胡宇晨,劉 偉,肖 宏,趙思思,黃正擁

(廣西埃索凱循環(huán)科技有限公司，廣西 欽州 535000)

0 引言

氧化鋅揮發(fā)窯是將濕法煉鋅方法的主要設(shè)備，原材料主要由焦炭、含水量不超過百分之十八的鋅浸出渣、紅泥、石灰等構(gòu)成。原料經(jīng)破碎后呈碎渣狀從揮發(fā)窯尾部進(jìn)入，由于窯體以一定的角度并非水平于地面，窯體轉(zhuǎn)動時窯體內(nèi)的原料因為重力不斷向窯頭靠攏。反應(yīng)在原料移動的過程中進(jìn)行，揮發(fā)窯內(nèi)的溫度可以高達(dá)1 300 攝氏度以上，此時原料中的焦炭部分不充分燃燒生成一氧化碳，而原料中的鋅、鍺等元素被一氧化碳?xì)怏w還原成單質(zhì)。鋅的沸點(diǎn)為907攝氏度，在高溫環(huán)境下呈氣態(tài)上升，往窯尾方向行進(jìn)。行進(jìn)過程中再與空氣中的氧氣進(jìn)行反應(yīng)生成氧化鋅，冷卻后呈粉塵狀隨爐氣排出，收塵處理后即為氧化鋅產(chǎn)品。氧化鋅揮發(fā)窯可以分為4個部分：回轉(zhuǎn)窯部分、沉降返料部分、余熱鍋爐部分、布袋收塵部分。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

揮發(fā)窯作為大型特種設(shè)備，相關(guān)部門就設(shè)備的安全環(huán)保節(jié)能方面的政策與措施不斷強(qiáng)化。2014年1月發(fā)布實(shí)施了《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》。其中第三條規(guī)定了“特種設(shè)備安全工作應(yīng)當(dāng)堅持安全第一、預(yù)防為主、節(jié)能環(huán)保、綜合治理的原則”。為了響應(yīng)國家政策，以人為本，必須提前預(yù)防事故風(fēng)險，對高危特種設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)性的監(jiān)測，對各個環(huán)節(jié)、設(shè)備建立完備的監(jiān)管體系[1-2]。

跟隨時代的進(jìn)步，建立在線監(jiān)測可以借助物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)是關(guān)于人的連接網(wǎng)絡(luò)，主要是人與人之間傳遞信息，而發(fā)展到物聯(lián)網(wǎng)之后物與物之間都能進(jìn)行信號交流。物聯(lián)網(wǎng)是信息時代的發(fā)展趨勢，受世界各國重視，美日歐等發(fā)達(dá)國家早在2009年先后提出了針對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展計劃。我國也于2012年發(fā)布《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，將物聯(lián)網(wǎng)上升到國家戰(zhàn)略層面[3]。

在線監(jiān)測方面，我國大部分現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)集中在工業(yè)鍋爐。很多企業(yè)也進(jìn)行了物聯(lián)網(wǎng)方面的研究，如甘肅省金金昌市金川公司研究了將自動化控制與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合解決回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)穩(wěn)定性問題[4]；大連海事大學(xué)探討了關(guān)于鍋爐安全節(jié)能監(jiān)管平臺的功能建設(shè)[5]；泉州市仰恩大學(xué)研討了如何提高無線傳感器的環(huán)境適應(yīng)能力等[6]。

根據(jù)研究表明，現(xiàn)今我國大部分工業(yè)鍋爐只有相應(yīng)的儀表控制系統(tǒng)或者DCS控制系統(tǒng)，只能就地監(jiān)測控制，不具有完備的在線監(jiān)測、診斷功能，故在監(jiān)測方案上還具有極大的改良空間[7-8]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)框架

基于我國物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測現(xiàn)狀與公司實(shí)際情況，設(shè)計的揮發(fā)窯在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 揮發(fā)窯在線監(jiān)測系統(tǒng)

2.2 傳感器

本系統(tǒng)的傳感器模塊主要包括有鼓風(fēng)機(jī)變頻器、引風(fēng)機(jī)變頻器、給料皮運(yùn)機(jī)變頻器、返料提升機(jī)變頻器；窯尾溫度傳感器、余熱鍋爐進(jìn)出口溫度傳感器、蒸汽溫度傳感器、布袋除塵溫度傳感器；余熱鍋爐各段負(fù)壓傳感器、蒸汽壓力傳感器等。

2.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸

數(shù)據(jù)采集部分需要將揮發(fā)窯和余熱鍋爐實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)進(jìn)行收集匯總。此部分采集器與各個傳感器通過有線電纜連接。鑒于公司現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)狀況，匯總后的數(shù)據(jù)需要能夠以無線的形式傳輸?shù)皆诰€監(jiān)測平臺，要選擇能接收Wi-Fi信號的云透傳模塊。

2.4 在線監(jiān)測平臺

在線監(jiān)測平臺需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制輸出、模擬量采集、報警、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。用戶通過電腦web端或者手機(jī)上微信、APP軟件接入云平臺的服務(wù)器，達(dá)到在線監(jiān)控的功能。

3 系統(tǒng)開發(fā)研制的內(nèi)容

3.1 傳感器的選型與研究

需要的傳感器布局如圖2所示。

圖2 傳感器

(1)鼓風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)窯機(jī)、引風(fēng)機(jī)、提升機(jī)、給料機(jī)。

對應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行頻率、電流，由變頻器自身將頻率和電流信號變送為模擬信號。

(2)溫度傳感器。

考慮到揮發(fā)窯內(nèi)反應(yīng)溫度達(dá)到1 000℃以上，窯尾溫度傳感器選擇了K型熱電偶傳感器。K型熱電偶傳感器是自發(fā)電式傳感器，不需要單獨(dú)供電，它利用不同溫度情況下，兩種不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，自由電子從密度大的金屬轉(zhuǎn)移到密度小的金屬，產(chǎn)生熱電勢，將溫度轉(zhuǎn)化為電勢差毫伏信號。K型熱電偶測量范圍為-200℃到1 300℃，具有良好的抗氧化性，符合揮發(fā)窯工況。

而布袋收塵溫度通常不超過300℃，在此溫度下，量程更小的熱電阻式鉑RTD傳感器輸出線性，精度更高，更符合此工段工況。熱電阻式傳感器是利用金屬導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而升高的特性，將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電阻值信號。

(3)壓力傳感器。

系統(tǒng)主要需要的壓力傳感器有余熱鍋爐出入口負(fù)壓(顯示管道系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)道通暢程度)以及蒸汽壓力。兩者的正常壓力范圍在5 MPa以下，選擇的是電容式壓力傳感器。電容式壓力傳感器是一個完全密封的元器件，壓力通過隔離硅油傳導(dǎo)到隔離膜片，引起兩塊傳感膜片位移。兩個膜片之間的距離變化會產(chǎn)生電容信號。

3.2 數(shù)據(jù)采集終端的選型與研究

數(shù)據(jù)采集終端使用的是模擬量采集與透傳模塊二合一的聚英DAM0816A Wi-Fi版本，采集器與各個傳感器通過電纜導(dǎo)線相連接。由于各個傳感器傳輸信號的不同，需要考慮統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為4～20 mA模擬信號。主要的信號類型有：

① 4—20 mA模擬信號；

② 熱電偶mV信號；

③ 熱電阻Ω信號；

④ 壓力傳感器F信號。

其中4～20 mA模擬信號不僅要能保證信號正確一分為二至現(xiàn)場儀表和模擬量采集器，還要確保高精度與高抗干擾性。這里選用的為鎧安KHS-IP211型有源信號隔離器，原理如圖3所示：

圖3 KHS-IP211型有源信號隔離器

溫度傳感器的熱電偶的電容信號與熱電阻的電阻信號，則需要專門的溫度變送器分別轉(zhuǎn)化為4～20 mA模擬信號。這里選用的是鎧安THS-IP/U211型溫度變送器，其原理如圖4所示：

圖4 THS-IP/U211型溫度變送器

壓力傳感器產(chǎn)生的信號是電容信號，需要壓力變送器將信號轉(zhuǎn)換為4～20 mA模擬信號。這里選用的是二線制壓力變送器，二線制變送器不同于一般的四線制變送器(兩線供電、兩線通訊)，直接使用4～20 mA電流為變送器供電，只需要兩根導(dǎo)線同時承擔(dān)供電與通訊的功能。原理如圖5所示：

圖5 壓力變送器工作原理

3.3 在線監(jiān)測平臺的研究

采集模塊統(tǒng)一收集好信號后，將數(shù)據(jù)通過modbus協(xié)議通訊至透傳模塊，透傳模塊具有接收無線網(wǎng)絡(luò)的功能，基于Internet廣域網(wǎng)進(jìn)行通訊。在TCP Client工作模式下，模塊上電后調(diào)整設(shè)置使其主動連接到TCP Server服務(wù)器端(ems.jydtu.com)。設(shè)置如圖6所示：

圖6 平臺研究

數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄塾⒃品?wù)器后，通過軟件或者網(wǎng)頁web端登錄，具有以下功能：(1)在線監(jiān)測。包括實(shí)時監(jiān)測整個揮發(fā)窯溫度、壓力、流量、設(shè)備運(yùn)行情況等參數(shù)，以表格或者曲線的形式顯示；(2)報警?？梢栽O(shè)置溫度、壓力超限或者電機(jī)負(fù)載異常等安全性報警；(3)歷史數(shù)據(jù)查詢?？梢跃_的查找各個參數(shù)的時、日、周、月度的運(yùn)行報表，并且具備歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出、歷史報警查詢的功能，方便工程師分析數(shù)據(jù)、問題。(4)可以進(jìn)行交互界面組態(tài)，自主設(shè)計專用的交互界面。

在線監(jiān)測平臺最終界面如圖7所示：

圖7 在線監(jiān)測平臺

4 總結(jié)

本文通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一套氧化鋅揮發(fā)窯的在線監(jiān)測系統(tǒng)，由傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、在線云平臺模塊3個部分組成。具有在線監(jiān)測、超限告警、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。目前基于此設(shè)計的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)已完成各個功能的調(diào)試，應(yīng)用于公司生產(chǎn)管理，已試運(yùn)行4個月，取得了良好的效益和管理效果。