控制和测量技术在燃烧设备声波测温系统中的应用
PC 控制技术助力提升温度测量精度、减少组件数量并提升灵活性
能源与钢铁等行业中所使用的机械设备构造较为复杂，因此对投入使用的测量和分析系统的要求也相对较高。这不仅要求系统能够快速、精确地进行数据采集，还要求系统设计尽可能灵活、具有可扩展性、注重成本效益以及节省空间。因此，Bonnenberg & Drescher 公司为其声波测温(AGAM)系统配备了倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制和测量技术。
Bonnenberg & Drescher 公司总部位于德国亚登霍文，专注于生产工艺分析与优化，其产品主要应用于燃烧控制领域。公司成立于 1971 年，成立初期主要承接核电工程项目：包括冷却系统及关键部件的设计与使用寿命的分析，以及核安全防护方案的制定与实施，如辐射防护、放射性物质的安全运输以及核电环境排放监测。上世纪 80 年代，公司经营范围扩大至传统发电领域，尤其专注于燃烧工艺的分析与优化。自上世纪 90 年代初以来，公司一直采用 AGAM 系统实现上述目标，并将其广泛应用于垃圾焚烧发电厂和高炉。
此款测量系统的物理原理非常简单：气体中的声波速度取决于气体温度，即气体的温度越高，声波的传播速度越快。为了精确测量气体温度，锅炉四周分布了多个传声器，它们会生成一个所有装置同时接收的信号，然后将该信号用于计算锅炉内气体的二维温度曲线。这种方法的独特优势在于它能够无辐射测量气体温度，从而优化设备生产流程，达到以下效果：
- 优化燃烧过程，减少燃料用量，并降低二氧化碳排放量
- 显著减少设备腐蚀
- 提升设备产能和利用率(垃圾焚烧)
基于 PC 的控制技术取代专用产品，无需额外添加组件
过去，测量和分析系统的系统设置方式相当“传统”：以 25 kHz 的采样频率(即 400,000 值/秒)最多可采集 16 个通道的测量数据，随后这些测量值会由一个性能强大的服务器系统处理和归档(例如运用傅里叶变换及关联方法)。此外，还需要一个用于实现简单自动化功能的 PLC 和各种专用产品，如用于高速、高确定性和高分辨率地采集模拟量信号(声波)的模数转换器。
而使用倍福基于 PC 的控制技术可以将所需的组件数量减少至只需一个 CPU 系统。CX2062 嵌入式控制器搭载 Intel? Xeon? CPU(2.0 GHz 时钟频率和 8 核处理器)，满足了实现计算密集型分析应用的性能要求，必要时也可以搭载性能更强大的处理器。Bonnenberg & Drescher 公司认为，模拟量信号的快速、实时同步采集和数字化处理保证了分析系统的质量。采样率越高，尤其是时间分辨率越高，抖动就越低，通过傅里叶分析和测量通道关联性进行的温度测量就越精确。这正是 EL3702 EtherCAT 模拟量输入端子模块发挥其作用的地方，因为这些端子模块具有超采样功能，即除了每个现场总线周期之外，它们还运行自己的测量周期，可以用它来对现场总线进行“超采样”。EtherCAT的分布式时钟意味着时间分辨率也非常精确(+/-20 ns)。此外，整个数据集以相同的精度与 EtherCAT 周期和 TwinCAT 软件应用程序同步并添加时间戳。EL3702 EtherCAT 端子模块的信号采集速度达到 100 kHz，且采用新系统后，通道的数量上限也将超过 16 个。
模块化系统助力提升灵活性
ADS 路由是 TwinCAT 系统的通信中心。预处理的数据可以通过 ADS 路由提供给其它应用程序使用，这些数据再通过 ADS-DLL 传输到 AGAM 系统的 C# 环境中进行进一步处理。处理结果随后再通过 ADS 传输回 TwinCAT 系统，并可通过 EtherCAT、PROFINET 和 Modbus 等常见的现场总线接口从 TwinCAT 系统传输至客户系统，或作为客户网络中的可视化 Web 接口提供。
根据 Bonnenberg & Drescher 的应用经验，系统的 I/O 层也非常容易扩展。现有系统可以通过简单地插接更多的端子模块进行扩展，然后只需在软件内形成更多现有软件模块的实例。带光纤接口(塑料、多模或单模光纤)的 EtherCAT 耦合器能够进行远距离测量并大幅减少模拟量接线工作，进而提升系统灵活性。
通过对等的控制系统进行质量控制
倍福技术的使用也使系统在质保方面取得了显著进步。对于必要的模拟，测量任务使用基本相同的对等系统实现：通过带超采样功能的 EL4732 模拟量输出端子模块产生的传声器数据模拟锅炉上使用的组件，并在反方向相应生成 24 V 信号。每个测量系统在交付给客户之前都要经过数天的耐久性测试。
改进后的 AGAM-Q1 系统也已于 2021 年正式投入使用，并已获得德国莱茵 TüV 检验机构的认证，适用于经过官方认证的设备温度测量。EL4723 输出端子模块可用于实现符合相关法律法规的测量系统自检。
过电流保护端子模块节省空间和成本
EL9227-5500 电子过电流保护端子模块主要用于它的规范使用：用带 EtherCAT 接口的电子熔断器取代传统的熔断器。这样带来的好处包括：
- 节省空间和成本
- 灵活配置脱扣电流、电流及电压的预警等级、熔断器特性、启动行为等
- 完整的电流和电压测量功能，作为 PLC 的循环过程数据(电源和负载诊断)
- 丰富的诊断功能，例如可以诊断触发原因、用户设置更改和日志文件
此外，Bonnenberg & Drescher 还发现了另一个非常有用的应用场景：将电子过电流保护端子模块用作具有测量和诊断功能的数字量开关输出，即用于电磁阀。EtherCAT 端子模块的测量功能可以通过趋势线显示开关点的电流和电压特性，因此现在可以轻松、可靠地诊断各种阀门故障，比如电缆断裂、线圈缺陷或阀门机械缺陷。
系统集成带来明显优势
Bonnenberg & Drescher 公司总经理 Martin Brodeck 博士总结道：“测量数据的采集、存档、分析和显示的一体化为我们带来了很多切实的好处。标准的现场总线技术取代了测量链前端使用的专用电力电子器件。这样可以保证长达数十年的备件供应，并确保我们能够持续参与创新，无需自己备货。”
Martin Brodeck 博士提到的另一个重要方面是：CX2062 嵌入式控制器可在全球范围内长期供应，至少可以使用 10 年，随后还可再享受 10 年的服务：“倍福在全球超过 75 个国家中有 40 家子公司和合作伙伴，我们的客户可以从其中任何一家海外子公司或通过其合作伙伴购置这些组件。整个系统的控制过程相较于以前得到了显著简化，因此对我们的客户来说，系统更加可控。现在，在很多情况下，客户都能够自助服务，不需要我们的干预。更重要的是，将嵌入式控制器用作我们的平台基础可以确保自动化技术和 IT 技术的成功融合，为包括数据库连接和网络接口在内的计算密集型应用创造了宝贵优势。”
更多信息：
www.beckhoff.com.cn/measurement
图片译文
AGAM 系统前：Bonnenberg & Drescher 公司总经理 Matthias Ritter 博士(左)和 Martin Brodeck 博士(右)，以及倍福莱茵鲁尔分公司负责人Ralf Stachelhaus(中间)
用于测量电厂锅炉内气体温度的完整 AGAM 系统的示意图
Bonnenberg & Drescher 公司的声波测温(AGAM)系统的测量装置
CX2062 嵌入式控制器以及插接的 EtherCAT 端子模块构成性能强大、高度紧凑的测量和分析系统控制解决方案
