基于工业物联网的氧化锌挥发窑在线监测系统设计开发

胡宇晨,刘 伟,肖 宏,赵思思,黄正拥

(广西埃索凯循环科技有限公司，广西 钦州 535000)

0 引言

氧化锌挥发窑是将湿法炼锌方法的主要设备，原材料主要由焦炭、含水量不超过百分之十八的锌浸出渣、红泥、石灰等构成。原料经破碎后呈碎渣状从挥发窑尾部进入，由于窑体以一定的角度并非水平于地面，窑体转动时窑体内的原料因为重力不断向窑头靠拢。反应在原料移动的过程中进行，挥发窑内的温度可以高达1 300 摄氏度以上，此时原料中的焦炭部分不充分燃烧生成一氧化碳，而原料中的锌、锗等元素被一氧化碳气体还原成单质。锌的沸点为907摄氏度，在高温环境下呈气态上升，往窑尾方向行进。行进过程中再与空气中的氧气进行反应生成氧化锌，冷却后呈粉尘状随炉气排出，收尘处理后即为氧化锌产品。氧化锌挥发窑可以分为4个部分：回转窑部分、沉降返料部分、余热锅炉部分、布袋收尘部分。

1 技术现状

挥发窑作为大型特种设备，相关部门就设备的安全环保节能方面的政策与措施不断强化。2014年1月发布实施了《中华人民共和国特种设备安全法》。其中第三条规定了“特种设备安全工作应当坚持安全第一、预防为主、节能环保、综合治理的原则”。为了响应国家政策，以人为本，必须提前预防事故风险，对高危特种设备进行系统性的监测，对各个环节、设备建立完备的监管体系[1-2]。

跟随时代的进步，建立在线监测可以借助物联网发展。传统的互联网是关于人的连接网络，主要是人与人之间传递信息，而发展到物联网之后物与物之间都能进行信号交流。物联网是信息时代的发展趋势，受世界各国重视，美日欧等发达国家早在2009年先后提出了针对物联网的发展计划。我国也于2012年发布《物联网“十二五”发展规划》，将物联网上升到国家战略层面[3]。

在线监测方面，我国大部分现有物联网监测技术集中在工业锅炉。很多企业也进行了物联网方面的研究，如甘肃省金金昌市金川公司研究了将自动化控制与物联网技术结合解决回转窑系统稳定性问题[4]；大连海事大学探讨了关于锅炉安全节能监管平台的功能建设[5]；泉州市仰恩大学研讨了如何提高无线传感器的环境适应能力等[6]。

根据研究表明，现今我国大部分工业锅炉只有相应的仪表控制系统或者DCS控制系统，只能就地监测控制，不具有完备的在线监测、诊断功能，故在监测方案上还具有极大的改良空间[7-8]。

2 系统设计

2.1 系统框架

基于我国物联网在线监测现状与公司实际情况，设计的挥发窑在线监测系统如图1所示。

图1 挥发窑在线监测系统

2.2 传感器

本系统的传感器模块主要包括有鼓风机变频器、引风机变频器、给料皮运机变频器、返料提升机变频器；窑尾温度传感器、余热锅炉进出口温度传感器、蒸汽温度传感器、布袋除尘温度传感器；余热锅炉各段负压传感器、蒸汽压力传感器等。

2.3 数据采集与传输

数据采集部分需要将挥发窑和余热锅炉实时运行状态、数据进行收集汇总。此部分采集器与各个传感器通过有线电缆连接。鉴于公司现场网络状况，汇总后的数据需要能够以无线的形式传输到在线监测平台，要选择能接收Wi-Fi信号的云透传模块。

2.4 在线监测平台

在线监测平台需要实现远程控制输出、模拟量采集、报警、历史数据查询等功能。用户通过电脑web端或者手机上微信、APP软件接入云平台的服务器，达到在线监控的功能。

3 系统开发研制的内容

3.1 传感器的选型与研究

需要的传感器布局如图2所示。

图2 传感器

(1)鼓风机、转窑机、引风机、提升机、给料机。

对应电机的运行频率、电流，由变频器自身将频率和电流信号变送为模拟信号。

(2)温度传感器。

考虑到挥发窑内反应温度达到1 000℃以上，窑尾温度传感器选择了K型热电偶传感器。K型热电偶传感器是自发电式传感器，不需要单独供电，它利用不同温度情况下，两种不同金属内自由电子的密度不同，自由电子从密度大的金属转移到密度小的金属，产生热电势，将温度转化为电势差毫伏信号。K型热电偶测量范围为-200℃到1 300℃，具有良好的抗氧化性，符合挥发窑工况。

而布袋收尘温度通常不超过300℃，在此温度下，量程更小的热电阻式铂RTD传感器输出线性，精度更高，更符合此工段工况。热电阻式传感器是利用金属导体的电阻随温度升高而升高的特性，将温度的变化转化为电阻值信号。

(3)压力传感器。

系统主要需要的压力传感器有余热锅炉出入口负压(显示管道系统内风道通畅程度)以及蒸汽压力。两者的正常压力范围在5 MPa以下，选择的是电容式压力传感器。电容式压力传感器是一个完全密封的元器件，压力通过隔离硅油传导到隔离膜片，引起两块传感膜片位移。两个膜片之间的距离变化会产生电容信号。

3.2 数据采集终端的选型与研究

数据采集终端使用的是模拟量采集与透传模块二合一的聚英DAM0816A Wi-Fi版本，采集器与各个传感器通过电缆导线相连接。由于各个传感器传输信号的不同，需要考虑统一转换为4～20 mA模拟信号。主要的信号类型有：

① 4—20 mA模拟信号；

② 热电偶mV信号；

③ 热电阻Ω信号；

④ 压力传感器F信号。

其中4～20 mA模拟信号不仅要能保证信号正确一分为二至现场仪表和模拟量采集器，还要确保高精度与高抗干扰性。这里选用的为铠安KHS-IP211型有源信号隔离器，原理如图3所示：

图3 KHS-IP211型有源信号隔离器

温度传感器的热电偶的电容信号与热电阻的电阻信号，则需要专门的温度变送器分别转化为4～20 mA模拟信号。这里选用的是铠安THS-IP/U211型温度变送器，其原理如图4所示：

图4 THS-IP/U211型温度变送器

压力传感器产生的信号是电容信号，需要压力变送器将信号转换为4～20 mA模拟信号。这里选用的是二线制压力变送器，二线制变送器不同于一般的四线制变送器(两线供电、两线通讯)，直接使用4～20 mA电流为变送器供电，只需要两根导线同时承担供电与通讯的功能。原理如图5所示：

图5 压力变送器工作原理

3.3 在线监测平台的研究

采集模块统一收集好信号后，将数据通过modbus协议通讯至透传模块，透传模块具有接收无线网络的功能，基于Internet广域网进行通讯。在TCP Client工作模式下，模块上电后调整设置使其主动连接到TCP Server服务器端(ems.jydtu.com)。设置如图6所示：

图6 平台研究

数据传输到聚英云服务器后，通过软件或者网页web端登录，具有以下功能：(1)在线监测。包括实时监测整个挥发窑温度、压力、流量、设备运行情况等参数，以表格或者曲线的形式显示；(2)报警。可以设置温度、压力超限或者电机负载异常等安全性报警；(3)历史数据查询。可以精确的查找各个参数的时、日、周、月度的运行报表，并且具备历史数据导出、历史报警查询的功能，方便工程师分析数据、问题。(4)可以进行交互界面组态，自主设计专用的交互界面。

在线监测平台最终界面如图7所示：

图7 在线监测平台

4 总结

本文通过物联网技术，设计了一套氧化锌挥发窑的在线监测系统，由传感器模块、数据采集模块、在线云平台模块3个部分组成。具有在线监测、超限告警、历史数据查询等功能。目前基于此设计的工业物联网系统已完成各个功能的调试，应用于公司生产管理，已试运行4个月，取得了良好的效益和管理效果。