儀表伴熱實時監測系統的開發與應用

關 力 楊麗英

(中石化北京燕山石油化工股份有限公司 a.統計調查中心；b.生產運行保障中心，北京 102500)

儀表伴熱系統是煉化生產裝置中重要的儀表輔助系統，其正常運行直接關系到裝置的安全、穩定生產，尤其是在冬季，儀表伴熱系統更是發揮著重要作用。目前，儀表伴熱系統的維護主要存在的問題有：儀表伴熱回路多且較為分散，部分伴熱點位置較高，不利于維護；沒有實時監測儀表伴熱系統運行狀況的有效手段，通常是靠儀表人員巡檢，一些處于高處、風口或偏遠部位的儀表伴熱有時因巡檢不到位而未及時發現發生凍凝問題，對裝置的生產造成不利影響；伴熱回路的溫度調整不及時，伴熱溫度過低有可能出現介質凍凝，而伴熱溫度過高也會造成蒸汽浪費；冬季伴熱系統的維護量大，工作人員的勞動強度較高，夜間高處儀表伴熱巡檢存在不安全因素。為此，開發儀表伴熱實時監控系統，在加強儀表伴熱系統維護、保障裝置平穩生產、節能降耗和降低工作人員的勞動強度方面有著十分重要的意義。筆者以某煉化裝置的儀表伴熱實時監測項目為背景，介紹電纜-光纖監測、無線監測和智能儀表監測方式的設計與應用。

1 儀表伴熱實時監測系統①

儀表伴熱實時監測系統通過對各個儀表伴熱回路的溫度信號進行采集，利用上位平臺實現實時監測、報警管理、故障診斷和歷史數據存儲功能，從而達到保證生產平穩運行、減少維護量和降低裝置蒸汽消耗的目的。公司組織技術力量陸續在生產裝置上開發應用了3種儀表伴熱監測系統，根據信號傳輸方式分為電纜-光纖伴熱監測系統、無線伴熱監測系統和智能儀表伴熱實時監測系統。

1.1 電纜-光纖伴熱實時監測系統

該監測系統主要采用分支電纜-光纖傳輸信號，由溫度檢測元件、現場采集站、計算機監測系統、網絡及數據通信系統等部分組成。電纜-光纖伴熱實時監測系統的網絡結構如圖1所示。

圖1 電纜-光纖伴熱實時監測系統網絡結構簡圖

測溫元件采用Pt100熱電阻，安裝在保溫箱內的伴熱管上，測量表箱內管壁的溫度，安裝時注意要緊貼管道外壁以保證測量精度。現場接線箱用于匯集現場分散的溫度測點，分區域將溫度信號傳送到區域現場采集站。現場采集站采用隔爆設計，由控制器、電源模塊、RTD采集模塊及光電轉換器等組成，具備現場數據采集、信號轉換和故障自診斷功能，采用一路24V(DC)供電方式。現場信號采集模塊采集到各伴熱回路的溫度數據后，通過光電轉換器，把電信號轉換成光信號，利用光纖把信號傳送到位于機柜間的交換機。每個現場采集站可支持8個RTD采集模塊，每個模塊支持8路RTD信號采集，因此每個現場采集站共支持64路RTD信號采集。系統中的DELL工控機用于實現數據的采集、監測、網絡發布、故障診斷及報警等功能。

電纜-光纖儀表伴熱監測系統已經在中石化北京燕山石油化工股份有限公司的裂解裝置中廣泛應用，該裝置共有儀表伴熱回路997個，伴熱實時監控系統由997個測溫元件和19個現場采集站組成，設置上位監測平臺一套，圖2、3為伴熱實時監控系統界面和報警界面。裂解裝置伴熱實時監測系統投運至今，應用效果較好。

圖2 儀表伴熱實時監測系統界面

圖3 儀表伴熱實時監測系統報警界面

1.2 無線伴熱監測系統

無線伴熱監測系統主要由溫度檢測元件、無線發射和接收設備、無線連接設備、主機及相關軟件等部分組成，同樣可以實現儀表伴熱回路溫度的采集與管理功能。

系統采用了一種新型的無線數據采集系統——集散式監測系統。系統工作屬微功率免申請頻段，無需額外授權費用或網絡第三方支持，并提供有RS232/485設備接口。無線伴熱實時監測系統的網絡結構如圖4所示。

圖4 無線伴熱實時監測系統網絡結構簡圖

無線溫度采集器用于檢測儀表保溫箱內導壓管的管壁溫度，每個檢測元件都有專用無線通道地址碼和配套的發射設備，用于無線傳輸溫度信號。將無線溫度采集器安裝在管道上，當管道中的介質作用于感溫元件上，感溫器件將溫度轉換為電信號，通過專業的信號調理電路將該信號進行濾波、放大及補償等處理后，進入微處理器進行數據的采集、處理和顯示，之后將測量數據通過無線方式傳輸到遠方的無線溫度接收終端。無線溫度采集器使用Pt100鉑熱電阻溫度傳感器進行溫度感應；卡扣接觸式探頭溫度感應方式，采用鋰電池供電，能夠持續工作約15kh；采集器殼體采用IP65防水工業壓鑄鋁殼，具有很好的防水和電磁干擾信號屏蔽作用。

中繼無線設備是進行信號遠距離無線傳輸的保障，當無線溫度采集器和無線采集服務器間的安裝位置超過300m時，需要在它們之間安裝無線中繼分站來對無線溫度采集器的信號進行放大，以增強信號強度。

室內通過無線采集服務器接收現場傳送來的無線信號，無線采集服務器負責接收無線溫度采集器和無線中繼分站傳來的溫度數據，無線采集服務器可以同時接收最多256路無線溫度采集器的數據，并對采集到的溫度數據進行解析處理和打包后通過RS485或以太網上傳到本地或上一級管理機構。

溫度采集監控主機用于實現數據的采集、監測、網絡發布、故障診斷及報警等功能。溫度采集監控主機安裝了一套組態軟件，將送來的溫度數據進行分析、報警提示、圖形顯示、報表整理、保存與查詢。監控中心以形象、直觀的圖形界面實時顯示所轄范圍內監控對象的分布狀況、工作狀態和運行參數。根據系統設置的報警門限值提供報警信息，提供包括實時數據及報表打印等功能，使管理人員能通過本系統了解到遠程監控參數的變化情況，控制遠端監控設備進而實現遠程管理。

無線伴熱實時監測系統已經在中石化北京燕山石油化工股份有限公司的制苯裝置上投入實際應用，實現了70個儀表回路伴熱管溫度的實時監測。現場共配置了70個無線溫度采集器、3個中繼無線設備、一個無線采集服務器和一臺溫度采集監控主機。系統投運以來，效果良好。

1.3 智能儀表伴熱實時監測系統

智能儀表伴熱實時監測系統主要利用現場儀表和DCS系統卡件的HART功能，讀取智能變送器HART信號附加的溫度信號(即表頭溫度信號)，間接地實現監測儀表伴熱回路工作狀況的目標。

該系統不增加其他硬件，但對現有設備硬件要求較高，要求現場變送器采用智能儀表、DCS的I/O卡支持HART協議。通過DCS組態，實現變送器溫度監測的目的。以Centun VP系統為例，如圖5所示，在IOM Builder通道中的HART Varialble選項選擇HART信號中的溫度變量進行設置并進行組態，實現顯示功能(圖6)。

圖5 HART變量選擇界面

圖6 HART變量組態界面

由于采用此類監測方式會增加控制系統CPU的負荷，并且所能讀取的HART信號中的數據受限，因此適用于監測規模較小的儀表伴熱系統。如果需要監測的伴熱回路數量較多，建議采用橫河PRM等設備管理系統。目前智能儀表伴熱實時監測系統應用在中石化北京燕山石油化工股份有限公司的C5裝置上，DCS上的監測顯示正常。

2 3種伴熱實時監測系統的比較

上述3種儀表伴熱監測系統在該公司的相關儀表回路上均已投運，運行總體情況良好，系統能夠實時監控儀表伴熱回路的運行狀況，及時發出伴熱溫度高、低預警信號，提高了儀表伴熱系統的維護質量，保證了裝置的平穩運行，并且減輕了工作人員的勞動強度。但是，3種伴熱實時監控系統各有優、缺點，現列于表1，供相關技術人員根據企業、裝置和設備的具體情況靈活選用。

表1 3種儀表伴熱實時監測系統優、缺點的比較

3 結束語

詳細介紹了電纜-光纖伴熱監測系統、無線伴熱監測系統和智能儀表伴熱監測系統的硬件組成和網絡結構，以及各自的適用范圍。同時對比分析了3種儀表伴熱實時監測系統的優、缺點。在中石化北京燕山石油化工股份有限公司的不同裝置上實際投運后， 對儀表伴熱狀態的監測效果較好。但是無線伴熱監測系統的發射和接收器安裝位置和角度，會直接影響信號的接收質量，同時還需進一步摸索其最佳安裝方式；同時還需進一步確定伴熱系統的最佳溫度監測范圍，合理設定報警溫度值，做到既保證介質不凍凝又能最大程度地減少蒸汽的消耗量。