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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、焦油和印染等工業生產領域，具有“低壓高溫”的特點，即爐膛處于微正壓狀態，排煙溫度較高 ［ 1 ］ 。 某天然氣終端處理廠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 ℃ ， 通過高溫熱媒泵將導熱油增壓至 0.42~0.45 MPa ，并輸送至生產裝置的各用戶處（如塔底重沸器、再生器加熱器） ［ 2 ］ ，為整個天然氣生產裝置的加熱器提供了熱量，實現了有效換熱。

 

熱媒爐機組在運行過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 個關鍵溫度變送器在運行過程中若信號不穩會發生跳變，觸發機組安全連鎖保護，導致熱媒爐機組的經常性停機。 作為生產工藝中的重要關鍵設備，熱媒爐必須有效提高其穩定性，降低故障率，才能保證整個天然氣處理終端的安全生產。

 

本文通過分析故障原因、采取替換型號、改變溫度變送器接線方式、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，燃料在爐中經燃燒器燃燒后會釋放熱量，這些熱量會經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，爐內盤管會將接收的熱量傳送至爐內載體，使熱介質的溫度穩定上升 ［ 3 ］ 。 其溫度控制系統有 3 個關鍵溫度檢測點，分別是熱媒爐的熱介質入爐溫度、熱介質出爐溫度、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子 S7-300 為控制器，同時配備 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 信號傳入西門子 S7-300的 AI 卡件中 ［ 4-5 ］ ，控制器讀取 AI 卡件數據并進行運算處理，再進行顯示、控制和聯鎖保護 ［ 6 ］ 。

 

溫度控制系統是將熱媒爐的熱介質出爐溫度作為控制變量，用于控制調節熱媒爐風門開度的大小。 熱介質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，溫度設點為 320 ℃ 。 熱媒爐排煙溫度是反映整個燃燒過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鎖保護，溫度設點為 330℃ 。

 

2、西門子 SM331 模擬量輸入模塊

2.1 模擬量輸入模塊 SM331 介紹

SM331 模塊為西門子 S7-300 系列的模擬量輸入模塊， 目前常見的規格和型號為： 8AI×12 模塊、 2AI×12 模塊和 8AI×16 模塊。SM331 主要由 A/D（模/ 數）轉換、模擬切換開關、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間的正函數， 即積分時間越長，被測值的精度越高。 SM331 可以選 4 檔積分時間：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，可實現對電壓、電流、電阻和溫度的測量。

 

根據測量類型的不同， 又可將電壓傳感器、 2 線制電流傳感器、 4 線制電流傳感器、電阻傳感器、熱電偶傳感器連接到模擬量輸入模塊進行測量。 本文以 6ES7 331-7KF02-0AB0 模塊為例研究變送器的接線形式，不同變送器的接線形式如圖 1、圖2 所示。

 

在模擬量輸入模塊的接線方式中， 2 線制電流信號和四線制電流信號都只有 2 根信號線，但兩者存在明顯的區別：2 線制電流信號的接法是 2 根信號線既要給傳感器或變送器供電，又要提供電流檢測信號，而 4 線制電流信號的接法是 2 根信號線只提供電流檢測信號，另外 2 根線單好連接電源。 因此，提供 2 線制電流信號的傳感器或變送器稱為無源設備，而提供 4 線制電流信號的傳感器或變送器稱為有源設備。 4 線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，每張量程卡可按實際需求設于 4 個不同的位置（ 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 線制電流型傳感器測量量程；D 位置可設置為 2 線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端子，通過正確連接相關端子可設置相應測量類型。

 

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 ］ ，主要用于工業過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系（通常為線性函數），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 ）環境因素影響，如檢測環境有較強熱輻射、潮濕環境、風浪較大的海上環境等；（ 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，熱電阻信號經轉換放大后，再由線性電路對溫度與電阻的非線性關系進行補償，經 V/I 轉換電路后會輸出一個與被測溫度成線性關系的 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 個月內 RoseMount 溫度變送器的穩定性將達到 ±0.1%或 0.1℃ 。 具體相關穩定特性如表 1 所示。

RoseMount 溫度變送器接線如圖 5 所示，實物圖如圖6 所示， 1～4 端子為傳感器熱電阻接線，“ + ”“ - ” 端子為電源（信號）接線，采用 2 線制連接。

 

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圖如圖 7 、 圖 8 所示，再 根 據 接 線 圖 梳 理 原 虹 潤 溫 度 變 送 模 塊 與 西 門 子SM331AI 模塊卡件接線情況，確認其為 4 線制方式連接。

 

4.3 RoseMount 溫度變送器安裝

由于 RoseMount 溫度變送器采用 2 線制連接，沒有單好的電源供電， 而原虹潤溫度變送器模塊采用 4 線制連接，需要重點解決 4 線制轉 2 線制的連接問題。

 

西門子 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， 即實現了將原 4 線制連接方式改為 2 線制連接方式，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和變送器輸出電源信號線，如圖 10 所示。

 

5 結語

檢查各變送器和傳感器接線、 變送器和 SM331AI 卡件接線，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，滿足投入運行條件。歷經 3 年時間考驗，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。 由此可見，在溫度檢測過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 線制、 4 線制的接線方式都存在一定關系。 本文介紹的 RoseMount 溫度變送器采用 2 線制接法，抗干擾能力強，排除了采用 4 線制接法時外接電源的干擾因素。