萬(wàn)啟飛

成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610051

溫度保護(hù)程序的改進(jìn)

萬(wàn)啟飛

成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610051

在水泥廠眾多設(shè)備中，基本都會(huì)有溫度參數(shù)，有些只有顯示作用，而有些卻十分重要，因?yàn)檫@些不同的溫度值直接反映出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的好壞，如果控制系統(tǒng)能夠根據(jù)溫度值的變化，對(duì)相應(yīng)設(shè)備采取及時(shí)的保護(hù)措施，這將對(duì)避免設(shè)備損壞、水泥廠連續(xù)正常運(yùn)行，起到積極有效的作用。根據(jù)一實(shí)際項(xiàng)目介紹兩種改進(jìn)的溫度保護(hù)程序。

溫度保護(hù)算法 選粉機(jī)軸承 溫度曲線 溫度聯(lián)鎖

0 引言

在建材行業(yè)中，許多工廠都會(huì)使用到比較多的大型設(shè)備，例如球磨機(jī)、立磨、輥壓機(jī)、破碎機(jī)等，這些設(shè)備都由大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且一般都含有比較大型的軸，所以肯定有大型的軸承或者軸瓦。而現(xiàn)在絕大多數(shù)的控制系統(tǒng)對(duì)這些軸承或者軸瓦的保護(hù)都是通過(guò)對(duì)溫度的監(jiān)控而得以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)其到達(dá)一定值（報(bào)警值，例如80 ℃）的時(shí)候，會(huì)由控制系統(tǒng)輸出聲光報(bào)警，如果軸承或者軸瓦溫度升高到另一值（停機(jī)值，例如90 ℃），比先前的報(bào)警值稍高的時(shí)候，控制系統(tǒng)會(huì)強(qiáng)制設(shè)備停止運(yùn)行，并且聯(lián)鎖停掉其他相關(guān)的設(shè)備。但是在實(shí)際工程項(xiàng)目中，多次遇到溫度升高跳停設(shè)備后，對(duì)應(yīng)的軸承或者軸瓦還是已經(jīng)損壞了。

所以這種簡(jiǎn)單的保護(hù)方法存在一定的缺陷，如果針對(duì)這些情況，增加一些溫度保護(hù)措施，使得控制系統(tǒng)能更有效地保護(hù)設(shè)備，這將對(duì)提高水泥廠的生產(chǎn)效率起到更大的作用。

1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際項(xiàng)目舉例

在某個(gè)水泥熟料線保產(chǎn)項(xiàng)目的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，石灰石生料立磨選粉機(jī)軸承出現(xiàn)過(guò)一次溫度升高到停機(jī)值（125 ℃），控制系統(tǒng)也及時(shí)跳停了選粉機(jī)，隨后檢修人員抽出選粉機(jī)軸后，卻發(fā)現(xiàn)軸已經(jīng)被啃傷（圖1），軸承也完全損壞了。

出現(xiàn)這種事故后，一般要等設(shè)備廠家來(lái)修復(fù)，這會(huì)需要大量的時(shí)間。在此期間水泥廠會(huì)停止生產(chǎn)，造成重大損失。

圖1 損壞的選粉機(jī)軸

在選粉機(jī)停機(jī)后不久，操作員就在中控DCS系統(tǒng)（本項(xiàng)目DCS系統(tǒng)使用的是Siemens的PCS7 CEMAT v8.0工業(yè)軟件）中調(diào)出選粉機(jī)三個(gè)軸承溫度的歷史趨勢(shì)圖（圖2）。

圖2 選粉機(jī)軸承溫度趨勢(shì)圖

其中紅、黑、綠三條曲線分別對(duì)應(yīng)選粉機(jī)的三個(gè)軸承溫度，從圖2中可以看出三個(gè)軸承溫度在凌晨1:51分之前都比較穩(wěn)定，溫度分別穩(wěn)定在75 ℃、80 ℃、100 ℃左右。到1:51分之后，紅色曲線溫度開(kāi)始上升，1:54分左右，黑色溫度曲線也開(kāi)始上升，而綠色溫度曲線基本穩(wěn)定。

2 根據(jù)溫度曲線分析得出的結(jié)論

（1）紅色溫度曲線所代表軸承率先升高到停機(jī)值125 ℃，造成選粉機(jī)跳停，然后溫度迅速下降下來(lái)。

（2）黑色溫度曲線所代表軸承在1:55分開(kāi)始迅速升高，在選粉機(jī)跳停后，溫度緩慢下降了1 min左右，然后又迅速上升至量程上限，可以判斷出這個(gè)軸承在此時(shí)已經(jīng)損壞，并和軸有劇烈摩擦，才會(huì)使溫度在跳停后繼續(xù)升高，在選粉機(jī)完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，溫度才開(kāi)始緩慢下降。

（3）溫度本來(lái)就是一個(gè)慣性量，具有滯后性，如果在溫度升高到停機(jī)值時(shí)才采取保護(hù)動(dòng)作，跳停選粉機(jī)已為時(shí)已晚，設(shè)備已經(jīng)損傷。

（4）所以如果能夠在溫度到達(dá)停機(jī)值之前，提前一段時(shí)間采取保護(hù)動(dòng)作，那就能避免類似的事故發(fā)生，保護(hù)設(shè)備，減少損失。改進(jìn)相應(yīng)的溫度保護(hù)程序，就是解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵。

3 溫度保護(hù)程序一

在設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，溫度穩(wěn)定在正常閾值內(nèi)的時(shí)候，溫度的波動(dòng)趨勢(shì)是比較小而且較為緩慢的。首先針對(duì)紅色曲線來(lái)分析，其溫度是持續(xù)且較為快速的上升，轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)語(yǔ)言就是這段曲線的斜率K比較大，而且在這段時(shí)間內(nèi)是一直大于個(gè)一個(gè)值k0的，即當(dāng)t1＜t＜t2時(shí)，K≥k0 。所以我們可以根據(jù)這個(gè)數(shù)學(xué)特性來(lái)編一個(gè)算法，改進(jìn)溫度保護(hù)程序。從理論上講，如果要得出這個(gè)曲線每一點(diǎn)的斜率，我們就必須知道這條曲線對(duì)時(shí)間t的數(shù)學(xué)表達(dá)式，然后對(duì)其求導(dǎo)數(shù)，就可以得到斜率對(duì)時(shí)間t的數(shù)學(xué)表達(dá)式，然而這樣并不可行，并且我們也不需要得到每個(gè)時(shí)刻的斜率K，我們只需要求出每一秒的斜率即可。

下面介紹一下溫度保護(hù)程序一的編程思路。

首先使用一個(gè)寄存器M來(lái)存儲(chǔ)前一秒的溫度值，然后用當(dāng)前的溫度值T減去前一秒的溫度值M（T-M），除以1 s，即得到了這一秒的斜率K，再把當(dāng)前溫度T賦值給前一秒溫度寄存器M，即M=T，再讀取下一秒的溫度值T。最后判斷斜率K是否大于k0，如果大于k0（k0值的選定，需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量出對(duì)應(yīng)設(shè)備的溫度曲線后，根據(jù)其正常運(yùn)行時(shí)溫度曲線的一般斜率來(lái)確定，一般每秒溫升不會(huì)超過(guò)零點(diǎn)幾度），則計(jì)數(shù)器C加1，否則計(jì)數(shù)器C清零。然后再跳到用當(dāng)前溫度值T減去前一秒的溫度值M（T-M）這一步，如此一直循環(huán)運(yùn)行，期間如果計(jì)數(shù)器C的值大于t0，則表明在連續(xù)的t0秒（例如t0=10 s）內(nèi)，斜率K都是大于k0的，那么就要采取保護(hù)動(dòng)作，聯(lián)鎖停機(jī)。所以對(duì)于類似紅色溫度曲線的情況，這種控制算法可以在溫度開(kāi)始快速連續(xù)升高的t0秒內(nèi)做出動(dòng)作，聯(lián)鎖停掉設(shè)備，避免對(duì)設(shè)備造成損壞。

圖3就是以上編程思路對(duì)應(yīng)的邏輯功能圖。

圖3 程序邏輯功能圖一

4 溫度保護(hù)程序二

黑色曲線是在一個(gè)短時(shí)間內(nèi)，十分迅速地上升，可以近似為數(shù)學(xué)上的階躍函數(shù)圖象。而且仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，這條曲線不是一直連續(xù)上升，在中間有一小段的局部下降，然后再繼續(xù)迅速地上升。對(duì)于這種情況，就會(huì)產(chǎn)生局部最小點(diǎn)。如果用前面所提到的方法來(lái)做保護(hù)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)效果并不理想。因?yàn)榍€有局部最小點(diǎn)，這樣會(huì)打斷連續(xù)升溫時(shí)間的累加，程序會(huì)在這個(gè)局部最小點(diǎn)之后又重新開(kāi)始計(jì)算累加斜率大于K0的次數(shù)。所以如果溫度不是連續(xù)的升高，程序就不能作出保護(hù)動(dòng)作，這就不能保護(hù)設(shè)備。

所以針對(duì)這種情況，就要用另一種溫度保護(hù)程序，其編程思路如下。

在一組按順序每秒測(cè)量的溫度值之內(nèi)，當(dāng)前時(shí)間測(cè)量的溫度值與這組溫度值中最小溫度值之差，若大于一定值T0（T0值的選定，需要現(xiàn)場(chǎng)得到對(duì)應(yīng)設(shè)備的溫度曲線后，根據(jù)其正常運(yùn)行時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的最大溫差值來(lái)確定，不同的設(shè)備其值也不同），則聯(lián)鎖跳停設(shè)備。首先我們建立一個(gè)30個(gè)元素的數(shù)組A，利用堆棧的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方法，把這個(gè)數(shù)組作為一個(gè)堆（先進(jìn)先出），然后把每秒讀取的溫度值送入這個(gè)堆A中（用A[29]來(lái)存儲(chǔ)當(dāng)前的溫度值，A[28]來(lái)存儲(chǔ)前一秒的溫度值，依此順序類推，用A[0]來(lái)存儲(chǔ)最近30秒前的溫度值），這樣我們就得到了一組30個(gè)按順序每秒測(cè)量的溫度值，當(dāng)每秒讀取一次當(dāng)前溫度值時(shí)，這個(gè)數(shù)組也就是堆A就更新一次。然后選取出這個(gè)組中的最小溫度值A(chǔ)min，選取最小值的算法有很多種，我們這里用的是兩兩比較，先令A(yù)min=A[29]，然后比較Amin和A[28]，若Amin＞A[28]，則將A[28]賦值給Amin，即Amin=A[28]，若Amin≤A[28]，則保持Amin不變，依此類推，直到Amin和A[0]比較完成后，就可以得到這組溫度值中的最小也就是最低溫度值A(chǔ)min。然后比較當(dāng)前溫度T和最低溫度Amin的值（即T-Amin），如果其差值大于T0，則采取保護(hù)動(dòng)作，聯(lián)鎖跳停設(shè)備。若否，就繼續(xù)讀取和比較溫度。最后就這樣往復(fù)循環(huán)執(zhí)行程序。

圖4就是溫度保護(hù)程序二的邏輯功能圖。

圖4 程序邏輯功能圖二

5 結(jié)束語(yǔ)

我們將這兩種新的溫度保護(hù)算法加入到球磨機(jī)軸瓦和選粉機(jī)軸承溫度的保護(hù)程序中，運(yùn)行一段時(shí)間后，球磨機(jī)因?yàn)榈诙N保護(hù)算法跳停了幾次，而實(shí)際球磨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)很好，并沒(méi)有什么異常，用紅外測(cè)溫儀實(shí)測(cè)軸瓦溫度并不高。查看歷史數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)軸瓦溫度本來(lái)一直穩(wěn)定在60 ℃左右，但突然在一瞬間就突變到量程上限150 ℃，然后又突然降回正常值，過(guò)段時(shí)間再次發(fā)生突變。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)分析，應(yīng)該是熱電阻斷線造成溫度突變到量程上限，實(shí)際發(fā)現(xiàn)是球磨機(jī)熱電阻的接線虛接，只要球磨機(jī)震動(dòng)一大，電纜接觸不良，電阻值變成無(wú)限大，造成溫度跳變。所以在這種情況下，溫度保護(hù)程序二就會(huì)有誤動(dòng)作，誤停設(shè)備。為了避免類似情況發(fā)生，我們必須把溫度輸入信號(hào)作濾波處理（例如平均值濾波），并且檢查接線是否牢靠，盡量減小干擾和消除錯(cuò)誤信號(hào)，這樣才能保證程序正確運(yùn)行，更好地保護(hù)設(shè)備。在加入這些保護(hù)程序后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反映的情況，還未出現(xiàn)過(guò)像上次嚴(yán)重的損壞軸承的事故。

文中介紹的兩種溫度保護(hù)程序，也有一定的局限性，只能針對(duì)設(shè)備在正常運(yùn)行、溫度比較穩(wěn)定、不會(huì)有快速的大幅度波動(dòng)的情況下才可以使用。所以讀者可以參考這兩種溫度保護(hù)程序，根據(jù)自己的實(shí)際需要和理論知識(shí)作出相應(yīng)的調(diào)整，以更好地保護(hù)設(shè)備。

2016-08-05）

TQ172.8；TB942

B

1008-0473(2016)06-0080-03

10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.06.017