钢质管道三层PE防腐生产线单螺杆挤出机测温系统优化

武怀明，蒋 沛，路 涛

（1.中海油能源发展股份有限公司管道工程分公司，天津300452；2.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，兰州730060；3.长庆油田第十一采油厂，西安710000）

钢质管道三层PE防腐生产线单螺杆挤出机测温系统优化

武怀明1，蒋 沛2，路 涛3

（1.中海油能源发展股份有限公司管道工程分公司，天津300452；2.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，兰州730060；3.长庆油田第十一采油厂，西安710000）

针对某厂现有挤出机设备测温系统测量偏差较大的问题，提出了一种新的挤出机测温系统。该系统直接将热电偶的模拟信号转变为数字信号，再将数字信号传送到总控室，取消了长距离传输模拟信号的补偿导线，从而提高了挤出机测温系统的准确性和抗干扰能力。

钢质管道；三层PE防腐生产线；挤出机温控；热电偶；PID

0 前 言

钢质管道三层PE防腐涂层成型装备中，单螺杆挤出机作为最关键设备，一直影响着涂层的厚度均匀性、外观的光洁度以及平整度等。而受到三层PE挤出材料的特性影响，要求温度控制的精度非常高。挤出温度控制主要由温度设定、控制和调整三个部分构成。设定温度是控制温度的依据和基准，调整温度是对设定温度的修正和完善。但在实际操作中由于测温不准确，会引起挤出温度控制出现较大的偏离，从而造成钢管涂层缺陷。所以确保单螺杆挤出机测温的准确性，是每台挤出机亟待解决的问题。

1 问题及原因

1.1 基本情况及存在问题

某厂共有3台单螺杆挤出机，其中1台为90挤出机挤出底胶，另2台为150挤出机并联用作挤出聚乙烯，测温热电偶通过补偿导线（长约50 m）将信号传递至总控室进行控制。现存在的问题是：热电偶测温不准确，误差较大，温控系统测得的温度与实际温度相差较大(实际测温偏差为30～80℃)，影响设备的正常使用。

1.2 热电偶测温的基本原理及误差原因

1.2.1 热电偶配用补偿导线测温原理

热电偶是利用电势来测量温度的一种感温元件,它能将温度信号转化为相应的电势值,再由显示仪表显示出来。热电偶是基于热电效应进行温度测量的,焊接的一端叫测量端,未焊接的一端叫参考端。如果参考端温度恒定,其热电势的大小只与组成热电偶的两种金属材料的特性和测量端的温度有关,而与偶丝的粗细、长度无关[1]。因此要准确测温,必须使参考端的温度固定,一般为0℃。所以一般参考端都没有冷端补偿电路，使其温度恒定为0℃。热电偶信号为毫伏级电压信号，是比较弱的模拟量信号。目前在工业应用中,带补偿导线热电偶进行测温非常普遍,有关使用手册中规定补偿导线的使用温度范围为0～100℃或0～150℃。因而,人们经常会误认为只要补偿导线与热电偶的连接处温度在规定温度范围内,测温就是准确的。而实际并非如此,连接点的温度高低直接影响着温度测量误差的大小。热电偶与补偿导线的连接方式如图1所示。

图1 测温原理图

图1中A和B为两种不同材料的热电偶丝,A1和B1为相应热电偶的补偿导线,根据热电偶连接导线定律,其回路总的热电势为

式中：t1—偶丝和补偿导线连接点的温度；

t0—补偿导线与仪表连接处温度，为测量端温度。

在保持热电偶及其补偿导线的物理化学热稳定性的前提下,当温度在0～100℃的前提下，下式近似成立:

将（2）式带入（1）式得:

（3）式就是热电偶使用补偿导线的测温原理。从图中可以看出,使用补偿导线后,相当于把热电偶的参考端温度从移到温度处,但此种情况成立的前提条件是（2）式成立,既然（2）式是近似公式,那么测量中就会引入误差。

1.2.2 热电偶配用补偿导线测温误差分析

对于同一介质温度,使用热电偶和同一偶丝材料作延长线测温如图2所示[2]。

图2 使用与热电偶相同材料作补偿导线测温原理图

如图2所示,如果使用与热电偶相同材料作补偿导线测温，则其热电势为:

如图3所示,如果使用与热电偶不同材料作补偿导线测温,则其热电势为:

（4）式与（5）式相减:

（6）式说明两种测温体系存在差值,两种测温体系测得的热电势差值为在温差t1－t0下热电偶偶丝与补偿导线的热电势之差,这个差值便是使用补偿导线后引入的误差。ΔE是t1和t0的函数,在t0不变时,只与t1有关。也就是说,使用补偿导线引入的测量误差与偶丝和补偿导线连接点处的温度有关[3]。

表1是镍铬－镍硅（铝）热电偶和补偿导线铜－康铜在t0=0℃,t1=0～200℃时的热电偶及它们之间的差值[4]。

表1 热电偶丝与补偿导线的测温差值表

从表1可以清楚地看出,在连接点温度为0～40℃范围时,镍铬-镍硅（铝）热电偶和铜-康铜补偿导线的电势几乎相同,它们的差值对测量结果影响很小,随着连接点温度的升高,差值逐渐增大,使用补偿导线带来的误差也越来越大。

1.2.3 造成测温误差的原因

由现场的实际环境和热电偶测温原理可得出造成测温误差的原因有以下几点：

（1）热电偶信号为毫伏级电压信号，相对较弱，加之挤出机离总控室距离较远，信号有所衰减。

（2）补偿导线与热电偶连接点处离挤出机加热圈比较近，温度高，所以使用补偿导线又带来较大误差。

（3）中频采用电磁感应的方式进行加热，会造成一定的电磁干扰，这些干扰对于毫伏级模拟量热电偶信号影响较大。

2 解决方案

2.1 方案所需硬件

分析造成测温不准的原因可以看出，要使测温准确，选用方案必须有较强的抗干扰能力，适于长距离传输，并且尽可能不用补偿导线[5]。

由于数字信号和模拟信号相比，比较适合长距离传输，并且传输数字信号所用的485通讯线比之前所用的热电偶补偿导线抗干扰能力强，所以将热电偶直接连接到温度采集模块，不再使用补偿导线[6]，将热电偶输出的模拟量信号就近转换为数字量信号，再利用485通讯线进行长距离传输，这将最大可能的减少其他因素对热电偶测温信号的影响，提高测温精度[7]。测温系统改进前后对比图见图3。

现有测温系统为：热电偶模拟量信号通过普通补偿导线并经过若干端子长距离传输到PLC，会造成信号衰减，并且模拟量信号在长距离传输过程中容易受到中频等信号的影响。

图3 测温系统改进前后对比图

改进后测温系统为：直接将热电偶连接在测温模块一端，通过转换模块将模拟量信号转换为数字量信号，并通过485数据线长距离传输至PLC。

测温模块选用TDAM7018。TDAM7018为8路模拟量(热电偶)采集模块，可采集各种标准电压、电流、毫伏、以及各种类型热电偶温度信号，输入通道类型可以随意组合。模块采用RS485通讯接口，支持MODBUS-RTU和DCON ASCII码两种通讯协议，通过工具软件随意设置，可以直接连接PLC[8]。

输入通道采用双端差动输入。输入、电源、通信及通道之间电气隔离，独立AD芯片采样和转换，保证数据的精确度，有效抑制各类共模干扰，消除通道间的相互影响。每个通道的信号类型可以任意设置[9]。

热电偶输入有断路检测功能，采集结果为温度值，热电偶输入自动进行冷端温度补偿。

此模块具有一阶数字滤波、50 Hz工频抑制功能，对抑制工业现场工频干扰十分有效，保证微弱信号的采集精度，同时，此模块采用修正零点和斜率方式校正每个通道数据，保证数据准确性，随时修正因环境温度变化引起的测量误差，保证模块在整个工作温度范围内的采集精度[10]。

2.2 方案所需软件

由于测温系统新加入了测温模块，所以温控程序需要在原来的基础上加入测温模块与PLC的通信程序，测温模块支持Modbus通讯协议，所以，PLC与测温模块之间通信采用Modbus通讯协议，其中PLC作为主站，测温模块作为从站，测温模块之间采用组网的形式进行连接。温度控制继续采用PID控制,原有PID控制程序是建立在原有硬件基础上的，现采用了新的测温模块，已不能满足原有PID控制程序的使用条件，需重新编写PID控制程序。

3 关于方案可靠性的验证性试验

3.1 油浴加热

将K型、E型热电偶，水银温度计同时油浴加热（如图 4所示），每5 min记录一次（油浴模拟挤出机，加热温度为180～200℃），测得数据见表2。

图4 油浴加热示意图

表2 油浴模拟挤出机所测数据 ℃

3.2 实际测温

在挤出机机身上进行实际测温，加入可能的干扰源，并进行长距离传输。机身测温所得数据见表3。

表3 挤出机实际运行测温数据 ℃

4 结 语

油浴试验由于试验条件所限，很难保持恒温状态，标准温度计变化速率比实际温度变化速率要慢，所以标准温度计显示温度比实际温度要低，所以试验误差较大，但误差偏离值基本在±10℃范围内。

通过试验数据可以看出，该方案实际测温效果较理想，受到的干扰较小，误差在可接受范围内，方案可行。

由以上数据可以推断出，采用所述方式进行单螺杆挤出机测温系统优化，可以消除原挤出机温控系统在测温过程中所造成的超出范围值并不可调整的温度误差，满足钢质管道三层PE涂层聚乙烯挤出所要求的精准温控，为产品的质量提供了可靠的保障。此优化方式可以推广到其他单螺杆挤出机或双螺杆挤出机所需的长距离测温系统，值得推广应用。

［1］刘祖应.热电偶测温原理中的基本定律[J].化工时刊，2001（04）： 46－48.

［2］王忠伟.带补偿导线热电偶测温时的误差分析和修正方法[J].工业计量， 2008， 18(06)： 34－36.

［3］DANEMAN P E，张平.热电偶的分度特性[D].重庆：重庆仪表材料研究所，1996.

［4］JB/T 8205—1999，廉金属铠装热电偶材料[S].

［5］李忠明.复杂工业现场传感器信号长距离传输研究[J].电气传动自动化，2003(04)：33－35.

［6］岑淑琼，于召亮.热电偶检定中补偿导线的使用问题[J].计测技术， 2013(02)： 74－76.

［7］张立霞.基于DSP的数模转换系统研究[J].天津职业技术师范大学学报， 2011（02)： 33－36.

［8］何希才.传感器及其应用[M].北京：国防工业出版社，2001.

［9］兰吉昌.TMS320F28 12DSP应用实例精讲[M].北京：化学工业出版社，2009.

［10］魏永广，刘存.现代传感技术[M].沈阳：东北大学出版社，2001.

Single Screw Extruder Temperature Measuringt System Optimization for Steel Pipe 3PE Anti-corrosion Production Line

WU Huaiming1，JIANG Pei2，LU Tao3
（1.COCNOOC Energy Technology&Services Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China;2.Tianhua Istitute of Chemical Machinery&Automation Co.,Ltd.,Lanzhou730060,China;3.Changqing Oilfield Filiale Eleventh Oil Extraction Plant， Xi’an 710000,China）

Aiming at large measurement deviation of existing extruder temperature measuring system in some factory,a new kind of extruder temperature measuring system was put forward.This system turned the analog signal of the thermocouple into digital signal,then transmitted the digital signals to the master control room.It canceled the compensation wire of long distance transmission analog signal,so as to improve the accuracy of the extruder temperature measuring system and anti-jamming ability.

steel pipe;3PE coating production line;extruder temperature control;thermocouple;PID

TE988.2

B

1001－3938（2015）05-0062-04

武怀明（1958—），男，大学本科学历，工程师，毕业于中国石油大学（华东），主要从事海底管道涂敷技术开发与管理工作。

2015－03－19

罗 刚