基于智能儀表的溫度測(cè)量裝置研究與應(yīng)用

朱 彬

（華能國(guó)際電力股份有限公司 上安電廠，河北 井陘 050310）

0 引言

以單片機(jī)作為主體的設(shè)備，將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和檢測(cè)設(shè)備技術(shù)有機(jī)地融合，組成的智能儀表帶來(lái)了儀表結(jié)構(gòu)的重大改變。與其他傳統(tǒng)儀表的各種常規(guī)測(cè)量電路進(jìn)行比較，智能儀表在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化、測(cè)量數(shù)據(jù)處理及功能多樣化等方面，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。智能儀表可以對(duì)儀表電路進(jìn)行精簡(jiǎn)，同時(shí)帶有變送輸出、繼電器控制輸出、通信、數(shù)據(jù)保持等多種功能。智能儀表在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用方面，也是百家爭(zhēng)鳴。如應(yīng)用于鍋爐汽包水位監(jiān)視[1]、熱泵遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、高溫電阻爐溫度區(qū)別跟蹤測(cè)控系統(tǒng)等。

1 基于智能儀表的溫度測(cè)量裝置研究背景

華能國(guó)際電力股份有限公司上安電廠2號(hào)機(jī)組，于2006年3月完成了干排渣系統(tǒng)改造。改造完成后，干排渣系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行人員需要根據(jù)鋼帶機(jī)溫度來(lái)判斷擠壓頭開(kāi)啟的數(shù)量和速度是否符合要求，以及爐膛內(nèi)部是否發(fā)生掉焦等工況。鋼帶機(jī)溫度共設(shè)計(jì)3處，分別為爐底溫度、鋼帶機(jī)過(guò)渡段溫度、鋼帶頭部溫度，均使用一體式溫度變送器。其中，前兩處溫度主要用作監(jiān)視，而鋼帶頭部溫度具有報(bào)警及聯(lián)鎖保護(hù)功能。當(dāng)鋼帶頭部溫度高于150℃，觸發(fā)爐底進(jìn)風(fēng)溫度高報(bào)警；當(dāng)鋼帶頭部溫度高于開(kāi)鋼帶風(fēng)門(mén)溫度設(shè)定值時(shí)，聯(lián)鎖打開(kāi)鋼帶風(fēng)門(mén)；當(dāng)鋼帶頭部溫度低于關(guān)鋼帶風(fēng)門(mén)溫度設(shè)定值時(shí)，聯(lián)鎖關(guān)閉鋼帶風(fēng)門(mén)。

所以，鋼帶機(jī)頭部溫度測(cè)點(diǎn)一旦發(fā)生異常，影響鋼帶風(fēng)門(mén)聯(lián)鎖動(dòng)作，無(wú)法正常調(diào)節(jié)鋼帶頭部溫度。如果鋼帶頭部溫度持續(xù)升高，可能會(huì)燒損附近安裝的料位開(kāi)關(guān)等測(cè)量設(shè)備，導(dǎo)致鋼帶機(jī)、清掃鏈及斗提等設(shè)備聯(lián)鎖跳閘，進(jìn)而聯(lián)鎖整個(gè)干排渣系統(tǒng)停運(yùn)，鍋爐產(chǎn)生的爐渣無(wú)法正常排出，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生限制電量負(fù)荷，甚至機(jī)組被迫停機(jī)等不安全事件。因此，這就要求鋼帶機(jī)溫度測(cè)點(diǎn)設(shè)備具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，才能避免上述情況發(fā)生。

另外，由于鋼帶機(jī)運(yùn)行時(shí)表面溫度最高可達(dá)300℃，當(dāng)擠壓頭全開(kāi)干排渣系統(tǒng)滿出力時(shí)，鋼帶頭部溫度甚至可達(dá)500℃。作為測(cè)量鋼帶機(jī)溫度的溫度變送器線路板、接線端子等部件長(zhǎng)期在如此高的環(huán)境溫度下運(yùn)行，也容易造成設(shè)備加速老化、測(cè)量失準(zhǔn)，甚至高溫?zé)龘p等問(wèn)題，增加了設(shè)備故障率、維護(hù)量及維護(hù)費(fèi)用，不符合生產(chǎn)節(jié)能降耗的宗旨要求。針對(duì)以上問(wèn)題，本文獨(dú)辟蹊徑，重新設(shè)計(jì)了基于智能儀表的溫度測(cè)量裝置，并成功應(yīng)用于華能上安電廠2號(hào)機(jī)組鋼帶機(jī)溫度信號(hào)的測(cè)量中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行取得了良好的效果。

2 基于智能儀表的溫度測(cè)量裝置設(shè)計(jì)方案

2.1 總體方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求選擇耐高溫、抗腐蝕的溫度元件作為傳感器，然后將傳感器的測(cè)量信號(hào)輸出至智能數(shù)顯儀表，而智能數(shù)顯儀表的安裝位置則遠(yuǎn)離傳感器所在的高溫區(qū)域，傳感器信號(hào)通過(guò)智能數(shù)顯表內(nèi)部運(yùn)算輸出4mA～20mA電流信號(hào)，再引入干排渣PLC控制系統(tǒng)的模擬量輸入模件，在PLC控制器中完成邏輯運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)鋼帶機(jī)溫度信號(hào)采集及聯(lián)鎖保護(hù)。這樣設(shè)計(jì)既避免了智能測(cè)量?jī)x表長(zhǎng)期受到高溫?zé)彷椛溆绊懚匣?、故障，同時(shí)還提升了鋼帶溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行贏得保障。

2.2 溫度傳感器的設(shè)計(jì)選型及安裝

不同類型的溫度傳感器感溫范圍也不一樣，目前應(yīng)用廣泛、造價(jià)低廉、測(cè)量效果較好的感溫元件應(yīng)屬熱電阻。其中，陶瓷鉑熱電阻測(cè)溫范圍廣泛可達(dá)-250℃～850℃；云母鉑熱電阻，由于云母的特性，其測(cè)溫范圍是-200℃～420℃；薄膜鉑熱電阻，因?yàn)槠浞庋b及制造特性，其測(cè)溫范圍是-50℃～500℃[2]。為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)環(huán)境，選擇了測(cè)溫范圍較大的陶瓷鉑熱電阻。

兩線制熱電阻測(cè)量的線路電阻為熱電阻的電阻值與連接導(dǎo)線的電阻值之和，連接導(dǎo)線的引線電阻大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長(zhǎng)度等因素有關(guān)。因此，兩線制熱電阻測(cè)量誤差較大且不可避免。而三線制熱電阻，在使用時(shí)有效消除了引起誤差的引線電阻，提高了測(cè)量的精確性[3]。

根據(jù)上述內(nèi)容，選擇三線制Pt100陶瓷鉑熱電阻3只。測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)安裝孔徑及鋼帶機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)分布，將熱電阻插入深度設(shè)定為150mm進(jìn)行安裝固定。

2.3 供電方式和接線的改變

原一體式溫度變送器由PLC電源柜內(nèi)24V電源供電，改進(jìn)后的溫度測(cè)量裝置中熱電阻由數(shù)顯表供電。因此，需要在PLC端子柜內(nèi)將3個(gè)鋼帶機(jī)溫度測(cè)點(diǎn)，由PLC柜24V電源供電接線方式改為智能數(shù)顯表向熱電阻供電方式。

由于PLC控制系統(tǒng)模擬量輸入子模件ACI03000只能接收4mA～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，無(wú)法接收熱電阻微弱電流信號(hào)，因而需要通過(guò)智能數(shù)顯儀表向PLC子模件發(fā)送4mA～20mA電流信號(hào)。原一體式溫度變送器控制線經(jīng)過(guò)端子排接至PLC柜端子A-B，與24V電源和模件串聯(lián)構(gòu)成測(cè)量回路，改進(jìn)后的溫度測(cè)量裝置中需將熱電阻控制線連接至數(shù)顯表的RTD端子上，再由數(shù)顯表的輸出端接至PLC柜端子B-C，與PLC子模件串聯(lián)構(gòu)成測(cè)量供電回路。測(cè)量回路改進(jìn)如圖1所示。另外，出于消除4mA～20mA電流信號(hào)線路上的電磁干擾，以及防止智能數(shù)顯表故障情況下220VAC電壓串入PLC模件，對(duì)模擬量輸入子模件造成損傷，可以在信號(hào)進(jìn)入PLC端子柜前，在回路中接入信號(hào)隔離器。

2.4 數(shù)顯表參數(shù)的設(shè)置

接通智能數(shù)顯儀表電源，即可對(duì)數(shù)顯表參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。輸入信號(hào)選擇：Pt100熱電阻；小數(shù)點(diǎn)位數(shù)選擇SL1=1；零點(diǎn)顯示值：- 50；滿點(diǎn)顯示值：600；變送器輸出類型：4mA～20mA；變送器輸出零點(diǎn)：-50；變送器輸出滿點(diǎn)：600；校正輸出零點(diǎn)：0；第一報(bào)警方式選擇上限報(bào)警SL2=2；報(bào)警功能選擇無(wú)報(bào)警延遲功能；報(bào)警上限PVH=150。數(shù)顯表零點(diǎn)校對(duì)和增益校對(duì)后，精度高達(dá)±0.2℃，可以準(zhǔn)確地在上位機(jī)顯示鋼帶機(jī)溫度。同時(shí)，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，儀表會(huì)閃爍報(bào)警，提醒巡檢和維護(hù)人員關(guān)注，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)備隱患。改造后的現(xiàn)場(chǎng)效果如圖2所示。

2.5 改造后的應(yīng)用及效益分析

圖1 接線方式對(duì)比圖Fig.1 Comparison of wiring modes

圖2 智能數(shù)顯表安裝效果Fig.2 Installation effect of intelligent digital display meter

基于智能儀表的溫度測(cè)量裝置相比于常規(guī)溫度變送器節(jié)約3000元/套，而且在使用中熱電阻幾乎無(wú)損傷。將智能數(shù)顯表安裝于控制柜內(nèi)后，遠(yuǎn)離了就地高溫環(huán)境，電子元器件損壞率大大降低，降低了備件消耗和人力維護(hù)成本，同時(shí)也為準(zhǔn)確穩(wěn)定測(cè)量鋼帶機(jī)溫度數(shù)據(jù)提供了可靠保障。因此，采用耐高溫、抗腐蝕的熱電阻和智能儀表組合的溫度測(cè)量裝置，改造投資小、回報(bào)高，具有較高的借鑒意義和推廣價(jià)值，達(dá)到了生產(chǎn)節(jié)能降耗、降本增效的改造目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

溫度變送器在電廠中應(yīng)用十分廣泛，但在高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境下，如何選擇可靠性高、測(cè)量精度達(dá)到要求且維護(hù)手段簡(jiǎn)單方便、耗時(shí)少的測(cè)量裝置一直是個(gè)難題。本文提供的熱電阻和智能儀表相組合的溫度測(cè)量裝置改造思路，其測(cè)量范圍可達(dá)-50℃～600℃，可以監(jiān)視冬天機(jī)組停運(yùn)時(shí)鋼帶機(jī)實(shí)際溫度值。同時(shí)采用耐高溫、抗腐蝕效果好的三線制熱電阻，在保證測(cè)量精度，提高設(shè)備穩(wěn)定性的同時(shí)，降低人力資源消耗及大量維護(hù)費(fèi)用。

本文進(jìn)行了智能儀表在干排渣系統(tǒng)鋼帶機(jī)溫度方面的研究，這只是智能儀表應(yīng)用的一方面，還有許多問(wèn)題有待深入研究。由于智能儀表多功能性的特點(diǎn)，其在空壓機(jī)故障診斷、鍋爐磨組溫度顯示等方面，必將有更廣泛的應(yīng)用。