中國報告大廳網訊，當前，低碳環保已成為企業發展的核心方向，數位化、信息化、智能化技術在工業生產領域的應用不斷深化。在煤炭深加工行業中，活性炭作為煤炭資源清潔高附加值利用的重要產品，其生產車間傳統上多依賴 DCS 控制系統，存在現場儀表模擬信號控制導致的配線複雜、信號易干擾、故障發現不及時等問題，同時缺乏遠程運維、生產過程可視化及能源管理功能，不僅影響生產效率，還造成能源浪費與經濟損失。為解決這些行業痛點，以低碳節能為理念，優化活性炭炭化生產工藝，構建智能化管理控制系統，成為2025年活性炭行業技術升級的關鍵方向。以下是2025年活性炭行業技術分析。

  一、煤基活性炭炭化製備節能工藝的優化設計

  活性炭製備中，成型煤基活性炭以煤為原料，需經過破碎、磨粉、混捏、炭化、活化等流程。在原料配比環節，不同煤種比例存在差異，其中煙煤、焦油、水的比例通常為 6.8:2.5:0.7，按此比例將煤粉與粘結劑、水攪拌混合後，通過液壓機壓製成顆粒狀、棒料狀、塊狀的炭化生料，炭化生料經晾曬後進入炭化環節，炭化完成後再進行活化，最終製得活性炭成品。

  炭化迴轉窯是炭化車間的核心設備，車間其他設備均為其配套服務。以低碳、節能為目標，結合現有設備條件，引入太陽能預熱系統、翻板式烘乾系統、入倉皮帶秤等設備，實現節能與物料平衡計算功能，並設計以煙氣、炭化物料、水三類物質為主線的生產工藝，具體流程如下：

  煙氣流通路徑：燃燒室燃燒水煤氣產生的煙氣通入炭化迴轉窯用於炭化;炭化尾氣部分通入焚燒室燃燒，為餘熱鍋爐提供熱量以產生蒸汽，部分尾氣用於烘乾炭化生料;烘乾尾氣再次通入焚燒室燃燒;餘熱鍋爐燃燒產生的煙氣經淨化處理後部分排空，實現煤能源的最大化利用。

  水流通路徑：自來水通過變頻水泵分別輸送至冷卻機和太陽能輔熱系統;太陽能輔熱系統加熱後的預熱水與冷卻機的換熱水，經省煤器再次加熱後通入餘熱鍋爐產生蒸汽。整個系統中，冷卻機的水量基本固定，水量調節主要依靠太陽能輔熱系統實現。該太陽能預熱系統可將 5~15℃的水加熱至 50~90℃，為企業節省 10%~20% 的能源投資。

  炭化物料流通路徑：炭化生料經電子帶稱重後送入翻板式烘乾機烘乾，此過程既能加快烘乾效果，又能實現預炭化，需重點控制烘乾溫度;烘乾後的炭化料通過提升機送入炭化迴轉窯進行炭化;炭化完成的物料經振動篩篩分後，由冷卻機冷卻至 40℃，再通過提升機和皮帶秤進入料倉。從入料稱重到入倉稱重的全流程，實現了物料質量平衡監測。

  二、活性炭炭化車間管理與控制方案的構建

  《2025-2030年全球及中國活性炭行業市場現狀調研及發展前景分析報告》指出，傳統活性炭炭化車間以 DCS 系統為主，採用現場設備層、中間控制層、管理層三層架構，現場設備儀表多採用模擬量控制，存在故障發現滯後、無遠程運維、缺乏預測性維護與可視化監控等問題。由於離散行業的數位化工廠模式無法直接適用於煤化工領域，因此以實現車間能耗高效管理、高安全性與可靠性、可視化管控為目標，將炭化車間工藝劃分為七個系統，分別是烘乾及上料系統、太陽能及餘熱鍋爐系統、迴轉窯系統、篩選及冷卻系統、能源管理系統、預測性維護系統、智慧計量管理系統;同時將車間控制分為四個層級，即現場設備層、現場控制層、車間管理與控制層、遠程管理與運維層。

  在硬體配置與網絡搭建方面，炭化車間採用多台 PLC 實現分系統控制：一台西門子 S7-1215 PLC 作為主控，負責烘乾及上料系統、冷卻及入倉控制;一台 S7-1215 PLC 控制太陽能及鍋爐系統;一台 S7-1215 PLC 控制炭化迴轉窯系統。三台 PLC 通過現場傳感器採集數據，集成至 SCADA 系統，構建智慧計量系統與能源管理系統，並藉助西門子預測分析系統構建預測維護系統。

  控制網絡採用工業控制網絡技術：驅動類設備使用西門子 Profinet 總線技術實現組網通信，該系統可連接至少 256 個節點;傳感器類、儀表類設備採用基於 RS485 總線技術的 Modbus-RTU 串行通信，系統可連接至少 32 個節點。Profinet 總線技術基於工業乙太網，循環周期可達 1ms，完全滿足炭化車間現場控制需求;Modbus-RTU 為半雙工串行通信方式，採用主從輪詢通信，響應速度雖慢於 Profinet 總線，但仍能滿足過程控制需求，且僅需兩根線即可將現場所有傳感器接入 PLC 設備，只需注意阻抗匹配。現場總線技術不僅降低了傳統設備點對點的配線成本，還能在設備掉網時立即報警，提醒工作人員維修。此外，採用星原物聯網遠程透傳網關，將本地網絡通過 VPN 代理轉換為廣域網，遠程設備、手機終端可通過雲平台，藉助公網、4G 網絡訪問現場設備並實現監控。

  能源管理系統通過智能量測開關、電測量儀表及熱平衡計算，採集並監控車間總耗能及各子系統耗能情況，監測參數包括有功功率、無功功率、電流、電壓等電參數及熱值消耗，實時掌握設備耗能狀態，為設備檢修、故障排查、能耗分析提供數據支持。智能量測開關採用 DLT698.45 協議，為便於 PLC 採集數據並上傳至雲平台與電子看板，通過 DLT698.45 轉 Modbus-RTU 協議模塊進行信號轉換，再將其掛接在總控 PLC 的 RS-485 總線上。

  車間各控制層級的設備組成明確：控制管理設備層由閥、電動機、傳感器組成;現場控制層由 PLC、儀表、觸控螢幕組成;車間管理與控制層由工程師站、操作員站、數字看板組成;遠程管理與運維層通過 Internet 網絡，由遠程運維站、手機終端、Web 經透傳網關直接訪問現場設備，實現設備正常運行狀態監控與故障時的遠程運維。

  三、活性炭炭化車間智慧計量管理系統的設計

  為實時監控車間物料與能源損耗，構建以傳感器為採集點，結合上位機，整合物料平衡系統、實時資料庫、計量管理信息系統的智慧計量管理系統，該系統可及時發現 「跑冒滴漏」 等損耗情況並發出預警。

  系統採集的數據對象涵蓋溫度、液位、壓力、流量、氣體組分等過程參數，並依據數學模型對蒸汽、燃料氣(水煤氣)、尾氣進行能耗計量，實現對燃燒設備能耗的評估及蒸汽管網壽命的評估。

  根據活性炭炭化生產工藝流程，建立三類平衡關係：燃氣 - 空氣 - 煙氣的質量與能量供求平衡、炭化料生料 - 熟料的質量與能量供求平衡、自來水 - 蒸氣的質量與能量供求平衡，通過這些平衡關係計量整個車間的質量損耗與能量損耗。同時，根據車間能量和質量供需關係，生成供需平衡表、供需平衡率等數據，以報表和圖形形式在電子看板展示，並通過 KPI(關鍵績效指標)體系，形象、直觀、具體地實時反映車間工況，實現生產車間數位化，完成整個車間質量、能量的計量、預測與預警，為節能增效提供數據依據。

  四、活性炭炭化車間設備預測性維護系統的應用

  設備故障會導致停機、維修、生產中斷、不良品率上升，進而增加能源消耗，因此設備高可靠性是低碳節能生產的重要保障，而設備狀態的實時監護是實現高可靠性的關鍵，預測性維護系統由此應運而生。預測性維護通過一系列行動預防故障、降低故障風險、減少計劃外停機的次數與持續時間，在故障發生前進行干預，延長設備使用壽命。

  傳統基於時間的預測性維護，依據設備廠商推薦時間進行檢修保養，屬於反應性維護，無法應對設備實時工況中因振動、過載、過熱等因素導致的壽命降低問題，難以有效實現預測性維護。當前活性炭炭化車間採用西門子預測分析系統，利用多源數據與多傳感器數據融合，以機器學習、自然語言處理、知識圖譜等人工智慧技術為工具，藉助歷史數據積累經驗，對設備運行狀態進行評估，實現故障風險的預測預警與智能診斷，減少關鍵設備非計劃性停車風險，降低運維成本，提高生產效率。

  該預測分析系統模型的建立與更新流程如下：提煉車間數據特徵，考慮各監測點之間的相互耦合關係，並賦予一定隸屬度的耦合深度;通過人工覆核給出正負結果反饋，不斷優化更新模型。模型數據源主要來自各類型傳感器，包括電流、電壓、振動、溫度、氣體類傳感器，重點針對核心設備開展預測維護，例如監測風機平穩運行的電流電壓波動、軸承溫度、振動情況，以及迴轉窯爐燃氣成分、尾氣成分等。通過長期積累關鍵數據建立模型，依據模型對設備工況進行綜合研判，並結合人工覆核持續更新模型。

  需要注意的是，傳感器可靠性是模型準確性的基礎。若傳感器或其他數據源因停機、儀器退化、噪聲、故障等原因導致測量值不準確或錯誤，可能引發預測錯誤，出現誤報或錯過緊急維護窗口期。因此，在應用預測性維護算法前，必須對數據進行清理，避免過度維護。

  五、活性炭炭化車間控制系統軟體流程的開發

  控制系統以 TIA portal V17 為軟體平台，通過功能規劃、組態設備、定義變量、建立程序框架、控制算法編程、建立通信的開發流程實現，涵蓋廠區系統總控與設備單獨控制，以下為核心控制工藝流程：

  (一)系統啟動控制流程

  系統啟動需按特定順序進行：先啟動迴轉窯，再啟動燃燒室，完成烘爐操作後，依次啟動烘乾及上料系統、太陽能及餘熱鍋爐系統、冷卻及入倉系統，確保各系統協同運行，避免啟動順序混亂導致設備故障或生產異常。

  (二)冷卻系統控制流程

  冷卻系統啟動後，同步啟動入倉皮帶秤，實時記錄入倉重量;通過計算偏差值，不斷更新相關數據，確保冷卻過程穩定，物料溫度控制在目標範圍(冷卻至 40℃)，保障後續入倉環節的物料質量。

  (三)烘乾機控制流程

  烘乾機採用自動控制模式，啟動後實時記錄入料重量，並設定目標溫度與目標濕度。運行過程中，若監測溫度低於目標溫度，增大煙氣風量;若監測濕度高於目標濕度，打開排氣裝置;同時根據需要打開補氣裝置，通過溫度與濕度的協同控制，實現烘乾效果與預炭化目標的平衡。其中，烘乾機濕度控制採用二位式控制算法，溫度控制採用增量式 PID 控制算法，通過判斷增量 Δu 的正負，分別調節空氣流量或煙氣流量，確保溫度穩定。

  (四)炭化迴轉窯及燃燒室控制流程

  炭化迴轉窯啟動後，先設定爐頭溫度與爐頭壓力目標值，輸入引風機流量與鼓風機流量初始參數。由於爐頭溫度、爐頭壓力與引風機風量、鼓風機風量之間存在雙輸入雙輸出耦合關係，採用帶前饋補償的 Smith 預估解耦控制算法，將其解耦為鼓風機→爐頭溫度、引風機→爐尾壓力的單輸入單輸出控制關係，再通過模糊控制算法實現對爐頭溫度和爐頭壓力的精準控制，保障炭化過程穩定，提升活性炭產品質量。

  六、全文總結

  2025年活性炭行業在低碳節能與智能化轉型的推動下，針對煤基活性炭炭化車間的傳統生產痛點，通過深入分析炭化工藝，梳理出水、煙氣、炭化物料三條核心生產主線，以數位化、信息化、智能化為目標，優化了活性炭炭化生產工藝，構建了涵蓋烘乾及上料、太陽能及餘熱鍋爐、迴轉窯、篩選及冷卻、能源管理、預測性維護、智慧計量管理七個系統的智能管理控制系統。

  該控制系統以多台 PLC 與 SCADA 系統為核心，採用 Profinet 總線技術(連接至少 256 個節點，循環周期 1ms)與基於 RS485 總線的 Modbus-RTU 串行協議(連接至少 32 個節點)搭建控制網絡，結合星原物聯網透傳網關實現遠程運維與監控;通過智慧計量系統建立質量與能量平衡關係，實時監測損耗並預警;藉助預測分析系統(基於多傳感器數據與人工智慧技術)實現關鍵設備故障預測;軟體層面以 TIA portal V17 為平台，採用增量式 PID、Smith 預估解耦、模糊控制等算法，保障各系統穩定運行。

  整套管理控制系統不僅滿足了當前活性炭炭化車間物料管理與能源管理的數位化、智能化需求，還為活性炭行業智能化車間建設提供了可借鑑的技術方案，助力行業實現節能增效、降低運營成本的目標，推動2025年活性炭行業技術水平的整體提升。