鋼質(zhì)管道三層PE防腐生產(chǎn)線單螺桿擠出機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)優(yōu)化

武懷明，蔣 沛，路 濤

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津300452；2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州730060；3.長(zhǎng)慶油田第十一采油廠，西安710000）

鋼質(zhì)管道三層PE防腐生產(chǎn)線單螺桿擠出機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)優(yōu)化

武懷明1，蔣 沛2，路 濤3

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司管道工程分公司，天津300452；2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州730060；3.長(zhǎng)慶油田第十一采油廠，西安710000）

針對(duì)某廠現(xiàn)有擠出機(jī)設(shè)備測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量偏差較大的問題，提出了一種新的擠出機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)直接將熱電偶的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再將數(shù)字信號(hào)傳送到總控室，取消了長(zhǎng)距離傳輸模擬信號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線，從而提高了擠出機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和抗干擾能力。

鋼質(zhì)管道；三層PE防腐生產(chǎn)線；擠出機(jī)溫控；熱電偶；PID

0 前 言

鋼質(zhì)管道三層PE防腐涂層成型裝備中，單螺桿擠出機(jī)作為最關(guān)鍵設(shè)備，一直影響著涂層的厚度均勻性、外觀的光潔度以及平整度等。而受到三層PE擠出材料的特性影響，要求溫度控制的精度非常高。擠出溫度控制主要由溫度設(shè)定、控制和調(diào)整三個(gè)部分構(gòu)成。設(shè)定溫度是控制溫度的依據(jù)和基準(zhǔn)，調(diào)整溫度是對(duì)設(shè)定溫度的修正和完善。但在實(shí)際操作中由于測(cè)溫不準(zhǔn)確，會(huì)引起擠出溫度控制出現(xiàn)較大的偏離，從而造成鋼管涂層缺陷。所以確保單螺桿擠出機(jī)測(cè)溫的準(zhǔn)確性，是每臺(tái)擠出機(jī)亟待解決的問題。

1 問題及原因

1.1 基本情況及存在問題

某廠共有3臺(tái)單螺桿擠出機(jī)，其中1臺(tái)為90擠出機(jī)擠出底膠，另2臺(tái)為150擠出機(jī)并聯(lián)用作擠出聚乙烯，測(cè)溫?zé)犭娕纪ㄟ^補(bǔ)償導(dǎo)線（長(zhǎng)約50 m）將信號(hào)傳遞至總控室進(jìn)行控制?，F(xiàn)存在的問題是：熱電偶測(cè)溫不準(zhǔn)確，誤差較大，溫控系統(tǒng)測(cè)得的溫度與實(shí)際溫度相差較大(實(shí)際測(cè)溫偏差為30～80℃)，影響設(shè)備的正常使用。

1.2 熱電偶測(cè)溫的基本原理及誤差原因

1.2.1 熱電偶配用補(bǔ)償導(dǎo)線測(cè)溫原理

熱電偶是利用電勢(shì)來測(cè)量溫度的一種感溫元件,它能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電勢(shì)值,再由顯示儀表顯示出來。熱電偶是基于熱電效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的,焊接的一端叫測(cè)量端,未焊接的一端叫參考端。如果參考端溫度恒定,其熱電勢(shì)的大小只與組成熱電偶的兩種金屬材料的特性和測(cè)量端的溫度有關(guān),而與偶絲的粗細(xì)、長(zhǎng)度無關(guān)[1]。因此要準(zhǔn)確測(cè)溫,必須使參考端的溫度固定,一般為0℃。所以一般參考端都沒有冷端補(bǔ)償電路，使其溫度恒定為0℃。熱電偶信號(hào)為毫伏級(jí)電壓信號(hào)，是比較弱的模擬量信號(hào)。目前在工業(yè)應(yīng)用中,帶補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶進(jìn)行測(cè)溫非常普遍,有關(guān)使用手冊(cè)中規(guī)定補(bǔ)償導(dǎo)線的使用溫度范圍為0～100℃或0～150℃。因而,人們經(jīng)常會(huì)誤認(rèn)為只要補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶的連接處溫度在規(guī)定溫度范圍內(nèi),測(cè)溫就是準(zhǔn)確的。而實(shí)際并非如此,連接點(diǎn)的溫度高低直接影響著溫度測(cè)量誤差的大小。熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線的連接方式如圖1所示。

圖1 測(cè)溫原理圖

圖1中A和B為兩種不同材料的熱電偶絲,A1和B1為相應(yīng)熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線,根據(jù)熱電偶連接導(dǎo)線定律,其回路總的熱電勢(shì)為

式中：t1—偶絲和補(bǔ)償導(dǎo)線連接點(diǎn)的溫度；

t0—補(bǔ)償導(dǎo)線與儀表連接處溫度，為測(cè)量端溫度。

在保持熱電偶及其補(bǔ)償導(dǎo)線的物理化學(xué)熱穩(wěn)定性的前提下,當(dāng)溫度在0～100℃的前提下，下式近似成立:

將（2）式帶入（1）式得:

（3）式就是熱電偶使用補(bǔ)償導(dǎo)線的測(cè)溫原理。從圖中可以看出,使用補(bǔ)償導(dǎo)線后,相當(dāng)于把熱電偶的參考端溫度從移到溫度處,但此種情況成立的前提條件是（2）式成立,既然（2）式是近似公式,那么測(cè)量中就會(huì)引入誤差。

1.2.2 熱電偶配用補(bǔ)償導(dǎo)線測(cè)溫誤差分析

對(duì)于同一介質(zhì)溫度,使用熱電偶和同一偶絲材料作延長(zhǎng)線測(cè)溫如圖2所示[2]。

圖2 使用與熱電偶相同材料作補(bǔ)償導(dǎo)線測(cè)溫原理圖

如圖2所示,如果使用與熱電偶相同材料作補(bǔ)償導(dǎo)線測(cè)溫，則其熱電勢(shì)為:

如圖3所示,如果使用與熱電偶不同材料作補(bǔ)償導(dǎo)線測(cè)溫,則其熱電勢(shì)為:

（4）式與（5）式相減:

（6）式說明兩種測(cè)溫體系存在差值,兩種測(cè)溫體系測(cè)得的熱電勢(shì)差值為在溫差t1－t0下熱電偶偶絲與補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電勢(shì)之差,這個(gè)差值便是使用補(bǔ)償導(dǎo)線后引入的誤差。ΔE是t1和t0的函數(shù),在t0不變時(shí),只與t1有關(guān)。也就是說,使用補(bǔ)償導(dǎo)線引入的測(cè)量誤差與偶絲和補(bǔ)償導(dǎo)線連接點(diǎn)處的溫度有關(guān)[3]。

表1是鎳鉻－鎳硅（鋁）熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線銅－康銅在t0=0℃,t1=0～200℃時(shí)的熱電偶及它們之間的差值[4]。

表1 熱電偶絲與補(bǔ)償導(dǎo)線的測(cè)溫差值表

從表1可以清楚地看出,在連接點(diǎn)溫度為0～40℃范圍時(shí),鎳鉻-鎳硅（鋁）熱電偶和銅-康銅補(bǔ)償導(dǎo)線的電勢(shì)幾乎相同,它們的差值對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很小,隨著連接點(diǎn)溫度的升高,差值逐漸增大,使用補(bǔ)償導(dǎo)線帶來的誤差也越來越大。

1.2.3 造成測(cè)溫誤差的原因

由現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境和熱電偶測(cè)溫原理可得出造成測(cè)溫誤差的原因有以下幾點(diǎn)：

（1）熱電偶信號(hào)為毫伏級(jí)電壓信號(hào)，相對(duì)較弱，加之?dāng)D出機(jī)離總控室距離較遠(yuǎn)，信號(hào)有所衰減。

（2）補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接點(diǎn)處離擠出機(jī)加熱圈比較近，溫度高，所以使用補(bǔ)償導(dǎo)線又帶來較大誤差。

（3）中頻采用電磁感應(yīng)的方式進(jìn)行加熱，會(huì)造成一定的電磁干擾，這些干擾對(duì)于毫伏級(jí)模擬量熱電偶信號(hào)影響較大。

2 解決方案

2.1 方案所需硬件

分析造成測(cè)溫不準(zhǔn)的原因可以看出，要使測(cè)溫準(zhǔn)確，選用方案必須有較強(qiáng)的抗干擾能力，適于長(zhǎng)距離傳輸，并且盡可能不用補(bǔ)償導(dǎo)線[5]。

由于數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)相比，比較適合長(zhǎng)距離傳輸，并且傳輸數(shù)字信號(hào)所用的485通訊線比之前所用的熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線抗干擾能力強(qiáng)，所以將熱電偶直接連接到溫度采集模塊，不再使用補(bǔ)償導(dǎo)線[6]，將熱電偶輸出的模擬量信號(hào)就近轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，再利用485通訊線進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸，這將最大可能的減少其他因素對(duì)熱電偶測(cè)溫信號(hào)的影響，提高測(cè)溫精度[7]。測(cè)溫系統(tǒng)改進(jìn)前后對(duì)比圖見圖3。

現(xiàn)有測(cè)溫系統(tǒng)為：熱電偶模擬量信號(hào)通過普通補(bǔ)償導(dǎo)線并經(jīng)過若干端子長(zhǎng)距離傳輸?shù)絇LC，會(huì)造成信號(hào)衰減，并且模擬量信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸過程中容易受到中頻等信號(hào)的影響。

圖3 測(cè)溫系統(tǒng)改進(jìn)前后對(duì)比圖

改進(jìn)后測(cè)溫系統(tǒng)為：直接將熱電偶連接在測(cè)溫模塊一端，通過轉(zhuǎn)換模塊將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，并通過485數(shù)據(jù)線長(zhǎng)距離傳輸至PLC。

測(cè)溫模塊選用TDAM7018。TDAM7018為8路模擬量(熱電偶)采集模塊，可采集各種標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流、毫伏、以及各種類型熱電偶溫度信號(hào)，輸入通道類型可以隨意組合。模塊采用RS485通訊接口，支持MODBUS-RTU和DCON ASCII碼兩種通訊協(xié)議，通過工具軟件隨意設(shè)置，可以直接連接PLC[8]。

輸入通道采用雙端差動(dòng)輸入。輸入、電源、通信及通道之間電氣隔離，獨(dú)立AD芯片采樣和轉(zhuǎn)換，保證數(shù)據(jù)的精確度，有效抑制各類共模干擾，消除通道間的相互影響。每個(gè)通道的信號(hào)類型可以任意設(shè)置[9]。

熱電偶輸入有斷路檢測(cè)功能，采集結(jié)果為溫度值，熱電偶輸入自動(dòng)進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。

此模塊具有一階數(shù)字濾波、50 Hz工頻抑制功能，對(duì)抑制工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工頻干擾十分有效，保證微弱信號(hào)的采集精度，同時(shí)，此模塊采用修正零點(diǎn)和斜率方式校正每個(gè)通道數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，隨時(shí)修正因環(huán)境溫度變化引起的測(cè)量誤差，保證模塊在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的采集精度[10]。

2.2 方案所需軟件

由于測(cè)溫系統(tǒng)新加入了測(cè)溫模塊，所以溫控程序需要在原來的基礎(chǔ)上加入測(cè)溫模塊與PLC的通信程序，測(cè)溫模塊支持Modbus通訊協(xié)議，所以，PLC與測(cè)溫模塊之間通信采用Modbus通訊協(xié)議，其中PLC作為主站，測(cè)溫模塊作為從站，測(cè)溫模塊之間采用組網(wǎng)的形式進(jìn)行連接。溫度控制繼續(xù)采用PID控制,原有PID控制程序是建立在原有硬件基礎(chǔ)上的，現(xiàn)采用了新的測(cè)溫模塊，已不能滿足原有PID控制程序的使用條件，需重新編寫PID控制程序。

3 關(guān)于方案可靠性的驗(yàn)證性試驗(yàn)

3.1 油浴加熱

將K型、E型熱電偶，水銀溫度計(jì)同時(shí)油浴加熱（如圖 4所示），每5 min記錄一次（油浴模擬擠出機(jī)，加熱溫度為180～200℃），測(cè)得數(shù)據(jù)見表2。

圖4 油浴加熱示意圖

表2 油浴模擬擠出機(jī)所測(cè)數(shù)據(jù) ℃

3.2 實(shí)際測(cè)溫

在擠出機(jī)機(jī)身上進(jìn)行實(shí)際測(cè)溫，加入可能的干擾源，并進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。機(jī)身測(cè)溫所得數(shù)據(jù)見表3。

表3 擠出機(jī)實(shí)際運(yùn)行測(cè)溫?cái)?shù)據(jù) ℃

4 結(jié) 語

油浴試驗(yàn)由于試驗(yàn)條件所限，很難保持恒溫狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)變化速率比實(shí)際溫度變化速率要慢，所以標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)顯示溫度比實(shí)際溫度要低，所以試驗(yàn)誤差較大，但誤差偏離值基本在±10℃范圍內(nèi)。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該方案實(shí)際測(cè)溫效果較理想，受到的干擾較小，誤差在可接受范圍內(nèi)，方案可行。

由以上數(shù)據(jù)可以推斷出，采用所述方式進(jìn)行單螺桿擠出機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)優(yōu)化，可以消除原擠出機(jī)溫控系統(tǒng)在測(cè)溫過程中所造成的超出范圍值并不可調(diào)整的溫度誤差，滿足鋼質(zhì)管道三層PE涂層聚乙烯擠出所要求的精準(zhǔn)溫控，為產(chǎn)品的質(zhì)量提供了可靠的保障。此優(yōu)化方式可以推廣到其他單螺桿擠出機(jī)或雙螺桿擠出機(jī)所需的長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)，值得推廣應(yīng)用。

［1］劉祖應(yīng).熱電偶測(cè)溫原理中的基本定律[J].化工時(shí)刊，2001（04）： 46－48.

［2］王忠偉.帶補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶測(cè)溫時(shí)的誤差分析和修正方法[J].工業(yè)計(jì)量， 2008， 18(06)： 34－36.

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［4］JB/T 8205—1999，廉金屬鎧裝熱電偶材料[S].

［5］李忠明.復(fù)雜工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸研究[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2003(04)：33－35.

［6］岑淑瓊，于召亮.熱電偶檢定中補(bǔ)償導(dǎo)線的使用問題[J].計(jì)測(cè)技術(shù)， 2013(02)： 74－76.

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［8］何希才.傳感器及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

［9］蘭吉昌.TMS320F28 12DSP應(yīng)用實(shí)例精講[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［10］魏永廣，劉存.現(xiàn)代傳感技術(shù)[M].沈陽：東北大學(xué)出版社，2001.

Single Screw Extruder Temperature Measuringt System Optimization for Steel Pipe 3PE Anti-corrosion Production Line

WU Huaiming1，JIANG Pei2，LU Tao3
（1.COCNOOC Energy Technology&Services Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China;2.Tianhua Istitute of Chemical Machinery&Automation Co.,Ltd.,Lanzhou730060,China;3.Changqing Oilfield Filiale Eleventh Oil Extraction Plant， Xi’an 710000,China）

Aiming at large measurement deviation of existing extruder temperature measuring system in some factory,a new kind of extruder temperature measuring system was put forward.This system turned the analog signal of the thermocouple into digital signal,then transmitted the digital signals to the master control room.It canceled the compensation wire of long distance transmission analog signal,so as to improve the accuracy of the extruder temperature measuring system and anti-jamming ability.

steel pipe;3PE coating production line;extruder temperature control;thermocouple;PID

TE988.2

B

1001－3938（2015）05-0062-04

武懷明（1958—），男，大學(xué)本科學(xué)歷，工程師，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），主要從事海底管道涂敷技術(shù)開發(fā)與管理工作。

2015－03－19

羅 剛