溫度保護程序的改進

萬啟飛

成都建筑材料工業設計研究院有限公司，四川 成都 610051

溫度保護程序的改進

萬啟飛

成都建筑材料工業設計研究院有限公司，四川 成都 610051

在水泥廠眾多設備中，基本都會有溫度參數，有些只有顯示作用，而有些卻十分重要，因為這些不同的溫度值直接反映出設備運行狀態的好壞，如果控制系統能夠根據溫度值的變化，對相應設備采取及時的保護措施，這將對避免設備損壞、水泥廠連續正常運行，起到積極有效的作用。根據一實際項目介紹兩種改進的溫度保護程序。

溫度保護算法 選粉機軸承 溫度曲線 溫度聯鎖

0 引言

在建材行業中，許多工廠都會使用到比較多的大型設備，例如球磨機、立磨、輥壓機、破碎機等，這些設備都由大功率電機驅動，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。而現在絕大多數的控制系統對這些軸承或者軸瓦的保護都是通過對溫度的監控而得以實現，當其到達一定值（報警值，例如80 ℃）的時候，會由控制系統輸出聲光報警，如果軸承或者軸瓦溫度升高到另一值（停機值，例如90 ℃），比先前的報警值稍高的時候，控制系統會強制設備停止運行，并且聯鎖停掉其他相關的設備。但是在實際工程項目中，多次遇到溫度升高跳停設備后，對應的軸承或者軸瓦還是已經損壞了。

所以這種簡單的保護方法存在一定的缺陷，如果針對這些情況，增加一些溫度保護措施，使得控制系統能更有效地保護設備，這將對提高水泥廠的生產效率起到更大的作用。

1 現場實際項目舉例

在某個水泥熟料線保產項目的實際生產過程中，石灰石生料立磨選粉機軸承出現過一次溫度升高到停機值（125 ℃），控制系統也及時跳停了選粉機，隨后檢修人員抽出選粉機軸后，卻發現軸已經被啃傷（圖1），軸承也完全損壞了。

出現這種事故后，一般要等設備廠家來修復，這會需要大量的時間。在此期間水泥廠會停止生產，造成重大損失。

圖1 損壞的選粉機軸

在選粉機停機后不久，操作員就在中控DCS系統（本項目DCS系統使用的是Siemens的PCS7 CEMAT v8.0工業軟件）中調出選粉機三個軸承溫度的歷史趨勢圖（圖2）。

圖2 選粉機軸承溫度趨勢圖

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

2 根據溫度曲線分析得出的結論

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

（2）黑色溫度曲線所代表軸承在1:55分開始迅速升高，在選粉機跳停后，溫度緩慢下降了1 min左右，然后又迅速上升至量程上限，可以判斷出這個軸承在此時已經損壞，并和軸有劇烈摩擦，才會使溫度在跳停后繼續升高，在選粉機完全停止轉動后，溫度才開始緩慢下降。

（3）溫度本來就是一個慣性量，具有滯后性，如果在溫度升高到停機值時才采取保護動作，跳停選粉機已為時已晚，設備已經損傷。

（4）所以如果能夠在溫度到達停機值之前，提前一段時間采取保護動作，那就能避免類似的事故發生，保護設備，減少損失。改進相應的溫度保護程序，就是解決這個問題的關鍵。

3 溫度保護程序一

在設備正常運轉情況下，溫度穩定在正常閾值內的時候，溫度的波動趨勢是比較小而且較為緩慢的。首先針對紅色曲線來分析，其溫度是持續且較為快速的上升，轉化為數學語言就是這段曲線的斜率K比較大，而且在這段時間內是一直大于個一個值k0的，即當t1＜t＜t2時，K≥k0 。所以我們可以根據這個數學特性來編一個算法，改進溫度保護程序。從理論上講，如果要得出這個曲線每一點的斜率，我們就必須知道這條曲線對時間t的數學表達式，然后對其求導數，就可以得到斜率對時間t的數學表達式，然而這樣并不可行，并且我們也不需要得到每個時刻的斜率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程序一的編程思路。

首先使用一個寄存器M來存儲前一秒的溫度值，然后用當前的溫度值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，需要現場實際測量出對應設備的溫度曲線后，根據其正常運行時溫度曲線的一般斜率來確定，一般每秒溫升不會超過零點幾度），則計數器C加1，否則計數器C清零。然后再跳到用當前溫度值T減去前一秒的溫度值M（T-M）這一步，如此一直循環運行，期間如果計數器C的值大于t0，則表明在連續的t0秒（例如t0=10 s）內，斜率K都是大于k0的，那么就要采取保護動作，聯鎖停機。所以對于類似紅色溫度曲線的情況，這種控制算法可以在溫度開始快速連續升高的t0秒內做出動作，聯鎖停掉設備，避免對設備造成損壞。

圖3就是以上編程思路對應的邏輯功能圖。

圖3 程序邏輯功能圖一

4 溫度保護程序二

黑色曲線是在一個短時間內，十分迅速地上升，可以近似為數學上的階躍函數圖象。而且仔細觀察可以發現，這條曲線不是一直連續上升，在中間有一小段的局部下降，然后再繼續迅速地上升。對于這種情況，就會產生局部最小點。如果用前面所提到的方法來做保護，我們會發現效果并不理想。因為曲線有局部最小點，這樣會打斷連續升溫時間的累加，程序會在這個局部最小點之后又重新開始計算累加斜率大于K0的次數。所以如果溫度不是連續的升高，程序就不能作出保護動作，這就不能保護設備。

所以針對這種情況，就要用另一種溫度保護程序，其編程思路如下。

在一組按順序每秒測量的溫度值之內，當前時間測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，需要現場得到對應設備的溫度曲線后，根據其正常運行時單位時間內的最大溫差值來確定，不同的設備其值也不同），則聯鎖跳停設備。首先我們建立一個30個元素的數組A，利用堆棧的數據結構方法，把這個數組作為一個堆（先進先出），然后把每秒讀取的溫度值送入這個堆A中（用A[29]來存儲當前的溫度值，A[28]來存儲前一秒的溫度值，依此順序類推，用A[0]來存儲最近30秒前的溫度值），這樣我們就得到了一組30個按順序每秒測量的溫度值，當每秒讀取一次當前溫度值時，這個數組也就是堆A就更新一次。然后選取出這個組中的最小溫度值Amin，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Amin=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Amin。然后比較當前溫度T和最低溫度Amin的值（即T-Amin），如果其差值大于T0，則采取保護動作，聯鎖跳停設備。若否，就繼續讀取和比較溫度。最后就這樣往復循環執行程序。

圖4就是溫度保護程序二的邏輯功能圖。

圖4 程序邏輯功能圖二

5 結束語

我們將這兩種新的溫度保護算法加入到球磨機軸瓦和選粉機軸承溫度的保護程序中，運行一段時間后，球磨機因為第二種保護算法跳停了幾次，而實際球磨機運行狀態很好，并沒有什么異常，用紅外測溫儀實測軸瓦溫度并不高。查看歷史數據后，發現軸瓦溫度本來一直穩定在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，過段時間再次發生突變。根據現場經驗分析，應該是熱電阻斷線造成溫度突變到量程上限，實際發現是球磨機熱電阻的接線虛接，只要球磨機震動一大，電纜接觸不良，電阻值變成無限大，造成溫度跳變。所以在這種情況下，溫度保護程序二就會有誤動作，誤停設備。為了避免類似情況發生，我們必須把溫度輸入信號作濾波處理（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誤信號，這樣才能保證程序正確運行，更好地保護設備。在加入這些保護程序后，根據現場反映的情況，還未出現過像上次嚴重的損壞軸承的事故。

文中介紹的兩種溫度保護程序，也有一定的局限性，只能針對設備在正常運行、溫度比較穩定、不會有快速的大幅度波動的情況下才可以使用。所以讀者可以參考這兩種溫度保護程序，根據自己的實際需要和理論知識作出相應的調整，以更好地保護設備。

2016-08-05）

TQ172.8；TB942

B

1008-0473(2016)06-0080-03

10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.06.017