摘 要： 針對某天然氣終端處理廠(chǎng) 11000kW 熱媒爐機組因 3 個(gè)關(guān)鍵溫度檢測經(jīng)常跳變導致的機組停機問(wèn)題，本文提出了將原虹潤溫度變送模塊改為 RoseMount 溫度變送器的處理辦法。shou先確認兩種溫度變送器的信號接線(xiàn)原理，然后考慮信號接線(xiàn)轉換的可行性，#后將 RoseMount 溫度變送器替換為原有的虹潤溫度變送模塊。由于兩種變送器信號接線(xiàn)原理不同，在現場(chǎng)作業(yè)中采用 S7-300PLC 的 AI 卡件實(shí)操接線(xiàn)轉換，并接收 4~20 mA 信號。溫度檢測數據表明，RoseMount 溫度變送器有效提高了熱媒爐機組溫度的穩定性。
引言
熱媒爐是一種典型的有機熱載體鍋爐，主要應用于化工、化纖、焦油和印染等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，具有“低壓高溫”的特點(diǎn)，即爐膛處于微正壓狀態(tài)，排煙溫度較高 ［ 1 ］ 。 某天然氣終端處理廠(chǎng)將熱媒爐應用于導熱油加熱，配以完整的儀表檢測系統和安全連鎖功能。 熱媒爐將導熱油加熱至 240~260 ℃ ， 通過(guò)高溫熱媒泵將導熱油增壓至 0.42~0.45 MPa ，并輸送至生產(chǎn)裝置的各用戶(hù)處（如塔底重沸器、再生器加熱器） ［ 2 ］ ，為整個(gè)天然氣生產(chǎn)裝置的加熱器提供了熱量，實(shí)現了有效換熱。
熱媒爐機組在運行過(guò)程中對溫度的控制要求較高，需要較穩定的溫度傳感器和變送器。某天然氣終端的 3 個(gè)關(guān)鍵溫度變送器在運行過(guò)程中若信號不穩會(huì )發(fā)生跳變，觸發(fā)機組安全連鎖保護，導致熱媒爐機組的經(jīng)常性停機。 作為生產(chǎn)工藝中的重要關(guān)鍵設備，熱媒爐必須有效提高其穩定性，降低故障率，才能保證整個(gè)天然氣處理終端的安全生產(chǎn)。
本文通過(guò)分析故障原因、采取替換型號、改變溫度變送器接線(xiàn)方式、改變 AI 模塊功能塊選擇信號等操作，提高溫度檢測的抗干擾能力和溫度監測性能以及熱媒爐溫度
控制系統的準確性和穩定性。
1、熱媒爐溫度控制系統
熱媒爐通常以干燥天然氣作為基礎燃料，燃料在爐中經(jīng)燃燒器燃燒后會(huì )釋放熱量，這些熱量會(huì )經(jīng)由不同的形式傳送至爐管，目前所應用的主要形式包括輻射與對流。 熱量傳送至爐管后，爐內盤(pán)管會(huì )將接收的熱量傳送至爐內載體，使熱介質(zhì)的溫度穩定上升 ［ 3 ］ 。 其溫度控制系統有 3 個(gè)關(guān)鍵溫度檢測點(diǎn)，分別是熱媒爐的熱介質(zhì)入爐溫度、熱介質(zhì)出爐溫度、熱媒爐排煙溫度，溫度傳感器均采用 PT100
熱電阻，變送器則采用虹潤溫度模塊。
熱媒爐機組控制系統采用西門(mén)子 S7-300 為控制器，同時(shí)配備 AI 、 AO 、 DI 、 DO 輸入 / 輸出卡件。 在溫度控制系統中，溫度傳感器將溫度信號轉換成電阻信號，溫度變送器將電阻信號轉換為標準 4~20 mA 信號傳入西門(mén)子 S7-300的 AI 卡件中 ［ 4-5 ］ ，控制器讀取 AI 卡件數據并進(jìn)行運算處理，再進(jìn)行顯示、控制和聯(lián)鎖保護 ［ 6 ］ 。
溫度控制系統是將熱媒爐的熱介質(zhì)出爐溫度作為控制變量，用于控制調節熱媒爐風(fēng)門(mén)開(kāi)度的大小。 熱介質(zhì)入爐溫度用于正常監視系統運行情況， 并設有停機邏輯保護，溫度設點(diǎn)為 320 ℃ 。 熱媒爐排煙溫度是反映整個(gè)燃燒過(guò)程熱效率的重要指標，其溫度檢測的準確性和穩定性將直接影響熱媒爐機組運行的穩定情況，也設有溫度高高停機聯(lián)鎖保護，溫度設點(diǎn)為 330℃ 。
2、西門(mén)子 SM331 模擬量輸入模塊
2.1 模擬量輸入模塊 SM331 介紹
SM331 模塊為西門(mén)子 S7-300 系列的模擬量輸入模塊， 目前常見(jiàn)的規格和型號為： 8AI×12 模塊、 2AI×12 模塊和 8AI×16 模塊。SM331 主要由 A/D（模/ 數）轉換、模擬切換開(kāi)關(guān)、補償電路、恒流源、光電隔離、邏輯電路等部件組成。 模 / 數轉換部件是該模塊的核心，其轉換原理采用積分方法，被測量模擬量的精度是設定的積分時(shí)間的正函數， 即積分時(shí)間越長(cháng)，被測值的精度越高。 SM331 可以選 4 檔積分時(shí)間：2.5 ms 、 16.7 ms 、 20 ms 和 100 ms ， 相應精度為 8 、 12 、 12 和14 ［ 7-9 ］ 。
2.2 模擬量輸入模塊與變送器連接
SM331 系列模擬量輸入卡件有多種不同的型號規格，該模塊根據不同的型號，可實(shí)現對電壓、電流、電阻和溫度的測量。
根據測量類(lèi)型的不同， 又可將電壓傳感器、 2 線(xiàn)制電流傳感器、 4 線(xiàn)制電流傳感器、電阻傳感器、熱電偶傳感器連接到模擬量輸入模塊進(jìn)行測量。 本文以 6ES7 331-7KF02-0AB0 模塊為例研究變送器的接線(xiàn)形式，不同變送器的接線(xiàn)形式如圖 1、圖2 所示。
在模擬量輸入模塊的接線(xiàn)方式中， 2 線(xiàn)制電流信號和四線(xiàn)制電流信號都只有 2 根信號線(xiàn)，但兩者存在明顯的區別：2 線(xiàn)制電流信號的接法是 2 根信號線(xiàn)既要給傳感器或變送器供電，又要提供電流檢測信號，而 4 線(xiàn)制電流信號的接法是 2 根信號線(xiàn)只提供電流檢測信號，另外 2 根線(xiàn)單好連接電源。 因此，提供 2 線(xiàn)制電流信號的傳感器或變送器稱(chēng)為無(wú)源設備，而提供 4 線(xiàn)制電流信號的傳感器或變送器稱(chēng)為有源設備。 4 線(xiàn)制電流信號接法一般用于功率較大的儀表設備，需要單好連接電源 ［ 10 ］ 。
2.3 模擬量輸入模塊量程卡設置
拆下 SM331 模塊可知在其左側裝有量程卡， 且可以摳下方塊調整方向，如圖 3 所示。 一個(gè)模塊具有 4 張量程卡，且每 2 條通道共用 1 張量程卡，每張量程卡可按實(shí)際需求設于 4 個(gè)不同的位置（ A ， B ， C ， D ）： A 位置可設置為熱電偶 / 電阻傳感器測量量程； B 位置可設置為電壓型傳感器測量量程； C 位置可設置為 4 線(xiàn)制電流型傳感器測量量程；D 位置可設置為 2 線(xiàn)制電流型傳感器測量量程， 如圖4 所示。
若模擬量輸入模塊未設置量程卡，則該模塊應具有適應電壓和電流測量的不同接線(xiàn)端子，通過(guò)正確連接相關(guān)端子可設置相應測量類(lèi)型。
3 溫度變送器
3.1 溫度測量原理
溫度變送器是一種將溫度物理量轉換為標準化輸出信號的儀表 ［ 11 ］ ，主要用于工業(yè)過(guò)程溫度參數的測量與控制。 帶溫度傳感器的變送器一般由兩個(gè)部分組成：一部分是傳感器，主要由熱電偶或熱電阻組成；另一部分是信號轉換器，主要由測量單元、信號處理和轉換單元組成。變送器輸出信號與溫度物理量之間有一定的連續函數關(guān)系（通常為線(xiàn)性函數），目前儀表標準信號主要包括 0～20 mA 和4～20mA 或 1～5V 的直流電信號 ［ 12 ］ 。
3.2 溫度測量不穩定因素
（ 1 ）抗干擾能力弱，如易受電磁干擾、雷電、靜電等因素的干擾，導致檢測不穩定；（ 2 ）環(huán)境因素影響，如檢測環(huán)境有較強熱輻射、潮濕環(huán)境、風(fēng)浪較大的海上環(huán)境等；（ 3 ）變送器模塊不穩定。
基于此，本文采用 RoseMount 溫度變送器替換虹潤溫度變送模塊的方法展開(kāi)試驗。
4、RoseMount 溫度變送器替換虹潤溫度模塊
4.1 RoseMount 溫度變送器介紹
本文采用的 RoseMount 溫度變送器是 248 型，是固化封裝的一體化溫度變送器，其主要由兩線(xiàn)制固體電子單元組成，變送器輸入一般為溫度傳感器的熱電阻、熱電偶，輸出為統一的 4～20mA 信號，可與 PLC 系統、 DCS 系統或其他常規儀表匹配使用， 也可將數字信號疊加至 4～20 mA信號，用于 HART 通信協(xié)議。 與傳感器不同，該變送器除了能將非電量轉換成可測量的電量外，還具有放大、抗干擾能力 ［ 13 ］ 。
RoseMount 熱電阻溫度變送器由基本單元、 R/V 轉換單元、線(xiàn)性電路、反接保護、限流保護、 V/I 轉換單元等組成，熱電阻信號經(jīng)轉換放大后，再由線(xiàn)性電路對溫度與電阻的非線(xiàn)性關(guān)系進(jìn)行補償，經(jīng) V/I 轉換電路后會(huì )輸出一個(gè)與被測溫度成線(xiàn)性關(guān)系的 4～20mA 標準電流信號 ［ 14 ］ 。穩定性方面， 對于電阻式溫度檢測或熱電偶的輸入，12 個(gè)月內 RoseMount 溫度變送器的穩定性將達到 ±0.1%或 0.1℃ 。 具體相關(guān)穩定特性如表 1 所示。
RoseMount 溫度變送器接線(xiàn)如圖 5 所示，實(shí)物圖如圖6 所示， 1～4 端子為傳感器熱電阻接線(xiàn)，“ + ”“ - ” 端子為電源（信號）接線(xiàn)，采用 2 線(xiàn)制連接。
4.2 熱媒爐原溫度模塊現狀
熱媒爐原溫度變送器設計接線(xiàn)圖如圖 7 、 圖 8 所示，再 根 據 接 線(xiàn) 圖 梳 理 原 虹 潤 溫 度 變 送 模 塊 與 西 門(mén) 子SM331AI 模塊卡件接線(xiàn)情況，確認其為 4 線(xiàn)制方式連接。
4.3 RoseMount 溫度變送器安裝
由于 RoseMount 溫度變送器采用 2 線(xiàn)制連接，沒(méi)有單好的電源供電， 而原虹潤溫度變送器模塊采用 4 線(xiàn)制連接，需要重點(diǎn)解決 4 線(xiàn)制轉 2 線(xiàn)制的連接問(wèn)題。
西門(mén)子 SM331 的 AI 卡件連接方式支持 4 種方式的連接，將原卡件拆下，更換黑色小方塊的方向將 C 方向調整至 D 方向， 即實(shí)現了將原 4 線(xiàn)制連接方式改為 2 線(xiàn)制連接方式，如圖 9 所示。
更換 RoseMount 溫度變送器，再連接熱電阻傳感器信號線(xiàn)和變送器輸出電源信號線(xiàn)，如圖 10 所示。
5 結語(yǔ)
檢查各變送器和傳感器接線(xiàn)、 變送器和 SM331AI 卡件接線(xiàn)，送電測試變送器的運行情況查看觸摸屏，熱媒爐入爐溫度、出爐溫度、排煙溫度均顯示正常，滿(mǎn)足投入運行條件。歷經(jīng) 3 年時(shí)間考驗，熱媒爐未出現溫度跳變現象，溫度檢測和連鎖保護處于穩定狀態(tài)。 由此可見(jiàn)，在溫度檢測過(guò)程中出現的溫度信號不穩定情況與變送模塊本身的穩定性以及 2 線(xiàn)制、 4 線(xiàn)制的接線(xiàn)方式都存在一定關(guān)系。 本文介紹的 RoseMount 溫度變送器采用 2 線(xiàn)制接法，抗干擾能力強，排除了采用 4 線(xiàn)制接法時(shí)外接電源的干擾因素。
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