【关键词】红外测温仪；多通道A/D转换；放大滤波；RS485通讯接口；九段温度测量仪
1.引言
随着饮料类型和数量不断增加，PET瓶的使用量不断增长，特别是近年来吹灌旋一体机的出现，使得PET瓶的生产取得了技术上的革命，国内生产厂家在竞争压力增大的同时，也面临着巨大的机遇。
目前，SIDEL、KRONES等国际性大公司在饮料包装机械方面走在世界的前列，其吹灌旋联合机系列产品的生产技术已相当成熟。目前来在国内说，广州的达意隆TECH-LONG采用当今国际最先进的制瓶技术自主开发研制的PET小瓶形高速旋转式吹灌旋一体机CPXX22。
目前PET瓶加热控制系统中，采用PT100热电阻温度传感器测量温度，采集到的是加热炉内空气的温度，而空气温度值只能作为一个参考温度值，加热炉中空气的温度和瓶胚的温度是存在差异的，使用空气温度进行闭环控制，势必影响到瓶胚加热的精度，从而影响瓶胚的成型。
2.方案选择
在吹灌旋一体机生产PET瓶的过程中，PET材料在加热的过程中由于温度的变化会出现几种不同的状态过程：玻璃化状态、结晶状态和熔化状态[1-2]。因此瓶胚加热温度不能过低，过低PET材料不会软化，纤维性不强，不能被加工；当然温度也不能过高，不能达到玻璃化温度点，更加不能达到熔点。因此对瓶胚加热温度精确测量和控制是相当重要的。
在实际的系统中，通常采用所谓的“四段炉体”和“九段加热”工艺就是，结合PET材料的物理特性[3-4]，在加热炉中采用红外灯管发出的红外线对瓶胚辐射加热，因为受瓶胚质量、壁厚、高度和瓶形的影响，使用9层红外线灯管，合理分配每层灯管的加热功率。关键的问题是在瓶胚测量温度必须是准确的前提条件下，如何精确的控制灯管加热的平均电压。
针对PET瓶温度测量存在的问题，根据PET瓶胚加热工艺以及PET材料相关特性，采用OPTEX（奥泰斯）SA-80T-4A型红外温度测温仪作为主要测温部件，九个测温仪分别测量九段瓶身温度；由于测温仪输出的是4～20mA的模拟信号，因此设计了实现多通道模拟信号转换为数字信号的控制电路。九段温度测量仪能精确测量到瓶胚的温度，为炉温控制提供了可靠的依据。系统设计总框图如图1所示。
3.测温仪选型
3.1红外测温原理
在自然界中，当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在，就会不断的向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75μm～100μm的红外线。红外辐射的探测是将被测设备的辐射能转换为可测量的形式，如对被测设备的热效应进行热电转换来测量设备红外辐射的强弱，或利用红外辐射的光电效应产生的电信号的变化来测量红外辐射的强弱，这样就把红外辐射的信号功率转换成便于直接处理的电信号，进一步放大处理后，以数字信号形式，得到设备表面的温度值。在设备热状态信息的红外探测过程中，代表设备热状态的红外辐射功率信号转换成电信号的功能是由红外探测器完成的[5-6]。
3.2测温仪的选型
红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理等部分组成。被测物体和反馈源的辐射线经调制器调制后输入到红外检测器。两信号的差值经反放大器放大并控制反馈源的温度，使反馈源的光谱辐射亮度和物体的光谱辐射亮度一样。测量出被测物体的亮度温度。测温传感器采用薄膜热电堆，Ge材料构成折射聚光系统，在探测器的前端放干涉滤光片（上述两个波段）。原理图如图2所示。在选择测温仪的时要考虑到以下几个指标。
3.2.1测温范围
每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围，测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。因此被测温度范围一定要考虑准确、周全，既不要过窄，也不要过宽。根据黑体辐射定律，在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化，因此，测温时应尽量选用短波较好。一般来说，测温范围越窄，监控温度的输出信号分辨率越高，精度可靠性容易解决。测温范围过宽，会降低测温精度。PET材料瓶胚最佳吹瓶温度为90-110℃，可将测温范围设定为0～400℃。
3.2.2波长范围
目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长对于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。红外波段一般分为四部分，即近红外0.75-3.0μm、中红外3.0-6.0μm、远红外6.0μm～15.0μm和极远红外15.0μm～1000μm。1～3μm的近红外波长适合高温源（如钢铁、冶金、铸造、陶瓷烧结、高温化学反应、火箭尾气等）的热辐射，8.0-14.0μm的远红外波长适合低温源（如人体、地物等）的热辐射。其中8.0-14.0μm波段适合探测常温到几百度的辐射体。一般来说，可以采用3.43±0.05μm或7.95±0.10μm两个波段来测温。
根据PET材料红外吸收特性，瓶胚最佳吹瓶温度，以及瓶胚壁的厚度，选用7.95±0.10μm波段构成温度测量系统。结合以上指标选用OPTEX（奥泰斯）SA-80T-4A型红外温度测温仪，该测温仪的数据参数见表1。
4.多通道模拟量输入模块设计
4.1模块设计方案
本模块采用了32位的ARM7微处理器作为主控芯片，Samsung公司的16/32位RISC处理器S3C44B0X是目前业内使用比较广泛的一款芯片。此处理器提供了丰富的内置部件，包括：8KBcache，内部SRAM，LCD控制器，带自动握手的2通道UART，4通道DMA系统管理器（片选逻辑，FP/EDO/SDRAM控制器），带PWM功能的5通道定制器，I/0端口等[7]。而A/D转换电路采用了MAX1270，该芯片为8通道12位的ADC，可将8通道的数据串行传送给控制器；为了保证采样数据的准确性，采用LM258设计出放大滤波电路。同时为了与上位机的通信，采用MAX485芯片设计出了RS-485通信接口。
4.2温度测量值与实际温度关系的建立
红外测温传感器测得的是温度电流信号（4～20mA），而A/D转换芯片输入值一般为电压值，为了得到每段温度测量的电压值，在每段电流信号处并接510Ω基值电阻，由于传感器测量的温度范围为0～400℃，对应的电流值为4～20mA，假设采集到的温度电压值为D，对应的温度值为T，则有T=（D-2.05）*50，这样就可以算到每段测量电压值与温度的线性关系。
4.3滤波缓冲电路设计
在模拟信号的输入端加铁氧体磁珠，可以滤除高频干扰，同时也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。在每个通道与地之间接有0.1uf电容以及6V8稳压管。
放大滤波电路如图3所示，采用MCP6022组成的放大滤波电路，该芯片含有两路运算放大器，可同时对两通道模拟量进行处理，实际上构成的一电压跟随器，起到对A/D转换器与模拟量输入端的隔离、缓冲的作用。
4.4A/D转换电路设计
MAX1270采用12位分辨率逐次逼近型算法，8通道输入模拟电压范围为-10V～+10V，-5V～+5V；采样速率为110kbps；内部提供4.096V基准电压[8]，通过两片芯片级联的方式可以实现16通道模拟量的采集。A/D转换电路原理图如图4所示，图中为一通道的原理图，通过编程模拟各通道数据采集SPI协议，用以实现SPI协议的MAX1270引脚都引至CPU的通用输入输出接口。MAX1270的参考电压使用内部4.096V基准电压，REFADJ引脚通过0.01uf接至电源地。为了防止外部噪声干扰CPU的正常工作，使用了6N137高速光耦进行光电隔离。目的是提高系统抗干扰性能，实现信号两端电气隔离。再设计该电路是要注意光耦的去饱和问题，根据6N137电气手册中关于输出电压与导通电流的关系曲线，在引脚A、K间选择的电阻为1kΩ。
4.5RS485通讯接口设计
通讯接口选用MAX485作为信号的转换芯片。MAX485具有很强的驱动能力，抗干扰性能很好，采用差分输出形式，差分输出两端最高能承受1KV的高压。为了防止浪涌电压对芯片的损坏，在两根差分线间以及差分线与地之间都接有放电管BZ201进行高压保护；同时在各差分线与地之间使用稳压管TVS6V8进行高低压保护；并且在每根差分线上各串联了一个10欧姆1W的电阻，这样通讯波形的质量有了很大的提升。为了防止信号输入端和输出端信号反射，在A，B两差分线间各连接一个120欧姆匹配电阻，实现输入与输出端的阻抗匹配。电路如图5所示。
通过标准的485接口，可以很方便的通过数据通讯协议将炉温采集到上位机，用于炉温监测与控制。
5.试验验证
根据加热炉和瓶胚的大小设计出九段温度测量仪，如图5所示。其中，现场的采集的温度数据和设定的温度比较如图6所示，图中对某一通道在90℃、95℃、100℃三种不同设定温度值下，所测实际工况温度测量温度与预设的温度基本一致。能使反馈控制误差在±2℃范围内。
6.结束语
在瓶胚加热过程中，温度采集是一个至关重要的部分，PET瓶胚的加热温度直接决定了瓶的成型，如果能准确快速的采集到加热炉的实时工况温度值，对炉温的控制来说起到了决定性的作用。所以能否成功采集瓶胚的温度是整个系统研发继续进行的重要前提。
通过现场试验测试，该测量仪性能可靠，能准确测量到瓶胚的温度，并保证反馈控制误差在±2℃范围内。本文所设计的控制模块，只给出了模拟量采集等电路，温度控制、电源部分以及一些I/O接口没有提及。本文提出了一种对瓶胚温度测量的新方法，只是对瓶胚加热控制工艺的一个环节，在吹瓶的过程当中还涉及到其他控制工艺，譬如需要良好的散热系统，保证加热炉内良好的加热环境，将多余的热量通过风机吹出到外部环境中，通过变频器拖动风机，根据加热炉内温度环境来调控风机的风量。因此为了使瓶胚更好的成型，还需要外部的设备协同控制。这也是本方法进一步应用必须去解决的问题。
参考文献
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现有温控仪均安装在烧火间配电箱内，配电箱本身不具备防爆功能，存在很大安全隐患。
以往水套锅炉控制大部分采用用温控仪控制燃烧器启停、大小火切换。其原理是在温控仪上设置水套炉水温上限和下限，当水温低于下限时，燃烧器大火启动，当水温介于上下限之间时，燃烧器切换为小火，当水温高于上限时，燃烧起停止。利用温控仪基本可以控制燃烧器启停，但却忽略了很多重要参数，如壳体压力、液位、烟道温度等。当壳体压力高、液位低等一系列状况出现时，由于这些参数没有办法采集到控制系统里去，燃烧器并不会停止运行，依然会依据当前温度受温控仪控制，存在很大安全隐患。
部分温控仪产品控制精度不高，当实际温度到达温控仪设定的上下限时，温控仪并不会立即做出动作，最终影响水套炉加热效果，导致原油加热效果不好或燃气资源浪费。
由于温控仪只能实现燃烧器起停控制，并不能实现数据采集、监控，因而仅采用温控仪并不能实现数据采集监控以及远传，不可能实现数据实时监控。
2自动控制方案与效果分析
为了进一步加强对燃气锅炉生产控制能力，尕斯库勒联合站集中供热系统采用控制水平较高的横河公司DCS集散控制系统，该系统性能稳定、功能完善，具有可靠性高、适用性强等优点，提高生产率的同时节省劳动力，为节能减排发挥重大作用。
采用DCS集散式控制系统，实现了一体化自动控制，通过仪表、电气、计算机的综合同一控制，实现了燃气锅炉的全自动过程监控。
集中供热系统采用了横河公司CS3000R3控制系统，实现了锅炉流量运算、壳体压力、液位、烟道温度、水温等参数的检测与燃烧器连锁控制。
DCS系统操纵方便，控制灵活，实现了远程报警复位，远程点炉，远程停炉，既可以手动控制燃烧器大小火，也可以根据生产需求，工艺要求，在设定启停炉温度，大小火温度后，实现燃烧器自动运行。既降低了工人的劳动强度，又减少了设备故障率。
上位机利用CS3000R3软件实现画面集中监控，查看变量实时数据和历史数据，设置重要参数报警，实现水套炉液位、温度等重要参数自动化连锁功能，保证安全生产。
计注四站采用西门子S7300PLC作为控制系统，利用WINCC作为岗位工人操作所用人机界面，与集中供热控制系统一样，操纵方便，控制灵活，实现了远程报警复位，远程点炉，远程停炉，既可以手动控制燃烧器大小火，也可以根据生产需求，工艺要求，在设定启停炉温度，大小火温度后，实现燃烧器自动运行。既降低了工人的劳动强度，又减少了设备故障率。
3DCS系统与PLC系统简介
DCS集散控制系统是一套分层分布式的网络体系结构，采用分级分布式网络体系结构，CPU分布式处理，基于优先级的实时操纵系统作为控制算法处理平台，满足了锅炉运行和两个分离器电气控制的实时性要求。现场控制站完成过程数据采集和实时控制，所有的硬件均实现模块化、智能化。
本系统设现场控制站1台，分别用于1#——11#锅炉及两台分离器的数据采集和控制。控制站主要包括冗余电源组件、数据采集卡、控制器以及控制网总线控制器，实现现场数据的采集处理、过程控制、联锁保护、顺控逻辑等。监控站运行实时专用监控软件，完成控制过程的人机界面图形显示，报警提醒等。
通过组态编程，该系统生产数据已经与生产运行科现有的GE公司SCADA系统软件通过OPC服务器——客户端方式，以WEB形式，实现数据的远传与监控，构成青海油田采油一厂综合生产自动化系统。
目前计注四站S7300PLC控制数据已经通过OPC软件组态，实现了数据的远传与监控，构成青海油田采油一厂综合生产自动化系统。
4效果评估
无论是CS3000DCS系统还是S7300PLC系统，运行至今，性能稳定，安全高效，采用多重冗余化技术以及有效的抗干扰措施，充分发挥了DCS与PLC控制系统运行可靠、维护方便的优点。通过锅炉温度、压力、液位等参数的连锁控制，在保证安全生产这一重要前提下，合理控制燃烧器大小火与启停，使燃气锅炉高效安全运转，减少排放污染，节约了能源，真正实现了仪表、电气和自动控制的一体化，充分体现了全集成自动化的特点，是适用于现在、面向未来的开放型过程控制系统，应用远景巨大，具有广阔的推广价值。
参考文献：
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随着工业科技的发展，干式变压器以它绝缘能力强、对工作环境要求不高、承受热冲击能力强、过负载能力大、阻燃能力强等优点。广泛使用与变电所、冶金、矿山等重要场所。随着干式变压器的广泛应用，人们对做为保障干式变压器安全运行的重要保护装置多功能温控仪的安全运行有了更高的要求。多功能温控仪有着启停风冷风机、高温报警、超高温跳闸等保护功能。为变压器的安全、可靠运行提供了重要的保护。针对以上说明可见多功能温控仪的正常运行与否直接关系到干式变压器的安全、稳定运行。
1、基本情况
我公司采用的干式变压器为SC系列环氧树脂绝缘干式电力变压器。该变压器采用的是LD-B10-A220系列干式变压器温度控制仪，在温度检测系统中，由预埋在干式变压器三相绕组中三支铂热电阻传感器（PT100）产生于饶组温度相应的电阻信号经相关的处理后输出相应的控制信号，从而起到保护的作用。从2004年我公司采用的干式变压器投入运行以来，一直运行比较稳定。但在2013年6月22日我公司电气车间2#干式自用变跳闸导致供电车间动力电全失。整流内外循环水全停，四台整流变油风冷却器全停，事故照明启动。整流变保护动作110KV开关跳闸导致电解系列直流停电事故。然而在6月27日我公司空压站2#干式变跳闸导致10KV低电压动作，自用变母联开关失压保护动作跳闸，整流内外循环水全停，四台整流变油风冷却器全停，导致流变保护动作110KV开关跳闸导致电解系列直流停电事故。这两次事故的发生为我们10KV干式变压器的安全运行敲响了警钟。此次事故按我厂有关规定认定为生产设备二类障碍。该事故的发生给我厂的电解安全生产造成了一定的影响。
2、原因分析
1）、针对“6.22”电气车间2#干式自用变压器跳闸事故的调查。在电气车间2#干式自用变停运24小时后、工作人员深入现场对变压器进行全面的电气试验机检查测量。检测结果变压器三相绝缘正常、三相绕组温度基本平衡均在34℃左右。在给温控仪外加电源检查时，发现温控仪显示温度为：
A相：33.0℃B相：-OP-C相：33.5℃
查看温控仪设定：当绕组运行温度高于70℃时，冷却风机自动投入运行；当绕组运行温度高于120℃时，温控仪将会发出声讯报警；当绕组运行温度高于150℃时，温控仪将会发出跳闸信号。同时查看温控仪黑匣子里面存储的温度为：
A相：33.2℃B相：157.2℃C相：33.7℃（黑匣子温度为变压器出现故障前记录的变压器绕组温度）
通过温控仪黑匣子显示的温度我们发现B相温度为157.2℃（该相实际测量温度为34℃左右），已经超过设定的跳闸温度150℃。从而我们针对以上检查可以判断为B相温度高出设定跳闸温度，导致温控仪发出跳闸信号，从而2#自用变跳闸引发供电动力电全失电解系列直流电全停的事故。但同时我们根据温控仪显示的B相：“-OPC”故障代码发现此故障代码意义为：1、该相传感器开路。2、传感器损坏。根据LD-B10-A220系列干式变压器温度控制仪的主要设计特点：它能够有效的判别传感器开路等故障信号，保证变压器在停、送电情况下，温控仪不会误发超温跳闸等信号。然而这次温控仪没有正确的判断出传感器开路的故障信号，导致了事故的发生。（铂热电阻开路应显示最高温度200℃，而此次显示了157.2℃）找到故障原因后，我们更换了一组（三相三支铂热电阻传感器）温控仪铂热电阻传感器。试送电成功，此时温控仪显示温度为：A相：33.2℃B相：33.4℃C相：33.5℃。变压器空载72小时后恢复备用。
2）针对于空压站2#干式变压器跳闸事故的调查分析。在变压器停运24小时后。工作人员深入现场对变压器进行全面的检查，发现温控仪内部电器元件和线路板烧损，同时发现测量线路从变压器10KV测线槽部分脱落，线路中部耷拉在10KV侧连接母线接线柱上，线路上有明显的电弧烧痕，内部部分线路被电弧烧断。变压器10KV侧连接母线B相、C相有明显的电弧烧伤，B相线圈上部绝缘砖由于母线的电弧烧伤引发的发黑变色。勘察过现场后进行分析原因如下：
①2#空压变温控仪测温控制引线从10KV侧线槽中脱落，接触B相和C相10KV接线柱，测温控制引线绝缘被击穿放电，10KV系统电压瞬时降低，导致2#空压变速断保护跳闸、温控仪烧损和自用变、净化变等低压开关失压保护动作跳闸。
②2#空压变温控仪测温控制引线布线不规范，存在重大事故隐患。工作人员没有及时发现。
发现原因后工作人员对变压器进行了全面实验，无发现异常。更换了B相和C相连接母线和B相线圈上部的绝缘垫块。同时更换了新的变压器温控仪，对控制测温引线进行规范连接。变压器在空载试运行72小时后投入运行。
3、防范措施
1）、组织人员对全厂各干式变压器进行全面检查，排查类似缺陷。对温控器传感器及其控制测温引线进行检查，对穿线回路进行紧固，发现问题立即整改，更换。避免类似事故的发生。
2）、建立跟踪机制，对各变压器建立检修档案。每年每次检修维护时都要对温控仪系统进行检测，对二次系统进行深入检查。消除隐蔽缺陷，建立跟踪档案。