現場總線型煅燒爐爐內溫壓監測系統應用探討

魯振龍

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

煅后焦是生產炭素陽極制品的主要原材料，石油焦煅燒工序是炭陽極生產過程中的重要工序。罐式煅燒爐集炭質燒損低、產品質量好、運行維護費用小、余熱排放穩定等眾多優勢于一身，特別是能適用粒度細的石油焦。但由于其受產能小、控制水平低、原料適用性差的限制，使用率不及回轉窯。近年來，在提高資源利用率，促進循環經濟發展思路的影響下，罐式煅燒爐作為最經濟的煅燒設備，得到眾多電解鋁企業的青睞。

1 目前罐式煅燒爐爐內溫壓監控現狀

煅燒溫度受多因素影響，如原料揮發分、水分含量、粒度組成等，從直接的調控操作來講燃料、空氣、負壓俗稱調溫“三要素”。揮發分和空氣的配比目前尚無成熟的監測手段，因此，爐內溫度和負壓的監測，成為罐式煅燒爐可以依賴的最重要的兩個參數，即我們通常講到的爐內溫壓監測系統。

目前煅燒爐爐溫爐壓監測系統基本有以下兩種模式。

（1）PLC/DCS方式。采用工業可編程序控制系統（簡稱PLC）或分布式控制系統（簡稱DCS）實現。配置上位機進行監控和操作，具有可靠性高、開放、靈活、控制功能齊全等優點。DCS/PLC控制系統其控制器的功能強大而且在系統中的作用十分重要，數據公路更是系統的關鍵，所以，系統投入需一步到位，投資費用高，日后的擴容難度較大；另外，需要相當數量的隔離器、端子柜、I/O卡件及I/O機柜，同時也需要相應的設備安裝空間；檢測元件采用硬接線，需使用大量電線電纜，橋架敷設量大。

（2）巡檢儀方式。采用多路巡檢儀實現，一般采用16/32/48/64路溫度或壓力巡檢儀進行數據采集、顯示。優點：盤面布置，顯示直觀，沒有軟件編程等環節，省去了信號隔離器等設備，投資低。但數據顯示實時性差，巡檢速率慢，通常每個通道巡檢周期為1秒，巡檢路數越多巡檢周期越慢；兼容性差，基本不支持與上級控制系統的通訊連接，容易形成數據孤島；后期升級/擴容困難；安裝復雜，全部硬接線，需使用大量電線電纜；巡檢儀后端接線端子接線復雜，不便于檢修維護。

2 現場總線型罐式煅燒爐爐內溫壓監測系統構成

現場總線型煅燒爐爐內溫壓監測系統選擇MODBUSRS485單主多從通訊協議作為RS-485網絡的應用層通信協議，即“單主/多從”模式通訊協議。設備層主要由光電溫度傳感器、壓力變送器、熱電偶組成，光電溫度傳感器、壓力變送器、熱電偶均具有RS485輸出功能，通過RS485通訊電纜與層級網絡系統（數據采集器）進行通訊。以儀表柜內的數據采集器作為主機，光電溫度傳感器、熱電偶、壓力變送器等為從機。數據收集器不間歇地輪詢掛載在總線上的從設備（光電溫度傳感器、壓力變送器、熱電偶）數據。儀表柜柜面布置工業觸摸屏作為爐溫爐壓顯示設備，可在就地顯示罐式煅燒爐相應層火道溫度、總煙道溫度、相應層火道負壓及總煙道壓力。DCS/PLC系統（罐式煅燒爐上下游生產控制系統）通過查詢數據收集器，從而獲得每臺儀表的數據，并在控制室操作站上顯示/記錄罐式煅燒爐爐內溫度及壓力數據。系統結構見圖1。

3 現場總線型罐式煅燒爐爐內溫壓監測系統特點

3.1 系統結構特點

圖1

采用現場總線通訊方式，利用數字通信替代了傳統4～20mA模擬信號傳輸，通過智能設備和數據采集器的全數字、雙向、多站的通信形式進行實時的數據監控。RS485總線由于其平衡差分傳輸特性具備的抗干擾性好、傳輸距離遠、有較大級連能力等特點，非常適合于組成工業級的多機通信系統。因其開放的數據通訊協議，可以實現與DCS/PLC的通訊，真正意義上的實現了可擴展性和開放性；現場通過工業觸摸屏即時顯示罐式煅燒爐內的溫度、壓力數據，便于操作工在就地即時調整拉板開度及爐內負壓，穩定爐內的溫度，保證產品質量，降低損耗。

數據采集使用分層采集的形式，對于煅燒爐相應層火道溫度及火道負壓，每一層單獨設立數據采集器，即使某一層數據采集器出現問題，不會影響整臺爐溫壓數據的監測；單條總線電纜上的儀表全部采用并聯方式（手拉手結構），任一臺儀表損壞不影響整個網絡的通訊，其它儀表數據可正常傳送至數據采集器；數據采集器接線端子采用快插式，方便更換。

3.2 系統先進性經濟性

以一個有四臺72罐罐式煅燒爐的石油焦煅燒車間為例，按照生產需要，四臺煅燒爐需要下列檢測儀表：罐式爐燃燒火道第二層、第八層光電溫度傳感器576臺，第八層火道負壓檢測壓力變送器288臺（檢測層根據需要設定）。所有檢測儀表的輸出信號為標準的MODBUSRS485輸出信號，摒棄了傳統的硬接線方式，一根通訊電纜可以掛載多個儀表，同時具有可擴展能力，可根據需要增加檢測設備。與控制室DCS/PLC系統通訊采用標準的MODBUSRS485協議（也可以根據需要進行通訊協議轉換，以連接DCS/PLC系統）。設置于操作平臺的儀表機柜配置機柜空調，減少粉塵和環境溫度的影響。為保證數據采集的穩定性，采用單臺爐每層燃燒火道的檢測項目獨立設置數據采集器的形式，數據采集器間互相完全兼容，一旦其中一臺出現問題，更換后可立即投入使用。

相對于目前多數企業采用通過DCS/PLC控制系統監測罐式爐爐內溫壓數據的情況，現場總線型罐式煅燒爐爐內溫壓監測系統因采用MODBUSRS485通訊方式，可大大減少DCS/PLC控制系統模擬量輸入板卡的數量以及電纜和橋架的使用量。按照四臺爐864個模擬量輸入點計算，如果采用8通道模擬量板卡，則減少了108塊模擬量板卡，僅模擬量板卡一項，如按照每塊8通道模擬量板卡成本3000元計算，成本節約108×3000＝32.4萬元。如采用4～20mA模擬量信號傳輸，則DCS/PLC系統每個通道需配置信號隔離器，按照每只單價500元計算，則 為864×500=43.2萬 元； 采 用MODBUSRS485現場總線方式，數據采集模塊24塊，按照單價3500元，則為24×3500=8.4萬元，成本節約34.8萬元。如采用傳統的4～20mA信號，則每一個測點均需采用硬接線方式，每個點電纜用量按60米估算，則4臺爐用量約51840米；采用MODBUSRS485現場總線方案，電纜用量約為15600米，按每米電纜5元估算，則節約電纜成本18.12萬元；同時橋架使用量也被極大減少，相應的安裝和施工費用降低。因控制系統硬件數量的減少，降低了后期維護成本與備品備件采購量，如果再考慮DCS/PLC控制系統的CPU、I/O冗余、軟件、編程及調試費用等，成本節約更加明顯。

3.3 系統應用效果

該系統已在遼寧、山東等地的企業投入使用，一改傳統車間內電纜敷設雜亂、控制機柜繁多的情況。置于操作平臺儀表柜上的工業觸摸屏，實時顯示爐溫爐壓監控數據，操作工可及時根據顯示結果調整拉板及爐內負壓，控制爐內燃燒溫度，操作工不用再將時間浪費在往返于控制室與操作平臺之間。

4 結語

在提高資源利用率，促進循環經濟發展的思路影響下，罐式煅燒爐作為最經濟的煅燒設備，受到各企業的青睞。為提高產品質量，有效節能降耗，自動化控制技術也隨之不斷更新，現場總線型罐式煅燒爐爐內溫壓監測系統的應用可以有效地降低用戶投資成本，同時預留了擴展的空間。在提升了罐式煅燒爐爐內溫壓檢測技術的同時，保證了數據傳輸的安全、可靠、及時，降低了后期維護工作量，使得工作現場更為整潔，減輕了操作人員的工作量，提升了勞動效率。

參考文獻：

[1]張忠霞.罐式爐煅燒技術[J].工業加熱，2011，（04）：73-74.

[2]王鳳林.順流式八層火道罐式煅燒爐操作實踐[C].中國炭素行業協會.全國炭素制品信息網，2014，127-130.