现场总线型煅烧炉炉内温压监测系统应用探讨

鲁振龙

(贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

煅后焦是生产炭素阳极制品的主要原材料，石油焦煅烧工序是炭阳极生产过程中的重要工序。罐式煅烧炉集炭质烧损低、产品质量好、运行维护费用小、余热排放稳定等众多优势于一身，特别是能适用粒度细的石油焦。但由于其受产能小、控制水平低、原料适用性差的限制，使用率不及回转窑。近年来，在提高资源利用率，促进循环经济发展思路的影响下，罐式煅烧炉作为最经济的煅烧设备，得到众多电解铝企业的青睐。

1 目前罐式煅烧炉炉内温压监控现状

煅烧温度受多因素影响，如原料挥发分、水分含量、粒度组成等，从直接的调控操作来讲燃料、空气、负压俗称调温“三要素”。挥发分和空气的配比目前尚无成熟的监测手段，因此，炉内温度和负压的监测，成为罐式煅烧炉可以依赖的最重要的两个参数，即我们通常讲到的炉内温压监测系统。

目前煅烧炉炉温炉压监测系统基本有以下两种模式。

（1）PLC/DCS方式。采用工业可编程序控制系统（简称PLC）或分布式控制系统（简称DCS）实现。配置上位机进行监控和操作，具有可靠性高、开放、灵活、控制功能齐全等优点。DCS/PLC控制系统其控制器的功能强大而且在系统中的作用十分重要，数据公路更是系统的关键，所以，系统投入需一步到位，投资费用高，日后的扩容难度较大；另外，需要相当数量的隔离器、端子柜、I/O卡件及I/O机柜，同时也需要相应的设备安装空间；检测元件采用硬接线，需使用大量电线电缆，桥架敷设量大。

（2）巡检仪方式。采用多路巡检仪实现，一般采用16/32/48/64路温度或压力巡检仪进行数据采集、显示。优点：盘面布置，显示直观，没有软件编程等环节，省去了信号隔离器等设备，投资低。但数据显示实时性差，巡检速率慢，通常每个通道巡检周期为1秒，巡检路数越多巡检周期越慢；兼容性差，基本不支持与上级控制系统的通讯连接，容易形成数据孤岛；后期升级/扩容困难；安装复杂，全部硬接线，需使用大量电线电缆；巡检仪后端接线端子接线复杂，不便于检修维护。

2 现场总线型罐式煅烧炉炉内温压监测系统构成

现场总线型煅烧炉炉内温压监测系统选择MODBUSRS485单主多从通讯协议作为RS-485网络的应用层通信协议，即“单主/多从”模式通讯协议。设备层主要由光电温度传感器、压力变送器、热电偶组成，光电温度传感器、压力变送器、热电偶均具有RS485输出功能，通过RS485通讯电缆与层级网络系统（数据采集器）进行通讯。以仪表柜内的数据采集器作为主机，光电温度传感器、热电偶、压力变送器等为从机。数据收集器不间歇地轮询挂载在总线上的从设备（光电温度传感器、压力变送器、热电偶）数据。仪表柜柜面布置工业触摸屏作为炉温炉压显示设备，可在就地显示罐式煅烧炉相应层火道温度、总烟道温度、相应层火道负压及总烟道压力。DCS/PLC系统（罐式煅烧炉上下游生产控制系统）通过查询数据收集器，从而获得每台仪表的数据，并在控制室操作站上显示/记录罐式煅烧炉炉内温度及压力数据。系统结构见图1。

3 现场总线型罐式煅烧炉炉内温压监测系统特点

3.1 系统结构特点

图1

采用现场总线通讯方式，利用数字通信替代了传统4～20mA模拟信号传输，通过智能设备和数据采集器的全数字、双向、多站的通信形式进行实时的数据监控。RS485总线由于其平衡差分传输特性具备的抗干扰性好、传输距离远、有较大级连能力等特点，非常适合于组成工业级的多机通信系统。因其开放的数据通讯协议，可以实现与DCS/PLC的通讯，真正意义上的实现了可扩展性和开放性；现场通过工业触摸屏即时显示罐式煅烧炉内的温度、压力数据，便于操作工在就地即时调整拉板开度及炉内负压，稳定炉内的温度，保证产品质量，降低损耗。

数据采集使用分层采集的形式，对于煅烧炉相应层火道温度及火道负压，每一层单独设立数据采集器，即使某一层数据采集器出现问题，不会影响整台炉温压数据的监测；单条总线电缆上的仪表全部采用并联方式（手拉手结构），任一台仪表损坏不影响整个网络的通讯，其它仪表数据可正常传送至数据采集器；数据采集器接线端子采用快插式，方便更换。

3.2 系统先进性经济性

以一个有四台72罐罐式煅烧炉的石油焦煅烧车间为例，按照生产需要，四台煅烧炉需要下列检测仪表：罐式炉燃烧火道第二层、第八层光电温度传感器576台，第八层火道负压检测压力变送器288台（检测层根据需要设定）。所有检测仪表的输出信号为标准的MODBUSRS485输出信号，摒弃了传统的硬接线方式，一根通讯电缆可以挂载多个仪表，同时具有可扩展能力，可根据需要增加检测设备。与控制室DCS/PLC系统通讯采用标准的MODBUSRS485协议（也可以根据需要进行通讯协议转换，以连接DCS/PLC系统）。设置于操作平台的仪表机柜配置机柜空调，减少粉尘和环境温度的影响。为保证数据采集的稳定性，采用单台炉每层燃烧火道的检测项目独立设置数据采集器的形式，数据采集器间互相完全兼容，一旦其中一台出现问题，更换后可立即投入使用。

相对于目前多数企业采用通过DCS/PLC控制系统监测罐式炉炉内温压数据的情况，现场总线型罐式煅烧炉炉内温压监测系统因采用MODBUSRS485通讯方式，可大大减少DCS/PLC控制系统模拟量输入板卡的数量以及电缆和桥架的使用量。按照四台炉864个模拟量输入点计算，如果采用8通道模拟量板卡，则减少了108块模拟量板卡，仅模拟量板卡一项，如按照每块8通道模拟量板卡成本3000元计算，成本节约108×3000＝32.4万元。如采用4～20mA模拟量信号传输，则DCS/PLC系统每个通道需配置信号隔离器，按照每只单价500元计算，则 为864×500=43.2万 元； 采 用MODBUSRS485现场总线方式，数据采集模块24块，按照单价3500元，则为24×3500=8.4万元，成本节约34.8万元。如采用传统的4～20mA信号，则每一个测点均需采用硬接线方式，每个点电缆用量按60米估算，则4台炉用量约51840米；采用MODBUSRS485现场总线方案，电缆用量约为15600米，按每米电缆5元估算，则节约电缆成本18.12万元；同时桥架使用量也被极大减少，相应的安装和施工费用降低。因控制系统硬件数量的减少，降低了后期维护成本与备品备件采购量，如果再考虑DCS/PLC控制系统的CPU、I/O冗余、软件、编程及调试费用等，成本节约更加明显。

3.3 系统应用效果

该系统已在辽宁、山东等地的企业投入使用，一改传统车间内电缆敷设杂乱、控制机柜繁多的情况。置于操作平台仪表柜上的工业触摸屏，实时显示炉温炉压监控数据，操作工可及时根据显示结果调整拉板及炉内负压，控制炉内燃烧温度，操作工不用再将时间浪费在往返于控制室与操作平台之间。

4 结语

在提高资源利用率，促进循环经济发展的思路影响下，罐式煅烧炉作为最经济的煅烧设备，受到各企业的青睐。为提高产品质量，有效节能降耗，自动化控制技术也随之不断更新，现场总线型罐式煅烧炉炉内温压监测系统的应用可以有效地降低用户投资成本，同时预留了扩展的空间。在提升了罐式煅烧炉炉内温压检测技术的同时，保证了数据传输的安全、可靠、及时，降低了后期维护工作量，使得工作现场更为整洁，减轻了操作人员的工作量，提升了劳动效率。

参考文献：

[1]张忠霞.罐式炉煅烧技术[J].工业加热，2011，（04）：73-74.

[2]王凤林.顺流式八层火道罐式煅烧炉操作实践[C].中国炭素行业协会.全国炭素制品信息网，2014，127-130.