]
综上，本系统所用到的设备主要包括检测、控制、通信、显示、执行等环节，各 部分设备选型如表14所示。
[0239]
表14 煤炭补水自动控制各部分设备选型
[0240][0241][0242]
4煤炭补水系统控制策略设计
[0243]
在上述设备选型的基础上进行本实施例控制系统设计，图8所示燃煤补水系统控 制框图。根据控制框图可以看出本实施例所研究的对象具有滞后性，离散性等特点， 因此传统连续pi控制无法适应于本系统的控制。为此，引入滑模控制的思想并结合专 家控制算法实现燃煤湿度的控制。
[0244]
4.1滑模控制
[0245]
为了能够将滑模控制思想应用于本设计控制，下面采用李雅普诺夫稳定判据简要 证明系统的稳定性。假设湿度设定值为xd，反馈值为x，偏差为e，控制信号为u。基 于此，可得如下关系：
[0246]
e＝x
d-x
ꢀꢀꢀ
(4.1)
[0247]
u＝f(e)
ꢀꢀꢀ
(4.2)
[0248]
令阀门开度信号u与煤炭的湿度x满足如下关系：
[0249]
x＝f(u)
ꢀꢀꢀ
(4.3)
[0250]
同时考虑式4.2与4.3可得湿度偏差e与煤炭湿度x满足：
[0251]
x＝g(f(e))＝h(e)
ꢀꢀꢀ
(4.4)
[0252]
选取李雅普诺夫稳定函数为：
[0253][0254]
其中v代表李雅普诺夫函数的能量，标量函数，取值范围≥0。
[0255]
考虑系统运行过程中湿度给定值保持不变，则因此存在如下关系：
[0256]
[0257]
将上式代入得
[0258][0259]
综合考虑令x＝h(e)满足如下关系
[0260][0261]
其中系数k表示控制策略与系统等效参数，代入式4.7可得
[0262][0263]
根据式4.9可得，控制策略的思想应设计成若当前煤炭湿度小于设定湿度，进水阀 门应开大；反之，进水阀门应减小。并且，通过李雅普诺夫稳定判据证明了基于滑模 思想设计燃煤补水系统的稳定性。
[0264]
4.2专家控制
[0265]
考虑到传统滑模控制调节过程对系统冲击较大，并且滑模面不易设计。为此引入 专家控制机制解决此问题。专家控制系统设计框图，如图9所示。
[0266]
模式分类与调整规则的一般实现形式为:
[0267]
if《条件1》then《结论1》
[0268]
if《条件2》then《结论2》
[0269]
……
[0270]
if《条件n》then《结论n》
[0271]
基于专家控制系统设计框图，工业专家控制器通常设计如图10所示。
[0272]
4.3煤炭补水系统总体控制算法设计
[0273]
专家控制的实现采用专门的专家控制器进行实现，然而，本系统已选择pi为控制 器。若将专家控制的每个单元都进行设计，这将增大设计任务量，并且将增加程序空 间复杂度。结合滑模控制思路，引入专家控制，制定如下控制策略。根据滑模控制的 思想可知，当设定湿度与实际湿度的偏差大于零时，则选择增大阀门开度；偏差小于 零时，选择减小阀门开度；若偏差为零，阀门保持开度不变。而专家控制主要实现的 是，每一次开阀或关阀的调整量。具体实现过程如图11所示。根据图12可知，当煤 炭湿度传入控制中，形成湿度偏差后，其中偏差的符号在滑模控制的作用下决定阀门 的变化方向(即开阀门或关阀门或阀门保持不变)，专家控制决定阀门变化量。图13 展现核心算法的plc程序实现。
[0274]
4.4煤炭补水系统辅助程序设计
[0275]
为了让系统能够正常稳定运行，仅有核心控制算法无法满足系统运行要求。为此 还需要其他设计辅助系统可靠运行，主要包括主程序设计、区间映射、modbus通信设 置、死区设置等。
[0276]
(1)主程序设计
[0277]
为了简化控制流程，控制算法、数据采集等以中断的形式放入主程序中，主程序 主要包括系统启停、核心算法调用等。图14展现了主程序的设计。其中fc1函数块为 核心算
散型、大滞后、不确定等运行特点，提出了基于滑模控制下的专家控制解决了传统pi 控制难以实现控制的问题。
[0292]
表15 plc主要io变量对应表
[0293][0294][0295]
5试验验证
[0296]
4.1仿真验证
[0297]
结合煤炭补水系统数学模型，考虑本实施例所提算法，采用matlab/simulink进 行系统仿真验证。其中设定煤炭参考水分为20％，采用延迟时间为1s，阀门时间常数 为0.5s，图25给出了仿真结果。从图25中可以看出，系统运行后，在控制算法的作 用下，煤炭水分维持在20％，并且水分误差基本位于区间[-0.5,0.5]，符合现场运行 要求。同时可以看出，当时间t小于0.3s时，煤炭水分小于参考水分值，此时阀门增 大，增加进水量；当时间t位于[0.3，0.4]时，煤炭水分大于参考水分值，阀门减小 开度，此时进水量减小；并且可以看出，当时间t位于1.2s附加，阀门保持开度不变， 这是由于磁通煤炭水分变化较小，进入了死区环节。
[0298]
4.2样机测试
[0299]
在实验室搭建本系统的小型样机，对所提算法稳定性进行测试，样机系统如图26 所示。根据实验室现有条件，煤炭水分由水箱液位进行替代，水分测定仪由水位传感 器进行代替，控制器及其他设备与现场设备保持一致。在图26所示模型基础上，对本 实施例所提的基于滑模思想的专家控制算法进行测试，仿真结果如图27所示。从图27 中可以看出，系统稳定后，水箱水位基本保持在12cm附近，并且上下误差均小于0.5cm， 阀门开度也呈现收敛性波动，系统最终能够稳定运行。本实施例基于matlab/simulink 仿真平台验证了所提算法的有效性与可行性，同时搭建样机模型验证了算法运行过程 中的稳定性与可靠性。