基于智能儀表的溫度測量裝置研究與應用

朱 彬

（華能國際電力股份有限公司 上安電廠，河北 井陘 050310）

0 引言

以單片機作為主體的設備，將現代計算機技術和檢測設備技術有機地融合，組成的智能儀表帶來了儀表結構的重大改變。與其他傳統儀表的各種常規測量電路進行比較，智能儀表在測量過程自動化、測量數據處理及功能多樣化等方面，取得了長足的進步。智能儀表可以對儀表電路進行精簡，同時帶有變送輸出、繼電器控制輸出、通信、數據保持等多種功能。智能儀表在工業現場實際應用方面，也是百家爭鳴。如應用于鍋爐汽包水位監視[1]、熱泵遠程監控系統、高溫電阻爐溫度區別跟蹤測控系統等。

1 基于智能儀表的溫度測量裝置研究背景

華能國際電力股份有限公司上安電廠2號機組，于2006年3月完成了干排渣系統改造。改造完成后，干排渣系統正常運行時，運行人員需要根據鋼帶機溫度來判斷擠壓頭開啟的數量和速度是否符合要求，以及爐膛內部是否發生掉焦等工況。鋼帶機溫度共設計3處，分別為爐底溫度、鋼帶機過渡段溫度、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視，而鋼帶頭部溫度具有報警及聯鎖保護功能。當鋼帶頭部溫度高于150℃，觸發爐底進風溫度高報警；當鋼帶頭部溫度高于開鋼帶風門溫度設定值時，聯鎖打開鋼帶風門；當鋼帶頭部溫度低于關鋼帶風門溫度設定值時，聯鎖關閉鋼帶風門。

所以，鋼帶機頭部溫度測點一旦發生異常，影響鋼帶風門聯鎖動作，無法正常調節鋼帶頭部溫度。如果鋼帶頭部溫度持續升高，可能會燒損附近安裝的料位開關等測量設備，導致鋼帶機、清掃鏈及斗提等設備聯鎖跳閘，進而聯鎖整個干排渣系統停運，鍋爐產生的爐渣無法正常排出，嚴重時會發生限制電量負荷，甚至機組被迫停機等不安全事件。因此，這就要求鋼帶機溫度測點設備具有較高的可靠性和穩定性，才能避免上述情況發生。

另外，由于鋼帶機運行時表面溫度最高可達300℃，當擠壓頭全開干排渣系統滿出力時，鋼帶頭部溫度甚至可達500℃。作為測量鋼帶機溫度的溫度變送器線路板、接線端子等部件長期在如此高的環境溫度下運行，也容易造成設備加速老化、測量失準，甚至高溫燒損等問題，增加了設備故障率、維護量及維護費用，不符合生產節能降耗的宗旨要求。針對以上問題，本文獨辟蹊徑，重新設計了基于智能儀表的溫度測量裝置，并成功應用于華能上安電廠2號機組鋼帶機溫度信號的測量中，經過長時間運行取得了良好的效果。

2 基于智能儀表的溫度測量裝置設計方案

2.1 總體方案

根據現場環境要求選擇耐高溫、抗腐蝕的溫度元件作為傳感器，然后將傳感器的測量信號輸出至智能數顯儀表，而智能數顯儀表的安裝位置則遠離傳感器所在的高溫區域，傳感器信號通過智能數顯表內部運算輸出4mA～20mA電流信號，再引入干排渣PLC控制系統的模擬量輸入模件，在PLC控制器中完成邏輯運算，從而實現鋼帶機溫度信號采集及聯鎖保護。這樣設計既避免了智能測量儀表長期受到高溫熱輻射影響而老化、故障，同時還提升了鋼帶溫度測量數據的準確性和可靠性，為整個系統安全運行贏得保障。

2.2 溫度傳感器的設計選型及安裝

不同類型的溫度傳感器感溫范圍也不一樣，目前應用廣泛、造價低廉、測量效果較好的感溫元件應屬熱電阻。其中，陶瓷鉑熱電阻測溫范圍廣泛可達-250℃～850℃；云母鉑熱電阻，由于云母的特性，其測溫范圍是-200℃～420℃；薄膜鉑熱電阻，因為其封裝及制造特性，其測溫范圍是-50℃～500℃[2]。為適應現場的生產環境，選擇了測溫范圍較大的陶瓷鉑熱電阻。

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

根據上述內容，選擇三線制Pt100陶瓷鉑熱電阻3只。測量現場安裝孔徑及鋼帶機內部溫度場分布，將熱電阻插入深度設定為150mm進行安裝固定。

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24V電源供電，改進后的溫度測量裝置中熱電阻由數顯表供電。因此，需要在PLC端子柜內將3個鋼帶機溫度測點，由PLC柜24V電源供電接線方式改為智能數顯表向熱電阻供電方式。

由于PLC控制系統模擬量輸入子模件ACI03000只能接收4mA～20mA標準電流信號，無法接收熱電阻微弱電流信號，因而需要通過智能數顯儀表向PLC子模件發送4mA～20mA電流信號。原一體式溫度變送器控制線經過端子排接至PLC柜端子A-B，與24V電源和模件串聯構成測量回路，改進后的溫度測量裝置中需將熱電阻控制線連接至數顯表的RTD端子上，再由數顯表的輸出端接至PLC柜端子B-C，與PLC子模件串聯構成測量供電回路。測量回路改進如圖1所示。另外，出于消除4mA～20mA電流信號線路上的電磁干擾，以及防止智能數顯表故障情況下220VAC電壓串入PLC模件，對模擬量輸入子模件造成損傷，可以在信號進入PLC端子柜前，在回路中接入信號隔離器。

2.4 數顯表參數的設置

接通智能數顯儀表電源，即可對數顯表參數進行設定。輸入信號選擇：Pt100熱電阻；小數點位數選擇SL1=1；零點顯示值：- 50；滿點顯示值：600；變送器輸出類型：4mA～20mA；變送器輸出零點：-50；變送器輸出滿點：600；校正輸出零點：0；第一報警方式選擇上限報警SL2=2；報警功能選擇無報警延遲功能；報警上限PVH=150。數顯表零點校對和增益校對后，精度高達±0.2℃，可以準確地在上位機顯示鋼帶機溫度。同時，當溫度高于設定值時，儀表會閃爍報警，提醒巡檢和維護人員關注，有利于及時發現和處理設備隱患。改造后的現場效果如圖2所示。

2.5 改造后的應用及效益分析

圖1 接線方式對比圖Fig.1 Comparison of wiring modes

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

基于智能儀表的溫度測量裝置相比于常規溫度變送器節約3000元/套，而且在使用中熱電阻幾乎無損傷。將智能數顯表安裝于控制柜內后，遠離了就地高溫環境，電子元器件損壞率大大降低，降低了備件消耗和人力維護成本，同時也為準確穩定測量鋼帶機溫度數據提供了可靠保障。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量裝置，改造投資小、回報高，具有較高的借鑒意義和推廣價值，達到了生產節能降耗、降本增效的改造目的。

3 結束語

溫度變送器在電廠中應用十分廣泛，但在高溫、腐蝕氣體等惡劣環境下，如何選擇可靠性高、測量精度達到要求且維護手段簡單方便、耗時少的測量裝置一直是個難題。本文提供的熱電阻和智能儀表相組合的溫度測量裝置改造思路，其測量范圍可達-50℃～600℃，可以監視冬天機組停運時鋼帶機實際溫度值。同時采用耐高溫、抗腐蝕效果好的三線制熱電阻，在保證測量精度，提高設備穩定性的同時，降低人力資源消耗及大量維護費用。

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