控制和測量技術在燃燒設備聲波測溫系統(tǒng)中的應用

 PC 控制技術助力提升溫度測量精度、減少組件數(shù)量并提升靈活性

能源與鋼鐵等行業(yè)中所使用的機械設備構造較為復雜，因此對投入使用的測量和分析系統(tǒng)的要求也相對較高。這不僅要求系統(tǒng)能夠快速、精確地進行數(shù)據(jù)采集，還要求系統(tǒng)設計盡可能靈活、具有可擴展性、注重成本效益以及節(jié)省空間。因此，Bonnenberg & Drescher 公司為其聲波測溫(AGAM)系統(tǒng)配備了倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制和測量技術。

Bonnenberg & Drescher 公司總部位于德國亞登霍文，專注于生產(chǎn)工藝分析與優(yōu)化，其產(chǎn)品主要應用于燃燒控制領域。公司成立于 1971 年，成立初期主要承接核電工程項目：包括冷卻系統(tǒng)及關鍵部件的設計與使用壽命的分析，以及核安全防護方案的制定與實施，如輻射防護、放射性物質(zhì)的安全運輸以及核電環(huán)境排放監(jiān)測。上世紀 80 年代，公司經(jīng)營范圍擴大至傳統(tǒng)發(fā)電領域，尤其專注于燃燒工藝的分析與優(yōu)化。自上世紀 90 年代初以來，公司一直采用 AGAM 系統(tǒng)實現(xiàn)上述目標，并將其廣泛應用于垃圾焚燒發(fā)電廠和高爐。

此款測量系統(tǒng)的物理原理非常簡單：氣體中的聲波速度取決于氣體溫度，即氣體的溫度越高，聲波的傳播速度越快。為了精確測量氣體溫度，鍋爐四周分布了多個傳聲器，它們會生成一個所有裝置同時接收的信號，然后將該信號用于計算鍋爐內(nèi)氣體的二維溫度曲線。這種方法的獨特優(yōu)勢在于它能夠無輻射測量氣體溫度，從而優(yōu)化設備生產(chǎn)流程，達到以下效果：

- 優(yōu)化燃燒過程，減少燃料用量，并降低二氧化碳排放量

- 顯著減少設備腐蝕

- 提升設備產(chǎn)能和利用率(垃圾焚燒)

基于 PC 的控制技術取代專用產(chǎn)品，無需額外添加組件

過去，測量和分析系統(tǒng)的系統(tǒng)設置方式相當“傳統(tǒng)”：以 25 kHz 的采樣頻率(即 400.000 值/秒)最多可采集 16 個通道的測量數(shù)據(jù)，隨后這些測量值會由一個性能強大的服務器系統(tǒng)處理和歸檔(例如運用傅里葉變換及關聯(lián)方法)。此外，還需要一個用于實現(xiàn)簡單自動化功能的 PLC 和各種專用產(chǎn)品，如用于高速、高確定性和高分辨率地采集模擬量信號(聲波)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

而使用倍福基于 PC 的控制技術可以將所需的組件數(shù)量減少至只需一個 CPU 系統(tǒng)。CX2062 嵌入式控制器搭載 Intel® Xeon® CPU(2.0 GHz 時鐘頻率和 8 核處理器)，滿足了實現(xiàn)計算密集型分析應用的性能要求，必要時也可以搭載性能更強大的處理器。Bonnenberg & Drescher 公司認為，模擬量信號的快速、實時同步采集和數(shù)字化處理保證了分析系統(tǒng)的質(zhì)量。采樣率越高，尤其是時間分辨率越高，抖動就越低，通過傅里葉分析和測量通道關聯(lián)性進行的溫度測量就越精確。這正是 EL3702 EtherCAT 模擬量輸入端子模塊發(fā)揮其作用的地方，因為這些端子模塊具有超采樣功能，即除了每個現(xiàn)場總線周期之外，它們還運行自己的測量周期，可以用它來對現(xiàn)場總線進行“超采樣”。EtherCAT的分布式時鐘意味著時間分辨率也非常精確(+/-20 ns)。此外，整個數(shù)據(jù)集以相同的精度與 EtherCAT 周期和 TwinCAT 軟件應用程序同步并添加時間戳。EL3702 EtherCAT 端子模塊的信號采集速度達到 100 kHz，且采用新系統(tǒng)后，通道的數(shù)量上限也將超過 16 個。

模塊化系統(tǒng)助力提升靈活性

ADS 路由是 TwinCAT 系統(tǒng)的通信中心。預處理的數(shù)據(jù)可以通過 ADS 路由提供給其它應用程序使用，這些數(shù)據(jù)再通過 ADS-DLL 傳輸?shù)?AGAM 系統(tǒng)的 C# 環(huán)境中進行進一步處理。處理結(jié)果隨后再通過 ADS 傳輸回 TwinCAT 系統(tǒng)，并可通過 EtherCAT、PROFINET 和 Modbus 等常見的現(xiàn)場總線接口從 TwinCAT 系統(tǒng)傳輸至客戶系統(tǒng)，或作為客戶網(wǎng)絡中的可視化 Web 接口提供。

根據(jù) Bonnenberg & Drescher 的應用經(jīng)驗，系統(tǒng)的 I/O 層也非常容易擴展。現(xiàn)有系統(tǒng)可以通過簡單地插接更多的端子模塊進行擴展，然后只需在軟件內(nèi)形成更多現(xiàn)有軟件模塊的實例。帶光纖接口(塑料、多模或單模光纖)的 EtherCAT 耦合器能夠進行遠距離測量并大幅減少模擬量接線工作，進而提升系統(tǒng)靈活性。

通過對等的控制系統(tǒng)進行質(zhì)量控制

倍福技術的使用也使系統(tǒng)在質(zhì)保方面取得了顯著進步。對于必要的模擬，測量任務使用基本相同的對等系統(tǒng)實現(xiàn)：通過帶超采樣功能的 EL4732 模擬量輸出端子模塊產(chǎn)生的傳聲器數(shù)據(jù)模擬鍋爐上使用的組件，并在反方向相應生成 24 V 信號。每個測量系統(tǒng)在交付給客戶之前都要經(jīng)過數(shù)天的耐久性測試。

改進后的 AGAM-Q1 系統(tǒng)也已于 2021 年正式投入使用，并已獲得德國萊茵 TÜV 檢驗機構的認證，適用于經(jīng)過官方認證的設備溫度測量。EL4723 輸出端子模塊可用于實現(xiàn)符合相關法律法規(guī)的測量系統(tǒng)自檢。

過電流保護端子模塊節(jié)省空間和成本

EL9227-5500 電子過電流保護端子模塊主要用于它的規(guī)范使用：用帶 EtherCAT 接口的電子熔斷器取代傳統(tǒng)的熔斷器。這樣帶來的好處包括：

- 節(jié)省空間和成本

- 靈活配置脫扣電流、電流及電壓的預警等級、熔斷器特性、啟動行為等

- 完整的電流和電壓測量功能，作為 PLC 的循環(huán)過程數(shù)據(jù)(電源和負載診斷)

- 豐富的診斷功能，例如可以診斷觸發(fā)原因、用戶設置更改和日志文件

此外，Bonnenberg & Drescher 還發(fā)現(xiàn)了另一個非常有用的應用場景：將電子過電流保護端子模塊用作具有測量和診斷功能的數(shù)字量開關輸出，即用于電磁閥。EtherCAT 端子模塊的測量功能可以通過趨勢線顯示開關點的電流和電壓特性，因此現(xiàn)在可以輕松、可靠地診斷各種閥門故障，比如電纜斷裂、線圈缺陷或閥門機械缺陷。

系統(tǒng)集成帶來明顯優(yōu)勢

Bonnenberg & Drescher 公司總經(jīng)理 Martin Brodeck 博士總結(jié)道：“測量數(shù)據(jù)的采集、存檔、分析和顯示的一體化為我們帶來了很多切實的好處。標準的現(xiàn)場總線技術取代了測量鏈前端使用的專用電力電子器件。這樣可以保證長達數(shù)十年的備件供應，并確保我們能夠持續(xù)參與創(chuàng)新，無需自己備貨。”

Martin Brodeck 博士提到的另一個重要方面是：CX2062 嵌入式控制器可在全球范圍內(nèi)長期供應，至少可以使用 10 年，隨后還可再享受 10 年的服務：“倍福在全球超過 75 個國家中有 40 家子公司和合作伙伴，我們的客戶可以從其中任何一家海外子公司或通過其合作伙伴購置這些組件。整個系統(tǒng)的控制過程相較于以前得到了顯著簡化，因此對我們的客戶來說，系統(tǒng)更加可控。現(xiàn)在，在很多情況下，客戶都能夠自助服務，不需要我們的干預。更重要的是，將嵌入式控制器用作我們的平臺基礎可以確保自動化技術和 IT 技術的成功融合，為包括數(shù)據(jù)庫連接和網(wǎng)絡接口在內(nèi)的計算密集型應用創(chuàng)造了寶貴優(yōu)勢。”

更多信息：

www.beckhoff.com.cn/measurement

圖片譯文
 

AGAM 系統(tǒng)前：Bonnenberg & Drescher 公司總經(jīng)理 Matthias Ritter 博士(左)和 Martin Brodeck 博士(右)，以及倍福萊茵魯爾分公司負責人Ralf Stachelhaus(中間)

 
用于測量電廠鍋爐內(nèi)氣體溫度的完整 AGAM 系統(tǒng)的示意圖

Bonnenberg & Drescher 公司的聲波測溫(AGAM)系統(tǒng)的測量裝置

CX2062 嵌入式控制器以及插接的 EtherCAT 端子模塊構成性能強大、高度緊湊的測量和分析系統(tǒng)控制解決方案